CN106582797A - 一种甲醇芳构化骨架中含钼hzsm‑5分子筛催化剂的制备方法 - Google Patents

一种甲醇芳构化骨架中含钼hzsm‑5分子筛催化剂的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种甲醇芳构化骨架中含钼HZSM‑5分子筛催化剂的制备方法,涉及沸石分子筛的合成。包括以下步骤:1)将铝源和硅源混合搅拌均匀,得母液;2)在母液中加入模板剂和碱溶液,再加入钼盐,老化后进行水热处理,再经过滤、洗涤、干燥和焙烧后得到Mo‑ZSM‑5分子筛;3)将Mo‑ZSM‑5分子筛在铵盐溶液中进行离子交换,然后过滤、洗涤、干燥、焙烧,即得甲醇芳构化骨架中含钼HZSM‑5分子筛催化剂,可应用于甲醇芳构化反应。所合成的催化剂具有优良的催化甲醇转化活性,芳烃选择性显著提高,低碳烃选择性明显降低。减少烯烃的生成量,提高甲醇转化率和BTX选择性,具有很好的应用前景。

Description

一种甲醇芳构化骨架中含钼HZSM-5分子筛催化剂的制备方法
技术领域
本发明涉及沸石分子筛的合成,尤其是涉及一种甲醇芳构化骨架中含钼HZSM-5分子筛催化剂的制备方法。
背景技术
分子筛是一种具有立方晶格的硅铝酸盐化合物,其微孔结构孔道直径大小均匀,这些孔道结构能把比其直径小的分子吸附到孔腔内部,并对极性分子和不饱和分子具有优先吸附能力。ZSM-5分子筛是一类具有MFI拓扑结构的五元环沸石类材料,由于其独特的交叉三维孔道结构、良好的热稳定性及水热稳定性,因而具有优异的择形催化性能,尤其在异构化、烷基化、歧化和甲醇芳构化等反应中表现出独特的催化活性,因而被广泛用作催化剂材料和催化剂载体。另一方面,芳烃,特别是轻质芳烃BTX(苯、甲苯、二甲苯)是重要的基础有机化工原料,其衍生物广泛应用于化纤、塑料和橡胶等化工产品和精细化学品的生产。近年来,世界各国对芳烃的需求量迅速增长,而我国甲醇产能严重过剩,甲醇芳构化可以有效降低芳烃产品对石油的依赖性。
20世纪70年代,美孚公司首次提出了利用HZSM-5催化剂将甲醇转化为高质量汽油,即MTO工艺。随后美孚公司公布两个专利:3931349和4579999,在该专利中采用两段式固定床反应器,第一段将甲醇脱水制成反应的中间产物二甲醚,第二段将上一段的混合物,在ZSM-5催化剂的作用下转化为含有芳烃的汽油液化气。在之后的研究中发现,由于ZSM-5催化剂酸性强,致使原料裂解严重,催化活性和选择性的提高受限。而加入某一金属离子M后,脱氢反应被有效促进,且M-HZSM-5催化剂具有双功能催化作用,反应物在M金属离子上先进行脱氢活化,继而在分子筛强B酸中心上进行环化,显著提高芳构化反应效率。其中,最常用的M-HZSM-5催化剂:Pt-HZSM-5催化剂裂解性能强,但选择性低,易硫中毒失活;Zn-HZSM-5催化剂反应剧烈,易产生较多的烯烃;Ga-HZSM-5催化剂酸性强,易积碳失活。此外,金属离子的引入一般都是通过浸渍或机械混合的方法,负载过程较为复杂,且容易堵塞孔道及积碳失活,致使反应活性下降。1981年,美国专利US 4388244提出了沸石分子筛骨架中引入Mo原子的构想,可有效解决负载过程造成的孔道堵塞问题。我国庞文琴教授在文献《Mo-ZSM-5分子筛合成与结构研究》中,将杂原子Mo引入ZSM-5分子筛的骨架中,提出了Mo-ZSM-5的基本合成路径。中国专利CN1278459A公开了,用高压釜高温高压下将Mo负载在HZSM-5分子筛上的方法,此催化剂优于传统浸渍法制备的催化剂,催化活性及芳烃选择性均有所提高,但此方法需先合成ZSM-5后再进行负载Mo,步骤相对繁琐,且在负载过程中易破坏ZSM-5的结构。
发明内容
本发明的目在于提供一种甲醇芳构化骨架中含钼HZSM-5分子筛催化剂的制备方法。
本发明包括以下步骤:
1)将铝源和硅源混合搅拌均匀,得母液;
2)在母液中加入模板剂和碱溶液,再加入钼盐,老化后进行水热处理,再经过滤、洗涤、干燥和焙烧后得到Mo-ZSM-5分子筛;
3)将Mo-ZSM-5分子筛在铵盐溶液中进行离子交换,然后过滤、洗涤、干燥、焙烧,即得甲醇芳构化骨架中含钼HZSM-5分子筛催化剂。
在步骤1)中,所述铝源可选自硫酸铝、硝酸铝、氯化铝、铝溶胶、偏铝酸钠、异丙醇铝等中的一种;所述硅源可选自白炭黑、水玻璃、硅溶胶、硅酸钠、正硅酸乙酯等中的一种;所述混合搅拌均匀的时间可为5~60min。
在步骤2)中,所述模板剂可选自正丁胺、乙胺、异丙醇、乙二胺、乙醇、四丙基氢氧化铵、四丙基溴化铵等中的一种;所述碱溶液可选自氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、氢氧化钙等中的一种配成的溶液;所述钼盐可选自钼酸钠、钼酸铵等中的一种;所述加入模板剂和碱溶液后,搅拌1~5h;所述加入钼盐后可搅拌8~24h;所述水热处理采用水热反应釜进行;水热处理的温度可为120~200℃,水热处理的时间可为15~50h;所制得的Mo-ZSM-5分子筛催化剂的摩尔组成可为:Na2O 5~20、SiO2 50~100、Al2O3 1~5、H2O 1000~3000。
在步骤3)中,所述铵盐溶液的摩尔浓度为0.2~1.0mol/L;离子交换温度为50~90℃,每次离子交换的时间可为0.5~4h;所述离子交换、过滤、洗涤重复3次;所述干燥温度为90~110℃,干燥的时间为5~20h;所述焙烧可在空气气氛中400~600℃,焙烧时间可为3~9h。
所述骨架中含Mo的H型ZSM-5分子筛催化剂应用于甲醇芳构化反应。
骨架中含Mo的H型ZSM-5分子筛催化剂应用于甲醇芳构化的反应条件为:反应温度350~450℃,反应压力1.0~3.0MPa,N2流速30~150ml/min,甲醇(液体)进料空速0.5~5h-1
综合上述,为节省成本和简化制备流程,本发明公开一种骨架中含钼HZSM-5分子筛催化剂的制备方法。其中,所引入的金属Mo离子以及MoO3具有较强的脱氢效应,且抗硫中毒能力强;此外,采用一步法在合成过程中直接将金属引入至分子筛骨架上,避免堵塞孔道,有效调节ZSM-5的酸性位。所合成的Mo-HZSM-5催化剂应用于甲醇制芳烃反应,采用一段式固定床反应器,反应评价结果表明,本发明所合成的催化剂具有优良的催化甲醇转化活性,相比于传统浸渍法制备的ZSM-5负载Mo催化剂,其芳烃选择性显著提高,低碳烃选择性明显降低。
本发明的优点在于:
催化剂在制备过程中减少了传统方法负载Mo或者离子交换Mo的步骤,在ZSM-5分子筛合成过程中直接引入Mo原子,一步得到的Mo-H-ZSM-5分子筛催化剂具有强酸性而且形貌规整。本发明制备的Mo-H-ZSM-5催化剂在甲醇芳构化反应中表现出优良的性能。在确保催化剂稳定性的前提下,催化剂的选择性有明显的提高,与商业ZSM-5催化剂相比,减少了烯烃的生成量,提高了甲醇转化率和BTX选择性,具有很好的应用前景。
具体实施方式
下面实施例将对本发明做进一步说明,但本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。
实施例1:骨架中含Mo的H型ZSM-5分子筛催化剂的制备
1、将0.5g硝酸铝与80g水玻璃,持续搅拌,直至均匀;
2、向上述混合液中加入乙二胺5g,再加入1mol/L氨水溶液30mL,搅拌1h,加入钼酸铵0.5g,高速搅拌8h,直至溶液混合均匀,然后转移到水热反应釜内,160℃水热处理18h,将得到的产品经过滤、洗涤,100℃干燥5h、550℃焙烧2h,得到Mo-ZSM-5分子筛催化剂;
3、将上述Mo-ZSM-5分子筛在0.1mol/L硝酸铵溶液中70℃离子交换1h、过滤、洗涤、100℃干燥2h,重复三次,最后在550℃下焙烧2h,即得到Mo-H-ZSM-5分子筛催化剂。催化剂的甲醇芳构化性能评价结果见表1。
实施例2:
骨架中含Mo的H型ZSM-5分子筛催化剂的制备方法同实施例1,区别在于,将步骤(1)中铝源替换为异丙醇铝,硅源替换为硅溶胶,其他条件不变,得到Mo-H-ZSM-5分子筛催化剂。催化剂的甲醇芳构化性能评价结果见表1。
实施例3:
骨架中含Mo的H型ZSM-5分子筛催化剂的制备方法同实施例1,区别在于,将步骤(1)中铝源替换为铝酸钠,硅源替换为硅溶胶,其他条件不变,得到Mo-H-ZSM-5分子筛催化剂。催化剂的甲醇芳构化性能评价结果见表1。
实施例4:
1、将0.7g铝酸钠与50g硅溶胶,持续搅拌,直至均匀;
2、向上述混合液中加入乙醇10g,再加入1mol/L氢氧化钠溶液20mL,搅拌2h,加入钼酸铵0.4g,高速搅拌12h,直至溶液混合均匀,然后转移到水热反应釜内,170℃水热处理24h,将得到的产品经过滤、洗涤,100℃干燥5h,550℃焙烧5h,得到Mo-ZSM-5分子筛催化剂;
3、将上述Mo-ZSM-5分子筛在0.1mol/L硝酸铵溶液中70℃离子交换1h、过滤、洗涤、100℃干燥5h,重复三次,最后在550℃下焙烧5h,即得到Mo-H-ZSM-5分子筛催化剂。催化剂的甲醇芳构化性能评价结果见表1。
实施例5:
骨架中含Mo的H型ZSM-5分子筛催化剂的制备方法同实施例4,区别在于,将步骤(2)中乙醇换成0.45g四丙基溴化铵,其他条件不变,得到Mo-H-ZSM-5分子筛催化剂。催化剂的甲醇芳构化性能评价结果见表1。
实施例6:
骨架中含Mo的H型ZSM-5分子筛催化剂的制备方法同实施例5,区别在于,将步骤(2)中水热处理时间改为50h其他条件不变,得到Mo-H-ZSM-5分子筛催化剂。催化剂的甲醇芳构化性能评价结果见表1。
实施例7:
骨架中含Mo的H型ZSM-5分子筛催化剂的制备方法同实施例5,区别在于,步骤(2)中钼酸铵加入量改为0.6g其他条件不变,得到Mo-H-ZSM-5分子筛催化剂。催化剂的甲醇芳构化性能评价结果见表1。
对比例1:
在硅铝比为50的商品级HZSM-5分子筛中加入0.6g钼酸铵,等体积浸渍负载,110℃干燥5h,550℃焙烧5h。催化剂的甲醇芳构化性能评价结果见表1。
对比例2:
将硅铝比为50的商品级NaZSM-5,在0.1mol/L硝酸铵溶液中70℃离子交换1h、过滤、洗涤、100℃干燥5h,重复三次,最后在550℃下焙烧5h,得到H-ZSM-5分子筛催化剂。再加入0.6g钼酸铵,等体积浸渍负载,110℃干燥5h,550℃焙烧5h。催化剂的甲醇芳构化性能评价结果见表1。
对比例3:
在硅铝比为80的商品级HZSM-5分子筛中加入0.6g钼酸铵,等体积浸渍负载,110℃干燥5h,550℃焙烧5h。催化剂的甲醇芳构化性能评价结果见表1。
表1
实施例/对比例 C甲醇(%) S(%) S甲苯(%) S二甲苯(%) S芳烃(%) S干气(%)
实施例1 93.9 3.9 35.3 29.4 76.4 23.6
实施例2 95.2 4.6 32.1 31.2 77.6 22.4
实施例3 95.3 4.2 34.7 30.9 78.3 21.7
实施例4 94.9 5.1 33.9 32.6 78.8 21.2
实施例5 94.3 4.7 34.2 29.9 76.9 23.1
实施例6 95.1 4.5 35.8 31.1 78.5 21.5
实施例7 96.2 5.5 36.7 32.1 80.3 19.7
对比例1 95.6 4.8 25.3 31.2 71.9 28.1
对比例2 94.1 4.7 23.2 28.7 67.3 32.7
对比例3 90.9 2.7 22.2 27.6 70.5 29.5
表1给出实施例1~7和对比例1~3制备的催化剂的甲醇芳构化性能评价结果。

Claims (10)

1.一种甲醇芳构化骨架中含钼HZSM-5分子筛催化剂的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
1)将铝源和硅源混合搅拌均匀,得母液;
2)在母液中加入模板剂和碱溶液,再加入钼盐,老化后进行水热处理,再经过滤、洗涤、干燥和焙烧后得到Mo-ZSM-5分子筛;
3)将Mo-ZSM-5分子筛在铵盐溶液中进行离子交换,然后过滤、洗涤、干燥、焙烧,即得甲醇芳构化骨架中含钼HZSM-5分子筛催化剂。
2.如权利要求1所述一种甲醇芳构化骨架中含钼HZSM-5分子筛催化剂的制备方法,其特征在于在步骤1)中,所述铝源选自硫酸铝、硝酸铝、氯化铝、铝溶胶、偏铝酸钠、异丙醇铝中的一种。
3.如权利要求1所述一种甲醇芳构化骨架中含钼HZSM-5分子筛催化剂的制备方法,其特征在于在步骤1)中,所述硅源选自白炭黑、水玻璃、硅溶胶、硅酸钠、正硅酸乙酯中的一种。
4.如权利要求1所述一种甲醇芳构化骨架中含钼HZSM-5分子筛催化剂的制备方法,其特征在于在步骤1)中,所述混合搅拌均匀的时间为5~60min。
5.如权利要求1所述一种甲醇芳构化骨架中含钼HZSM-5分子筛催化剂的制备方法,其特征在于在步骤2)中,所述模板剂选自正丁胺、乙胺、异丙醇、乙二胺、乙醇、四丙基氢氧化铵、四丙基溴化铵中的一种。
6.如权利要求1所述一种甲醇芳构化骨架中含钼HZSM-5分子筛催化剂的制备方法,其特征在于在步骤2)中,所述碱溶液选自氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、氢氧化钙中的一种配成的溶液;所述钼盐可选自钼酸钠、钼酸铵中的一种;所述加入模板剂和碱溶液后,搅拌1~5h;所述加入钼盐后可搅拌8~24h。
7.如权利要求1所述一种甲醇芳构化骨架中含钼HZSM-5分子筛催化剂的制备方法,其特征在于在步骤2)中,所述水热处理采用水热反应釜进行,水热处理的温度为120~200℃,水热处理的时间为15~50h;所制得的Mo-ZSM-5分子筛催化剂的摩尔组成可为:Na2O 5~20、SiO2 50~100、Al2O3 1~5、H2O 1000~3000。
8.如权利要求1所述一种甲醇芳构化骨架中含钼HZSM-5分子筛催化剂的制备方法,其特征在于在步骤3)中,所述铵盐溶液的摩尔浓度为0.2~1.0mol/L;离子交换温度为50~90℃,每次离子交换的时间可为0.5~4h;所述离子交换、过滤、洗涤重复3次。
9.如权利要求1所述一种甲醇芳构化骨架中含钼HZSM-5分子筛催化剂的制备方法,其特征在于在步骤3)中,所述干燥温度为90~110℃,干燥的时间为5~20h;所述焙烧可在空气气氛中400~600℃,焙烧时间可为3~9h。
10.如权利要求1所述一种甲醇芳构化骨架中含钼HZSM-5分子筛催化剂在甲醇芳构化反应中应用。
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