CN101722035A - 具有形状择形功能的催化剂 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有形状择形功能的催化剂,主要解决以往择形催化剂普遍存在的择形功能难以实现,分子筛必须经修饰后才具有择形功能,且修饰后催化剂活性较低的问题。本发明通过采用一种具有形状择形功能的催化剂,以重量份数计包括以下组分,a)5~95份的核壳型分子筛材料,b)5~95份的粘合剂,其中核壳型分子筛的核相选自ZSM-5、ZSM-11、ZSM-35、ZSM-48、β、丝光沸石、MCM-22或磷铝分子筛,壳层分子筛为连续致密的ZSM-5晶粒的技术方案较好地解决了该问题。可用于甲苯选择性歧化和甲苯甲基化芳烃的工业生产中。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有形状择形功能的催化剂,更进一步说,本发明是关于一种以高硅铝比或纯硅壳层的核壳型分子筛作为主要活性成份的具有形状择形功能的催化剂。
背景技术
沸石分子筛包含规整的纳米孔道,酸性可调,自上世纪六十年代以来,已被广泛应用于石油炼制和化工领域,如催化裂化、催化重整、歧化、烷基转移、异构化和烷基化等催化反应过程。随着沸石催化技术的不断发展,人们对沸石分子筛催化剂的催化性能提出了越来越高的要求。择形催化是1960年Weisz和Frilette在研究小孔沸石的催化反应过程中首先提出的一个概念,用来描述分子筛的独特催化性能,他们发现以分子筛作催化剂时,反应主要是在晶内进行,而且也只有那些大小和形状与沸石孔道相匹配,能够扩散进入通道的分子才能成为反应物和产物,从而具有了择形性。尤其是1970年以后,美国Mobil公司宣布合成了新型的中孔沸石ZSM-5系列分子筛,并作为择形催化剂使用后,取得了良好的效果。沸石晶粒内外表面均包含固体酸性位,随着沸石晶粒大小变化,外表面的羟基酸性位通常占到总酸性位的3~5%,无空间局域限制的外表面酸性位不具有择形催化性能。由于反应物择形、产物择形和过渡态择形等效应,沸石纳米孔道内酸性位可发挥择形催化功能。
沸石分子筛的外表面修饰改性以及孔口修饰可显著提高沸石催化剂的选择性,通常采用如酸处理选择去除外表面酸性位法、外表面有机官能化法、金属和稀土氧化物改性法、SiO2的化学气相沉积(CVD)和化学液相沉积(CLD)方法等。沸石分子筛的外表面功能化是沸石分子筛择形性控制的一个重要进步。文献美国专利US5367099、中国专利00119770.3和200410067614.8的报道中,通过选用具有热分解性质的大分子化合物,通过一定的方法沉积在分子筛外表面,再通过高温处理将这些大分子热分解,转化为惰性涂层,屏蔽分子筛晶粒外表面的酸性中心,同时也一定程度地缩小了孔口尺寸,使催化剂最终具备了择形功能。然而,这些改性方法在屏蔽沸石分子筛外表面酸性位的同时也会造成孔道内酸性位损失或堵塞分子筛孔道,对沸石催化剂的活性和稳定性带来不利影响。催化材料是新型催化剂的核心,为了实现分子筛催化剂的择形性能,减少催化剂的活性损失,实现高选择性前提下的高活性,迫切需要开发性能更优的择形催化剂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是择形催化剂普遍存在的择形功能难以实现,分子筛必须经修饰后才具有择形功能,且修饰后催化剂活性较低的问题,提供一种新的具有形状择形功能的催化剂。核壳型分子筛催化材料本身具有择形功能,该催化剂用于甲苯选择性歧化和甲苯甲基化等反应,具有高选择性前提下的高催化活性的优点。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案如下:一种具有形状择形功能的催化剂,以重量份数计包括以下组分,a)5~95份的核壳型分子筛材料,b)5~95份的粘结剂,其中核壳型分子筛的核相选自ZSM-5、ZSM-11、ZSM-35、ZSM-48、β、丝光沸石、MCM-22或磷铝分子筛,壳层分子筛为连续致密的ZSM-5晶粒。
在上述技术方案中,以重量份数计,核壳型分子筛材料的用量优选范围为20~80份,粘结剂的用量优选范围为20~80份。ZSM-5壳层的硅铝摩尔比SiO2/Al2O3为50~∞,优选范围为300~∞;核相分子筛的尺寸介于0.1微米至20微米之间,壳层分子筛的厚度介于20纳米到2微米之间;核相分子筛与壳层分子筛以其中的SiO2重量计算的比例优选范围为0.5~20∶1;粘结剂选自硅溶胶、拟薄水铝石、三氧化二铝或经酸处理后粘土的至少一种,优选方案为硅溶胶或γ-三氧化二铝;以重量份数计催化剂优选方案为催化剂中还包含0.01~30份选自镁、钼、铂元素或其氧化物中的至少一种,其用量的优选范围为0.05~5份;本发明催化剂可选用机械混合、沉淀、等体积浸渍或离子交换的方法进行元素负载。
核壳型分子筛的制备方法:1)选自ZSM-5、ZSM-11、ZSM-35、ZSM-48、β、丝光沸石、MCM-22或磷铝分子筛的核相分子筛晶粒在改性剂溶液中进行处理,处理温度为室温到180℃,处理时间0.5~150小时;2)改性剂处理后核相分子筛投入ZSM-5合成体系混合均匀,此合成体系包括模板剂R、硅源、铝源和水,摩尔配比为:R2O/SiO2=0.05~0.5,SiO2/Al2O3=50~∞,SiO2/Na2O=2~10,H2O/SiO2=20~100,其中核相分子筛和ZSM-5合成混合物以其中SiO2含量计算的加入比例为0.5~10∶1;3)在80~200℃的温度条件下水热晶化,过滤、洗涤、焙烧后得到丝光沸石ZSM-5壳层的核壳型分子筛材料。其中表面改性剂选自氨水、乙胺、正丁胺、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、四丙基溴化铵、四丙基溴化铵中的至少一种,模板剂R选自乙胺、正丁胺、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、四丙基溴化铵、四丙基溴化铵中的至少一种。
合成完全包裹的核壳型沸石分子筛,并以此核壳型沸石分子筛为基础制备了一种具有形状择形功能的催化剂。这种独特的结构特点有利于抑制发生在外表面的副反应,减少对核相分子筛催化活性的不利影响。在一种沸石分子筛晶粒的外表面包裹生长一层致密高硅铝比或纯硅分子筛外壳,两种沸石的孔道贯通,高硅铝比或纯硅分子筛外壳不具有催化活性,核相分子筛提供催化活性中心,这样在不影响沸石纳米孔道扩散性能的情况下可实现外表面的择形改性,催化剂的活性高。
本发明中,催化剂的制备方法如下:本身具有择形功能的核壳型分子筛与粘合剂捏合、成型、焙烧后得到催化剂本体,然后通过机械混合、沉淀、等体积浸渍或离子交换的方法进行镁、钼、铂元素或其氧化物的负载。
将本发明的催化剂,用于甲苯选择性歧化和甲苯甲基化反应上,对二甲苯选择性大于85%,甲苯转化率可达35%以上,催化剂活性较常规择形催化剂提高可达5%,取得了较好的技术效果。
下面通过实施例对本发明作进一步阐述。
具体实施方式
【比较例1】
60克ZSM-5型分子筛材料,20克硅溶胶(SiO2含量40%)充分捏合后挤条成型,100℃条件下烘干,550℃空气气氛中焙烧4小时。取此催化剂母体50克,加入到48毫升正己烷和2.5克苯甲基硅油配成的溶液中(平均分子量约为600)并浸泡5小时,在90℃度的油浴中蒸馏除去正己烷。蒸干后的剩余物在马弗炉中升温至500℃,保持3小时后冷却。重复上述硅油改性步骤一次,即可得到化学液相沉积方法改性得到的择形催化剂。在固定床反应评价装置上进行甲苯歧化反应活性和选择性考察。催化剂装填量为5.0克,重量空速为5.0小时-1,反应温度为425℃,反应压力2.1兆帕,氢烃摩尔比为2.0。反应结果计算可得:甲苯转化率28.0%,对二甲苯选择性90.8%。
【比较例2】
60克ZSM-5型分子筛材料,20克硅溶胶(SiO2含量40%)充分捏合后挤条成型,100℃条件下烘干,550℃空气气氛中焙烧4小时。取此催化剂母体50克,加入到48毫升正己烷和2.5克苯甲基硅油配成的溶液中(平均分子量约为600)并浸泡5小时,在90℃度的油浴中蒸馏除去正己烷。蒸干后的剩余物在马弗炉中升温至500℃,保持3小时后冷却。重复上述硅油改性步骤一次,即可得到化学液相沉积方法改性的择形催化剂本体,再通过等体积浸渍法将以重量计2.5%的钼负载在择形催化剂本体上即可得到催化剂。在固定床反应评价装置上进行甲苯歧化反应活性和选择性考察。催化剂装填量为5.0克,重量空速为5.0小时-1,反应温度为425℃,反应压力2.1兆帕,氢烃摩尔比为2.0。反应结果计算可得:甲苯转化率26.9%,对二甲苯选择性93.8%。
【实施例1】
110毫升正丁胺溶于480毫升去离子水中并搅拌均匀,320克丝光沸石原粉加入此表面改性剂溶液中,在搅拌状态下升温到30℃并保持120小时,过滤并在100℃C空气气氛中干燥后即得处理后丝光沸石粉。124克水玻璃、1克硫酸铝、18克氯化钠、6毫升硫酸、20毫升乙胺、10毫升氨水和600毫升水均匀成胶后即可得到ZSM-5沸石分子筛合成体系。在成胶液中加入320克处理后丝光沸石粉并搅拌2小时。此混合体系移入聚四氟乙烯内衬的不锈钢晶化釜中,120℃烘箱中静态晶化48小时即可。样品的XRD图谱同时具有丝光沸石和ZSM-5沸石分子筛的特征衍射峰,计算可得ZSM-5的相含量占到30%以上。SEM图中,在梭状丝光沸石外表面,均匀分布细小颗粒,这些细小颗粒的直径约为40纳米,ZSM-5的细颗粒在丝光沸石的外表面形成连续的壳层,经分析此核壳型分子筛的外表面的SiO2/Al2O3摩尔比为578,记为分子筛材料I。所得核壳型分子筛材料I与γ-氧化铝粘结剂以重量比7∶3充分捏合后挤条成型,100℃条件下烘干,550℃空气气氛中焙烧4小时得到择形催化剂本体A。通过等体积浸渍法将以重量计2.5%的钼负载在择形催化剂本体上,室温下干燥后,538℃空气气氛中焙烧4小时得到择形催化剂G。择形催化剂本体A在固定床反应评价装置上进行甲苯选择性歧化反应活性和选择性考察。催化剂装填量为5.0克,重量空速为5.0小时-1,反应温度为425℃,反应压力2.1兆帕,氢烃摩尔比为2.0。反应结果计算可得:甲苯转化率36.0%,对二甲苯选择性86.3%。择形催化剂G在同样的条件下进行甲苯选择性歧化反应活性和选择性考察,反应结果计算可得:甲苯转化率34.8%,对二甲苯选择性92.5%。
【实施例2】
丝光沸石原粉(SiO2/Al2O3=15)在改性剂溶液中浸泡处理后,在纯硅ZSM-5合成体系中二次生长得到丝光沸石/ZSM-5核壳型分子筛材料。样品的XRD图谱同时具有丝光沸石和ZSM-5沸石分子筛的特征衍射峰,计算可得ZSM-5的相含量占到30%以上。SEM图中,在梭状丝光沸石外表面,均匀分布细小颗粒,这些细小颗粒的直径约为50纳米,ZSM-5的细颗粒在丝光沸石的外表面形成连续的壳层,经分析此核壳型分子筛的外表面的SiO2/Al2O3摩尔比大于1000,可看作是纯硅结构。记为分子筛材料II。
【实施例3】
ZSM-5原粉(SiO2/Al2O3=38)在改性剂溶液中浸泡处理后,在高硅铝比ZSM-5合成体系中(SiO2/Al2O3=400)二次生长得到ZSM-5/ZSM-5核壳型分子筛材料。XRD图谱中只有ZSM-5的特征衍射峰。SEM图中,在ZSM-5沸石外表面,均匀分布细小颗粒,这些细小颗粒的直径约为30纳米,ZSM-5的细颗粒在核相ZSM-5的外表面形成连续的壳层,经分析此核壳型分子筛的外表面的SiO2/Al2O3摩尔比摩尔比为342。记为分子筛材料III。
【实施例4】
ZSM-5原粉(SiO2/Al2O3=38)在改性剂溶液中浸泡处理后,在纯硅ZSM-5合成体系中二次生长得到ZSM-5/ZSM-5核壳型分子筛材料。XRD图谱中只有ZSM-5的特征衍射峰。SEM图中,在ZSM-5沸石外表面,均匀分布细小颗粒,这些细小颗粒的直径约为20纳米,ZSM-5的细颗粒在核相ZSM-5的外表面形成连续的壳层,经分析此核壳型分子筛的外表面的SiO2/Al2O3摩尔比大于1000,可看作是纯硅结构。记为分子筛材料IV。
【实施例5】
β沸石原粉(SiO2/Al2O3=30)在改性剂溶液中浸泡处理后,在高硅铝比ZSM-5合成体系中(SiO2/Al2O3=600)二次生长得到β沸石/ZSM-5核壳型分子筛材料。样品的XRD图谱同时具有β沸石和ZSM-5沸石分子筛的特征衍射峰,计算可得ZSM-5的相含量占到30%以上。SEM图中,在梭状丝光沸石外表面,均匀分布细小颗粒,这些细小颗粒的直径约为35纳米,ZSM-5的细颗粒在β沸石的外表面形成连续的壳层,经分析此核壳型分子筛的外表面的SiO2/Al2O3摩尔比为596。记为分子筛材料V。
【实施例6】
ZSM-11原粉(SiO2/Al2O3=40)在改性剂溶液中浸泡处理后,在纯硅ZSM-5合成体系中二次生长得到ZSM-11/ZSM-5核壳型分子筛材料。XRD图谱中只有ZSM-5的特征衍射峰。SEM图中,在ZSM-11沸石外表面,均匀分布细小颗粒,这些细小颗粒的直径约为20纳米,ZSM-5的细颗粒在核相ZSM-11的外表面形成连续的壳层,经分析此核壳型分子筛的外表面的SiO2/Al2O3摩尔比大于1000,可看作是纯硅结构。记为分子筛材料VI。
【实施例7~12】
实施例1~6中所得核壳型分子筛材料I-VI与γ-氧化铝或氧化硅粘结剂充分捏合后挤条成型,100℃条件下烘干,550℃空气气氛中焙烧4小时得到择形催化剂本体A-F。
催化剂本体编号 | 分子筛材料 | 粘结剂 | 分子筛与粘结剂固体重量份数比 |
A | I | γ-氧化铝 | 7∶3 |
B | II | γ-氧化铝 | 7∶3 |
C | III | 硅溶胶 | 8∶2 |
D | IV | 硅溶胶 | 8∶2 |
E | V | 硅溶胶 | 8∶2 |
F | VI | 硅溶胶 | 7∶3 |
【实施例13~18】
通过等体积浸渍法将镁、钼、铂盐等负载在择形催化剂本体A-F上,室温下干燥后,538℃空气气氛中焙烧4小时得到择形催化剂G~L,详细制备条件列表如下:
催化剂编号 | 催化剂本体编号 | 改性元素 | 元素重量份数 |
G | A | 镁 | 1.46 |
H | B | 钼 | 2.65 |
I | C | 铂 | 0.04 |
J | D | 钼 | 2.50 |
K | E | 钙、镁 | 钙1.85,镁0.1 |
L | F | 铂 | 0.04 |
【实施例19~30】
将实施例7~18中制得的催化剂A~L,在固定床反应评价装置上进行甲苯选择性歧化、甲苯甲基化反应活性和选择性考察。催化剂装填量为5.0克,重量空速为5.0小时-1,反应温度为425℃,反应压力2.1兆帕,氢烃摩尔比为2.0。反应结果计算如下表所示:
催化剂编号 | 反应类型 | 甲苯转化率(%) | 选择性(%) |
A | 甲苯选择性歧化 | 36.0 | 86.3 |
催化剂编号 | 反应类型 | 甲苯转化率(%) | 选择性(%) |
B | 甲苯甲基化 | 34.0 | 91.2 |
C | 甲苯选择性歧化 | 38.7 | 88.6 |
D | 甲苯选择性歧化 | 37.3 | 92.6 |
E | 甲苯甲基化 | 34.3 | 90.8 |
F | 甲苯甲基化 | 35.1 | 92.3 |
G | 甲苯选择性歧化 | 34.8 | 92.5 |
H | 甲苯甲基化 | 32.7 | 94.6 |
I | 甲苯选择性歧化 | 35.9 | 92.3 |
J | 甲苯选择性歧化 | 35.4 | 96.2 |
K | 甲苯甲基化 | 32.1 | 93.5 |
L | 甲苯甲基化 | 33.4 | 94.7 |
Claims (10)
1.一种具有形状择形功能的催化剂,以重量份数计包括以下组分:
a)5~95份的核壳型分子筛材料;
b)5~95份的粘结剂;
其中核壳型分子筛的核相选自ZSM-5、ZSM-11、ZSM-35、ZSM-48、β、丝光沸石、MCM-22或磷铝分子筛,壳层分子筛为连续致密的ZSM-5晶粒。
2.根据权利要求1所述的具有形状择形功能的催化剂,其特征在于以重量份数计,核壳型分子筛材料的用量为20~80份,粘结剂的用量为20~80份。
3.根据权利要求1所述的具有形状择形功能的催化剂,其特征在于ZSM-5壳层的硅铝摩尔比SiO2/Al2O3为50~∞。
4.根据权利要求3所述的具有形状择形功能的催化剂,其特征在于ZSM-5壳层的硅铝摩尔比SiO2/Al2O3为300~∞。
5.根据权利要求1所述的具有形状择形功能的催化剂,其特征在于核相分子筛的尺寸介于0.1微米至20微米之间,壳层分子筛的厚度介于20纳米到2微米之间。
6.根据权利要求1所述的具有形状择形功能的催化剂,其特征在于核相分子筛与壳层分子筛以其中的SiO2重量计算的比例为0.5~20∶1。
7.根据权利要求1所述的具有形状择形功能的催化剂,其特征在于粘结剂选自硅溶胶、拟薄水铝石、三氧化二铝或经酸处理后粘土中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的具有形状择形功能的催化剂,其特征在于粘结剂为硅溶胶或γ-氧化铝。
9.根据权利要求1所述的具有形状择形功能的催化剂,其特征在于催化剂中还包含0.01~30份的选自镁、钼、铂元素或其氧化物中的至少一种。
10.根据权利要求9所述的具有形状择形功能的催化剂,其特征在于以重量份数计选自镁、钼、铂元素或其氧化物中至少一种的用量为0.05~5份。
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