CuY催化剂中气体吸附—反应—扩散的理论研究

碳酸二甲酯（DMC）是以煤化工为基础的一种环境友好型下游产品,可作为油品添加剂、溶剂、甲基化和羰基化试剂等,用途极为广泛。甲醇气相氧化羰基化法制备DMC是一条反应热力学平衡常数较大的非光气绿色合成路线,其中CuY分子筛催化剂无氯,不易造成设备腐蚀和催化剂失活,成为关注的焦点。CuY催化剂经过高温焙烧活性中心容易迁移到小笼中,采取引入碱金属阳离子于Y分子筛中,而助剂碱金属对Cu Y催化剂活性组分Cu周围环境的改变及催化活性的影响机制尚不清楚。目前合成碳酸二甲酯的反应体系中存在甲醇转化率低及产物分布的问题,反应物和产物在分子筛型催化剂中的吸附扩散行为对反应的影响不清楚。本文选用密度泛函理论计算探究碱金属阳离子对CuY催化合成碳酸二甲酯性能的影响。选用CuY/CuLiY分子筛为研究模型,采用蒙特卡洛模拟与分子动力学模拟相结合的方法,研究了反应物甲醇和CO在分子筛中的吸附扩散行为,探讨了温度、压力及进料比对气体运移行为的影响;研究了产物DMC、二甲氧基甲烷（DMM）和甲酸甲酯（MF）在分子筛中的扩散行为,考察了温度、负载量等对产物扩散行为的影响,为设计新型和改性CuY催化剂提供理论线索。论文主要得到以下结论:（1）碱金属阳离子Li+、Na+和K+稳定落位在Y分子筛小笼中,Rb+落位在Y分子筛的超笼中。提前引入碱金属阳离子Li+、Na+和K+于小笼中,可以使更多的活性中心Cu+落位在超笼中,与Cu+产生协同作用,通过影响Cu+对反应物种和反应中间体的吸附,cumy分子筛催化剂提高了反应的催化活性,culiy分子筛的催化性能最好。（2）当压力小于304kpa时甲醇在cuy分子筛中的吸附量迅速增加到接近饱和吸附量,继续升高压力至2027kpa,吸附量增加缓慢,co的吸附行为表现为饱和吸附量随着压力的增加呈线性增加。同一压力下,甲醇和co的饱和吸附量随着温度的逐渐提高而降低。常压下413k时,甲醇和co在cuy分子筛中的吸附量分别为272.47和7.95n/u.c.。culiy分子筛对甲醇的吸附量影响不大,culiy分子筛对co的吸附量有所提高。（3）甲醇的扩散系数随着温度的升高而逐渐增大,随着压力的增加,甲醇的扩散系数逐渐降低。随着温度的升高co的扩散系数增加缓慢,随着压力的升高,co的扩散系数逐渐减小。co的扩散系数数量级比甲醇的扩散系数高2个。甲醇和CO在CuY分子筛中的扩散活化能分别为14.26kj·mol-1和2.98kj·mol-1。高温低压有利于反应物的扩散。（4）主产物dmc在分子筛中的扩散系数随着温度的升高而增大,随着负载量的增加而减小,dmm与dmc有类似的扩散规律。mf在分子筛中的扩散系数随着温度的升高而增大,mf的扩散系数随着负载量的增加呈先增加后减小的趋势。三种产物dmc、dmm和mf在culiy分子筛中的扩散系数均比cuy分子筛大。dmc在cuy和culiy分子筛的扩散活化能分别为17.79kj·mol-1和11.61kj·mol-1,dmm和mf在cuy分子筛的扩散活化能分别为19.28kj·mol-1和19.98kj·mol-1,在culiy分子筛中的扩散活化能分别为12.43kj·mol-1和21.60kj·mol-1,相比较dmc在分子筛中的扩散活化能均较小。（5）温度为413 K时,三种产物DMC、DMM和MF同时在CuY/CuLiY分子筛中的扩散行为表现为:三种产物在CuY分子筛中的扩散系数大小为Ds（DMC）>Ds（MF）>Ds（DMM）,在CuLiY分子筛中的扩散系数大小为Ds（DMC）>Ds（DMM）>Ds（MF）。表明DMC的扩散性能最好,从扩散角度解释实验中DMC为主产物的原因。（6）三种产物DMC、DMM和MF含量不同时在CuY分子筛中的扩散系数为Ds（DMC）>Ds（DMM）>Ds（MF）,表明DMC的扩散性能优于DMM和MF,三种产物在CuLiY分子筛中的扩散系数均高于在CuY分子筛中。