CN104338551A - 一种二甲苯异构化催化剂的制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
一种二甲苯异构化催化剂的制备方法,包括将ZSM-5分子筛与粘结剂混合成型,干燥、焙烧后,用铵盐溶液进行离子交换,然后用含硅化合物浸渍,浸渍后固体于90~120℃干燥,再于140~500℃、0.1~2.0MPa条件下进行水热处理,280~500℃、0.1~2.0MPa条件下于空气中焙烧,再用含铂化合物溶液浸渍,然后干燥、焙烧。该法制备的催化剂用于二甲苯异构化生产对二甲苯,可抑制歧化副反应发生,具有更高的二甲苯收率。
Description
技术领域
本发明为一种烃类异构化催化剂的制备方法,具体地说,是一种芳烃异构化催化剂的制备方法。
背景技术
对二甲苯(PX)是重要的化工原料,主要用于生产对苯二甲酸、对苯二甲酸二酯、邻苯二甲酸酐,此外还应用于涂料、染料、农药和医药等领域。随着这些行业的发展,PX的需求量迅速增长。目前,增产PX的工艺技术主要为二甲苯异构化,该技术是将利用价值低的间二甲苯和邻二甲苯转化为PX的重要手段。
通过二甲苯异构化反应,产物中对二甲苯达到或接近热力学平衡值,产物经分离装置可以将PX产品分出,再将少量的轻质非芳烃、苯、甲苯和C9 +重芳烃分离出去,剩余的C8芳烃物料可作为异构化原料循环利用。
现有技术中,无论采用高效精馏还是吸附分离,将乙苯与二甲苯分离都是十分困难且不经济的,因此,在二甲苯异构化过程中必须同时将乙苯转化。乙苯转化存在两种不同的目标方向:乙苯转化为二甲苯,乙苯脱烷基转化为苯。两种方向的经济性分别适用于不同的市场状况。
CN89100145.x是典型的乙苯转化型异构化催化剂技术,其活性组分包括丝光沸石。CN200510080209.4是一种乙苯脱乙基型异构化催化剂,其活性组分为ZSM-5分子筛。脱乙基型催化剂的乙苯单程转化率高,物料循环次数少,吸附进料中的PX含量高,因此,近年来采用脱乙基型催化剂的芳烃联合装置产能迅猛增加。
无论转化型还是脱乙基型催化剂,混合二甲苯的歧化反应都是主要的副反应,二甲苯通过歧化和烷基转移,生成甲苯和三甲苯,导致二甲苯的损失。
已有许多方法用来提高单程二甲苯收率,增产PX。USP5908967采用铈改性的丝光分子筛负载Ⅷ族金属制成的催化剂进行C8芳烃异构化反应,以减少歧化副反应的发生,提高二甲苯的收率。USP6323382采用水蒸汽处理方法对MFI类型分子筛进行改性,来降低歧化副反应的程度。上述水热改性、金属改性等方法,其实质是修饰分子筛活性组分的酸性,使导致歧化副反应的酸位失活,而尽量保持异构化反应酸位。
对分子筛或催化剂中的分子筛进行硅烷化处理,以修饰催化剂酸性的方法已获得广泛的关注,普遍认为,硅烷化过程使催化剂或分子筛表面的酸性得到钝化,分子筛孔道的孔口被一定程度地堵塞。在芳烃转化领域,硅烷化技术已被报道用于甲苯择形歧化。
CN200810019850.0通过硅酸酯化学液相沉积改进ZSM-5的酸分布和孔口尺寸,制备一种甲苯择形催化剂。CN200610029952.1采用溶解于有机溶剂中的三官能团有机硅溶液浸渍分子筛,干燥后,在空气气氛下焙烧,得到甲苯择形歧化催化剂。CN99110819.1采用聚硅氧烷多次浸渍,直接焙烧活化的方法制备甲苯择形催化剂。
USP5610112公开了一种对经过预选择改性的分子筛催化剂进行改性的方法,包括将分子筛催化剂用第一硅源处理,在不超过600℃(优选350~550℃)的温度下焙烧,然后于200~400℃进行水蒸气处理,其目的是疏通分子筛孔道,并部分脱铝。该法制备的催化剂用于甲苯歧化,在歧化反应前还需进行原位调整选择性,显然,其方法步骤繁琐且改性效果不佳。
发明内容
本发明的目的是提供一种二甲苯异构化催化剂的制备方法,该法制备的催化剂用于二甲苯异构化生产对二甲苯,可抑制歧化副反应发生,具有更高的二甲苯收率。
本发明提供的二甲苯异构化催化剂的制备方法,包括将ZSM-5分子筛与粘结剂混合成型,干燥、焙烧后,用铵盐溶液进行离子交换,然后用含硅化合物浸渍,浸渍后固体于90~120℃干燥,再于140~500℃、0.1~2.0MPa条件下进行水热处理,280~500℃、0.1~2.0MPa条件下于空气中焙烧,再用含铂化合物溶液浸渍,然后干燥、焙烧。
本发明将ZSM-5分子筛经铵交换后,用含硅化合物浸渍,再进行水热处理,然后焙烧,再浸渍引入铂制得催化剂。制得的催化剂具有良好的选择性,可有效降低二甲苯歧化反应的发生。
具体实施方式
本发明将经铵交换后的ZSM-5分子筛用含硅化合物(硅改性试剂)进行改性处理,然后进行水蒸汽处理,再焙烧,然后载铂得到催化剂。制备的催化剂用于C8芳烃临氢异构化反应,与未经硅改性处理的催化剂对比,可以在不损失异构化活性的前提下,获得更高的二甲苯收率。
本发明对硅改性处理后的分子筛先进行水热处理,再焙烧。水热处理过程是利用水分子较强的极性特征,活化硅改性试剂与分子筛表面的羟基,使二者发生化学作用而紧密结合。若不进行水热处理,则硅改性试剂仅靠物理吸附在分子筛表面,焙烧时大量分解挥发,需要反复多次沉积才能达到预期的沉积量。若在硅改性后,先焙烧、再进行水热处理,则硅改性试剂在焙烧时易分解挥发,硅改性效果将变差。
本发明对ZSM-5分子筛的硅改性有两种,一种在分子筛与粘结剂混合成型后进行,另一种在ZSM-5分子筛与粘结剂成型前进行,制得硅改性ZSM-5分子筛后再与粘结剂成型。
本发明提供的另一种二甲苯异构化催化剂的制备方法,包括将ZSM-5分子筛用铵盐溶液进行离子交换,然后用含硅化合物浸渍,浸渍后固体于90~120℃干燥,再于140~500℃、0.1~2.0MPa条件下进行水热处理,280~500℃、0.1~2.0MPa条件下于空气中焙烧得硅改性ZSM-5分子筛,将硅改性ZSM-5分子筛与粘结剂混合成型,干燥、焙烧后,用含铂化合物溶液浸渍,然后干燥、焙烧。
本发明方法制备催化剂所述的粘结剂优选氧化铝,所述的ZSM-5分子筛的氧化硅/氧化铝摩尔比为20~200。
对于先成型后硅改性的方法,成型时所用ZSM-5分子筛与粘结剂的质量比为20~90:10~80、优选50~80:20~50。
对于先硅改性后成型的方法,成型时所用硅改性ZSM-5分子筛与粘结剂的质量比为20~90:10~80、优选50~80:20~50。
本发明对ZSM-5分子筛的硅改性在铵交换后进行,铵交换用于制备本发明催化剂所需的氢型ZSM-5分子筛。铵交换方法是用铵盐溶液对ZSM-5分子筛中的碱金属离子进行交换,交换后干燥、焙烧即可用于硅改性。铵交换所用的铵盐优选氯化铵或氢氧化铵,铵交换温度为5~95℃、时间优选1~8小时。
铵交换后,将成型物或分子筛干燥、焙烧,使ZSM-5分子筛转化为氢型,干燥温度为110~200℃、焙烧温度为400~550℃。焙烧后即可用含硅化合物浸渍进行硅改性处理,用含硅化合物浸渍铵交换后的成型物或分子筛的温度为15~90℃、优选60~90℃,浸渍时间为6~60小时、优选8~48小时。
本发明方法用于ZSM-5分子筛硅改性的含硅化合物优选烷基硅氧烷、甲基环硅氧烷或二甲基聚硅氧烷。
所述的烷基硅氧烷的烷基碳数为1~3,如甲基硅氧烷、乙基硅氧烷或丙基硅氧烷,所述的甲基环硅氧烷硅原子数为3~5,如六甲基环三硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、十甲基环五硅氧烷。
所述的二甲基聚硅氧烷,也称二甲基硅油的粘均分子量优选300~3000,粘度优选10~50厘泊。
本发明硅改性处理通过浸渍使含硅化合物充分吸附在分子筛上,浸渍时,含硅化合物与被浸渍固体(成型物或分子筛)的液/固质量比为0.1~5.0、优选0.3~3:1、更优选0.8~2:1。浸渍完毕后,沥净固体上的含硅化合物,将固体干燥后即进行水热处理,干燥温度为90~120℃、时间优选8~24小时。
上述经硅改性处理并干燥的固体进行水热处理的条件为:温度140~500℃、优选200~450℃,压力0.1~0.5MPa、优选0.1~0.3MPa,水蒸气通过被处理的固体物的空速为0.2~15h-1、优选1~5h-1,水热处理时间优选4~8小时,将水热处理后的分子筛在280~500℃、0.1~2.0MPa条件下空气中焙烧得硅改性的分子筛或成型物,焙烧时间优选4~8小时。
硅改性后,即可载铂制备催化剂。对于已与粘结剂成型的成型物,可用含铂化合物溶液浸渍,然后干燥、焙烧。对于硅改性的分子筛则将其与粘结剂混合成型、干燥、焙烧后再用含铂化合物溶液浸渍,然后干燥、焙烧。所述的含铂化合物优选氯铂酸。浸渍引入含铂化合物的温度为15~90℃,浸渍的液/固比为0.5~3mL/g,催化剂中负载的铂含量为0.01~0.5质量%、优选0.01~0.4质量%。浸渍引铂后的干燥温度为110~200℃,焙烧温度为300~500℃。
本发明方法制备的催化剂适用于二甲苯异构化反应生产对二甲苯,所述的异构化反应条件为温度340~440℃、优选360~420℃,压力0.4~2.5MPa、优选0.6~1.0MPa,氢/烃摩尔比为0.5~4.0、优选1.0~3.0,进料质量空速4.0~25.0小时-1、优选6.0~12.0小时-1。所述的二甲苯异构化原料主要为间-二甲苯和邻二甲苯,其中可含有3~30质量%的乙苯。
下面通过实例进一步说明本发明,但本发明并不限于此。
催化剂性能按如下计算方法评定:
异构化活性指标:
二甲苯收率指标:
对比例1
取10克SiO2/Al2O3摩尔比为20的ZSM-5分子筛粉末,与10克氧化铝(Condea公司,C1粉)充分混合均匀。加入20毫升3%的硝酸水溶液混捏,挤条成型。将条形物在120℃干燥6小时,然后切粒,550℃焙烧4小时。用50毫升2%的氯化铵水溶液于90℃进行离子交换2小时,用去离子水洗涤至母液中无氯离子。再用20毫升含铂0.004克的氯铂酸水溶液浸渍8小时,120℃干燥4小时,空气中500℃焙烧4小时,用氢气于500℃还原4小时,制成催化剂C-1,其铂含量为0.02质量%。
对比例2
按对比例1的方法制备催化剂,不同的是取SiO2/Al2O3摩尔比为200的ZSM-5分子筛16克、氧化铝4克混捏成型,经铵交换后用20毫升含铂0.1克的氯铂酸水溶液浸渍,经干燥、焙烧、还原后得到催化剂C-3,其铂含量为0.5质量%。
对比例3
按对比例1的方法制备催化剂,不同的是取SiO2/Al2O3摩尔比为60的ZSM-5分子筛12克、氧化铝8克混捏成型,经铵交换后用20毫升含铂0.01克的氯铂酸水溶液浸渍,经干燥、焙烧、还原后得到催化剂C-3,其铂含量为0.05质量%。
对比例4
按对比例1的方法制备催化剂,不同的是取SiO2/Al2O3摩尔比为120的ZSM-5分子筛14克、氧化铝6克混捏成型,经铵交换后用20毫升含铂0.07克的氯铂酸水溶液浸渍,经干燥、焙烧、还原制得催化剂C-4,其铂含量为0.35质量%。
对比例5
以下对比例对催化剂进行硅改性后高温焙烧,然后进行水热处理。
取SiO2/Al2O3摩尔比为90的ZSM-5分子筛11克、氧化铝9克混合均匀,加入20毫升3%的硝酸水溶液混捏,挤条成型。将条形物在120℃干燥6小时,然后切粒,550℃焙烧4小时。用50毫升2%的氯化铵水溶液于90℃进行离子交换2小时,用去离子水洗涤至母液中无氯离子。25℃于10克四甲基硅氧烷中浸渍8小时,浸渍完毕,沥净四甲基硅氧烷,350℃焙烧4小时,然后在350℃、0.5MPa、水蒸气通过空速为1h-1的条件下水热处理5小时;将水热处理后的催化剂在280℃、2.0MPa的条件下在空气中焙烧8小时。再用20毫升含铂0.004克的氯铂酸水溶液进行浸渍,120℃干燥3小时,再在空气中500℃焙烧4小时,再用氢气于500℃还原4小时,制成催化剂C-5,其铂含量为0.02质量%。
对比例6
取SiO2/Al2O3摩尔比为150的ZSM-5分子筛13克,用50毫升2%的氯化铵水溶液于90℃进行离子交换2小时,用去离子水洗涤至母液中无氯离子。120℃干燥6小时,550℃焙烧4小时,25℃于20克粘度30厘泊的二甲基硅油(分子量1500)中浸渍8小时,浸渍完毕后,沥净二甲基硅油,550℃焙烧6小时,于150℃、0.1MPa、水蒸气通过空速为1h-1的条件下水热处理4小时,然后在280℃、0.1MPa条件下空气中焙烧6小时,得硅改性分子筛。
将上述硅改性分子筛与7克氧化铝混合均匀,加入20毫升3%的硝酸水溶液混捏,挤条成型。将条形物在120℃干燥6小时,然后切粒,550℃焙烧4小时。再用20毫升含铂0.07克的氯铂酸水溶液浸渍4小时,120℃干燥2小时,再在空气中450℃焙烧4小时,用氢气于450℃还原4小时,制成催化剂C-6,其铂含量为0.35质量%。
实例1
取10克SiO2/Al2O3摩尔比为20的ZSM-5分子筛粉末,与10克氧化铝充分混合均匀。加入20毫升3%的硝酸水溶液混捏,挤条成型。将条形物在120℃干燥6小时,然后切粒,550℃焙烧4小时。用50毫升2%的氯化铵水溶液于90℃进行离子交换2小时,用去离子水洗涤至母液中无氯离子。25℃于6克四甲基硅氧烷中浸渍8小时,浸渍完毕,沥净四甲基硅氧烷,120℃干燥8小时,在150℃、0.5MPa、水蒸气通过空速为1h-1的条件下水热处理4小时,再于280℃、2.0MPa的条件下于空气中焙烧6小时。再用20毫升含铂0.004克的氯铂酸水溶液浸渍5小时,120℃干燥2小时,再在空气中450℃焙烧5小时,用氢气于450℃还原4小时,制成催化剂Cc-1,其铂含量为0.02质量%。
实例2
按实例1的方法制备催化剂,不同的是取SiO2/Al2O3摩尔比为200的ZSM-5分子筛16克、氧化铝4克混捏成型,经铵交换后,25℃于60克八甲基环四硅氧烷中浸渍24小时,浸渍完毕,沥净八甲基环四硅氧烷,120℃干燥48小时,在450℃、0.1MPa、水蒸气通过空速为5h-1的条件下水热处理8小时;再于500℃、0.1MPa条件下空气中焙烧2小时,浸渍引铂、干燥、焙烧、还原后得催化剂Cc-2,其铂含量为0.02质量%。
实例3
取SiO2/Al2O3摩尔比为60的ZSM-5分子筛12克,用50毫升2%的氯化铵水溶液于90℃进行离子交换2小时,用去离子水洗涤至母液中无氯离子。120℃干燥6小时,550℃焙烧4小时,25℃于20克粘度10厘泊的二甲基硅油(分子量为1000)中浸渍8小时,浸渍完毕后,沥净二甲基硅油,550℃焙烧6小时,于150℃、0.1MPa、水蒸气通过空速为1h-1的条件下水热处理4小时,然后在280℃、0.1MPa条件下空气中焙烧4小时,得硅改性分子筛。
将上述硅改性分子筛与8克氧化铝混合均匀,加入20毫升3%的硝酸水溶液混捏,挤条成型。将条形物在120℃干燥6小时,然后切粒,550℃焙烧4小时,再用20毫升含铂0.01克的氯铂酸水溶液浸渍8小时,120℃干燥2小时,再在空气中500℃焙烧4小时,用氢气于500℃还原4小时,制成催化剂Cz-1,其铂含量为0.05质量%。
实例4
取SiO2/Al2O3摩尔比为120的ZSM-5分子筛14克,用50毫升2%的氯化铵水溶液于90℃进行离子交换2小时,用去离子水洗涤至母液中无氯离子。120℃干燥6小时,550℃焙烧4小时,25℃于25克粘度50厘泊的二甲基硅油(分子量为3000)中浸渍48小时,浸渍完毕后,沥净二甲基硅油,550℃焙烧6小时,于450℃、0.15MPa、水蒸气通过空速为5h-1的条件下水热处理8小时,然后在500℃、2.0MPa条件下空气中焙烧2小时,得硅改性分子筛。
将上述硅改性分子筛与6克氧化铝混合均匀,加入20毫升3%的硝酸水溶液混捏,挤条成型。将条形物在120℃干燥6小时,然后切粒,550℃焙烧4小时,再用20毫升含铂0.07克的氯铂酸水溶液浸渍4小时,120℃干燥2小时,再在空气中480℃焙烧6小时,用氢气于480℃还原4小时,制成催化剂Cz-2,其铂含量为0.35质量%。
实例5
按实例1的方法制备催化剂,不同的是取SiO2/Al2O3摩尔比为90的ZSM-5分子筛11克、氧化铝9克混捏成型,经铵交换、四甲基硅氧烷浸渍后,在120℃干燥4小时,在350℃、0.5MPa、水蒸气通过空速为1h-1的条件下水热处理5小时,再于280℃、2.0MPa的条件下空气中焙烧6小时,浸渍引铂、干燥、焙烧、还原后得催化剂Cc-3,其铂含量为0.02质量%。
实例6
按对比例6的方法制备催化剂,不同的是用二甲基硅油浸渍后的固体于120℃干燥4小时,在350℃、0.5MPa、水蒸气通过空速为1h-1的条件下水热处理6小时,再于280℃、2.0MPa条件下在空气中焙烧6小时,浸渍引铂、干燥、焙烧、还原后得催化剂Cc-4,其铂含量为0.02质量%。
实例7~18
本实例评价催化剂的二甲苯异构化反应性能。
在小型连续流动固定床临氢反应装置上,装填2克催化剂,以工业二甲苯异构化为原料对催化剂性能进行评价。反应条件为:温度400℃,压力1.5MPa,空速10h-1,氢/烃摩尔比1。反应所用二甲苯异构化原料组成见表1,各实例所用催化剂及反应结果见表2。
由表2结果可知,本发明方法制备的催化剂较之未进行硅改性的催化剂,具有较高的二甲苯收率,较之先焙烧后进行水热处理的催化剂C-5和C-6,在分子筛含量相同,所用硅改性剂相同的情况下,二甲苯收率有所提高,说明本发明方法可明显减少副反应发生,在不影响二甲苯异构活性的前提下,有效提高二甲苯收率。
表1
表2
Claims (13)
1.一种二甲苯异构化催化剂的制备方法,包括将ZSM-5分子筛与粘结剂混合成型,干燥、焙烧后,用铵盐溶液进行离子交换,然后用含硅化合物浸渍,浸渍后固体于90~120℃干燥,再于140~500℃、0.1~2.0MPa条件下进行水热处理,280~500℃、0.1~2.0MPa条件下于空气中焙烧,再用含铂化合物溶液浸渍,然后干燥、焙烧。
2.一种二甲苯异构化催化剂的制备方法,包括将ZSM-5分子筛用铵盐溶液进行离子交换,然后用含硅化合物浸渍,浸渍后固体于90~120℃干燥,再于140~500℃、0.1~2.0MPa条件下进行水热处理,280~500℃、0.1~2.0MPa条件下于空气中焙烧得硅改性ZSM-5分子筛,将硅改性ZSM-5分子筛与粘结剂混合成型,干燥、焙烧后,用含铂化合物溶液浸渍,然后干燥、焙烧。
3.按照权利要求1所述的方法,其特征在于ZSM-5分子筛与粘结剂的质量比为20~90:10~80。
4.按照权利要求2所述的方法,其特征在于硅改性ZSM-5分子筛与粘结剂的质量比为20~90:10~80。
5.按照权利要求1或2所述的方法,其特征在于所述的粘结剂为氧化铝。
6.按照权利要求1或2所述的方法,其特征在于所述的含硅化合物为烷基硅氧烷、甲基环硅氧烷或二甲基聚硅氧烷。
7.按照权利要求6所述的方法,其特征在于所述的烷基硅氧烷的烷基碳数为1~3,所述的甲基环硅氧烷的硅原子数为3~5。
8.按照权利要求6所述的方法,其特征在于所述的二甲基聚硅氧烷的粘均分子量300~3000,粘度为10~50厘泊。
9.按照权利要求1或2所述的方法,其特征在于用含硅化合物浸渍铵交换后的成型物或分子筛的温度为15~90℃。
10.按照权利要求1或2所述的方法,其特征在于水热处理时,水蒸气通过的空速为0.2~15h-1。
11.按照权利要求1或2所述的方法,其特征在于用含硅化合物浸渍时,含硅化合物与被浸渍固体的液/固质量比为0.1~5:1。
12.按照权利要求1或2所述的方法,其特征在于所述的含铂化合物为氯铂酸。
13.一种二甲苯异构化方法,包括将二甲苯异构化原料在氢气存在下与权利要求1或2方法制备的催化剂接触进行异构化反应生成对二甲苯,所述的异构化反应温度为340~440℃、压力为0.4~2.5MPa、氢/烃摩尔比为0.5~4.0、进料质量空速4.0~25.0小时-1。
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