CN102372535B - 甲醇转化制备芳烃的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种甲醇转化制备芳烃的方法，主要解决现有技术中存在的工艺路线流程复杂和目标产物选择性不高的问题。本发明通过采用以甲醇为原料，以含金属元素或其氧化物的HZSM-5和选自HZSM-11或HMCM-22分子筛中的至少一种的混合物为催化剂活性主体，在反应温度320～480℃、反应压力0.1～3.0MPa、原料重时空速0.5～6.0小时-1条件下反应的技术方案，较好地解决了该问题，可用于甲醇转化制备芳烃的工业生产中。

Description

甲醇转化制备芳烃的方法
技术领域
本发明涉及一种甲醇转化制备芳烃的方法。
背景技术
由于我国石油和天然气资源短缺，而煤炭资源相对丰富。近年来，我国煤化工事业出现火热的局面，各地纷纷上马各种煤化工项目。作为较为成熟的煤化工技术，煤基合成甲醇成为多数煤化工企业的首选项目。近年来，我国以煤炭为原料生产甲醇向着大型化、节能型发展，产量不断增加，甲醇的产能将远远超过实际需求，因此积极进行甲醇下游产品的开发，增加新的甲醇应用领域、提高现有甲醇下游产品的生产技术水平，对甲醇工业的发展有着十分重要的意义。
甲醇转化研究内容非常丰富。国外UOP公司、Lurgi公司分别开发了MTO(甲醇转化制烯烃，包括乙烯和丙烯)和MTP(甲醇转化制丙烯)技术，Exxon-Mobil公司开发了MTG(甲醇转化制汽油)技术和MOGD(甲醇转化制汽柴油)技术。国内如大连化物所和山西煤化所等也对甲醇转化进行了大量的研究，并在催化剂和反应工艺两个方面取得了突破。但从目前情况看，无论是将甲醇转化为高品质汽油，还是转化为烯烃，过程的经济性都由于受产品附加值的制约而使其产业化进程受到阻碍。
芳烃(尤其是苯(Benzene)、甲苯(Toluene)和二甲苯(Xylene)，统称BTX)是重要的石油化工基础原材料，具有高的附加值。我国的芳烃主要来源于石油资源，而我国石油资源短缺的现状决定了芳烃资源的匮乏，因此，寻找一种能够代替石油化工生产芳烃的新技术至关重要。从资源丰富的甲醇直接转化制取芳烃，对于缓解芳烃的短缺、提高甲醇下游产品的附加值、延长煤化工和天然气化工产业链，具有重要的价值。
CN 1880288A介绍了一种甲醇转化制芳烃的工艺及催化剂，该催化剂以小晶粒ZSM-5分子筛为载体，负载活性组分镓和镧，在操作压力为0.1～5.0MPa、操作温度300～460℃、原料液体空速为0.1～6.0h-1条件下催化转化为以芳烃为主的产物，经过冷却分离将气相产物低碳烃与液相产物C5 +烃分离，液相产物C5 +烃经萃取分离，得到芳烃和非芳烃。该技术的实质是甲醇转化制汽油技术，即在原有甲醇转化制汽油技术的基础上，通过催化剂的性能调变，使得产品中的芳烃含量增加。但该技术要求所用的ZSM-5分子筛为小晶粒，且一段反应的气相产物低碳烃进入二段反应器继续反应得二段反应产物，工艺路线流程较为复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的工艺路线流程复杂和目标产物芳烃(尤其是BTX)选择性不高的问题，提供一种新的甲醇转化制备芳烃的方法。方法用于甲醇转化制备芳烃具有催化剂活性高和BTX产物选择性高的优点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种甲醇转化制备芳烃的方法，以甲醇为原料，在反应温度320～480℃、反应压力0.1～3.0MPa、原料重时空速0.5～6.0小时-1条件下，原料与催化剂接触反应生成芳烃，其中所用的催化剂以重量份数计包括：a)20～80份分子筛载体；和载于其上的b)0.1～12份锌元素或其氧化物；c)0.1～10份选自镍或磷元素或其氧化物；d)20～80份粘结剂，其中分子筛包括HZSM-5和选自HZSM-11或HMCM-22分子筛中的至少一种的混合物，HZSM-5与选自HZSM-11或HMCM-22至少一种的重量比为0.1～10∶1。
上述技术方案中，反应温度优选范围为360～420℃，反应压力优选范围为0.5～2.0MPa，原料重时空速优选范围为1～3小时-1；粘结剂优选方案为Al2O3；HZSM-5与选自HZSM-11或HMCM-22至少一种的重量比优选范围为0.2～5∶1；以重量份数计，催化剂中含锌元素或其氧化物优选范围为0.5～8份和选自镍或磷元素或其氧化物优选范围为0.5～5份。
本发明方法中使用的催化剂是依照以下方法制备的：
(1)将所需量的HZSM-5和选自HZSM-11或HMCM-22分子筛的至少一种和粘结剂混合得混合物I，向混合物I中加入所得催化剂重量0.5～5％的扩孔剂和所需量的硝酸水溶液，经混捏、成型、干燥、500～600℃焙烧2～8小时后，制成催化剂载体，其中扩孔剂选自田菁粉；(2)将所述催化剂载体负载所需量的硝酸锌和所需量的选自硝酸镍或磷酸、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、磷酸铵的酸或盐，经干燥和450～600℃焙烧2～6小时，制成所述甲醇转化制芳烃催化剂。
ZSM-5分子筛骨架中含有两种相互交叉的孔道体系，其孔道尺寸(0.56nm×0.53nm，0.55nm×0.51nm)与芳烃分子的动力学直径接近，孔结构对单环芳烃具有明显的择形性，故而被广泛应用于芳构化反应，但由于ZSM-5的酸性较强，催化剂易积炭失活，因此单一分子筛催化剂难以兼顾甲醇转化制芳烃反应对酸性质和孔道结构协同作用的要求。ZSM-11分子筛由于其独特的孔道结构和酸性中心而被应用于芳构化反应中，并表现出较高的活性和稳定性。MCM-22具有两种独立的孔道结构，除一种类似于ZSM-5的具有十元环的二维正旋孔道外，还具有内部空间分别为0.71nm×0.71nm×1.82nm和0.71nm×0.71nm×0.91nm的两个超笼，超笼的存在提高了催化剂的容碳能力，使芳构化稳定性提高。ZSM-5与选自ZSM-11或MCM-22分子筛的至少一种的混合可以实现催化剂酸性质与孔道结构的互调，从而更有利于发挥两者的协同作用。采用本发明的催化剂，用于甲醇转化制芳烃反应，在连续固定床反应器中进行考评，其甲醇转化率可达100％，BTX产物选择性可达35％以上，取得了较好的技术效果，且工艺流程仅为一段反应，比较简单。
下面通过实施例对本发明作进一步阐述。
具体实施方式
【实施例1】
本实施例制备包括：以催化剂总重量计，2％NiO，3％ZnO，45％HZSM-5，15％HZSM-11，15％HMCM-22，20％Al2O3的催化剂A。
称取45克HZSM-5分子筛、15克HZSM-11分子筛、15克HMCM-22分子筛、20克Al2O3、3.8克田菁粉，将其混合均匀，加入42克质量浓度为5％的硝酸水溶液，充分混捏后挤成直径1.5毫米的圆柱形，经干燥、600℃焙烧4小时后，制成2～3毫米长的催化剂载体。
将20克上述催化剂载体浸渍于14毫升含0.63克ZnO的硝酸锌水溶液中，于室温下静置24小时、干燥、450℃焙烧6小时后，制成催化剂中间体。
将上述催化剂中间体浸渍于14毫升含0.42克NiO的硝酸镍水溶液中，于室温下静置24小时、干燥、450℃焙烧6小时后，制成催化剂A。
在反应温度390℃、反应压力0.3MPa、原料重时空速2小时-1条件下进行催化剂考评，反应结果列于表2。
【实施例2】
本实施例制备包括：以催化剂总重量计，5％P2O5，8％ZnO，30％HZSM-5，30％HZSM-11，7％HMCM-22，20％Al2O3的催化剂B。
称取30克HZSM-5分子筛、30克HZSM-11分子筛、7克HMCM-22分子筛、20克Al2O3、3.5克田菁粉，将其混合均匀，加入42克质量浓度为5％的硝酸水溶液，充分混捏后挤成直径1.5毫米的圆柱形，经干燥、520℃焙烧4小时后，制成2～3毫米长的催化剂载体。
将20克上述催化剂载体浸渍于14毫升含1.84克ZnO的硝酸锌水溶液中，于室温下静置24小时、干燥、480℃焙烧4小时后，制成催化剂中间体。
将上述催化剂中间体浸渍于14毫升含1.15克P2O5的磷酸二氢铵水溶液中，于室温下静置24小时、干燥、480℃焙烧4小时后，制成催化剂B。
催化剂考评条件与实施例1相同，反应结果列于表2。
【实施例3】
本实施例制备包括：以催化剂总重量计，3％NiO，5％ZnO，20％HZSM-5，12％HZSM-11，20％HMCM-22，40％Al2O3的催化剂C。
称取20克HZSM-5分子筛、12克HZSM-11分子筛、20克HMCM-22分子筛、40克Al2O3、3.7克田菁粉，将其混合均匀，加入43克质量浓度为5％的硝酸水溶液，充分混捏后挤成直径1.5毫米的圆柱形，经干燥、550℃焙烧4小时后，制成2～3毫米长的催化剂载体。
将20克上述催化剂载体浸渍于15毫升含1.09克ZnO的硝酸锌水溶液中，于室温下静置24小时、干燥、500℃焙烧4小时后，制成催化剂中间体。
将上述催化剂中间体浸渍于15毫升含0.65克NiO的硝酸镍水溶液中，于室温下静置24小时、干燥、500℃焙烧4小时后，制成催化剂C。
催化剂考评条件与实施例1相同，反应结果列于表2。
【实施例4】
本实施例制备包括：以催化剂总重量计，1％NiO，2％ZnO，10％HZSM-5，7％HZSM-11，20％HMCM-22，60％Al2O3的催化剂D。
称取10克HZSM-5分子筛、7克HZSM-11分子筛、20克HMCM-22分子筛、60克Al2O3、3.9克田菁粉，将其混合均匀，加入44克质量浓度为5％的硝酸水溶液，充分混捏后挤成直径1.5毫米的圆柱形，经干燥、600℃焙烧6小时后，制成2～3毫米长的催化剂载体。
将20克上述催化剂载体浸渍于15毫升含0.41克ZnO的硝酸锌水溶液中，于室温下静置24小时、干燥、550℃焙烧3小时后，制成催化剂中间体。
将上述催化剂中间体浸渍于15毫升含0.21克NiO的硝酸镍水溶液中，于室温下静置24小时、干燥、550℃焙烧3小时后，制成催化剂D。
催化剂考评条件与实施例1相同，反应结果列于表2。
【实施例5】
本实施例制备包括：以催化剂总重量计，1％P2O5，0.5％ZnO，5％HZSM-5，3.5％HZSM-11，10％HMCM-22，80％Al2O3的催化剂E。
称取5克HZSM-5分子筛、3.5克HZSM-11分子筛、10克HMCM-22分子筛、80克Al2O3、3.9克田菁粉，将其混合均匀，加入45克质量浓度为5％的硝酸水溶液，充分混捏后挤成直径1.5毫米的圆柱形，经干燥、600℃焙烧6小时后，制成2～3毫米长的催化剂载体。
将20克上述催化剂载体浸渍于16毫升含0.10克ZnO的硝酸锌水溶液中，于室温下静置24小时、干燥、550℃焙烧3小时后，制成催化剂中间体。
将上述催化剂中间体浸渍于16毫升含0.20克P2O5的磷酸水溶液中，于室温下静置24小时、干燥、550℃焙烧3小时后，制成催化剂E。
催化剂考评条件与实施例1相同，反应结果列于表2。
【比较例1】
本对比例制备包括：以催化剂总重量计，0.5％NiO，1％ZnO，68.5％HZSM-5，30％Al2O3的催化剂F。
称取68.5克HZSM-5分子筛、30克Al2O3、3.9克田菁粉，将其混合均匀，加入42克质量浓度为5％的硝酸水溶液，充分混捏后挤成直径1.5毫米的圆柱形，经干燥、520℃焙烧5小时后，制成2～3毫米长的催化剂载体。
将20克上述催化剂载体浸渍于14毫升含0.20克ZnO的硝酸锌水溶液中，于室温下静置24小时、干燥、600℃焙烧2小时后，制成催化剂中间体。
将上述催化剂中间体浸渍于14毫升含0.10克NiO的硝酸镍水溶液中，于室温下静置24小时、干燥、600℃焙烧2小时后，制成催化剂F。
催化剂考评条件与实施例1相同，反应结果列于表2。
【比较例2】
本对比例制备包括：以催化剂总重量计，1％P2O5，2％ZnO，30％HZSM-5，17％HZSM-11，50％Al2O3的催化剂G。
称取30克HZSM-5分子筛、17克HZSM-11、50克Al2O3、3.9克田菁粉，将其混合均匀，加入45克质量浓度为5％的硝酸水溶液，充分混捏后挤成直径1.5毫米的圆柱形，经干燥、520℃焙烧5小时后，制成2～3毫米长的催化剂载体。
将20克上述催化剂载体浸渍于15毫升含0.41克ZnO的硝酸锌水溶液中，于室温下静置24小时、干燥、480℃焙烧4小时后，制成催化剂中间体。
将上述催化剂中间体浸渍于15毫升含0.21克P2O5的磷酸铵水溶液中，于室温下静置24小时、干燥、480℃焙烧4小时后，制成催化剂G。
催化剂考评条件与实施例1相同，反应结果列于表2。
【比较例3】
本对比例制备包括：以催化剂总重量计，3％ZnO，40％HZSM-5，10％HZSM-11，17％HMCM-22，30％Al2O3的催化剂H。
称取40克HZSM-5分子筛、10克HZSM-11、17克HMCM-22分子筛、30克Al2O3、3.9克田菁粉，将其混合均匀，加入45克质量浓度为5％的硝酸水溶液，充分混捏后挤成直径1.5毫米的圆柱形，经干燥、550℃焙烧6小时后，制成2～3毫米长的催化剂载体。
将20克上述催化剂载体浸渍于15毫升含0.62克ZnO的硝酸锌水溶液中，于室温下静置24小时、干燥、450℃焙烧6小时后，制成催化剂H。
催化剂考评条件与实施例1相同，反应结果列于表2。
表1催化剂重量组成(％)
  例   催化剂   HZSM-5   HZSM-11   HMCM-22   Al2O3   ZnO   NiO   P2O5
  实施例1   A   45   15   15   20   3   2   -
  实施例2   B   30   30   7   20   8   -   5
  实施例3   C   20   12   20   40   5   3   -
  实施例4   D   10   7   20   60   2   1   -
  实施例5   E   5   3.5   10   80   0.5   -   1
  比较例1   F   68.5   -   -   30   1   0.5   -
  比较例2   G   30   17   -   50   2   -   1
  比较例3   H   40   10   17   30   3   -   -
表2催化剂的甲醇转化制芳烃反应结果(wt％)
Figure BSA00000241985700071
【实施例6】
以实施例1的催化剂，只是改变反应条件如下：在反应温度360℃、反应压力2.0MPa、原料重时空速3小时-1，其余条件均同实施例1，其反应结果为：甲醇转化率100.0％，碳氢化合物产品重量组成C1～C4为24.47％，芳烃为63.82％，BTX为33.45％。
【实施例7】
以实施例1的催化剂，只是改变反应条件如下：在反应温度420℃、反应压力0.1MPa、原料重时空速1小时-1，其余条件均同实施例1，其反应结果为：甲醇转化率100.0％，碳氢化合物产品重量组成C1～C4为21.78％，芳烃为68.95％，BTX为38.79％。
【实施例8】
以实施例1的催化剂，只是改变反应条件如下：在反应温度320℃、反应压力3.0MPa、原料重时空速6小时-1，其余条件均同实施例1，其反应结果为：甲醇转化率100.0％，碳氢化合物产品重量组成C1～C4为23.97％，芳烃为58.07％，BTX为20.48％。
【实施例9】
以实施例1的催化剂，只是改变反应条件如下：在反应温度480℃、反应压力0.1MPa、原料重时空速0.5小时-1，其余条件均同实施例1，其反应结果为：甲醇转化率100.0％，碳氢化合物产品重量组成C1～C4为20.19％，芳烃为73.28％，BTX为43.32％。

Claims (1)

1.一种甲醇转化制备芳烃的方法，以甲醇为原料，在反应温度480℃、反应压力O.1MPa、原料重时空速0.5小时-1，原料与催化剂接触反应生成芳烃，其反应结果为：甲醇转化率100.0％，碳氢化合物产品重量组成C1～C4为20.19％，芳烃为73.28％，BTX为43.32％；
其中所述的催化剂，以催化剂总重量计，包括2％NiO，3％ZnO，45％HZSM-5，15％HZSM-11，15％HMCM-22，20％Al2O3，其制备方法如下：
a)称取45克HZSM-5分子筛、15克HZSM-11分子筛、15克HMCM-22分子筛、20克Al2O3、3.8克田菁粉，将其混合均匀，加入42克质量浓度为5％的硝酸水溶液，充分混捏后挤成直径1.5毫米的圆柱形，经干燥、600℃焙烧4小时后，制成2～3毫米长的催化剂载体；
b)将20克上述催化剂载体浸渍于14毫升含0.63克ZnO的硝酸锌水溶液中，于室温下静置24小时、干燥、450℃焙烧6小时后，制成催化剂中间体；
c)将上述催化剂中间体浸渍于14毫升含0.42克NiO的硝酸镍水溶液中，于室温下静置24小时、干燥、450℃焙烧6小时后，制成所述的催化剂。
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