Regeneration of catalysts deactivated by coke deposition: A review

doi:10.1016/S1872-2067(20)63552-5

Abstract

Abstract: In industrial catalytic processes, coke deposition can cause catalyst deactivation by covering acid sites and/or blocking pores. The regeneration of deactivated catalysts, thereby removing the coke and simultaneously restoring the catalytic activity, is highly desired. Despite various chemical reactions and methods are available to remove coke, developing reliable, efficient, and economic regeneration methods for catalytic processes still remains a challenge in industrial practice. In this paper, the current progress of regeneration methods such as oxidation (air, ozone and oxynitride), gasification (carbon dioxide and water steam), and hydrogenation (hydrogen) is reviewed, which hopefully can shed some light on the design and optimization of catalysts and the related processes.

Key words: Catalyst, Coke, Deactivation, Regeneration, Oxidation, Gasification, Hydrogenation

Jibin Zhou, Jianping Zhao, Jinling Zhang, Tao Zhang, Mao Ye, Zhongmin Liu. Regeneration of catalysts deactivated by coke deposition: A review[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2020, 41(7): 1048-1061.

×
share this article

Add to citation manager EndNote|Ris|BibTeX

URL: https://www.cjcatal.com/EN/10.1016/S1872-2067(20)63552-5

https://www.cjcatal.com/EN/Y2020/V41/I7/1048

References

[1] M. Guisnet, F. R. Ribeiro, Deactivation and Regeneration of Zeolite Catalysts, Imperial College Press, London, 2011.
[2] M. D. Argyle, C. H. Bartholomew, Catalsts, 2015, 5, 145-269.
[3] C. H. Bartholomew, M. D. Argyle, Catalsts, 2015, 5, 949-954.
[4] C. H. Bartholomew, Appl. Catal. A, 2001, 212, 17-60.
[5] S. T. Sie, Appl. Catal. A, 2001, 212, 129-151.
[6] P. Dufresne, Appl. Catal. A, 2007, 322, 67-75.
[7] D. L. Trimm, Appl. Catal. A, 2001, 212, 153-160.
[8] C. H. Bartholomew, Catalyst Deactivation and Regeneration, 5nd ed., Provo, 2000, 5, 255-232.
[9] M. Guisnet, P. Magnoux, Catal. Today, 1997, 36, 477-483.
[10] M. Guisnet, L. Costa, F. R. Ribeiro, J. Mol. Catal. A, 2009, 305, 69-83.
[11] M. Guisnet, P. Magnoux, Stud. Surf. Sci. Catal., 1994, 88, 53-68.
[12] M. Guisnet, P. Magnoux, Appl. Catal. A, 2001, 212, 83-96.
[13] A. de Lucas, P. Canizares, A. Durán, A. Carrero, Appl. Catal. A, 1997, 156, 299-317.
[14] S. S. Gao, S. T. Xu, Y. X. Wei, Q. L. Qiao, Z. C. Xu, X. Q. Wu, M. Z. Zhang, Y. L. He, S. L. Xu, Z. M. Liu, J. Catal., 2018, 367, 306-314.
[15] S. S. Arora, D. L. S. Nieskens, A. Malek, A. Bhan, Nat. Catal., 2018, 1, 666-672.
[16] X. B. Zhao, J. Z. Li, P. Tian, L. Y. Wang, X. Li, S. F. Lin, X. W Guo, Z. M. Liu, ACS Catal., 2019, 9, 3017-3025.
[17] S. Mahamulkar, K. Yin, P. K. Agrawal, R. J. Davis, C. W. Jones, A. Malek, H. Shibata, Ind. Eng. Chem. Res., 2016, 55, 9760-9818.
[18] C. A. Querini, Catal. Today, 2000, 62, 135-143.
[19] L. Carlton, R. G. Copperthwaite, G. J. Hutchings, E. C. Reynhardt, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1986, 1008-1010.
[20] H. A. Abdullah, A. Hauser, F. A. Ali, A. Al-Adwani, Energy Fuel, 2006, 20, 320-323.
[21] R. Cortés-Torres, E. Y. Nolasco-Terrón, O. Olea-Mejia, V. Varela-Guerrero, C. E. Barrera-Díaz, E. Cuevas-Yañez, Catal. Today, 2018, 305, 126-132.
[22] A. Baiker, Chem. Rev., 1999, 99, 453-474.
[23] L. M. Petkovic, D. M. Ginosar, K. C. Burch, J. Catal., 2005, 234, 328-339.
[24] L. M. Petkovic, D. M. Ginosar, D. N. Thompson, K. C. Burch, ACS Sym. Ser., 2007, 13,169-179.
[25] M. Y. He, Y. H. Sun, B. X. Han, Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 9620-9633.
[26] F. Bauer, H. Ernst, E. Geidel, R. Schödel, J. Catal., 1996, 164, 146-151.
[27] S. J. Jong, A. R. Pradhan, J. F. Wu, T. C. Tsai, S. B. Liu, J. Catal., 1998, 174, 210-218.
[28] J. O. Barth, A. Jentys, J. A. Lercher, Ind. Eng. Chem. Res., 2004, 43, 3097-3104.
[29] B. Behera, S. S. Ray, Catal. Today, 2009, 141, 195-204.
[30] C. Kern, A. Jess, Chem. Eng. Sci., 2005, 60, 4249-4264.
[31] P. Tian, Y. X. Wei, M. Ye, Z. M. Liu, ACS Catal., 2015, 5, 1922-1938.
[32] L. Y. Jia, A. Farouha, L. Pinard, S. Hedan, J. D. Comparot, A. Dufour, K. B. Tayeb, H. Vezin, C. Batiot-Dupeyrat, Appl. Catal. B, 2017, 219, 82-91.
[33] M. H. Lei, F. Lesage, M. A. Latifi, S. Tretjak, Comp.-Aided. Chem. Eng., 2015, 37, 335-340.
[34] M. D. P. Sørensen, Chem. Eng. Sci., 2017, 168, 465-479.
[35] P. Magnoux, M. Guisnet, Appl. Catal., 1988, 38, 341-352.
[36] G. A. D. Nassionou, P. Magnoux, M. Guisnet, Microporous Mesoporous Mater., 1998, 22, 389-398.
[37] K. Moljord, P. Magnoux, M. Guisnet, Appl. Catal. A, 1995, 121, 245-259.
[38] A. T. Aguayo, A. G. Gayubo, J. Ereña, A. Alaitz, J. Bilbao, Ind. Eng. Chem. Res., 2003, 42. 3914-3921.
[39] A. T. Aguayo, A. G. Gayubo, A. Atutxa, M. Olazar, J. Bilbao, J. Chem. Technol. Biotechnol., 1999, 74, 1082-1088.
[40] J. M. Ortega, A. G. Gayubo, A. T. Aguayo, P. L. Benito, J. Bilbao, Ind. Eng. Chem. Res., 1997, 36, 60-66.
[41] N. Zhu, Y. Liu, Y. Wang, F. Q. Chen, X. L. Zhan, Ind. Eng. Chem. Res., 2009, 49, 89-93.
[42] K. Moljord, P. Magnoux, M. Guisnet, Catal. Lett., 1994, 28, 53-59.
[43] T. J. Keskitalo, K. J. T. Lipiäinen, A. O. I. Krause, Ind. Eng. Chem. Res., 2006, 45, 6458-6467.
[44] Y. Nakasaka, T. Tago, H. Konno, A. Okabe, T. Masuda, Chem. Eng. J., 2012, 207, 368-376.
[45] S. B. He, J. Q. Li, B. Wang, X. H. Dai, C. L. Sun, Z. W. Bai, Q. Guo, K. Seshan, Appl. Catal. A, 2016, 513, 82-88.
[46] C. A. Querini, S. C. Fung, Appl. Catal. A, 1994, 117, 53-74.
[47] S. Kim, E. Sasmaz, J. Lauterbach, Appl. Catal. B, 2015, 168, 212-219.
[48] M. R. H. Siddiqui, S. Holmes, H. He, W. Smith, E. N. Coker, M. P. Atkins, I. V. Kozhevnikov, Catal. Lett., 2000, 66, 53-57.
[49] I. V. Kozhevnikov, S. Holmes, M. R. H. Siddiqui, Appl. Catal. A, 2001, 214, 47-58.
[50] C. L. Pieck, R. J. Verderone, E. L. Jablonski, J. M. Parera, Appl. Catal., 1989, 55, 1-10.
[51] C. L. Pieck, J E. L. Jablonski, R. J. Verderone, J. M. Grau, J. M. Parera, Catal. Today, 1989, 5, 463-472.
[52] A. T. Aguayo, J. Ereña, I. Sierra, M. Olazar, J. Bilbao, Catal. Today., 2005, 106, 265-270.
[53] T. Furusawa, Y. Miura, Y. Kori, M. Sato, N. Suzuki, Catal. Commun., 2009, 10, 552-556.
[54] P. Lu, Q. X. Huang, Y. Chi, J. H. Yan, Energy Fuels, 2017, 31, 8283-8290.
[55] G. J. Hutchings, R. G. Copperthwaite, T. Themistocleous, G. A. Foulds, A. S. Bielovitch, B. J. Loots, G. Nowitz, P. Van Eck, Appl. Catal., 1987, 34, 153-161.
[56] J. Biswas, I. E. Maxwell, Appl. Catal., 1990, 63, 197-258.
[57] C. Royo, J. M. Perdices, A. Monzon, J. Santamaria, Ind. Eng. Chem. Res., 1996, 35, 1813-1823.
[58] R. G. Copperthwaite, G. J. Hutchings, P. Johnston, S. W. Orchard, J. Chem. Soc. Farad. Trans 1., 1986, 82, 1007-1017.
[59] P. S. Monneyron, S. Mathe, M. H. Manero, J. N. Foussard, Chem. Eng. Res. Des., 2006, 81, 289-295.
[60] C. L. Pieck, C. A. Querini, J. M. Parera, Appl. Catal. A, 1997, 165, 207-218.
[61] L. Mariey, J. Lamotte, T. Chevreau, J. C. Lavalley, React. Kinet. Catal. Lett., 1996, 59, 241-246.
[62] C. L. Pieck, E. L. Jablonski, J. M. Parera, Stud. Surf. Sci. Catal., 1994, 88, 289-295.
[63] C. L. Pieck, C. R. Vera, C. A. Querini, J. M. Parera, Appl. Catal. A, 2005, 278, 173-180.
[64] R. Richard, C. Julcour, M. H. Manero, Ozone-Sci. Eng., 2017, 39, 366-373.
[65] S. Khangkham, C. Julcour-Lebigue, S. Damronglerd, C. Ngamcharussrivichai, M. H. Manero, H. Delmas, Appl. Catal. B, 2013, 140, 396-405.
[66] P. Monneyron, S. Mathé, M. H. Manero, J. N. Foussard, Chem. Eng. Res. Des., 2003, 81, 1193-1198.
[67] D. P. Ivanov, V. I. Sobolev, G. I. Panov, Appl. Catal. A, 2003, 241, 113-121.
[68] K. Barbera, S. Sørensen, S. Bordiga, J. Skibsted, H. Fordsmand, P. Beato, T. V. Janssens, Catal. Sci. Technol., 2012, 2, 1196-1206.
[69] L. F. de Mello, R. D. Pimenta, G. T. Moure, O. R. Pravia, L. Gearhart, P. B. Milios, T. Melien, Energy. Procedia., 2009, 1, 117-124.
[70] L. Tavares dos Santos, F. M. Santos, R. S. Silva, T. S. Gomes, P. M. Esteves, R. D. Pimenta, S. M. Menezes, O. R. Chamberlain, Y. L. Lam, M. M. Pereira, Appl. Catal. A, 2008, 336, 40-47.
[71] S. C. Pereira, F. Franco, F. Ribeiro, N. Batalha, M. M. Pereira, Appl. Catal. B, 2016, 196, 117-126.
[72] A. Corma, L. Sauvanaud, E. Doskocil, G. Yaluris, J. Catal., 2011, 279, 183-195.
[73] G. Tian, G. Wang, C. M. Xu, J. S. Gao, Energy Fuels, 2014, 28, 1372-1379.
[74] M. B. Ansari, S. E. Park, Energy Environ. Sci., 2012, 5, 9419-9437.
[75] T. C. da Silva, R. P. dos Santos, N. Batalha, M. M. Pereira, Catal. Commun., 2014, 51, 42-45.
[76] M. Kawakami, T. Karato, T. Takenaka, S. Yokoyama, ISIJ Int., 2005, 45, 1027-1034.
[77] R. Khalil, G. Várhegyi, S. Jåschke, M. G. Grønli, J. Hustad, Energy Fuels, 2008, 23, 94-100.
[78] P. Lahijani, Z. A. Zainal, M. Mohammadi, A. R. Mohamed, Renew. Sust. Energy Rev., 2015, 41, 615-632.
[79] J. Hunt, A. Ferrari, A. Lita, M. Crosswhite, B. Ashley, A. E. Stiegman, J. Phys. Chem. C, 2013, 117, 26871-26880.
[80] X. D. Xu, J. A. Moulijn, Energy Fuels, 1996, 10, 305-325.
[81] M. Mikkelsen, M. Jørgensen, F. C. Krebs, Energy Environ. Sci., 2010, 3, 43-81.
[82] S. M. Campbell, D. M. Bibby, J. M. Coddington, R. F. Howe, R. H. Meinhold, J. Catal., 1996, 161, 338-349.
[83] M. Müller, G. Harvey, R. Prins, Microporous Mesoporous Mater., 2000, 34, 135-147.
[84] C. S. Triantafillidis, A. G. Vlessidis, N. P. Evmiridis, Ind. Eng. Chem. Res., 2000, 39, 307-319.
[85] S. Ergun, J. Phys. Chem., 1956, 60, 480-485.
[86] S. R. Kelemen, H. Freund, J. Catal., 1986, 102, 80-91.
[87] H. Freund, Fuel., 1986, 65, 63-66.
[88] G. Tian, G. Wang, C. M. Xu, J. S. Gao, Ind. Eng. Chem. Res., 2013, 52, 16737-16744.
[89] D. D. Feng, Y. Zhang, Y. J. Zhao, S. Z. Sun, J. M. Gao, Fuel Process. Technol., 2018, 172, 106-114.
[90] S. R. Mirzabekova, G. T. Farkhadova, A. K. Mamedov, M. I. Rustamov, React. Kinet. Catal. Lett., 1992, 48, 225-231.
[91] A. L. Sun, Z. F. Qin, J. G. Wang, Appl. Catal. A, 2002, 234, 179-189.
[92] T. C. D. Silva, J. F. Pinto, F. M. Santos, L. T. D. Santos, D. A. G. Aranda, F. Ribeiro, N. Batalha, M. M. Pereira, Appl. Catal. B, 2015, 164, 225-233.
[93] S. C. Pereira, M. F. Ribeiro, N. Batalha, M. M. Pereira, Greenh. Gases:Sci. Technol., 2017, 7, 843-851.
[94] P. O'Connor, A. C. Pouwels, Stud. Surf. Sci. Catal., 1994, 88, 129-144.
[95] J. Sehested, Catal. Today, 2006, 111, 103-110.
[96] Q. L. Xu. F. Peng, Q. Wei, H. Kai, S. Z. Xin, Y. J, Yan, Int. J. Hydrogen Energy, 2019, 44, 10277-10285.
[97] L. Bednarczuk, P. Ramirez de la Piscina, N. Homs, Int. J. Hydrogen Energy, 2015, 40, 5256-5263.
[98] L. Bednarczuk, P. Ramirez de la Piscina, N. Homs, Int. J. Hydrogen Energy, 2016, 41, 19509-19517.
[99] B. Rego de Vasconcelos, D. P. Minh, P. Sharrock, A. Nzihou, Catal. Today, 2018, 310, 107-115.
[100] S. Takenaka, K. Otsuka, Chem. Lett., 2001, 218-219.
[101] S. Takenaka, K. Otsuka, Y. Tomikubo, K. Otsuka, J. Catal., 2003, 219, 176-185.
[102] S. Takenaka, Y. Tomikubo, E. Kato, K. Otsuka, Fuel, 2004, 83, 47-57.
[103] D. B. Ingram, U. P. Paul, US 9664385, 2017.
[104] F. Alenazey, C. G. Cooper, C. B. Dave, S. S. E. H. Elnashaie, A. A. Susu, A. A. Adesina, Catal. Commun., 2009, 10, 406-411.
[105] B. Marchon, W. T. Tysoe, J. Carrazza, H. Heinemann, G. A. Somorjai, J. Phys. Chem., 1988, 92, 5744-5749
[106] W. P. Hettinger Jr, Catal. Today, 1999, 53, 367-384.
[107] T. Zhang, M. D. Amiridis, Appl. Catal. A, 1998, 167, 161-172.
[108] T. Takarada, Y. Tamai, A. Tomita, Fuel, 1985, 64, 1438-1442.
[109] A. Molina, F. Mondragon, Fuel, 1998, 77, 1831-1839.
[110] E. G. Baker, L. K. Mudge, M. D. Brown, Ind. Eng. Chem. Res., 1987, 26, 1335-1339.
[111] J. Wang, M. Jiang, Y. Yao, Y. Zhang, J. Cao, Fuel, 2009, 88, 1572-1579.
[112] H. de Lasa, E. Salaices, J. Mazumder, R. Lucky, Chem. Rev., 2011, 111, 5404-5433.
[113] M. F. Irfan, M. R. Usman, K. Kusakabe, Energy, 2011, 36, 12-40.
[114] Y. M. Zhang, D. P. Yu, W. L. Li, Y. Wang, S. Q. Gao, G. W. Xu, Ind. Eng. Chem. Res., 2012, 46, 15032-15040.
[115] Y. M. Zhang, D. P. Yu, W. L. Li, S. Q. Gao, G. W. Xu, H. Q. Zhou, J. Chen, Appl. Energy, 2013, 112, 1318-1325.
[116] Y. M. Zhang, G. Q. Sun, S. Q. Gao, G. W. Xu, Procedia Eng., 2015, 102, 1758-1765.
[117] M. Sahimi, T. T. Tsotsis, Chem. Eng. Sci., 1988, 43, 113-121.
[118] Y. M. Zhang, D. P. Yu, W. L. Li, S. Q. Gao, G. W. Xu, Fuel, 2014, 117, 1196-1203.
[119] Y. M. Zhang, M. Q. Yao, G. Q. Sun, S. Q. Gao, G. W. Xu, Ind. Eng. Chem. Res., 2014, 53, 6316-6324.
[120] Y. M. Zhang, L. Huang, X. C. Zhang, G. Q. Sun, S. Q. Gao, S. Zhang, Energy Fuels, 2017, 31, 7438-7444.
[121] R. Y. Tang, Y. Y. Tian, Y. Y. Qiao, H. F. Zhou, G. M. Zhao, Fuel Process. Technol., 2016, 153, 1-8.
[122] J. H. Zhang, Y. J. Che, Z. B. Wang, Y. Y. Qiao, Y. Y. Tian, Energy Fuels, 2016, 30, 6701-6711.
[123] R. Y. Tang, M. Yuan, K. F. Liu, J. T. Zhang, Y. Y. Tian, J. Energy Inst., 2019, 92, 1936-1943.
[124] C. H. Collett, J. Mcgregor, Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 363-378.
[125] J. B. Zhou, J. L. Zhang, Y. C. Zhi, J. P. Zhao, T. Zhang, M. Ye, Z. M. Liu, Ind. Eng. Chem. Res., 2018, 57, 17338-17347.
[126] P. Magnoux, H. S. Cerqueira, M. Guisnet, Appl. Catal. A, 2002, 235, 93-99.
[127] R. Klingmann, R. Josl, Y. Traa, R. Gläser, J. Weitkamp, Appl. Catal. A, 2005, 281, 215-223.
[128] H. Schulz, M. Wei, Microporous Mesoporous Mater., 1999, 29, 205-218.
[129] P. Marecot, S. Peyrovi, D. Bahloul, J. Barbier, Appl. Catal., 1990, 66, 181-190.
[130] P. L. Walker Jr, S. Matsumoto, T. Hanzawa, T. Muira, I. M. K. Ismail, Fuel, 1983, 62, 140-149.
[131] S. J. Han, S. K. Kim, A. Hwang, S. Kim, D. Y. Hong, G. Kwak, K. W. Jun, Y. T. Kim, Appl. Catal. B, 2019, 241, 305-318.
[132] F. Bauer, W. H. Chen, Q. Zhao, A. Freyer, S. B. Liu, Microporous Mesoporous Mater., 2001, 47, 67-77.
[133] A. Benamar, Z. Bechket, Y. Boucheffa, A. Miloudi, C. R. Chim., 2009, 12, 706-715.
[134] N. S. Gnep, M. L. M. de Armando, M. Guisnet, React. Kinet. Catal. Lett., 1980, 13, 183-189.
[135] T. C.Tsai, Appl. Catal. A, 2006, 301, 292-298.
[136] Z. M. George, P. Mohammed, R Tower, In:Proceedings of the 9th International Congress on Catalysis, 1988, 230-237.
[137] V. L. S. Teixeira da Silva, F. P. Lima, L. C. Dieguez, M. Schmal, Ind. Eng. Chem. Res., 1998, 37, 882-886.
[138] C. E. Snape, M. C. Diaz, Y. R. Tyagi, S. C. Martin, R. Hughes, Stud. Surf. Sci. Catal., 2001, 139, 359-365.
[139] R. Josl, R. Klingmann, Y. Traa, R. Gläser, J. Weitkamp, Catal. Commum., 2004, 5, 239-241.
[140] C. Y. Sun, J. Y Luo, M. J. Cao, P. Zheng, G. C. Li, J. H. Bu, Z. Cao, S. H. Chen, X. W. Xie, J. Energy Chem., 2018, 27, 311-318.
[141] M. S. Zanuttini, M. A. Peralta, C. A. Querini, Ind. Eng. Chem. Res., 2015, 54, 4929-4939.
[142] K. Honda, T. Yoshida, Z. G. Zhang, Catal. Commum., 2003, 4, 21-26.
[143] Y. Y. Shu, H. T. Ma, R. Ohnishi, M. Ichikawa, Chem. Commum., 2003, 1, 86-87.
[144] P. Yan, Z. G. Zhang, D. P. Li, X. Cheng, X. Z. Zhang, F. Yang, C. F. Huang, X. X. Ma, Chin. J. Chem. Eng., 2018, 26, 1928-1936.
[145] Z. G. Zhang, Carbon Resources Conversion., 2019, 808, 2588-9133.
[146] C. Y. Sun, G. Z. Fang, X. G. Guo, Y. L. Hu, S. Q. Ma, T. H. Yang, J. Han, H. Ma, D. L. Tan, X. H. Bao, J. Energy Chem., 2015, 24, 257-263.
[147] Y. B. Xu, J. Y. Lu, J. D. Wang, Y. Suzuki, Z. G. Zhang, Chem. Eng. J., 2011, 168, 390-402.
[148] Y. B. Xu, Y. Song, Z. G. Zhang, Catal. Today, 2017, 279, 115-123.