乙烯和丙烯是重要的化工基础原料,乙烯主要通过石化产品裂解得到,大部分丙烯来自于蒸汽裂解和催化裂化的副产物。传统的石油生产路线不能满足低碳烯烃需求,同时由于石油资源有限,非石油路线制取低碳烯烃受到关注。甲醇制烯烃(MTO)技术可高效地将甲醇转化为低碳烯烃,乙烯和丙烯选择性达80%左右,但仍会副产较多的C4、C5烯烃。本文以MTO反应产物中C4、C5烯烃作为原料,采用HZSM-5分子筛催化剂,重点考察了硅铝比、磷改性、镍改性和铁改性对催化剂结构、酸碱性和催化性能的影响,在等温积分固定床反应器中对C4、C5烯烃催化裂解动力学进行了研究,并对C4、C5烯烃催化裂解绝热式和连续换热式固定床反应器进行了数学模拟。研究了硅铝比和磷改性对催化剂性能的影响。在不同硅铝比HZSM-5分子筛上进行磷浸渍改性。与其他硅铝比分子筛相比,硅铝比为50的分子筛浸渍磷后,丙烯选择性提高明显。在硅铝比为50的HZSM-5分子筛上浸渍不同含量的磷,结果表明,由于磷含量增加,减少了催化剂Br(?)nsted酸,降低酸强度,因此丁烯初始转化率下降,同时抑制氢转移反应,促使丁烯齐聚生成的辛基碳正离子中间体裂解为丙烯,提高丙烯选择性。催化剂反应稳定性随磷含量增加而提高,磷含量为3%时,丁烯转化率基本稳定。研究了镍、铁对磷改性HZSM-5分子筛催化剂性能的影响。在磷含量为3%的3P-50HZ催化剂上,浸渍添加了不同含量镍。镍与磷相互作用,破坏了部分磷浸渍形成的Al-O-P键,增加四配位骨架铝含量。Py-IR结果表明,镍浸渍不仅可以提高Br(?)nsted酸含量和强度,还形成了新Lewis酸中心,从而提高了催化剂在丁烯催化裂解反应中的催化活性。催化剂酸性提高,促使戊烯裂解,增加乙烯和丙烯的选择性,但也有利于氢转移反应,并促进辛基碳正离子中间体裂解为乙烯,因此镍含量较高时,丙烯选择性略有降低。磷改性HZSM-5分子筛中添加镍会影响催化剂稳定性。在3P-50HZ催化剂上浸渍铁后,分子筛中多聚磷酸盐和磷酸铝含量减少,四配位骨架铝增多,Br(?)nsted酸酸性增强,在丁烯催化裂解反应中提高了催化剂活性,增加了丙烯和乙烯的选择性。对于铁浸渍的磷改性催化剂,丙烯选择性和反应稳定性优于镍浸渍的改性催化剂。改变铁磷改性HZSM-5分子筛中磷含量,发现铁、磷含量分别为2%和4%时的2Fe/4P-50HZ催化剂性能最优,反应稳定性良好,在丁烯裂解中丙烯选择性可达60%。C4、C5烯烃裂解反应采用2Fe/4P-50HZ作为催化剂,丙烯和乙烯选择性分别达到65%和15%,反应稳定性良好。研究了反应条件对C4、C5烯烃催化裂解反应的影响。反应温度对C4、C5烯烃转化率和产物选择性影响最大。反应温度升高,丁烯双分子裂解反应受到抑制,转化率降低,但促进单分子裂解反应,戊烯转化率提高。温度升高有利于中间产物C6+烃类裂解,抑制氢转移反应,提高乙烯和丙烯的选择性。空速增加,丁烯和戊烯转化率均下降。水烃比增加,反应物分压减小,丁烯转化率明显降低。在反应温度490-610℃、空速3-15h-1、水烃比0.18-0.9范围内,对2Fe/4P-50HZ催化剂上C4、Cs烯烃催化裂解反应的动力学进行了研究,建立了六集总动力学模型,涉及烯烃裂解反应中的齐聚、裂解和氢转移反应。使用全局麦夸特算法进行参数估值,获得动力学模型参数。统计检验表明,该集总动力学模型是适宜的,集总组分摩尔分率Xi的模型计算值和实验值吻合良好。以六集总动力学模型为基础,采用绝热式和连续换热式固定床反应器型式,建立了一维拟均相C4、Cs烯烃催化裂解固定床反应器数学模型,模拟计算反应器内集总组分浓度分布和床层轴向温度分布,并考察工艺条件对反应结果的影响。模拟结果表明,在反应器入口处,催化剂床层温度升高,反应产物主要为C6+烃类,随床层高度增加,C6+烃类和戊烯逐渐裂解为丙烯和乙烯,催化剂床层温度降低。连续换热固定床反应器内,烟道气逆流换热,使催化剂床层温度保持在有利于丙烯生成的范围内,丙烯选择性优于绝热固定床反应器。