CN112705252A - 一种液相烷基化催化剂及其制备方法和应用以及苯与乙烯进行液相烷基化反应的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液相烷基化催化剂及其制备方法和应用,以及一种苯与乙烯进行液相烷基化反应的方法。该液相烷基化催化剂包括具有MWW拓扑结构的分子筛和粘结剂,其中,以液相烷基化催化剂的总重量计,具有MWW拓扑结构的分子筛的含量为50~90重量%,粘结剂的含量为10~50重量%,所述液相烷基化催化剂的外表面孔体积为0.45~0.65cm3/g。本发明的液相烷基化催化剂具有良好的扩散性能和较多的外表面酸量,从而能够提高其活性和催化性能,有利于提高苯与乙烯液相烷基化反应的转化率,乙烯转化率高,乙基选择性好,无二甲苯产生且杂质含量低。
Description
技术领域
本发明属于液相烷基化催化剂领域,具体涉及一种液相烷基化催化剂及其制备方法和应用,以及一种苯与乙烯进行液相烷基化反应的方法。
背景技术
乙苯是重要的有机化工原料,主要用来生产苯乙烯,进而制备工程塑料、合成橡胶等合成材料,用途广泛,对国民经济发展有重要意义,需求量逐年增长。乙苯的合成主要是通过苯与乙烯烷基化反应进行,该技术核心在于分子筛材料的制备。
MWW型分子筛是一类具有较好液相烷基化性能的催化材料(Journal ofCatalysis,2000,192,163–173)。MWW拓扑结构分子筛家族包括MCM-22和MCM-49等,其中MCM-22分子筛是美国Mobil公司20世纪90年代开发的新型分子筛(Science,1994,264:1910),具有一套二维椭圆形正弦型交叉孔道 和一套孔道具有尺寸为的圆柱形十二元环超笼超笼通过略微扭曲的十元环窗口与外界连通,外表面还具有碗状的十二元环半超笼,是用于催化苯和乙烯烷基化的主要反应活性位。
为了进一步提高其催化活性,CN105813978A提供了使用沉淀硅铝酸盐制造具有MWW结构分子筛的改进方法,可避免合成MWW族分子筛材料时需要减少结晶时间和增加反应器产量,以及因此造成杂质形成增加的问题,所制备的分子筛可催化苯与乙烯烷基化反应。
硼硅MWW型分子筛酸强度低,且合成周期长,是作为纯硅或钛硅MWW分子筛的中间体而合成的。CN102874834B涉及一种MWW结构Si/B分子筛的合成方法,将硼源、硅源、碱源、模板剂R和水混合,在一定温度下水热晶化,得到MWW结构Si/B分子筛,其中模板剂R为二乙基二甲基氢氧化铵。由于其中不含铝,不具酸性,在苯与乙烯液相烷基化反应中没有应用价值。
CN106536411A报道了一种具有MWW骨架结构含硼沸石的合成,由于其未采用合适的脱硼手段取得大量介孔,不适合作为苯与乙烯液相烷基化催化剂使用。
综上,现有的应用于液相烷基化制乙苯的液相烷基催化剂存在扩散性能差、外面酸量不足,催化剂活性和转化率低,或者不适合作为苯与乙烯液相烷基化催化剂使用的问题。因此,如何提高扩散性能,增加表面活性位的可接近性,是提高液相烷基化催化剂性能的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足,提供一种液相烷基化催化剂及其制备方法和应用,以及一种苯与乙烯进行液相烷基化反应的方法。本发明的液相烷基化催化剂具有良好的扩散性能和较多的外表面酸量,从而能够提高其活性和催化性能,有利于提高苯与乙烯液相烷基化反应的转化率。采用本发明的液相烷基化催化剂进行苯与乙烯的烷基化反应,乙烯转化率高,乙基选择性好,无二甲苯产生且杂质含量低。
为此,本发明的第一个方面提供了一种液相烷基化催化剂,该液相烷基化催化剂包括具有MWW拓扑结构的分子筛和粘结剂,其中,以液相烷基化催化剂的总重量计,具有MWW拓扑结构的分子筛的含量为50~90重量%,粘结剂的含量为10~50重量%,所述液相烷基化催化剂的外表面孔体积为0.45~0.65cm3/g。
本发明第二个方面提供了一种液相烷基化催化剂的制备方法,包括:
(1)将硼源、硅源、铝源、碱源、模板剂和含水溶剂混合并陈化,得到凝胶;
(2)将所述凝胶进行水热晶化,得到晶化产物并与粘合剂混合成型,得到含硼MWW分子筛;
(3)将所述含硼MWW分子筛进行铵离子交换和焙烧。
本发明第三个方面提供了上述的方法制备的液相烷基化催化剂。
本发明第四个方面提供了上述的液相烷基化催化剂和/或上述的方法制备的液相烷基化催化剂在液相烷基化反应中的应用。
本发明第五个方面提供了一种苯与乙烯进行液相烷基化反应的方法,在液相烷基化催化剂的存在下,将苯与乙烯进行液相烷基化反应,其中,所述液相烷基化催化剂为上述的液相烷基化催化剂和/或上述的方法制备的液相烷基化催化剂。
具体实施方式
为使本发明更加容易理解,下面将结合实施例来详细说明本发明,这些实施例仅起说明性作用,并不局限于本发明的应用范围。
如前所述,现有的应用于液相烷基化制乙苯的液相烷基催化剂存在扩散性能差、外面酸量不足,催化剂活性和转化率低,或者不适合作为苯与乙烯液相烷基化催化剂使用的问题。目前需要研究开发一种具有良好的扩散性能和较多的外表面酸量的液相烷基化催化剂,从而能够提高其活性和催化性能,有利于提高苯与乙烯液相烷基化反应的转化率。
在本发明中,术语“外表面孔体积”是指总孔体积减去微孔孔体积。也即,不包括微孔孔体积的孔体积。其中,微孔是指2nm以下的孔。
本发明的第一个方面提供了一种液相烷基化催化剂,该液相烷基化催化剂包括具有MWW拓扑结构的分子筛和粘结剂,其中,以液相烷基化催化剂的总重量计,具有MWW拓扑结构的分子筛的含量为50~90重量%,粘结剂的含量为10~50重量%,所述液相烷基化催化剂的外表面孔体积为0.45~0.65cm3/g。
在本发明中,比表面积、总孔体积以及外表面孔体积的测量方法采用氮气物理吸附法,配合BET模型和t-plot曲线测定,可参照GB/T19587-2017操作。其中,外表面孔体积是将测量的总孔体积将去测量的微孔孔体积而得到。本发明的液相烷基化催化剂具有超大外表面孔体积,从而较大幅度地改善了催化剂的扩散性能。
根据本发明的优选实施方式,以液相烷基化催化剂的总重量计,具有MWW拓扑结构的分子筛的含量为60~80重量%,粘结剂的含量为20~40重量%。
根据本发明的优选实施方式,所述液相烷基化催化剂的外表面酸量为0.35~0.65mmol/g。在本发明中,外表面酸量的测量方法采用2,4-二甲基喹啉的程序升温脱附法。本发明的液相烷基化催化剂相比于现有的催化剂,外表面酸量明显提升。
根据本发明的优选实施方式,所述液相烷基化催化剂的比表面积为450~600m2/g,总孔体积为0.7~0.9cm3/g。
根据本发明的优选实施方式,所述具有MWW拓扑结构的分子筛的SiO2/Al2O3摩尔比为10~200。在本发明中,SiO2/Al2O3摩尔比的测定方法为:化学分析法和ICP法。在本发明优选的SiO2/Al2O3摩尔比范围内,催化剂性能更优。
根据本发明的优选实施方式,所述具有MWW拓扑结构的分子筛的相对结晶度为95~105%。在本发明中,相对结晶度的测定方法为X射线衍射法。
根据本发明的优选实施方式,所述粘结剂为氧化铝和/或氧化硅。
本发明第二个方面提供了一种液相烷基化催化剂的制备方法,包括:
(1)将硼源、硅源、铝源、碱源、模板剂和含水溶剂混合并陈化,得到凝胶;
(2)将所述凝胶进行水热晶化,得到晶化产物并与粘合剂混合成型,得到含硼MWW分子筛;
(3)将所述含硼MWW分子筛进行铵离子交换和焙烧。
根据本发明的优选实施方式,所述硼源、硅源、铝源、碱源、模板剂和含水溶剂的加入量满足SiO2/Al2O3=10~200,B2O3/SiO2=0.001~0.25,OH-/SiO2=0.05~0.45,H2O/SiO2=5~100,模板剂/SiO2=0.001~1,其中,硼源以B2O3的摩尔量计,硅源以SiO2的摩尔量计,铝源以Al2O3的摩尔量计,碱源以OH-的摩尔量计,含水溶剂以H2O的摩尔量计。
进一步地,根据本发明更优选的实施方式,所述硼源、硅源、铝源、碱源、模板剂和含水溶剂的加入量满足SiO2/Al2O3=20~100,B2O3/SiO2=0.01~0.16,OH-/SiO2=0.1~0.3,H2O/SiO2=20~50,模板剂/SiO2=0.1~0.6,其中,硼源以B2O3的摩尔量计,硅源以SiO2的摩尔量计,铝源以Al2O3的摩尔量计,碱源以OH-的摩尔量计,含水溶剂以H2O的摩尔量计。
根据本发明的优选实施方式,所述硼源选自有机硼化合物和/或无机硼化合物。优选地,所述有机硼化合物为硼酸酯和/或硼烷,更优选为硼酸三乙酯。优选地,所述无机硼化合物为硼酸、卤化硼和金属硼酸盐中的一种或多种,更优选为硼酸、三氯化硼和偏硼酸钠。
根据本发明的优选实施方式,所述硅源选自硅溶胶、白炭黑和水玻璃中的一种或多种。
根据本发明的优选实施方式,所述铝源选自偏铝酸钠、硫酸铝和硝酸铝中的一种或多种;优选为偏铝酸钠和/或硫酸铝。
根据本发明的优选实施方式,所述碱源为氢氧化钠、碳酸钠和碳酸氢钠中的一种或多种;优选为氢氧化钠。
根据本发明的优选实施方式,所述模板剂为有机模板剂,优选为有机胺模板剂,更优选为五亚甲基亚胺、六亚甲基亚胺、七亚甲基亚胺、环己烷胺、环戊胺、苯胺、哌啶、哌嗪和N,N,N-三甲基金刚烷基氢氧化铵中的一种或者多种,最优选为六亚甲基亚胺和/或哌啶。
根据本发明的实施方式,所述含水溶剂以能够与硼源、硅源、铝源、碱源、模板剂充分混合并提供水为目的,优选地,所述溶剂为去离子水。
根据本发明的优选实施方式,所述陈化的条件包括:温度为0~70℃,优选为35~50℃,时间为1~24h,优选为2~6h。
根据本发明的优选实施方式,所述水热晶化的条件包括:温度为100~200℃,优选为120~170℃,时间为1~10d(天),优选为2~5d。在本发明中,水热晶化可以为动态晶化过程或静态晶化过程,其中,动态晶化过程是指:在搅拌条件下的晶化;静态晶化过程是指:静止条件下的晶化。在本发明中,优选为动态晶化过程。
根据本发明的实施方式,所述晶化搅拌速度以能够充分进行晶化反应为目的,例如,晶化搅拌速度为200r/min。
根据本发明的优选实施方式,在水热晶化后且与粘结剂混合前,该方法还包括:依次进行冷却、过滤、洗涤、离心和烘干,优选地,所述烘干的条件包括:温度为80~170℃,时间为2~8h。
根据本发明的实施方式,所述冷却可以为本领域常规的空冷、水冷等操作方法。优选地,所述冷却为水冷,具体操作为:水热晶化结束后,水冷至室温。
根据本发明的实施方式,所述过滤、洗涤和离心可以为本领域常规的操作,在此不再赘述。
据本发明的优选实施方式,所述烘干的条件包括:温度为80~170℃,时间为2~8h。在本发明中,烘干的设备可以为本领域常规的烘箱等。
根据本发明的优选实施方式,所述粘结剂为氧化铝和/或氧化硅。
根据本发明的优选实施方式,所述晶化产物与粘结剂的重量比为1:(0.01~0.5),优选为1:(0.2~0.3)。例如在晶化产物中加入20重量%的氧化铝和/或氧化硅。
根据本发明的优选实施方式,所述成型方法为挤条成型。在本发明中,挤条成型的设备可以为螺杆式挤条成型机。
根据本发明的优选实施方式,在步骤(2)的成型后且步骤(3)的铵离子交换之前,该方法还包括:进行焙烧。优选地,焙烧的温度为400~800℃,时间为2-10h。
根据本发明的优选实施方式,铵离子交换的过程包括:将所述含硼MWW分子筛与铵盐溶液进行混合,在10~70℃下交换1~4次,每次1~5h;优选为将所述含硼MWW分子筛与铵盐溶液进行混合,在25~50℃下交换2~3次,每次2~3h。
根据本发明的优选实施方式,所述铵盐为硝酸铵、硫酸铵、氯化铵、乙酸铵、草酸铵和柠檬酸铵中的一种或多种。
根据本发明的优选实施方式,所述铵盐溶液中铵盐的浓度为0.001~5mol/kg。例如0.001mol/kg、0.1mol/kg、0.5mol/kg、1mol/kg、2mol/kg、3mol/kg、4mol/kg、5mol/kg,以及它们之间的任意值。
根据本发明的优选实施方式,所述含硼MWW分子筛与铵盐溶剂的重量比为1:(1~50),优选为1:(5~30)。例如含硼MWW分子筛的重量为1,铵盐溶剂的重量为15。
根据本发明的优选实施方式,所述焙烧的条件包括:温度为300~700℃,优选为450~550℃,时间为1~24h,优选为2~6h。
本发明第三个方面提供了上述的方法制备的液相烷基化催化剂。
根据本发明的优选实施方式,该液相烷基化催化剂包括具有MWW拓扑结构的分子筛和粘结剂,其中,以液相烷基化催化剂的总重量计,具有MWW拓扑结构的分子筛的含量为50~90重量%,粘结剂的含量为10~50重量%,所述液相烷基化催化剂的外表面孔体积为0.45~0.65cm3/g。
根据本发明的优选实施方式,以液相烷基化催化剂的总重量计,具有MWW拓扑结构的分子筛的含量为60~80重量%,粘结剂的含量为20~40重量%。
根据本发明的优选实施方式,所述液相烷基化催化剂的外表面酸量为0.35~0.65mmol/g。
根据本发明的优选实施方式,所述液相烷基化催化剂的比表面积为450~600m2/g,总孔体积为0.7~0.9cm3/g。
根据本发明的优选实施方式,所述具有MWW拓扑结构的分子筛的SiO2/Al2O3摩尔比为10~200。
根据本发明的优选实施方式,所述具有MWW拓扑结构的分子筛的相对结晶度为95~105%。
根据本发明的优选实施方式,所述粘结剂为氧化铝和/或氧化硅。
本发明第四个方面提供了上述的液相烷基化催化剂和/或上述的方法制备的液相烷基化催化剂在液相烷基化反应中的应用。
本发明第五个方面提供了一种苯与乙烯进行液相烷基化反应的方法,包括:在液相烷基化催化剂的存在下,将苯与乙烯进行液相烷基化反应,其中,所述液相烷基化催化剂为上述的液相烷基化催化剂和/或上述的方法制备的液相烷基化催化剂;
根据本发明的优选实施方式,所述液相烷基化反应的条件包括:温度为100~300℃,压力为0.01~20MPa,苯与乙烯的摩尔比为(100~1):1,乙烯的质量空速为0.1~5h-1。
与现有液相烷基化反应催化剂相比,本发明的液相烷基化催化剂具有良好的扩散性能和较多的外表面酸量,从而能够提高其活性和催化性能,可直接参与苯与乙烯液相烷基化反应,简单可靠,有利于提高苯与乙烯液相烷基化反应的转化率,乙烯转化率高,乙基选择性好,无二甲苯产生且杂质含量低,具有很大的工业应用前景。
本发明的测试方法如下:
(1)比表面积、总孔体积、外表面孔体积的测定方法:采用氮气物理吸附法,配合BET模型和t-plot曲线进行测定,可参照GB/T19587-2017操作。其中,外表面孔体积=总孔体积-微孔孔体积。
(2)外表面酸量的测量方法:采用2,4-二甲基喹啉的程序升温脱附法。具体为:在固定床石英管中装入200mg样品,经高温脱除杂质后,冷却到室温,通入2,4-二甲基喹啉至吸附饱和,按10℃/min的速率升温,同时收集TCD信号,并积分计算外表面酸量。
(3)相对结晶度的测定方法:化学分析法和ICP法。
(4)SiO2/Al2O3摩尔比的测定方法:X射线衍射法。
【实施例1】
本实施例用于说明制备本发明的液相烷基化催化剂。
将1.87g硫酸铝、2.02g氢氧化钠、1.48g偏硼酸钠、6.93g六亚甲基亚胺、8.40g白炭黑、61.64g水,在剧烈搅拌下混合均匀,在40℃下陈化6h,得到白色均匀凝胶。将凝胶转移到内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中,在搅拌状态140℃下晶化5d(天),晶化搅拌速度200r/min。晶化结束后,水冷至室温,经洗涤、110℃下烘干4h后,加入30重量%的氧化铝粘结剂,挤条成型,并在500℃焙烧6h,得到颗粒。将上述颗粒放入1mol/kg的硝酸铵溶液中,固液重量比(含硼MWW分子筛与铵盐溶剂的重量比)为1:20,在30℃下交换2次,每次2.5小时,经洗涤、110℃下干燥4h、空气气氛中500℃焙烧6h,标记为A。
以液相烷基化催化剂A的总重量计,具有MWW拓扑结构的分子筛的含量为70重量%,粘结剂的含量为30重量%。
并测定液相烷基化催化剂A的相对结晶度、SiO2/Al2O3摩尔比、外表面酸量、外表面孔体积、总孔体积和比表面积,结果见表1。
【实施例2】
本实施例用于说明制备本发明的液相烷基化催化剂。
将1.87g硫酸铝、2.02g氢氧化钠、2.96g偏硼酸钠、6.93g六亚甲基亚胺、8.40g白炭黑、61.64g水,在剧烈搅拌下混合均匀,在40℃下陈化6h,得到白色均匀凝胶。将凝胶转移到内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中,在搅拌状态140℃下晶化5d,晶化搅拌速度200r/min。晶化结束后,水冷至室温,经洗涤、110℃下烘干4h后,加入30重量%的氧化铝粘结剂,挤条成型,并在500℃焙烧6h,得到颗粒。将上述颗粒放入1mol/kg的硝酸铵溶液中,固液重量比为1:20,在30℃下交换2次,每次2.5小时,经洗涤、110℃下干燥4h、空气气氛中500℃焙烧6h,标记为B。
以液相烷基化催化剂B的总重量计,具有MWW拓扑结构的分子筛的含量为70重量%,粘结剂的含量为30重量%。
并测定液相烷基化催化剂B的相对结晶度、SiO2/Al2O3摩尔比、外表面酸量、外表面孔体积、总孔体积和比表面积,结果见表1。
【实施例3】
本实施例用于说明制备本发明的液相烷基化催化剂。
将3.73g硫酸铝、2.46g氢氧化钠、1.48g偏硼酸钠、6.93g六亚甲基亚胺、8.40g白炭黑、60.63g水,在剧烈搅拌下混合均匀,在40℃下陈化6h,得到白色均匀凝胶。将凝胶转移到内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中,在搅拌状态140℃下晶化5d,晶化搅拌速度200r/min。晶化结束后,水冷至室温,经洗涤、110℃下烘干4h后,加入30重量%的氧化铝粘结剂,挤条成型,并在500℃焙烧6h,得到颗粒。将上述颗粒放入1mol/kg的硝酸铵溶液中,固液重量比为1:20,在30℃下交换2次,每次2.5小时,经洗涤、110℃下干燥4h、空气气氛中500℃焙烧6h,标记为C。
以液相烷基化催化剂C的总重量计,具有MWW拓扑结构的分子筛的含量为70重量%,粘结剂的含量为30重量%。
并测定液相烷基化催化剂C的相对结晶度、SiO2/Al2O3摩尔比、外表面酸量、外表面孔体积、总孔体积和比表面积,结果见表1。
【实施例4】
本实施例用于说明制备本发明的液相烷基化催化剂。
将2.34g硫酸铝、1.96g氢氧化钠、1.48g偏硼酸钠、6.93g六亚甲基亚胺、8.40g白炭黑、62.04g水,在剧烈搅拌下混合均匀,在40℃下陈化6h,得到白色均匀凝胶。将凝胶转移到内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中,在搅拌状态140℃下晶化5d,晶化搅拌速度200r/min。晶化结束后,水冷至室温,经洗涤、110℃下烘干4h后,加入30重量%的氧化铝粘结剂,挤条成型,并在500℃焙烧6h,得到颗粒。将上述颗粒放入1mol/kg的硝酸铵溶液中,固液重量比为1:20,在30℃下交换2次,每次2.5小时,经洗涤、110℃下干燥4h、空气气氛中500℃焙烧6h,标记为D。
以液相烷基化催化剂D的总重量计,具有MWW拓扑结构的分子筛的含量为70重量%,粘结剂的含量为30重量%。
并测定液相烷基化催化剂D的相对结晶度、SiO2/Al2O3摩尔比、外表面酸量、外表面孔体积、总孔体积和比表面积,结果见表1。
【实施例5】
本实施例用于说明制备本发明的液相烷基化催化剂。
将1.04g硫酸铝、1.58g氢氧化钠、1.32g三氯化硼(冷藏)、3.71g六亚甲基亚胺、7.50g白炭黑、77.89g水,在剧烈搅拌下混合均匀,在40℃下陈化6h,得到白色均匀凝胶。将凝胶转移到内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中,在搅拌状态140℃下晶化5d,晶化搅拌速度200r/min。晶化结束后,水冷至室温,经洗涤、110℃下烘干4h后,加入20重量%的氧化铝粘结剂,挤条成型,并在500℃焙烧6h,得到颗粒。将上述颗粒放入1mol/kg的硫酸铵溶液中,固液重量比为1:15,在40℃下交换2次,每次2.5小时,经洗涤、110℃下干燥4h、空气气氛中500℃焙烧6h,标记为E。
以液相烷基化催化剂E的总重量计,具有MWW拓扑结构的分子筛的含量为80重量%,粘结剂的含量为20重量%。
并测定液相烷基化催化剂E的相对结晶度、SiO2/Al2O3摩尔比、外表面酸量、外表面孔体积、总孔体积和比表面积,结果见表1。
【实施例6】
本实施例用于说明制备本发明的液相烷基化催化剂。
将1.86g硫酸铝、2.02g氢氧化钠、0.74g三氯化硼(冷藏)、6.93g六亚甲基亚胺、8.40g白炭黑、61.64g水,在剧烈搅拌下混合均匀,在50℃下陈化4h,得到白色均匀凝胶。将凝胶转移到内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中,在搅拌状态140℃下晶化5d,晶化搅拌速度200r/min。晶化结束后,水冷至室温,经洗涤、110℃下烘干4h后,加入20重量%的氧化铝粘结剂,挤条成型,并在500℃焙烧6h,得到颗粒。将上述颗粒放入1mol/kg的硫酸铵溶液中,固液重量比为1:15,在40℃下交换2次,每次2.5小时,经洗涤、110℃下干燥4h、空气气氛中500℃焙烧6h,标记为F。
以液相烷基化催化剂F的总重量计,具有MWW拓扑结构的分子筛的含量为80重量%,粘结剂的含量为20重量%。
并测定液相烷基化催化剂F的相对结晶度、SiO2/Al2O3摩尔比、外表面酸量、外表面孔体积、总孔体积和比表面积,结果见表1。
【实施例7】
本实施例用于说明制备本发明的液相烷基化催化剂。
将1.87g硫酸铝、2.02g氢氧化钠、0.87g硼酸、5.95g哌啶、8.40g白炭黑、61.64g水,在剧烈搅拌下混合均匀,在50℃下陈化4h,得到白色均匀凝胶。将凝胶转移到内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中,在搅拌状态150℃下晶化4d,晶化搅拌速度200r/min。晶化结束后,水冷至室温,经洗涤、110℃下烘干4h后,加入30重量%的氧化铝粘结剂,挤条成型,并在475℃焙烧8h,得到颗粒。将上述颗粒放入1mol/kg的硫酸铵溶液中,固液重量比为1:15,在25℃下交换3次,每次2小时,经洗涤、110℃下干燥4h、空气气氛中500℃焙烧6h,标记为G。
以液相烷基化催化剂G的总重量计,具有MWW拓扑结构的分子筛的含量为70重量%,粘结剂的含量为30重量%。
并测定液相烷基化催化剂G的相对结晶度、SiO2/Al2O3摩尔比、外表面酸量、外表面孔体积、总孔体积和比表面积,结果见表1。
【实施例8】
本实施例用于说明制备本发明的液相烷基化催化剂。
将2.44g硫酸铝、2.05g氢氧化钠、1.14g硼酸、5.45g哌啶、11.00g白炭黑、64.35g水,在剧烈搅拌下混合均匀,在50℃下陈化4h,得到白色均匀凝胶。将凝胶转移到内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中,在搅拌状态150℃下晶化4d,晶化搅拌速度200r/min。晶化结束后,水冷至室温,经洗涤、110℃下烘干4h后,加入30重量%的氧化铝粘结剂,挤条成型,并在475℃焙烧8h,得到颗粒。将上述颗粒放入1mol/kg的硫酸铵溶液中,固液重量比为1:15,在25℃下交换3次,每次2小时,经洗涤、110℃下干燥4h、空气气氛中500℃焙烧6h,标记为H。
以液相烷基化催化剂H的总重量计,具有MWW拓扑结构的分子筛的含量为70重量%,粘结剂的含量为30重量%。
并测定液相烷基化催化剂H的相对结晶度、SiO2/Al2O3摩尔比、外表面酸量、外表面孔体积、总孔体积和比表面积,结果见表1。
【实施例9】
本实施例用于说明制备本发明的液相烷基化催化剂。
将0.91g偏铝酸钠(含36重量%的Al2O3,28重量%的Na2O)、1.21g氢氧化钠、1.69g偏硼酸钠、7.92g六亚甲基亚胺、24.0g硅溶胶(含40重量%的SiO2)、57g水,在剧烈搅拌下混合均匀,在35℃下陈化10h,得到白色均匀凝胶。将凝胶转移到内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中,在搅拌状态160℃下晶化4d,晶化搅拌速度200r/min。晶化结束后,水冷至室温,经洗涤、110℃下烘干4h后,加入25重量%的氧化铝粘结剂,挤条成型,并在475℃焙烧8h,得到颗粒。将上述颗粒放入1mol/kg的硫酸铵溶液中,固液重量比为1:15,在40℃下交换2次,每次2.5小时,经洗涤、110℃下干燥4h、空气气氛中500℃焙烧6h,标记为I。
以液相烷基化催化剂I的总重量计,具有MWW拓扑结构的分子筛的含量为75重量%,粘结剂的含量为25重量%。
并测定液相烷基化催化剂I的相对结晶度、SiO2/Al2O3摩尔比、外表面酸量、外表面孔体积、总孔体积和比表面积,结果见表1。
【实施例10】
本实施例用于说明制备本发明的液相烷基化催化剂。
将0.85g偏铝酸钠(含36重量%的Al2O3,28重量%的Na2O)、0.56g氢氧化钠、1.27g偏硼酸钠、2.97g六亚甲基亚胺、18g硅溶胶(含40重量%的SiO2)、64.37g水,在剧烈搅拌下混合均匀,在35℃下陈化10h,得到白色均匀凝胶。将凝胶转移到内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中,在搅拌状态160℃下晶化4d,晶化搅拌速度200r/min。晶化结束后,水冷至室温,经洗涤、110℃下烘干4h后,加入25重量%的氧化铝粘结剂,挤条成型,并在475℃焙烧8h,得到颗粒。将上述颗粒放入1mol/kg的硫酸铵溶液中,固液重量比为1:15,在30℃下交换2次,每次2.5小时,经洗涤、110℃下干燥4h、空气气氛中500℃焙烧6h,标记为J。
以液相烷基化催化剂J的总重量计,具有MWW拓扑结构的分子筛的含量为75重量%,粘结剂的含量为25重量%。
并测定液相烷基化催化剂J的相对结晶度、SiO2/Al2O3摩尔比、外表面酸量、外表面孔体积、总孔体积和比表面积,结果见表1。
【实施例11】
本实施例用于说明制备本发明的液相烷基化催化剂。
将0.6g偏铝酸钠(含36重量%的Al2O3,28重量%的Na2O)、1.32g氢氧化钠、2.38g硼酸、6.34g六亚甲基亚胺、24g硅溶胶(含40重量%的SiO2)、57g水,在剧烈搅拌下混合均匀,在35℃下陈化10h,得到白色均匀凝胶。将凝胶转移到内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中,在搅拌状态160℃下晶化4d,晶化搅拌速度200r/min。晶化结束后,水冷至室温,经洗涤、110℃下烘干4h后,加入30重量%的氧化铝粘结剂,挤条成型,并在475℃焙烧8h,得到颗粒。将上述颗粒放入0.1mol/kg的硫酸铵溶液中,固液重量比为1:25,在25℃下交换2次,每次3小时,经洗涤、110℃下干燥4h、空气气氛中500℃焙烧6h,标记为K。
以液相烷基化催化剂K的总重量计,具有MWW拓扑结构的分子筛的含量为70重量%,粘结剂的含量为30重量%。
并测定液相烷基化催化剂K的相对结晶度、SiO2/Al2O3摩尔比、外表面酸量、外表面孔体积、总孔体积和比表面积,结果见表1。
【实施例12】
本实施例用于说明制备本发明的液相烷基化催化剂。
将0.85g偏铝酸钠(含36重量%的Al2O3,28重量%的Na2O)、0.56g氢氧化钠、2.81g硼酸三乙酯、2.97g六亚甲基亚胺、18g硅溶胶(含40重量%的SiO2)、64.37g水,在剧烈搅拌下混合均匀,在35℃下陈化10h,得到白色均匀凝胶。将凝胶转移到内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中,在搅拌状态160℃下晶化4d,晶化搅拌速度200r/min。晶化结束后,水冷至室温,经洗涤、110℃下烘干4h后,加入30重量%的氧化铝粘结剂,挤条成型,并在475℃焙烧8h,得到颗粒。将上述颗粒放入1mol/kg的硫酸铵溶液中,固液重量比为1:25,在25℃下交换2次,每次3小时,经洗涤、110℃下干燥4h、空气气氛中500℃焙烧6h,标记为L。
以液相烷基化催化剂L的总重量计,具有MWW拓扑结构的分子筛的含量为70重量%,粘结剂的含量为30重量%。
并测定液相烷基化催化剂L的相对结晶度、SiO2/Al2O3摩尔比、外表面酸量、外表面孔体积、总孔体积和比表面积,结果见表1。
【实施例13】
本实施例用于说明制备本发明的液相烷基化催化剂。
将1.87g硫酸铝、2.02g氢氧化钠、1.98g偏硼酸钠、6.93g六亚甲基亚胺、8.40g白炭黑、61.64g水,在剧烈搅拌下混合均匀,在40℃下陈化6h,得到白色均匀凝胶。将凝胶转移到内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中,在搅拌状态170℃下晶化3d,晶化搅拌速度200r/min。晶化结束后,水冷至室温,经洗涤、110℃下烘干4h后,加入25重量%的氧化铝粘结剂,挤条成型,并在500℃焙烧6h,得到颗粒。将上述颗粒放入1mol/kg的硫酸铵溶液中,固液重量比为1:20,在30℃下交换2次,每次2.5小时,经洗涤、110℃下干燥4h、空气气氛中500℃焙烧6h,标记为M。
以液相烷基化催化剂M的总重量计,具有MWW拓扑结构的分子筛的含量为75重量%,粘结剂的含量为25重量%。
并测定液相烷基化催化剂M的相对结晶度、SiO2/Al2O3摩尔比、外表面酸量、外表面孔体积、总孔体积和比表面积,结果见表1。
【实施例14】
本实施例用于说明制备本发明的液相烷基化催化剂。
将1.87g硫酸铝、2.02g氢氧化钠、1.48g偏硼酸钠、6.93g六亚甲基亚胺、8.40g白炭黑、61.64g水,在剧烈搅拌下混合均匀,在40℃下陈化6h,得到白色均匀凝胶。将凝胶转移到内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中,在搅拌状态120℃下晶化6d,晶化搅拌速度200r/min。晶化结束后,水冷至室温,经洗涤、110℃下烘干4h后,加入30重量%的氧化硅粘结剂,挤条成型,并在500℃焙烧6h,得到颗粒。将上述颗粒放入5mol/kg的硫酸铵溶液中,固液重量比为1:20,在30℃下交换2次,每次2小时,经洗涤、110℃下干燥4h、空气气氛中500℃焙烧6h,标记为N。
以液相烷基化催化剂N的总重量计,具有MWW拓扑结构的分子筛的含量为70重量%,粘结剂的含量为30重量%。
并测定液相烷基化催化剂N的相对结晶度、SiO2/Al2O3摩尔比、外表面酸量、外表面孔体积、总孔体积和比表面积,结果见表1。
【实施例15】
本实施例用于说明制备本发明的液相烷基化催化剂。
将1.87g硫酸铝、2.02g氢氧化钠、1.48g偏硼酸钠、6.93g六亚甲基亚胺、8.40g白炭黑、61.64g水,在剧烈搅拌下混合均匀,在40℃下陈化6h,得到白色均匀凝胶。将凝胶转移到内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中,在搅拌状态170℃下晶化3d,晶化搅拌速度200r/min。晶化结束后,水冷至室温,经洗涤、110℃下烘干4h后,加入30重量%的氧化铝粘结剂,挤条成型,并在500℃焙烧6h,得到颗粒。将上述颗粒放入1mol/kg的硫酸铵溶液中,固液重量比为1:20,在30℃下交换2次,每次2小时,经洗涤、110℃下干燥4h、空气气氛中500℃焙烧6h,标记为O。
以液相烷基化催化剂O的总重量计,具有MWW拓扑结构的分子筛的含量为70重量%,粘结剂的含量为30重量%。
并测定液相烷基化催化剂O的相对结晶度、SiO2/Al2O3摩尔比、外表面酸量、外表面孔体积、总孔体积和比表面积,结果见表1。
【对比例1】
将1.87g硫酸铝、2.02g氢氧化钠、6.93g六亚甲基亚胺、8.40g白炭黑、61.64g水,在剧烈搅拌下混合均匀,在40℃下陈化6h,得到白色均匀凝胶。将凝胶转移到内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中,在搅拌状态140℃下晶化5d,晶化搅拌速度200r/min。晶化结束后,水冷至室温,经洗涤、110℃下烘干4h后,加入30重量%的氧化铝粘结剂,挤条成型,并在500℃焙烧6h,得到颗粒。将上述颗粒放入1mol/kg的硝酸铵溶液中,固液重量比为1:20,在30℃下交换2次,每次2.5小时,经洗涤、110℃下干燥4h、空气气氛中500℃焙烧6h,标记为D1。
并测定液相烷基化催化剂D1的相对结晶度、SiO2/Al2O3摩尔比、外表面酸量、外表面孔体积、总孔体积和比表面积,结果见表1。
【对比例2】
将0.91g偏铝酸钠(含36重量%的Al2O3,28重量%的Na2O)、1.21g氢氧化钠、7.92g六亚甲基亚胺、24g硅溶胶(含40重量%的SiO2)、57g水,在剧烈搅拌下混合均匀,在35℃下陈化10h,得到白色均匀凝胶。将凝胶转移到内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中,在搅拌状态160℃下晶化4d,晶化搅拌速度200r/min。晶化结束后,水冷至室温,经洗涤、110℃下烘干4h后,加入25重量%的氧化铝粘结剂,挤条成型,并在475℃焙烧8h,得到颗粒。将上述颗粒放入1mol/kg的硫酸铵溶液中,固液重量比为1:15,在40℃下交换2次,每次2.5小时,经洗涤、110℃下干燥4h、空气气氛中500℃焙烧6h,标记为D2。
并测定液相烷基化催化剂D2的相对结晶度、SiO2/Al2O3摩尔比、外表面酸量、外表面孔体积、总孔体积和比表面积,结果见表1。
【对比例3】
将1.87g硫酸铝、2.02g氢氧化钠、8.68g硼酸、6.93g六亚甲基亚胺、8.40g白炭黑、61.64g水,在剧烈搅拌下混合均匀,在40℃下陈化6h,得到白色均匀凝胶。将凝胶转移到内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中,在搅拌状态170℃下晶化3d,晶化搅拌速度200r/min。晶化结束后,水冷至室温,经洗涤、110℃下烘干4h后,加入25重量%的氧化铝粘结剂,挤条成型,并在500℃焙烧6h,得到颗粒。将上述颗粒放入1mol/kg的硫酸铵溶液中,固液重量比为1:20,在30℃下交换2次,每次2.5小时,经洗涤、110℃下干燥4h、空气气氛中500℃焙烧6h,标记为D3。
并测定液相烷基化催化剂D3的相对结晶度、SiO2/Al2O3摩尔比、外表面酸量、外表面孔体积、总孔体积和比表面积,结果见表1。
【对比例4】
将1.87g硫酸铝、2.02g氢氧化钠、1.48g偏硼酸钠、6.93g六亚甲基亚胺、8.40g白炭黑、61.64g水,在剧烈搅拌下混合均匀,在40℃下陈化6h,得到白色均匀凝胶。将凝胶转移到内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中,在搅拌状态170℃下晶化3d,晶化搅拌速度200r/min。晶化结束后,水冷至室温,经洗涤、110℃下烘干4h后,在500℃焙烧6h,得到粉末。将上述粉末放入1mol/kg的硫酸铵溶液中,固液重量比为1:20,在30℃下交换2次,每次2小时,经洗涤、110℃下干燥4h,加入30重量%的氧化铝粘结剂,挤条成型,并在空气气氛中500℃焙烧6h,标记为D4。
并测定液相烷基化催化剂D4的相对结晶度、SiO2/Al2O3摩尔比、外表面酸量、外表面孔体积、总孔体积和比表面积,结果见表1。
表1
【测试例1】
将苯与乙烯进行液相烷基化反应,其中,液相烷基化催化剂分别为实施例1~15的液相烷基化催化剂A~O,和对比例1~4的催化剂D1~D4。
采用固定床反应器分别对上述催化剂进行性能测试,苯与乙烯液相烷基化反应条件:反应温度240℃,压力3.5MPa,苯与乙烯的摩尔比为3:1,乙烯的质量空速为2.25h-1。采用气相色谱仪(Agilent GC 7890B)检测乙烯、二甲苯和杂质的含量,并按照公式I计算乙烯转化率,按照公式II计算乙基选择性,结果见表2。
乙烯转化率%=(入口乙烯含量-出口乙烯含量)/入口乙烯含量×100% (公式I)。
乙基选择性%=(乙苯摩尔量+二乙苯摩尔量×2+三乙苯摩尔量×3)/反应消耗的乙烯摩尔量×100% (公式II)。
表2
编号 | 乙烯转化率(%) | 乙基选择性(%) |
A | 99.6 | 99.7 |
B | 99.6 | 99.6 |
C | 99.8 | 99.3 |
D | 99.5 | 99.6 |
E | 99.5 | 99.5 |
F | 99.5 | 99.6 |
G | 99.5 | 99.6. |
H | 99.5 | 99.5 |
I | 99.6 | 99.7 |
J | 99.5 | 99.6 |
K | 99.6 | 99.6 |
L | 99.3 | 99.6 |
M | 99.6 | 99.7 |
N | 99.5 | 99.6 |
O | 99.6 | 99.7 |
D1 | 98.0 | 99.4 |
D2 | 95.6 | 99.5 |
D3 | 83.7 | 99.5 |
D4 | 95.7 | 99.5 |
根据实施例和对比例,以及表1和表2的结果能够看出,本发明的液相烷基化催化剂具有较大的外表面孔体积和较多的外表面酸量,扩散性能好,外表面酸量充足,能够提高其活性和催化性能,有利于提高苯与乙烯液相烷基化反应的转化率,乙烯转化率高,乙基选择性好,检测无二甲苯产生。
应当注意的是,以上所述的实施例仅用于解释本发明,并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述,但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇,而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明做出修改,以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例,但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例,相反,本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。
Claims (10)
1.一种液相烷基化催化剂,该液相烷基化催化剂包括具有MWW拓扑结构的分子筛和粘结剂,其中,以液相烷基化催化剂的总重量计,具有MWW拓扑结构的分子筛的含量为50~90重量%,粘结剂的含量为10~50重量%,所述液相烷基化催化剂的外表面孔体积为0.45~0.65cm3/g。
2.根据权利要求1所述的液相烷基化催化剂,其特征在于,以液相烷基化催化剂的总重量计,具有MWW拓扑结构的分子筛的含量为60~80重量%,粘结剂的含量为20~40重量%;
优选地,所述液相烷基化催化剂的外表面酸量为0.35~0.65mmol/g;比表面积为450~600m2/g;总孔体积为0.7~0.9cm3/g;
优选地,所述具有MWW拓扑结构的分子筛的SiO2/Al2O3摩尔比为10~200,相对结晶度为95~105%;
优选地,所述粘结剂为氧化铝和/或氧化硅。
3.一种液相烷基化催化剂的制备方法,包括:
(1)将硼源、硅源、铝源、碱源、模板剂和含水溶剂混合并陈化,得到凝胶;
(2)将所述凝胶进行水热晶化,得到晶化产物并与粘合剂混合成型,得到含硼MWW分子筛;
(3)将所述含硼MWW分子筛进行铵离子交换和焙烧。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述硼源、硅源、铝源、碱源、模板剂和含水溶剂的加入量满足SiO2/Al2O3=10~200,B2O3/SiO2=0.001~0.25,OH-/SiO2=0.05~0.45,H2O/SiO2=5~100,模板剂/SiO2=0.001~1,其中,硼源以B2O3的摩尔量计,硅源以SiO2的摩尔量计,铝源以Al2O3的摩尔量计,碱源以OH-的摩尔量计,含水溶剂以H2O的摩尔量计;
优选地,所述硼源、硅源、铝源、碱源、模板剂和含水溶剂的加入量满足SiO2/Al2O3=20~100,B2O3/SiO2=0.01~0.16,OH-/SiO2=0.1~0.3,H2O/SiO2=20~50,模板剂/SiO2=0.1~0.6,其中,硼源以B2O3的摩尔量计,硅源以SiO2的摩尔量计,铝源以Al2O3的摩尔量计,碱源以OH-的摩尔量计,含水溶剂以H2O的摩尔量计。
5.根据权利要求3或4所述的方法,其特征在于,所述硼源选自有机硼化合物和/或无机硼化合物;
优选地,所述有机硼化合物为硼酸酯和/或硼烷,更优选为硼酸三乙酯;
优选地,所述无机硼化合物为硼酸、卤化硼和金属硼酸盐中的一种或多种,更优选为硼酸、三氯化硼和偏硼酸钠。
6.根据权利要求3-5中任意一项所述的方法,其特征在于,所述硅源选自硅溶胶、白炭黑和水玻璃中的一种或多种;
优选地,所述铝源选自偏铝酸钠、硫酸铝和硝酸铝中的一种或多种;优选为偏铝酸钠和/或硫酸铝;
优选地,所述碱源为氢氧化钠、碳酸钠和碳酸氢钠中的一种或多种;优选为氢氧化钠;
优选地,所述模板剂为有机模板剂,优选为有机胺模板剂,更优选为五亚甲基亚胺、六亚甲基亚胺、七亚甲基亚胺、环己烷胺、环戊胺、苯胺、哌啶、哌嗪和N,N,N-三甲基金刚烷基氢氧化铵中的一种或者多种,最优选为六亚甲基亚胺和/或哌啶;
优选地,所述含水溶剂为去离子水。
7.根据权利要求3-6中任意一项所述的方法,其特征在于,所述陈化的条件包括:温度为0~70℃,优选为35~50℃,时间为1~24h,优选为2~6h;
优选地,所述水热晶化的条件包括:温度为100~200℃,优选为120~170℃,时间为1~10d,优选为2~5d;
优选地,在水热晶化后且与粘结剂混合前,该方法还包括:依次进行冷却、过滤、洗涤、离心和烘干,优选地,所述烘干的条件包括:温度为80~170℃,时间为2~8h;
优选地,所述粘结剂为氧化铝和/或氧化硅;
优选地,所述晶化产物与粘结剂的重量比为1:(0.01~0.5),优选为1:(0.2~0.3);
优选地,铵离子交换的过程包括:将所述含硼MWW分子筛与铵盐溶液进行混合,在10~70℃下交换1~4次,每次1~5h;优选为将所述含硼MWW分子筛与铵盐溶液进行混合,在25~50℃下交换2~3次,每次2~3h;
优选地,所述铵盐为硝酸铵、硫酸铵、氯化铵、乙酸铵、草酸铵和柠檬酸铵中的一种或多种;
优选地,所述铵盐溶液中铵盐的浓度为0.001~5mol/kg;
优选地,所述含硼MWW分子筛与铵盐溶剂的重量比为1:(1~50),优选为1:(5~30);
优选地,所述焙烧的条件包括:温度为300~700℃,优选为450~550℃,时间为1~24h,优选为2~6h。
8.权利要求3-7中任意一项所述的方法制备的液相烷基化催化剂。
9.权利要求1、2和8中任意一项所述的液相烷基化催化剂和/或根据权利要求3-7中任意一项所述的方法制备的液相烷基化催化剂在液相烷基化反应中的应用。
10.一种苯与乙烯进行液相烷基化反应的方法,包括:在液相烷基化催化剂的存在下,将苯与乙烯进行液相烷基化反应,其中,所述液相烷基化催化剂为权利要求1、2和8中任意一项所述的液相烷基化催化剂和/或根据权利要求3-7中任意一项所述的方法制备的液相烷基化催化剂;
优选地,所述液相烷基化反应的条件包括:温度为100~300℃,压力为0.01~20MPa,苯与乙烯的摩尔比为(100~1):1,乙烯的质量空速为0.1~5h-1。
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