CN109465022A - 适用于费托合成油中低碳烃芳构化催化剂及制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于费托合成油中低碳烃芳构化催化剂,由HZSM‑5分子筛负载活性组分Zn、Ga、Ni构成,包括以下重量含量的组分:Zn含量为0.05~4%,Ga含量为0.05~2.0%,Ni含量为0.05~1.5%,其余为载体HSM‑5分子筛,本发明用常规浸渍法引入Zn、Ga、Ni为活性组分,通过水蒸气处理脱除HZSM‑5骨架中的部分铝,适当改善了分子筛表面的酸性分布,保障了催化剂进行低碳烃芳构化反应的活性,同时抑制了催化剂上的积炭速率。与现有技术相比,本发明可直接用于费托合成油中低碳烃的芳构化反应,具有活性高、选择性好、不易积炭、稳定好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种低碳烃芳构化的催化剂及其制备方法,尤其是涉及一种适用于费托合成油中低碳烃芳构化的催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
近年来,随着合成橡胶、纤维、树脂三大合成材料行业的飞速发展以及国内对精细化学品需求量的不断攀升,芳烃作为高辛烷值清洁汽油的调和组分具有非常广阔的市场前景。
轻烃芳构化是近年来发展起来的一种生产芳烃的新工艺,用于生产芳烃或高辛烷值汽油的调和组分,它是指在双功能催化剂的作用下,轻烃经过裂解、脱氢、齐聚、环化、异构化、氢转移一系列复杂反应转变成芳烃的过程。工业生产芳烃的原料包括重整汽油、裂解汽油、焦化汽油、直馏汽油、凝析油、石油液化气等,其主要成份为C4~C12的烃类。目前工业上大规模生产芳烃通过催化重整、裂解汽油加氢、芳烃转化和分离等现代化芳烃联合装置来实现。
随着煤化工行业的不断发展,将煤间接制油工艺的费托合成反应过程中产生大量的C5~C6低碳烃及PAO尾油、异构裂化/降凝石脑油、稳定石脑油通过芳构化反应制备BTX,不仅可以生产高辛烷值汽油调和组分,提高装置的经济性,同时在开辟芳烃生产新原料、合理利用资源、提高轻烃价值方面也具有十分重要的意义。
目前,用于轻烃芳构化的催化剂大体上可分为两类:一是金属负载型催化剂,如Pt/Al2O3、Cr2O3/Al2O3等,另一类是分子筛型催化剂,如MFI型、MCM型等。MFI型ZSM-5分子筛由于具有较强的芳构化活性及优异的产物择形性,利用HZSM-5分子筛作为轻烃芳构化的催化剂,在一定条件下均能使轻烃不同程度地转化为芳烃。由于ZSM-5分子筛酸性较强,裂解反应严重,鉴于此,研究人员多采用具有芳构化活性的金属,如Zn、Ga、K、Ag等对ZSM-5分子筛进行改性,以提高芳烃选择性,如US4175057采用负载Zn、Ga或Zn-Ga或Zn、Ga负载铜的ZSM-5分子筛来催化丙烷和丁烷的芳构化,但芳烃选择性仅为30%~40%。
中国专利CN1069906A、CN1069999A公开的芳构化催化剂均是微米级ZSM-5负载贵金属(Pt)、VII过渡金属以及少量的非金属元素的催化剂,主要用于C8~C9芳构化,烷烃转化率达到88%,芳烃选择性为45.6%,芳烃的选择性较低。
中国专利CN1232071A公开的芳构化催化剂是以Zn、混合稀土为活性组分以及HZSM-5和γ-氧化铝组成的载体的催化剂,该催化剂采用引入稀土元素阻止金属Zn的流失,并对催化剂采用水蒸汽处理,以期获得专用于C4烷烃的芳构化反应中,总芳烃收率达到50%,BTX收率为47%。但由于必须使用[Zn(NH3)4]2+络离子溶液为浸渍溶液引入Zn,制备[Zn(NH3)4]2+络离子溶液过程较为复杂,增加了工业放大制备难度。
中国专利CN 1070847中公开了针对C5-C8原料的低碳链烃芳构化的催化剂和其制备方法,催化剂以HZSM-5沸石为载体,用常规浸渍方法引入Ga、Zn、Pt为活性组分,通过水蒸气处理,催化剂具有较好的活性,但是该催化剂的总芳烃收率最高为54%,收率还有提升空间;并且原料为正构C5-C8烷烃,与费托合成油中产生的低碳烯烃原料组成有一定的不同;催化剂含有贵金属Pt,催化剂成本高。
芳构化技术中芳烃收率是重要的技术指标,提高芳烃收率和提高催化剂的稳定性是本领域一直追求的目标。开发适用的催化剂,进一步提高催化剂的活性和稳定性,具有重要意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于费托合成油中低碳烃芳构化催化剂及其制备方法和应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种适用于费托合成油中低碳烃芳构化催化剂,由HZSM-5分子筛负载活性组分Zn、Ga、Ni构成,包括以下重量含量的组分:Zn含量为0.05~4%,Ga含量为0.05~2.0%,Ni含量为0.05~1.5%,其余为载体HSM-5分子筛。
所述的HZSM-5分子筛硅铝比为25~80。
一种适用于费托合成油中低碳烃芳构化催化剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)将HZSM-5分子筛进行高温预处理,500~600℃下焙烧1~6小时;
(2)将步骤(1)得到的产物与粘结剂、硝酸、水充分捏合,挤条机上挤出得到2~5mm的条形固体,80~120℃烘干,马弗炉中450~600℃下焙烧3~8小时,破碎过筛得20~40目前驱体;
(3)前驱体在常压,温度400~650℃,空速1~15小时-1条件下水蒸汽处理1~10小时,得到催化剂载体;
(4)通过浸渍法向催化剂载体浸渍Zn、Ga、Ni,再经焙烧即得芳构化催化剂。
所述步骤(2)中粘结剂选自氧化铝或拟薄水铝石中的一种或二者的混合物;所述粘结剂的用量是分子筛重量的5~20%;硝酸用量是分子筛重量的1~4%。
所述粘结剂优选拟薄水铝石,SB粉;拟薄水铝石的用量是分子筛重量的5~20%。
所述步骤(3)中水蒸汽处理温度为450~600℃,空速为1~10小时-1,水蒸汽处理时间为1~5小时。
所述步骤(4)中浸渍法使用的金属盐为Zn、Ga、Ni的金属硝酸盐;
浸渍后干燥温度为80~120℃;
焙烧温度为450~550℃,焙烧时间为1~6小时。
所述的芳构化催化剂应用于费托合成油中低碳烃的芳构化反应,生成含苯、甲苯、二甲苯的芳烃产物,其中费托合成合成油中的低碳烃主要指C5~C10的烷烃和烯烃,其中各组分的重量百分比为:烯烃含量30~50%,烷烃含量40~70%,余量为环烷烃和芳烃。
本发明提供方法制备的芳构化催化剂在应用于费托合成油中低碳烃芳构化反应过程时,较好的工艺条件为:反应温度400~600℃,优选450~580℃;反应压力为0.2~2.0MPa,优选0.2~1.5MPa;质量空速为0.1~10小时-1,优选0.5~3小时-1。
与现有技术相比,本发明制备的芳构化催化剂通过水蒸汽处理,适当改善了分子筛表面的酸性分布,通过引入多种活性金属元素,进一步调整了分子筛上的B酸和L酸比例,保障了催化剂进行低碳烃芳构化反应的活性,同时抑制了催化剂上的积炭速率,使催化剂具有更优的反应稳定性;具有活性高、选择性好、不易积炭、稳定好的优点。
另外,本发明采用了Ni代替了Pt,能够降低了催化剂成本,Pt为贵金属,价格昂贵,而Ni的价格相对便宜。Pt的加入降低了催化剂的芳构化选择性,芳烃收率低。采用多种金属共浸渍,发现芳构化选择高于分步浸渍制备的催化剂,且共同浸渍简化了催化剂制备流程。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
对比例
取硅铝比25的HZSM-5分子筛,于马弗炉中500℃下焙烧6小时进行预处理;50g预处理后的HZSM-5分子筛与8g SB粉充分混合,再用8g稀硝酸和适量去离子水捏合,在挤条机上成型得到2~5mm的条形固体,80℃干燥3小时,550℃焙烧6小时,破碎过筛得20~40目的前驱体;将15g前驱体浸渍到0.1mol/LZn(NO3)2和0.1mol/L Ga(NO3)3混合水溶液中,室温下搅拌1小时,静置24小时,120℃干燥12小时,然后在500℃下焙烧6小时,得到负载含量为1%Zn-1%Ga/ZSM-5催化剂。
实施例1
取硅铝比25的HZSM-5分子筛,于马弗炉中500℃下焙烧6小时进行预处理;40g预处理后的HZSM-5分子筛与10g SB粉充分混合,再用10g稀硝酸和适量去离子水捏合,在挤条机上成型得到2~5mm的条形固体,80℃干燥3小时,550℃焙烧6小时,破碎过筛得20~40目的前驱体;将前驱体在常压下,温度500℃,空速5.0小时-1下水蒸汽处理2小时,得到催化剂载体;将15g催化剂载体浸渍到0.1mol/LZn(NO3)2、0.1mol/L Ga(NO3)3和0.1mol/L Ni(NO3)2混合水溶液中,室温下搅拌1小时,静置24小时,120℃干燥12小时,然后在500℃下焙烧6小时,得到负载含量为1%Zn-1%Ga-1%Ni/ZSM-5催化剂。
实施例2
取硅铝比38的HZSM-5分子筛,于马弗炉中520℃下焙烧4小时进行预处理;20g预处理后的HZSM-5分子筛与10g SB粉充分混合,再加入8.5g稀硝酸和适量去离子水,在挤条机上成型得到2~5mm的条形固体,100℃干燥4小时,520℃焙烧3小时,破碎过筛的20~40目的前驱体;将前驱体在常压下,温度550℃,空速5.0小时-1下水蒸汽处理2小时,得到催化剂载体;将15g前驱体浸渍到0.15mol/L Zn(NO3)2、0.05mol/L Ga(NO3)3和0.10mol/L Ni(NO3)2水溶液中,室温下搅拌1小时,静置18小时,120℃干燥24小时,然后在550℃下焙烧2小时,得到1.5%Zn-0.5%Ga-1%Ni/ZSM-5催化剂。
实施例3
取硅铝比80的HZSM-5分子筛,于马弗炉中在600℃下焙烧2小时进行预处理;50g预处理后的HZSM-5分子筛与40g SB粉充分混合,再加入28g稀硝酸和适量去离子水,在挤条机上成型得到2~5mm的条形固体,110℃干燥6小时,550℃焙烧3小时,破碎过筛的20~40目的前驱体;将前驱体在常压下,温度600℃,空速8.0小时-1下水蒸汽处理1小时,得到催化剂载体;将15g前驱体浸渍到0.35mol/LZn(NO3)2、0.1mol/L Ga(NO3)3和0.05mol/L Ni(NO3)2水溶液中,室温下搅拌1小时,静置18小时,120℃干燥24小时,然后在480℃下焙烧6小时,得到3.5%Zn-1%Ga-0.5%Ni/ZSM-5催化剂。
实施例4
取硅铝比为50的HZSM-5分子筛,于马弗炉中在500℃下高温焙烧3小时进行预处理;100g预处理后的HZSM-5分子筛与60g SB粉充分混合,再加入80g稀硝酸和适量去离子水,在挤条机上成型得到2~5mm的条形固体,120℃干燥12小时,480℃焙烧8小时,破碎过筛的20~40目的前驱体;将前驱体在常压下,温度550℃,空速2.0小时-1下水蒸汽处理5小时,得到催化剂载体;将15g前驱体浸渍到0.2mol/LZn(NO3)2、0.15mol/L Ga(NO3)3和0.1mol/LNi(NO3)2水溶液中,室温下搅拌1小时,静置18小时,120℃干燥24小时,然后在480℃下焙烧6小时,得到2%Zn-1.5%Ga-1.0%Ni/ZSM-5催化剂。
催化剂性能考评在固定床反应装置上进行,采用内径为8mm的不锈钢反应器,催化剂装填量3.0g,反应温度560℃,反应压力0.5MPa,质量空速2.5小时-1,原料采用C5~C10混合低碳烃,具体组成见表1。
表1反应原料的组成
碳数 | 烷烃% | 烯烃% | 环烃+芳烃% | 合计 |
C5 | 2.58 | 17.54 | 0.00 | 20.12 |
C6 | 8.98 | 14.89 | 0.92 | 24.79 |
C7 | 11.26 | 0.79 | 1.43 | 13.48 |
C8 | 12.53 | 0.82 | 1.97 | 15.32 |
C9 | 18.82 | 2.01 | 2.88 | 23.71 |
C10 | 2.40 | 0.17 | 0.00 | 2.57 |
合计 | 56.57 | 36.23 | 7.20 | 100.00 |
反应产物经气液分离后分别分析,气相产物采用安捷伦气相色谱7890B,Al2O3柱子,氢火焰检测器;液相产物采用安捷伦气相色谱7890B,PONA柱子,氢火焰检测器。分析结果归一化。结果见表2。
表2催化剂性能
从表2中可以看出,本发明的催化剂的活性较高,芳烃收率最高可达58.1%;本发明对总芳烃和BTX有较高的选择性,最高为96.29%和82.88%。
此外,在反应温度560℃,反应压力0.5MPa,质量空速2.5小时-1下,以费托合成得到的C5~C10混合低碳烃为反应原料,对实施例1的催化剂进行寿命考评,累计评价时间超过800小时,结果见表3。可以看出,催化剂单程寿命超过800小时,芳烃收率48%,表明本发明制备的催化剂不易积炭,稳定性好。
表3催化剂寿命结果
反应时间(小时) | 液体收率(%) | 芳烃收率(%) |
100 | 57.21 | 55.02 |
200 | 57.18 | 54.88 |
400 | 56.52 | 53.25 |
600 | 53.21 | 50.49 |
800 | 50.88 | 48.16 |
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种适用于费托合成油中低碳烃芳构化催化剂,由HZSM-5分子筛负载活性组分Zn、Ga、Ni构成,其特征在于,包括以下重量含量的组分:Zn含量为0.05~4%,Ga含量为0.05~2.0%,Ni含量为0.05~1.5%,其余为载体HSM-5分子筛。
2.根据权利要求1所述的一种适用于费托合成油中低碳烃芳构化催化剂,其特征在于,所述的HZSM-5分子筛硅铝比为25~80。
3.如权利要求1或2所述的一种适用于费托合成油中低碳烃芳构化催化剂的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将HZSM-5分子筛进行高温预处理,500~600℃下焙烧1~6小时;
(2)将步骤(1)得到的产物与粘结剂、硝酸、水捏合,造粒得到2~5mm的条形固体,80~120℃烘干,450~600℃下焙烧3~8小时,破碎过筛得20~40目的前驱体;
(3)前驱体在常压,温度400~650℃,体积空速1~15小时-1条件下水蒸汽处理1~10小时,得到催化剂载体;
(4)通过浸渍法向催化剂载体浸渍Zn、Ga、Ni,再经焙烧即得芳构化催化剂。
4.根据权利要求3所述的一种适用于费托合成油中低碳烃芳构化催化剂的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中粘结剂选自氧化铝或拟薄水铝石中的一种或二者的混合物;所述粘结剂用量是分子筛重量的5~20%;硝酸用量是分子筛重量的1~4%。
5.根据权利要求4所述的一种适用于费托合成油中低碳烃芳构化催化剂的制备方法,其特征在于,所述粘结剂优选拟薄水铝石,SB粉。
6.根据权利要求3所述的一种适用于费托合成油中低碳烃芳构化催化剂的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中水蒸汽处理温度为450~600℃,空速为1~10小时-1,水蒸汽处理时间为1~5小时。
7.根据权利要求3所述的一种适用于费托合成油中低碳烃芳构化催化剂的制备方法,其特征在于,所述步骤(4)中浸渍法使用的金属盐为Zn、Ga、Ni的金属硝酸盐;浸渍后干燥温度为80~120℃;焙烧温度为450~550℃,焙烧时间为1~6小时。
8.如权利要求1或2所述的一种适用于费托合成油中低碳烃芳构化催化剂的应用,其特征在于,所述的费托合成油中低碳烃为费托合成合成油中的C5~C10的烷烃和烯烃。
9.根据权利要求8所述的芳一种适用于费托合成油中低碳烃芳构化催化剂的应用,其特征在于,反应的工艺条件为:反应温度400~600℃,反应压力0.2~2.0MPa,质量空速为0.1~10小时-1。
10.根据权利要求9所述的一种适用于费托合成油中低碳烃芳构化催化剂的应用,其特征在于,反应的工艺条件为:反应温度450~580℃,反应压力0.2~1.5MPa,质量空速为0.5~3小时-1。
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