CN111097370B - 一种球形间二甲苯吸附剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种球形间二甲苯吸附剂,包括97~99.5质量%的Y分子筛和0.5~3质量%的基质,所述的基质为高岭土经原位晶化转晶后的剩余物,所述吸附剂250N抗压破碎率小于5%,所述Y分子筛的阳离子位为Na或者为Na和Sr所占据。该吸附剂用于从C8芳烃中吸附分离间二甲苯,有较高的吸附选择性和吸附容量,抗压强度高,灼基堆密度高,可有效提高吸附分离装置的生产能力,并延长装置的运行时间。

Description

一种球形间二甲苯吸附剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种吸附分离间二甲苯的吸附剂及其制备方法,具体地说,是一种从混合碳八芳烃中吸附分离间二甲苯的吸附剂及其制备方法。
背景技术
间二甲苯(MX)是重要的基本有机化工原料,广泛应用于合成树脂、农药、医药、涂料和染料等领域。工业上,高纯度的间二甲苯通常是采用吸附分离技术从含有乙苯、对二甲苯、间二甲苯和邻二甲苯的混合碳八芳烃中分离获得。
吸附剂是吸附分离技术的基础和核心,其活性组元多为沸石材料。CN1136549A和US6137024分别报道了以Silicalite-1和氢型β沸石为活性组元的吸附剂,但是Silicalite-1、β沸石的吸附容量较低,使其应用受到限制。相比而言,Y分子筛的吸附容量较高,具有更为广阔的应用前景。
US4306107公开了一种从混合C8芳烃中分离间二甲苯和乙苯的方法。该方法采用NaY沸石为吸附剂的活性组元,以甲苯为解吸剂,利用NaY沸石对间二甲苯的吸附能力最强、对二甲苯和邻二甲苯居中、乙苯最弱的特点,将混合C8芳烃通入模拟移动床进行逆流操作,在模拟移动床的不同位置分别得到间二甲苯、对二甲苯和邻二甲苯、乙苯。
US4326092公开了一种从混合C8芳烃中分离间二甲苯的方法,采用氧化硅与氧化铝摩尔比为4.5~5.0的NaY沸石制备吸附剂,可以获得更高的间二甲苯选择性。US5900523报道以氧化硅与氧化铝摩尔比为4.0~6.0的NaY沸石为活性组元的吸附剂,水含量控制为500℃灼减量为1.5~2.5质量%,以二氢化茚为解吸剂,在100~150℃进行液相吸附分离间二甲苯,取得了良好的分离效果。
CN1939883A公开了一种从C8芳烃异构体中分离间二甲苯的方法,采用氧化硅与氧化铝摩尔比为5~6的NaY沸石制备吸附剂,该沸石含水0~8质量%,吸附温度25~250℃,解吸剂选自四氢化萘及其烷基化衍生物。
CN1050595C报道了一种以阳离子位同时被钠和锂离子占据的Y沸石为活性组元的吸附剂,并用于从混合C8芳烃中液相吸附分离间二甲苯,获得了更高的间二甲苯选择性。其中,锂离子占据沸石可交换位点的5%~35%,将吸附剂由500℃灼减测定的含水量控制为1.5~3.0质量%。
CN102167652A公开了一种从混合C8芳烃中吸附分离间二甲苯的吸附剂,活性组元为阳离子交换位同时被钠和锶离子占据的Y沸石,也取得良好的分离效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种球形间二甲苯吸附剂及其制备方法,该吸附剂用于从C8芳烃中吸附分离间二甲苯,有较高的吸附选择性和吸附容量,抗压强度高,灼基堆密度高。
本发明提供的球形间二甲苯吸附剂,包括97~99.5质量%的Y分子筛和0.5~3质量%的基质,所述的基质为高岭土经原位晶化转晶后的剩余物,所述吸附剂在压力为250N时的破碎率小于5%,所述Y分子筛的阳离子位为Na或者为Na和Sr所占据。
本发明吸附剂小球为基本无粘结剂的Y分子筛小球,阳离子位为Na或者为Na和Sr所占据,具有较高的吸附容量、灼基堆密度和抗压强度,可有效提高吸附分离装置的生产能力,并延长装置的运行时间。
附图说明
图1为本发明实例1制备的吸附剂的X射线衍射(XRD)图。
图2为小型模拟移动床吸附分离示意图。
具体实施方式
本发明吸附剂为基本无粘结剂的球形Y分子筛吸附剂,其中Y分子筛含量高达97~99.5质量%,优选98~99.5质量%,阳离子位为Na或者为Na和Sr所占据。本发明在NaY分子筛、高岭土和成型助剂中加入硅源,混合后再制成小球,在高温下焙烧,使其中的高岭土转化为偏高岭土,然后再通过碱处理,使高岭土原位晶化成NaY分子筛。制得的吸附剂小球的吸附容量和选择性均有所提高,且抗压强度和灼基堆密度也有所提高,可有效提高吸附分离装置的生产能力,并延长装置的运行时间。
本发明所述吸附剂中所含Y分子筛的氧化硅与氧化铝的摩尔比为4.0~6.0。所述Y分子筛的晶粒粒径优选0.3~2.5微米。
所述的高岭土选自高岭石、地开石、珍珠石、耐火石、埃洛石或它们的混合物。
本发明所述球形吸附剂的粒径优选300~850微米。
当吸附剂中Y分子筛的阳离子位为Na和Sr所占据时,Na和Sr的摩尔比优选2~42、更优选6~36。
本发明吸附剂在压力为250N(牛顿)时的破碎率小于5%,优选小于4.6%。在一定压力下小球吸附剂的破碎率越低,抗压强度越高。
本发明吸附剂600℃的灼基堆密度优选为0.76~0.95克/毫升。
本发明所述吸附剂的制备方法,包括:
(1)将NaY分子筛、高岭土、硅源和成型助剂混合均匀,通过成型制成小球,干燥后于530~600℃焙烧,所述NaY分子筛与高岭土的质量比为85~96:4~15,
(2)将(1)步焙烧后所得小球用氢氧化钠或氢氧化钠与水玻璃的混合溶液于85~100℃进行转晶处理,使其中的高岭土原位晶化为NaY分子筛,然后水洗、干燥。
上述方法(1)步是将NaY分子筛、高岭土、硅源与成型助剂混合后滚球成型,所述的高岭土中含有的晶化物质选自高岭石、地开石、珍珠石、耐火石、埃洛石或它们的混合物。所述高岭土中晶化物质的质量分数至少为90%。所述高岭土中的晶化物质可为高岭石和埃洛石的混合物,优选地,高岭土中含75~95质量%的高岭石和5~15质量%的埃洛石。
所述NaY分子筛的晶粒粒径为0.3~2.5微米,优选0.5~2.0微米。所述的硅源选自白炭黑、水玻璃和硅溶胶中的一种或几种。优选地,加入的硅源中所含二氧化硅与高岭土的质量比为0.2~3.6、优选0.2~3.0。所述的成型助剂选自木质素、田菁粉、干淀粉、羧甲基纤维素和活性碳中的至少一种。成型助剂加量为固体粉料总量的1~6质量%。
(1)步所述的成型方法为滚球成型或喷雾成型。对于滚球成型方法,所用的设备可为转盘、糖衣锅或滚筒。滚球成型时,将混合均匀的固体粉料放入转动设备中,边滚动边喷水使固体粉料粘附团聚成小球。滚球时水用量为固体总质量的6~30%,优选6~20%。当加入的硅源为固体时,可与NaY分子筛、高岭土混合;当加入的硅源为液体时,可与NaY分子筛、高岭土混合,也可加入滚球成型所用的水中,或者既在固体粉料中加入硅源,又在水中加入硅源。
(1)步滚动成球后的小球,经过筛分,取一定范围粒径的小球,优选取粒径为300~850微米的小球,将其干燥、焙烧。所述干燥温度优选60~110℃,时间优选2~10小时,焙烧温度优选530~700℃,时间优选1.0~6.0小时。经过焙烧后,小球内的高岭土转化为偏高岭土,以便于(2)步转晶为NaY分子筛。
上述方法(2)步为成型后小球的原位晶化,所述原位晶化可在氢氧化钠溶液或氢氧化钠与水玻璃的混合溶液中进行,原位晶化处理时的液/固比优选1.5~5.0升/千克,原位晶化处理温度优选85~100℃,时间优选0.5~8小时。
(2)步转晶处理所用的氢氧化钠溶液中氢氧根离子的浓度为0.1~3.0摩尔/升,优选0.5~1.5摩尔/升;当转晶处理使用氢氧化钠和水玻璃混合溶液时,其中氧化钠含量优选2~10质量%,二氧化硅含量优选1~6质量%。将原位晶化后的吸附剂水洗、干燥后即得活性组分为NaY分子筛的球形吸附剂。所述的干燥温度优选70~110℃,干燥时间优选2~20小时。
若制备阳离子位为Na和Sr所占据的吸附剂,需将原位晶化后的活性组分为NaY分子筛的吸附剂小球进行锶离子交换,然后干燥。离子交换用锶的可溶性盐溶液进行,锶的可溶性盐优选氯化锶或硝酸锶。进行离子交换的温度为60~160℃,优选80~110℃。交换液中的锶离子摩尔数与沸石中钠离子摩尔数之比,即交换比优选1.5~3.0。离子交换后的小球经干燥得到吸附剂,所述的干燥温度优选100~120℃,时间优选6~24小时。
本发明制备的吸附剂适用于芳烃异构体的液相吸附分离过程,特别是从邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯和乙苯混合物中吸附分离间二甲苯。所述液相吸附分离可采用多柱串联方式,也可采用借助旋转阀或电磁阀组实现的模拟移动床进行。吸附分离的操作压力为0.3~1.5MPa,操作温度为120~180℃。
衡量吸附剂性能的三个重要指标为吸附容量、选择性和间二甲苯的吸附、解析速率。
本发明使用一种动态脉冲实验装置测定吸附选择性和间二甲苯的吸附、解吸速率。该装置由进料系统、吸附柱、加热炉、压力控制阀等组成。吸附柱为Ф6×1800毫米的不锈钢管,吸附剂装量为50毫升。吸附柱下端入口与进料和氮气系统相连,上端出口接压力控制阀,再与流出物收集器连接。实验所用解吸剂组成为30体积%的甲苯(T)和70体积%的正庚烷(NC7),脉冲液组成为各占5体积%的乙苯(EB)、对二甲苯(PX)、间二甲苯(MX)、邻二甲苯(OX)、正壬烷(NC9)和75体积%的解吸剂。
吸附选择性的测定方法为:将称量好的吸附剂装入吸附柱震荡填实,在氮气流中于160~280℃脱水活化。然后通入解吸剂排除系统中的气体,将压力升至0.8MPa,温度升至145℃,停止通入解吸剂,按1.0时-1的体积空速通入8毫升的脉冲进料液,然后停止通入脉冲液,并以同样的空速通入解吸剂进行脱附,每2分钟取3滴脱附液样品,用气相色谱分析组成。以脱附用解吸剂进料体积为横坐标,NC9和EB、PX、MX、OX各组分浓度为纵坐标,绘制上述各组分的脱附曲线。作为示踪剂的NC9不被吸附,首先出峰,它给出了吸附系统的死体积。将示踪剂半峰宽的中点作为零点,测定EB、PX、MX、OX各组分半峰宽中点到零点的解吸剂进料体积,即净保留体积VR。两组分净保留体积之比即为吸附选择性β。如MX的净保留体积与EB的净保留体积之比即为MX相对于EB的吸附选择性,记为βMX/EB
下面通过实例进一步说明本发明,但本发明并不限于此。
实例和对比例中,吸附剂的物性参数测定方法如下:
吸附剂抗压强度测定方法是采用DL-II型颗粒强度测定仪(大连化工研究设计院生产),吸附剂小球过300微米的筛后,在不锈钢筒体中装入约1.5毫升吸附剂。测定时安装一个与不锈钢筒体过盈配合的顶针,在预先设定好的压力下压一次后倒出吸附剂,再过300微米的筛称重,根据吸附剂的减少量计算出在设定压力下吸附剂的破碎率。
采用甲苯气相吸附实验测定吸附剂的吸附容量,具体操作方法为:在35℃下,使携带甲苯的氮气(甲苯分压为0.05MPa)与一定质量的吸附剂接触,直到甲苯达到吸附平衡。根据甲苯吸附前后吸附剂的质量差由下式计算出被测吸附剂的吸附容量。
Figure BDA0001845283000000051
其中,C为吸附容量,单位为毫克/克;m1为吸附甲苯前被测吸附剂的质量,单位为克;m2为吸附甲苯后被测吸附剂的质量,单位为克。
吸附剂的灼基堆密度的测定方法为:在100mL量筒中加入50mL吸附剂,在振实密度仪(辽宁仪表研究所有限责任公司生产)上振动5分钟,再加入50mL吸附剂并振动5分钟,量筒中吸附剂体积与质量之比为吸附剂堆密度;取一定质量的吸附剂于600℃灼烧2小时,并置于干燥器中冷却至室温,灼烧后与灼烧前吸附剂质量之比为灼基,灼基与吸附剂堆密度之积为灼基堆密度。
实例1
制备本发明吸附剂并测试吸附性能。
(1)滚球成型:将90千克(灼基质量,下同)晶粒粒径为0.5~1.0微米、SiO2/Al2O3摩尔比为5.2的NaY分子筛粉末(甲苯吸附容量为234毫克/克)与10千克高岭土(含80质量%的高岭石和10质量%的埃洛石)、3千克白炭黑、3千克田菁粉混合均匀,放入转盘中边滚动边喷入适量的去离子水,使固体粉料聚集成小球,滚球时喷入的水量为固体粉料的8质量%,白炭黑所含二氧化硅与高岭土的质量比为0.3。经筛分,取粒径为300~850μm的小球,80℃干燥10小时、540℃焙烧4小时。
(2)原位晶化:将64千克(1)步焙烧后的小球置于200升氢氧化钠溶液中,溶液中氢氧根离子浓度为0.8mol/L,于95℃原位晶化处理4小时,取晶化后固体水洗至洗涤液pH小于10,80℃干燥10小时,制得吸附剂A,其XRD谱图见图1,吸附剂A中含98.3质量%的NaY分子筛,其余为基质,Y分子筛的SiO2/Al2O3摩尔比为5.2,其吸附选择性、吸附容量、抗压强度、灼基堆密度见表1。
实例2
按实例1的方法制备吸附剂,不同的是(2)步使用氢氧化钠与水玻璃混合溶液对焙烧后小球进行原位晶化处理,混合溶液中氧化钠含量为5质量%,二氧化硅含量为3质量%,经水洗、干燥后,制得吸附剂B。
吸附剂B中含99.1质量%的NaY分子筛,其余为基质,Y分子筛的SiO2/Al2O3摩尔比为5.3,其吸附选择性、吸附容量、抗压强度、灼基堆密度见表1。
实例3
按实例1的方法制备吸附剂,不同的是(1)步所用硅源为20千克二氧化硅含量为30质量%的硅溶胶,硅溶胶中所含二氧化硅与高岭土的质量比为0.6,经水洗、干燥后,制得吸附剂C。
吸附剂C中含98.3质量%的NaY分子筛,其余为基质,Y分子筛的SiO2/Al2O3摩尔比为5.2,其吸附选择性、吸附容量、抗压强度、灼基堆密度见表1。
实例4
按实例3的方法制备吸附剂,不同的是(1)步所用硅源为35千克二氧化硅含量为25质量%的水玻璃,水玻璃中所含二氧化硅与高岭土的质量比为0.88,经水洗、干燥后,制得吸附剂D。
吸附剂D中含98.3质量%的NaY分子筛,其余为基质,Y分子筛的SiO2/Al2O3摩尔比为5.2,其吸附选择性、吸附容量、抗压强度、灼基堆密度见表1。
实例5
按实例1的方法制备吸附剂,不同的是(2)步使用氢氧化钠与水玻璃混合溶液对焙烧后小球进行原位晶化处理,混合溶液中氧化钠含量为3质量%,二氧化硅含量为5质量%,经水洗、干燥后,制得吸附剂E。
吸附剂E中含99.1质量%的NaY分子筛,其余为基质,Y分子筛的SiO2/Al2O3摩尔比为5.4,其吸附选择性、吸附容量、抗压强度、灼基堆密度见表1。
实例6
取实例1原位晶化后的吸附剂小球,用浓度为0.02摩尔/升的Sr(NO3)2溶液进行离子交换,离子交换条件为:92℃、0.1MPa、交换液的体积空速为12时-1,交换比为2.0。离子交换后小球于100℃干燥12小时制得吸附剂K。
吸附剂K中含98.9质量%的NaSrY分子筛,其余为基质,Y分子筛的SiO2/Al2O3摩尔比为5.2,Na与Sr的摩尔比为16,其吸附选择性、吸附容量、抗压强度、灼基堆密度见表1。
对比例1
将45千克晶粒粒径为0.5~1.0微米、SiO2/Al2O3摩尔比为5.2的NaY分子筛粉末与5千克高岭土混合均匀后,按实例1(1)步的方法放入转盘中滚球成型,并筛分、干燥和焙烧,然后在0.8mol/L的氢氧化钠溶液中原位晶化,经水洗、干燥后,制得吸附剂F。
吸附剂F中含90.6质量%的NaY分子筛,其余为基质,Y分子筛的SiO2/Al2O3摩尔比为4.6,其吸附选择性、吸附容量、抗压强度、灼基堆密度见表1。
对比例2
(1)滚球成型:按实例1(1)步的方法滚球成型,不同的是成型粉料中不含白炭黑,经滚球成型、干燥、焙烧,得焙烧后小球。
(2)原位晶化:取64千克(1)步焙烧后的小球置于200升氢氧化钠与水玻璃混合溶液中,其中氧化钠含量为2.3质量%,二氧化硅含量为3质量%,于95℃原位晶化处理4小时,取晶化后固体水洗至洗涤液pH小于10,80℃干燥10小时,制得吸附剂G,其中含94.0质量%的NaY分子筛,其余为基质,Y分子筛的SiO2/Al2O3摩尔比为4.7,其吸附选择性、吸附容量、抗压强度、灼基堆密度见表1。
对比例3
将45千克晶粒粒径为0.5~1.0微米、SiO2/Al2O3摩尔比为5.2的NaY分子筛粉末与5千克高岭土混合均匀后,按实例1(1)步的方法放入转盘中滚球成型,并筛分、干燥和焙烧。取100千克焙烧后的小球与150千克二氧化硅含量为6.7质量%的硅溶胶混合均匀后,于100℃干燥6小时。
取上述干燥后的小球置于200升氢氧化钠溶液中,溶液中氢氧根离子浓度为0.8mol/L,于95℃原位晶化处理4小时,取晶化后固体水洗至洗涤液pH小于10,80℃干燥10小时,制得吸附剂H,其中含95.3质量%的NaY分子筛,其余为基质,Y分子筛的SiO2/Al2O3摩尔比为4.9,其吸附选择性、吸附容量、抗压强度、灼基堆密度见表1。
实例7
在连续逆流的小型模拟移动床装置上用吸附剂A进行吸附分离间二甲苯的实验。
所述小型模拟移动床装置包括24根串联的吸附柱,每根柱长195毫米,柱内直径30毫米,吸附剂的总装填量为3300毫升。在串联的24根柱子首尾两端用循环泵连接构成一个封闭的环路,如图2所示。吸附原料、解吸剂、提取液、提余液四股进、出物料将24根吸附柱分成四个区段,即吸附原料(柱15)和提余液(柱21)之间的7根吸附柱为吸附区,提取液(柱6)和吸附原料(柱14)之间的9根吸附柱为提纯区,解吸剂(柱1)和提取液(柱5)之间的5根吸附柱为解吸区,提余液(柱22)和解吸剂(柱24)之间的3根吸附柱为缓冲区。整个吸附体系的温度控制为145℃,压力为0.8MPa。
操作过程中,分别按1600毫升/时和420毫升/时的流量连续地向上述模拟移动床装置中注入解吸剂甲苯和吸附原料,并以718毫升/时的流量将提取液抽出装置,1302毫升/时的流量将提余液抽出装置。所述吸附原料的组成为乙苯14.99质量%、对二甲苯20.14质量%、间二甲苯42.25质量%、邻二甲苯21.75质量%、非芳烃组分0.87质量%。设定循环泵流量3960毫升/时,根据模拟逆流色谱的原理,每隔70秒四股物料位置按与液体流向相同的方向前移1根吸附柱(虚线标注位置)。在稳定的操作状态下得到的间二甲苯纯度为99.63质量%,收率为95.2质量%。
实例8
在小型模拟移动床装置上装填吸附剂B,按实例7的方法进行吸附分离间二甲苯实验,稳定操作状态下获得的间二甲苯的纯度为99.61质量%,收率为96.3质量%。
对比例4
在小型模拟移动床装置上装填对比吸附剂F,按实例7的方法进行吸附分离间二甲苯实验,稳定操作状态下得到的间二甲苯的纯度为99.45质量%,收率为89.3质量%。
表1
Figure BDA0001845283000000091

Claims (14)

1.一种球形间二甲苯吸附剂,包括98.3~99.5质量%的Y分子筛和0.5~1.7质量%的基质,所述的基质为高岭土经原位晶化转晶后的剩余物,所述吸附剂在压力为250N时的破碎率小于5%;当所述Y分子筛的阳离子位为Na所占据时,所述吸附剂600℃的灼基堆密度为0.77~0.78克/毫升;当所述Y分子筛的阳离子位为Na和Sr所占据时,所述吸附剂600℃的灼基堆密度为0.86~0.95克/毫升。
2.按照权利要求1所述的吸附剂,其特征在于所述Y分子筛的晶粒粒径为0.3~2.5微米。
3.按照权利要求1所述的吸附剂,其特征在于所述Y分子筛的氧化硅/氧化铝的摩尔比为4.0~6.0。
4.按照权利要求1所述的吸附剂,其特征在于所述球形吸附剂的粒径为300~850微米。
5.按照权利要求1所述的吸附剂,其特征在于Y分子筛的阳离子位为Na和Sr所占据时,Na和Sr的摩尔比为2~42。
6.按照权利要求1所述的吸附剂,其特征在于所述的高岭土选自高岭石、地开石、珍珠石、耐火石、埃洛石或它们的混合物。
7.一种权利要求1所述球形间二甲苯吸附剂的制备方法,包括:
(1)将NaY分子筛、高岭土、硅源和成型助剂混合均匀,通过成型制成小球,干燥后于530~600℃焙烧,所述NaY分子筛与高岭土的质量比为85~96:4~15,所述硅源中所含二氧化硅与高岭土的质量比为0.2~3.6,
(2)将(1)步焙烧后所得小球用氢氧化钠或氢氧化钠与水玻璃的混合溶液于85~100℃进行转晶处理,使其中的高岭土原位晶化为NaY分子筛,然后水洗、干燥,当转晶处理使用氢氧化钠溶液时,其中氢氧根离子的浓度为0.1~1.5摩尔/升;当转晶处理使用氢氧化钠和水玻璃混合溶液时,其中氧化钠含量为2~10质量%,二氧化硅含量为1~6质量%。
8.按照权利要求7所述的方法,其特征在于(1)步所述的高岭土选自高岭石、地开石、珍珠石、耐火石、埃洛石或它们的混合物。
9.按照权利要求7所述的方法,其特征在于(1)步所述的成型助剂选自木质素、田菁粉、干淀粉、羧甲基纤维素和活性碳中的至少一种。
10.按照权利要求7所述的方法,其特征在于(1)步所述的成型方法为滚球成型或喷雾成型。
11.按照权利要求7所述的方法,其特征在于(1)步加入的硅源为白炭黑、水玻璃和硅溶胶中的一种或几种。
12.按照权利要求7所述的方法,其特征在于(2)步中原位晶化处理时液/固比为1.5~5.0升/千克。
13.按照权利要求7所述的方法,其特征在于将(2)步将原位晶化后的吸附剂小球用锶的可溶性盐溶液进行锶离子交换,然后干燥。
14.按照权利要求13所述的方法,其特征在于锶的可溶性盐为氯化锶或硝酸锶。
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