CN113546675B - 改性Beta分子筛及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及分子筛制备领域，公开了一种改性Beta分子筛，该分子筛包括Beta分子筛和碱土金属元素；以所述改性Beta分子筛的干基重量为基准，以氧化物计，所述碱土金属元素的含量为10‑30重量％；该改性Beta分子筛的SiO2/Al2O3摩尔比为15‑45；所述改性Beta分子筛的介孔体积占改性Beta分子筛总孔体积的20‑80％；所述改性Beta分子筛的结晶度大于60％。在催化裂解反应中，该改性Beta分子筛具有C4及以下烯烃的收率更高且丁烯选择性更高的特点。

Description

改性Beta分子筛及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及分子筛制备领域，具体涉及一种改性Beta分子筛及其制备方法和应用。
背景技术
催化裂化所加工的外油组成和结构非常复杂，各炼厂加工原料和生产工艺各异，目标产品的需求呈现出明显差异化趋势，在生产中最突出的问题是如何在加工重质劣质原料的同时，生产清洁油品和高附加值化工产品。由于我国汽油的生产特点是汽油调和组分中催化裂化汽油比例高，普遍在75％以上，重整汽油比例低，致使汽油芳烃和苯含量普遍不高；高辛烷值汽油调和组分比例少。而解决中国汽油辛烷值现状的方法是必须在后续工艺上采取轻汽油醚化。适当的提高异丁烯和异戊烯的收率，将其作为醚化原料，同时副产高辛烷值汽油，可满足目前中国汽油生产的现状。如何提高转化重(劣)质原油的深度，并将其转化为高附加值的C4烯烃化工原料成为技术人员的追求，并且发展以重(劣)质原油为原料增产C4烯烃的催化裂化催化剂技术符合当前中国石化主业的发展趋势。
CN102107879A涉及一种Beta沸石分子筛的合成方法，通过加入低温干燥的Beta沸石原粉作晶种，并在制备凝胶时对晶种进行高速剪切乳化分散，充分发挥了Beta沸石晶种的结构导向作用，从而拓宽了适用的晶种范围，可在低模板剂用量下、较宽硅铝比范围内合成结晶度良好的Beta沸石产物。
CN104512905A公开了一种Beta分子筛交换过程的清洁生产方法，其特征在于该方法包括将水热晶化合成得到的Beta分子筛浆液于200-250℃下处理，使分子筛浆液中的模板剂部分分解的步骤，以及在室温下，将分子筛浆液与无机酸溶液接触进行离子交换反应的步骤。
CN107416859A公开了一种梯级孔Beta分子筛的制备方法及应用，该方法是以亚熔盐活化的高岭土或累托土为全部铝源和部分硅源，在不添加任何有机模板剂的条件下，将活化后的矿物、碱源、补充硅源、晶种和去离子水按一定的比例混合均匀，通过一步水热晶化合成具有大孔微孔复合的梯级孔Beta分子筛。
上述方法主要重点集中在合成阶段，对Beta分子筛后期改性研究相对较少，且Beta沸石合成过程中模板剂的使用对环境有污染，而且用量大、晶化时间长。低模板剂用量合成法依靠固体硅源或者高浓度的硅源来实现，存在着初始凝胶粘度大、凝胶不易均匀，产品质量不稳定、不易搅拌，工业实施困难的缺点。而无模板剂法则存在着合成相区窄，对晶种依赖性太大的缺点。
CN107570205A公开一种改性Beta分子筛催化剂的制备方法，属于催化剂技术领域。该方法包括制备Beta分子筛原粉的步骤，制备Mn-Co-Beta分子筛和制备Sn改性的Mn-Co-Beta分子筛的步骤，其中Mn元素与Co元素的摩尔比为5-8:1，Mn元素的质量占所述Mn-Co-Beta分子筛质量的10-13％；Sn元素与锰元素的摩尔比为1：35-40。该方法制备所得的催化剂可以应用在汽车尾气低温SCR脱硝系统中。
CN107899607A提供了一种改性β分子筛及其制备方法和应用。该催化剂是所述方法包括以β分子筛为基体，以金属元素为改性剂，利用金属元素可溶盐的溶液，采用离子交换法制备得到所述改性β分子筛；所述金属元素选自Cu、Al、Zn、Fe和Sn中的一种或多种的混合；所述金属元素在制得的改性β分子筛中的质量含量为0.5-4％。
上述方法对Beta分子筛及其改性后的性能进行了研究，然而改性后的Beta性能仍不完善，重油裂化能力较低，提高重油转化及轻油收率的效果不明显，产物中C4及以下烯烃及其选择性不高。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的对重劣质原油裂解能力不足、C4及以下烯烃收率和选择性不高的问题，提供一种改性Beta分子筛及其制备方法和应用，在催化裂解反应中，该改性Beta分子筛具有C4及以下烯烃的收率更高且丁烯选择性更高的特点。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种改性Beta分子筛，该分子筛包括Beta分子筛和碱土金属元素；以所述改性Beta分子筛的干基重量为基准，以氧化物计，所述碱土金属元素的含量为10-30重量％；
该改性Beta分子筛的SiO2/Al2O3摩尔比为15-45；
所述改性Beta分子筛的介孔体积占改性Beta分子筛总孔体积的20-80％；
所述改性Beta分子筛的结晶度大于60％。
优选地，孔径为5nm至20nm的介孔体积占总介孔体积的85％以上，更优选不低于90％，例如90-96％。
优选地，所述改性Beta分子筛的比表面积大于500m2/g，优选大于530m2/g，例如为530-620m2/g。
优选地，所述改性Beta分子筛的结晶度大于65％。
优选地，改性Beta分子筛的介孔体积占改性Beta分子筛总孔体积的38-60％。
本发明第二方面提供一种改性Beta分子筛的制备方法，该方法包括：
(1)在第一溶剂存在下，将Beta分子筛与碱和碱土金属的化合物进行接触；
(2)采用酸溶液对步骤(1)得到的固体产物进行酸处理；
(3)将酸处理后的产物进行焙烧；
所述Beta分子筛和碱土金属的化合物的用量使得制得的所述改性Beta分子筛中，以所述改性Beta分子筛的干基重量为基准，以氧化物计，所述碱土金属元素的含量为10-30重量％；
所述Beta分子筛的SiO2/Al2O3摩尔比为15-45。
优选地，该方法还包括在步骤(2)之后，在步骤(3)之前，对步骤(2)酸处理得到的产物进行改性，所述改性包括：在第二溶剂存在下，将步骤(2)酸处理得到的产物与助剂的可溶性化合物进行改性反应。
本发明第三方面提供有上述方法制备得到的改性Beta分子筛。在催化裂解反应中，所述改性Beta分子筛具有裂解能力强的特点，在催化裂解反应中保持液化气收率较高的同时，能够提高C4及以下烯烃的收率。
因此，本发明第四方面提供上述改性Beta分子筛在催化裂解中的应用。
通过上述技术方案，本发明采用碱土金属对Beta分子筛进行改性，脱除硅铝材料中的部分硅，形成骨架及表面空位，丰富了Beta分子筛的介孔结构，而碱土金属具有一定碱性位，可以降低Beta分子筛的强酸性，从而抑制生成的C4及以下烯烃产生氢转移反应，稳定生成的C4及以下烯烃。使用酸进行改性，脱除了部分无定型铝和杂质，有利于改善Beta分子筛的孔结构，提高稳定性。
由本发明的实施例可知，采用本发明的中的改性Beta分子筛进行催化裂解时，裂解能力更强，转化率和液化气收率更高，且丁烯选择性更高。在优选情况下，本发明采用助剂元素对步骤(2)酸处理得到的产物进行改性，进一步提高了所述改性Beta分子筛的裂解性能，从而进一步提高C4及以下烯烃的收率。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
在本发明中，除非特殊说明，所述孔径指的是直径。
在本发明，所述干基重量是指在800℃下灼烧1h后的重量。
本发明第一方面提供一种改性Beta分子筛，该分子筛包括Beta分子筛和碱土金属元素；以所述改性Beta分子筛的干基重量为基准，以氧化物计，所述碱土金属元素的含量为10-30重量％；
所述改性Beta分子筛的SiO2/Al2O3摩尔比为15-45；
所述改性Beta分子筛的介孔体积占改性Beta分子筛总孔体积的20-80％；
所述改性Beta分子筛的结晶度大于60％。
在本发明中，所述介孔体积和总孔体积采用Quantachrome仪器公司生产的AS-3、AS-6静态氮吸附仪测定。
根据本发明一种优选实施方式，所述改性Beta分子筛中，孔径为5nm至20nm的介孔体积占总介孔体积的85％以上，进一步优选为不低于90％，例如为90％到96％。在该种优选情况下，所述改性Beta分子筛的孔道结构有利于提高所述改性Beta分子筛的在催化裂解反应中的催化性能。
根据本发明，优选地，所述改性Beta分子筛的比表面积大于500m2/g，优选大于530m2/g，例如可以为530-620m2/g。在该种优选情况下，有利于提高所述改性Beta分子筛的在催化裂解反应中的催化性能。在本发明中，所述比表面积采用采用BET吸附方法测定。
根据本发明，优选地，所述改性Beta分子筛的结晶度大于65％。在该种优选情况下，有利于提高所述改性Beta分子筛的在催化裂解反应中的催化性能。本发明中，所述结晶度采用采用XRD方法测定。
根据本发明，优选地，所述改性Beta分子筛的介孔体积占改性Beta分子筛总孔体积的38-60％。在该种优选情况下，有利于反应产物的生产和扩散，从而避免所述改性Beta分子筛结焦失活。
根据本发明一种优选实施方式，所述改性Beta分子筛的SiO2/Al2O3摩尔比为20-30，进一步优选为20-25。在该种优选实施方式下，更有利于提高所述改性Beta分子筛在催化裂解中的催化性能。
根据本发明一种优选实施方式，以氧化物计，所述碱土金属元素的含量为12-20重量％，进一步优选为15-20重量％。本发明的发明人发现，在该种优选情况下，更有利于降低Beta分子筛的强酸性，从而在催化裂解反应中抑制生成的烯烃产生氢转移反应，进而更有利于提高C4及以下烯烃的收率。
根据本发明一种优选实施方式，所述改性Beta分子筛的强酸酸量占总酸量的比例为35-55％，进一步优选为40-50％。在该种优选方式下，有利于在催化裂解反应中抑制生成的烯烃产生氢转移反应，从而有利于提高C4及以下烯烃的收率。
在本发明中，所述强酸酸量占总酸量的比例采用NH3-TPD方法测定。
在本发明中，无特殊说明情况下，所述强酸是指酸中心为NH3脱附温度大于300℃所对应的酸中心。
根据本发明一种优选实施方式，所述改性Beta分子筛的B酸酸量与L酸酸量之比为15-45，进一步优选为20-38。在该种优选实施方式下，有利于在催化裂解反应中抑制生成的烯烃产生氢转移反应，从而有利于提高C4及以下烯烃的收率。
在本发明中，所述B酸酸量与L酸酸量之比采用吡啶吸附红外酸性方法测定。
在本发明一种优选实施方式下，所述改性Beta分子筛中还含助剂元素，以所述改性Beta分子筛的干基重量为基准，以氧化物计，所述助剂元素的含量为1-15重量％，进一步优选为6-12重量％，更优选为7-10重量％。在该种优选实施方式下，有利于提高所述改性Beta分子筛的裂解性能，从而提高裂解反应产物中C4及以下烯烃的收率。
根据本发明提供的改性Beta分子筛，对所述助剂元素的选择范围较宽，优选地，所述助剂元素包括第一助剂元素和/或第二助剂元素。
在本发明中，对所述第一助剂元素的选择范围较宽，例如为金属元素，优选地，所述第一助剂元素选自第IB族、第IIB族、第IVB族、第VIIB族、第VIII族和稀土元素中的至少一种。进一步优选地，所述第一助剂元素选自Zr、Ti、Ag、La、Ce、Fe、Cu、Zn和Mn元素中的至少一种，更优选为Ti、Zr和Ce元素中的至少一种。在该种优选情况下，所述改性Beta分子筛在催化裂解反应中的催化活性更强，有利于提高C4及以下烯烃的收率。
本发明对所述第二助剂元素的选择范围较宽，例如为非金属元素，优选地，所述第二助剂元素选自B、P和N元素中的至少一种，优选地，所述第二助剂元素为B元素和/或P元素。在该种优选情况下，所述改性Beta分子筛在催化裂解反应中的催化活性更强，有利于提高C4及以下烯烃的收率。
本发明对所述第一助剂元素和第二助剂元素的含量选择范围较宽，优选地，以所述改性Beta分子筛的干基重量为基准，以氧化物计，所述第一助剂元素的含量为1-10重量％，优选为5-10重量％，进一步优选为5-9重量％；所述第二助剂元素的含量为0.1-10，优选为0.1-5重量％，进一步优选为1-3重量％。在该种优选情况下，所述改性Beta分子筛的裂解性能更强，有利于提高C4及以下烯烃的收率。
根据本发明一种优选实施方式，所述碱土金属元素选自Mg、Ca、Sr和Ba元素中的至少一种，进一步优选为Mg元素。在该种优选实施方式下，有利于在催化裂解反应中提高C4及以下烯烃的收率。
本发明第二方面提供一种改性Beta分子筛的制备方法，该方法包括：
(1)在第一溶剂存在下，将Beta分子筛与碱和碱土金属的化合物进行接触；
(2)采用酸溶液对步骤(1)得到的固体产物进行酸处理；
(3)将酸处理后的产物进行焙烧；
所述Beta分子筛和碱土金属的化合物的用量使得制得的所述改性Beta分子筛中，以所述改性Beta分子筛的干基重量为基准，以氧化物计，所述碱土金属元素的含量为10-30重量％；
所述Beta分子筛的SiO2/Al2O3摩尔比为15-45。
根据本发明一种优选实施方式，所述改性Beta分子筛的制备方法包括：
(1)在第一溶剂存在下，将Beta分子筛与碱和碱土金属的化合物进行接触；
(2)采用酸溶液对步骤(1)得到的固体产物进行酸处理；
(3)将酸处理后的产物进行焙烧；
相对于100重量份的所述Beta分子筛，以氧化物计的所述碱土金属的化合物的用量为10-35重量份，优选为12-20重量份，进一步优选为15-20重量份；
所述Beta分子筛的SiO2/Al2O3摩尔比为15-45。
本发明的发明人发现，采用碱土金属对Beta分子筛进行改性，可以脱除Beta分子筛中的部分硅，形成骨架及表面空位，有利于改善Beta分子筛的介孔结构；其中，碱土金属具有的碱性位，有利于降低Beta分子筛的强酸性，从而在催化裂解反应中抑制生成的烯烃产生氢转移反应，进而提高C4及以下烯烃的收率。
本发明对步骤(1)中所述第一溶剂的选择范围较宽，只要能够提供Beta分子筛与碱和碱土金属元素进行接触的环境即可。优选地，所述第一溶剂为水。本发明对所述水没有特别的限定，可以是各种硬度的水，通常使用的自来水、蒸馏水、纯化水和去离子水均可使用。在本发明一种具体实施方式下，所述第一溶剂为中性水，所述中性水又称蒸馏水。
本发明对所述第一溶剂的用量选择范围较宽，可以根据所述Beta分子筛与碱和碱土金属的化合物的用量进行适当选择，只要能够提供使得步骤(1)中所述接触的环境即可。优选地，相对于100重量份的所述Beta分子筛，所述第一溶剂的用量为100-1000重量份。
在本发明中，步骤(1)中，对所述Beta分子筛与碱和碱土金属的化合物进行接触的次序没有特别的限定，所述Beta分子筛可以先与碱进行接触，也可以先与碱土金属的化合物进行接触，也可以与碱和碱土金属的化合物同时进行接触。
在本发明中，所述第一溶剂可以单独引入，也可以随碱或碱土金属的化合物一起引入。根据本发明的一种具体实施方式，步骤(1)包括：将第一溶剂、所述Beta分子筛与碱溶液以及碱土金属的化合物接触进行接触。
根据本发明，优选地，步骤(1)所述接触的条件包括：温度为50-90℃，时间为1-5h；进一步优选地，温度为60-80℃，时间为2-3h。
在本发明中，步骤(1)中所述过滤和干燥均为本领域的技术人员所熟知的操作，本发明不做特别限定。
根据本发明一种具体实施方式，该方法还可以包括，在步骤(1)中，对接触后的产物依次进行过滤和干燥，得到固体产物，然后对所述固体产物进行洗涤。在本发明中，所述过滤、干燥和洗涤均为本领域的常规操作，本发明对此没有特别的限定，在此不再赘述。本发明对所述洗涤的条件选择范围较宽，优选地，所述洗涤后得到的滤液pH为6.5-7.5，优选使得洗涤得到的滤液的pH大于7。
根据本发明一种优选实施方式，所述Beta分子筛和碱土金属的化合物的用量使得制得的所述改性Beta分子筛中，以所述改性Beta分子筛的干基重量为基准，以氧化物计，所述碱土金属元素的含量为12-20重量％，进一步优选为15-20重量％。在该种优选实施方式下，更有利于在催化裂解反应中抑制生成的烯烃产生氢转移反应，提高C4及以下烯烃的收率。
根据本发明，优选地，所述Beta分子筛的SiO2/Al2O3摩尔比为20-30，进一步优选为20-25。
本发明对所述Beta分子筛的选择范围较宽，优选地，所述Beta分子筛选自铵型Beta分子筛、Na型Beta分子筛和氢型Beta分子筛中的至少一种，优选为Na型Beta分子筛。
在本发明中，所述Beta分子筛可以采用商购获得，也可以按照任意现有技术的方法自行制备。
根据本发明，优选地，所述碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钾和碳酸钠中的至少一种。从降低成本的角度，所述碱进一步优选为氢氧化钠。
根据本发明，优选地，步骤(1)中，所述碱以碱溶液的形式引入。本发明对所碱溶液的浓度选择范围较宽，优选地，所述碱溶液的摩尔浓度为0.1-2mol/L，进一步优选为0.3-0.9mol/L。
根据本发明，优选地，相对于100重量份的所述Beta分子筛，所述碱溶液的用量为1-100重量份，优选为5-20重量份。
在本发明中，对所述碱土金属的选择范围如前所述，本发明在此不再赘述。
本发明对所述碱土金属的化合物的选择范围较宽，只要能够溶于溶剂，或者在助溶剂的作用下溶于所述溶剂即可。优选地，所述碱土金属的化合物选自碱土金属的氧化物、氯化物、硝酸盐和硫酸盐中的至少一种，更优选为氧化镁、氯化镁、硫酸镁和硝酸镁中的至少一种。
本发明对所述酸的选择范围较宽，可以为本领域常规使用的各种酸。具体地，所述酸为有机酸和/或无机酸。优选地，步骤(2)中所述酸选自盐酸、硝酸、硫酸、磷酸、草酸、柠檬酸和醋酸中的至少一种，优选为硫酸和/或草酸，进一步优选为硫酸和草酸。在该种优选情况下，既脱除了部分无定型铝和杂质，又改善了Beta分子筛的孔结构，从而提高了稳定性，更有利于提高所述改性Beta分子筛的催化性能。
根据本发明，优选地，所述硫酸和草酸的重量比为1：1-4。
根据本发明，优选地，所述酸处理使得制得改性Beta分子筛中，以氧化物计，钠的含量不大于0.5重量％。
本发明对所述酸溶液的重量含量选择范围较宽，优选地，所述酸溶液的重量含量为5-98重量％，进一步优选为10-30重量％。
根据本发明，优选地，所述酸与以干基计的步骤(1)得到固体产物的重量比为0.1-5，进一步优选为0.5-2。在该种优选情况下，更有利于提高所述改性Beta分子筛的在催化裂解反应中的催化性能。
在一种具体实施方式下，步骤(2)中，先将步骤(1)得到的固体产物与溶剂(优选为水)打浆后，再采用酸溶液对固体产物进行酸处理。
本发明对步骤(2)中所述酸处理的条件没有特别限定，优选地，步骤(2)所述酸处理的反应条件包括：温度为50-90℃，时间为1-5h；优选地，温度为60-80℃，时间为2-3h。
根据本发明一种优选实施方式，该方法还包括在步骤(2)之后，在步骤(3)之前，对步骤(2)酸处理得到的产物进行改性，所述改性包括：在第二溶剂存在下，将步骤(2)酸处理得到的产物与助剂的可溶性化合物进行改性反应。在该种优选实施方式下，有利于提高所述改性Beta分子筛在催化裂解反应中的裂解性能，提高C4及以下烯烃的收率。
根据本发明的一种具体实施方式，所述改性包括：将步骤(2)酸处理得到的产物、所述第二溶剂与助剂的可溶性化合物接触进行改性反应。本发明对所述接触的次序没有特别的限定，可以将步骤(2)酸处理得到的产物先与所述第二溶剂接触，再与助剂的可溶性化合物接触；也可以将步骤(2)酸处理得到的产物先于助剂的可溶性化合物接触，再与所述第二溶剂接触。本发明中，对所述第二溶剂的引入方式没有特别的限定，具体地，例如可以单独引入所述第二溶剂，也可以跟随所述助剂的可溶性化合物共同引入。
在本发明中，对所述第二溶剂的选择范围较宽，只要能够提供步骤(2)酸处理得到的产物与助剂的可溶性化合物进行改性反应的环境即可。优选地，所述第二溶剂为水。本发明对所述水没有特别的限定，可以是各种硬度的水，通常使用的自来水、蒸馏水、纯化水和去离子水均可使用。在本发明一种具体实施方式下，所述第二溶剂为中性水，所述中性水又称蒸馏水。
本发明对所述第二溶剂的用量选择范围较宽，可以根据所述步骤(2)酸处理得到的产物与助剂的可溶性化合物的用量进行适当选择，只要能够使得步骤所述改性反应顺利进行即可。优选地，相对于100重量份的步骤(2)得到产物(干基重量)计，所述第二溶剂的用量为100-1000重量份。
根据本发明，优选地，所述助剂元素包括第一助剂元素和/或第二助剂元素。
在本发明中，对所述第一助剂元素和第二助剂元素的选择范围如前所述，本发明在此不再赘述。
根据本发明，优选地，所述助剂的可溶性化合物的用量使得制得的所述改性Beta分子筛中，以所述改性Beta分子筛的干基重量为基准，以氧化物计，所述助剂元素的含量为1-15重量％，进一步优选为6-12重量％，更优选为7-10重量％。在该种优选情况下，有利于提高所述改性Beta分子筛在催化裂解中的催化性能，从而提高C4及以下烯烃的收率。
根据本发明一种优选实施方式，所述助剂的可溶性化合物的用量使得制得的所述改性Beta分子筛中，以氧化物计，所述第一助剂元素的含量为1-10重量％，优选为5-10重量％，进一步优选为5-9重量％；所述第二助剂元素的含量为0.1-10，优选为0.1-5重量％，进一步优选为1-3重量％。在该种优选实施方式下，有利于提高所述改性Beta分子筛在催化裂解中的催化性能，从而提高C4及以下烯烃的收率。
根据本发明，优选地，所述改性反应的条件包括：温度为50-90℃，时间为1-5h；优选地，温度为60-80℃，时间为2-3h。
根据本发明一种具体实施方式，该方法还可以包括：在步骤(2)之后，在对步骤(2)酸处理得到的产物进行改性之前，对酸处理得到的产物依次进行过滤、洗涤和干燥，已得到酸处理后的产物。所述过滤、洗涤和干燥均为本领域的技术人员所熟知的操作，本发明不做特别限定。
根据本发明，优选地，在进行改性反应之后，步骤(3)中焙烧之前，对改性反应得到的产物依次进行过滤和干燥。所述过滤和干燥均为本领域的技术人员所熟知的操作，本发明不做特别限定。
根据本发明，优选地，步骤(3)所述焙烧的条件包括：温度为500-800℃，优选为550-650℃；时间为1-10h，优选为2-3h。
本发明第三方面提供由上述方法制备得到的改性Beta分子筛。所述改性Beta分子筛在应用于裂解反应中时裂解能力更强，异构能力更强，C4及以下烯烃的收率更高且丁烯选择性更高。
因此，本发明第四方面提供上述改性Beta分子筛在催化裂解中的应用。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
以下实施例中，除非特殊说明，室温是指25℃；
实施例中使用的原材料规格如下所示：
Beta分子筛：天津大学催化剂厂生产(氢型)；
实施例中，使用如下方法来评价制备的改性Beta分子筛的相关参数：
(1)结晶度：
采用ASTM D5758-2001(2011)e1的标准方法测定。
(2)SiO2/Al2O3摩尔比：
通过氧化硅和氧化铝的含量计算得到，氧化硅和氧化铝的含量采用GB/T 30905-2014标准方法测定。
(3)成分组成：
采用荧光光谱分析，参考GB/T 30905-2014标准方法测定。
(4)比表面积(SBET)、介孔体积、总孔体积、5-20nm的介孔体积：
采用美国康塔Quantachrome公司生产的AS-3、AS-6静态氮吸附仪测定，仪器参数：将样品置于样品处理系统，在300℃下抽真空至1.33×10-2Pa，保温保压4h，净化样品。在液氮温度-196℃下，测试净化样品在不同比压P/P0条件下对氮气的吸附量和脱附量，获得N2吸附-脱附等温曲线。然后利用两参数BET公式计算比表面积；取比压P/P0＝0.98以下的吸附量为样品的总孔体积；利用BJH公式计算介孔部分的孔径分布，并采用积分法计算介孔体积(5-50nm)和5-20nm的介孔体积。
(5)B酸酸量和L酸酸量：
采用美国BIO-RAD公司生产的FTS3000型傅里叶红外光谱仪进行测定，测试条件：将样品压制成片后置于红外光谱仪的原位池中密封，在350℃下抽真空至10-3Pa，保持1h，使样品表面的气体分子脱附干净，冷却至室温。向原位池中导入压力为2.67Pa的吡啶蒸气，平衡30min后，升温至200℃，再次抽真空至10-3Pa，保持30min，冷却至室温，在1400-1700cm-1波数范围内扫描，记录下200℃吡啶吸附的红外光谱谱图。再将红外吸收池中的样品移至热处理区，升温至350℃，抽真空至10-3Pa，保持30min，冷至室温，记录下350℃吡啶吸附的红外谱图。仪器自动积分得到B酸酸量和L酸酸量。
(6)总酸量和强酸酸量：
采用美国麦克公司AutochemⅡ2920程序升温脱附仪进行测定，测试条件：称取0.2g待测样品装入样品管，置于热导池加热炉，以He气为载气(50mL/min)，以20℃/min的速率升温至600℃，吹扫60min驱除样品表面吸附的杂质。然后降温至100℃，恒温30min，切换成NH3-He混合气(10.02％NH3+89.98％He)吸附30min，再继续以He气吹扫90min至基线平稳，以脱附物理吸附的氨气。以10℃/min升温速率升温至600℃进行脱附，保持30min，脱附结束。采用TCD检测器检测气体组分变化，仪器自动积分得到总酸量和强酸酸量，其中，强酸的酸中心为NH3脱附温度大于300℃所对应的酸中心。
实施例1
按照本发明的方法制备改性Beta分子筛，具体步骤如下：
(1)取Beta分子筛(SiO2/Al2O3摩尔比为25；氧化钠含量0.05重量％，下同)100g(干基重量)，加入600g中性水(本发明中又称蒸馏水)、20g的NaOH溶液(摩尔浓度为0.833mol/L)以及20g的MgO，升温至70℃，接触反应2h后，冷却至室温，然后依次过滤、洗涤和干燥，得到固体产物。
(2)取步骤(1)得到的固体产物80g(干基重量)，与640g水打浆，然后加入40g的重量含量为20重量％的H2SO4、60g草酸，升温至70℃，酸处理2h后，依次进行过滤、洗涤和干燥；
(3)取步骤(2)得到产物50g(干基重量)，加入200g中性水、5.23g的氧氯化锆、4.33g氯化亚铈、1.86g磷酸氢二胺，升温至70℃，改性反应2h后，依次进行过滤和干燥，然后在650℃下焙烧2.5h，得到改性Beta分子筛S1，具体的物化性质数据列于表1。
对比例1
按照实施例1相同的方法制备改性Beta分子筛，不同的是，步骤(1)中不添加20g的MgO；
步骤(2)和(3)按照实施例1的方法进行，得到改性Beta分子筛SD1，具体的物化性质数据列于表1。
对比例2
按照CN107973307A中实施例1的制备方法，采用本发明实施例1中的Beta分子筛进行改性Beta分子筛的制备，得到改性Beta分子筛SD2，具体的物化性质数据列于表1。
实施例2
按照实施例1相同的方法制备改性Beta分子筛，不同的是，步骤(2)中，重量含量为20重量％的H2SO4的用量为80g，草酸的用量为120g；
步骤(1)和(3)按照实施例1的方法进行，得到改性Beta分子筛S2，具体的物化性质数据列于表1。
实施例3
按照实施例1相同的方法制备改性Beta分子筛，不同的是，步骤(3)中，将5.23g的氧氯化锆、4.33g氯化亚铈、1.86g磷酸氢二胺替换为13.08g氧氯化锆；
步骤(1)和(2)按照实施例1的方法进行，得到改性Beta分子筛S3，具体的物化性质数据列于表1。
实施例4
按照实施例1相同的方法制备改性Beta分子筛，不同的是，步骤(3)中，将5.23g的氧氯化锆、4.33g氯化亚铈、1.86g磷酸氢二胺替换为10.83g氯化亚铈；
步骤(1)和(2)按照实施例1的方法进行，得到改性Beta分子筛S4，具体的物化性质数据列于表1。
实施例5
按照实施例1相同的方法制备改性Beta分子筛，不同的是，步骤(3)中，将5.23g的氧氯化锆、4.33g氯化亚铈、1.86g磷酸氢二胺替换为9.3g磷酸氢二胺；
步骤(1)和(2)按照实施例1的方法进行，得到改性Beta分子筛S5，具体的物化性质数据列于表1。
实施例6
按照实施例1相同的方法制备改性Beta分子筛，不同的是，步骤(3)中，将5.23g的氧氯化锆、4.33g氯化亚铈、1.86g磷酸氢二胺替换为2.62g氧氯化锆、2.17g氯化亚铈、1g二氧化钛、1.40g磷酸氢二胺和1.33g硼酸；
步骤(1)和(2)按照实施例1的方法进行，得到改性Beta分子筛S6，具体的物化性质数据列于表1。
实施例7
按照实施例1相同的方法制备改性Beta分子筛，不同的是，步骤(1)中Beta分子筛的硅铝摩尔比不同，Beta分子筛的SiO2/Al2O3摩尔比为45；
步骤(1)、(2)和(3)按照实施例1的方法进行，得到改性Beta分子筛S7，具体的物化性质数据列于表1。
实施例8
按照实施例1相同的方法制备改性Beta分子筛，采用实施例1中的步骤(1)和(2)按照实施例1的方法进行，不同的是，步骤(3)中不进行改性反应，即将步骤(2)得到的产物50g在650℃下焙烧2h，得到改性Beta分子筛S8，具体的物化性质数据列于表1。
实施例9
按照实施例1相同的方法制备改性Beta分子筛，不同的是，以氧化物计，将MgO替换为相同质量的CaO。得到改性Beta分子筛S9，具体的物化性质数据列于表1。
实施例10
按照实施例1相同的方法制备改性Beta分子筛，不同的是，步骤(1)中NaOH溶液的用量为5g，MgO的用量为12g。得到改性Beta分子筛S10，具体的物化性质数据列于表1。
实施例11
按照实施例1相同的方法制备改性Beta分子筛，不同的是，以氧化物计，将MgO替换为相同质量的MgCl2。得到改性Beta分子筛S11，具体的物化性质数据列于表1。
测试例1
本测试例用于对上述实施例中制得的改性Beta分子筛的性能进行评价。
采用固定床反应装置进行正十四烷烃催化裂解的探针反应：将上述改性Beta分子筛压片后筛分为20-40目颗粒，装填量2g。原料：正十四烷烃；载气：氮气，气体流速29mL/min；剂油比(重量)为2，反应温度为520℃，反应压力为0.8MPa，重量空速为2.9h-1。反应900s后取样分析，具体物化性质数据列于表2。
转化率＝汽油收率+液化气收率+干气收率+焦炭收率。
丁烯选择性＝丁烯收率/液化气收率。
表1
改性Beta分子筛 S1 SD1 SD2 S2 S3 S4
结晶度/％ 72 81 61 56 70 70
SiO2/Al2O3摩尔比 21 22 24 22 23 23
SBET/(m2/g) 589 556 440 524 567 555
(V介孔/V总孔)/％ 59 42 35 46 40 40
(V5nm-20nm/V介孔)/％ 96 90 79 90 90 91
(强酸酸量/总酸量)/％ 41 45 65 44 43 45
B酸酸量/L酸酸量 22 35 60 36 28 32
Na2O含量/重量％ 0.09 0.09 0.12 0.10 0.10 0.09
MgO含量/重量％ 18.7 - - 15.7 18.6 17.5
CaO含量/重量％ - - - - - -
ZrO2含量/重量％ 3.62 3.78 - 3.31 8.8 -
CeO2含量/重量％ 3.59 3.82 - 3.58 - 9.1
TiO2含量/重量％ - - - - - -
P2O5含量/重量％ 1.73 1.82 4.15 1.86 - -
B2O3含量/重量％ - - - - - -
CuO2含量/重量％ - - 0.82 - - -
续表1
改性Beta分子筛 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11
结晶度/％ 67 62 69 75 67 70 68
SiO2/Al2O3摩尔比 23 22 42 24 24 23 23
SBET/(m2/g) 552 540 578 412 541 612 554
(V介孔/V总孔)/％ 41 44 46 37 52 51 49
(V5nm-20nm/V介孔)/％ 90 91 93 88 89 88 88
(强酸酸量/总酸量)/％ 42 45 51 55 39 43 46
B酸酸量/L酸酸量 38 26 27 15 31 35 34
Na2O含量/重量％ 0.09 0.10 0.09 0.14 0.11 0.10 0.09
MgO含量/重量％ 17.9 17.4 18.9 19.1 - 10.45 17.9
CaO含量/重量％ - - - - 16.9 - -
ZrO2含量/重量％ - 1.80 3.30 - 3.56 3.45 3.42
CeO2含量/重量％ - 1.82 3.39 - 3.51 3.48 3.62
TiO2含量/重量％ - 1.73 - - - - -
P2O5含量/重量％ 9.2 1.24 1.82 - 1.76 1.67 1.75
B2O3含量/重量％ - 1.00 - - - - -
CuO2含量/重量％ - - - - - - -
注：V介孔/V总孔表示介孔体积占改性Beta分子筛总孔体积的比例；
V5nm-20nm/V介孔表示孔径为5nm至20nm的介孔体积占总介孔体积的比例；
强酸酸量/总酸量表示强酸酸量占总酸量的比例；
B酸酸量/L酸酸量表示B酸酸量与L酸酸量之比。
表2
Figure BDA0002466189380000201
通过表1的数据可以看出，采用本发明的方法得到的含有碱土金属元素的改性Beta分子筛的介孔更丰富，孔径为5nm-20nm之间的介孔含量更高，强酸酸量占总酸量的比例较低，且B酸酸量与L酸酸量之比较低，在与碱土金属元素的协同作用下，有利于异构化反应和芳构化反应中间物及产物的生成和扩散，从而减少结焦失活，且有利于抑制生成的烯烃发生氢转移反应，从而提高C4及以下烯烃的收率。
通过表2的数据可知，采用本发明中的改性Beta分子筛进行正十四烷烃催化裂解反应时，裂解能力更强，转化率和液化气收率更高，且丁烯选择更高。在优选情况下，采用助剂元素进行改性的改性Beta分子筛的液化气收率和丁烯选择性更高，且焦炭收率更低。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (53)

1.一种改性Beta分子筛，该分子筛包括Beta分子筛和碱土金属元素；以所述改性Beta分子筛的干基重量为基准，以氧化物计，所述碱土金属元素的含量为10-30重量％；
所述改性Beta分子筛的SiO2/Al2O3摩尔比为20-25；
所述改性Beta分子筛的介孔体积占改性Beta分子筛总孔体积的20-80％；
所述改性Beta分子筛中，孔径为5nm至20nm的介孔体积占总介孔体积的85％以上；
所述改性Beta分子筛的结晶度大于60％；
所述改性Beta分子筛的制备方法，该方法包括：
(1)在第一溶剂存在下，将Beta分子筛与碱和碱土金属的化合物进行接触；
(2)采用酸溶液对步骤(1)得到的固体产物进行酸处理；
(3)将酸处理后的产物进行焙烧。
2.根据权利要求1所述的改性Beta分子筛，其中，所述改性Beta分子筛中，孔径为5nm至20nm的介孔体积占总介孔体积的90％及以上；
和/或，所述改性Beta分子筛的比表面积大于500m2/g；
和/或，所述改性Beta分子筛的结晶度大于65％；
和/或，改性Beta分子筛的介孔体积占改性Beta分子筛总孔体积的38-60％。
3.根据权利要求2所述的改性Beta分子筛，其中，所述改性Beta分子筛的比表面积大于530m2/g。
4.根据权利要求1所述的改性Beta分子筛，其中，
以氧化物计，所述碱土金属元素的含量为12-20重量％。
5.根据权利要求4所述的改性Beta分子筛，其中，
以氧化物计，所述碱土金属元素的含量为15-20重量％。
6.根据权利要求1所述的改性Beta分子筛，其中，改性Beta分子筛的强酸酸量占总酸量的比例为35-55％。
7.根据权利要求6所述的改性Beta分子筛，其中，改性Beta分子筛的强酸酸量占总酸量的比例为40-50％。
8.根据权利要求1所述的改性Beta分子筛，其中，
改性Beta分子筛的B酸酸量与L酸酸量之比为15-45。
9.根据权利要求8所述的改性Beta分子筛，其中，
改性Beta分子筛的B酸酸量与L酸酸量之比为20-38。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的改性Beta分子筛，其中，该改性Beta分子筛中还含助剂元素，以氧化物计，所述助剂元素的含量为1-15重量％；
所述助剂元素包括第一助剂元素和/或第二助剂元素；
所述第一助剂元素选自第IB族、第IIB族、第IVB族、第VIIB族、第VIII族和稀土元素中的至少一种；
所述第二助剂元素选自B、P和N元素中的至少一种。
11.根据权利要求10所述的改性Beta分子筛，其中，
中的至少一种；
所述第二助剂元素为B元素和/或P元素。
12.根据权利要求11所述的改性Beta分子筛，其中，
所述第一助剂元素为Ti、Zr和Ce元素中的至少一种。
13.根据权利要求10所述的改性Beta分子筛，其中，以氧化物计，所述助剂元素的含量为6-12重量％。
14.根据权利要求13所述的改性Beta分子筛，其中，以氧化物计，所述助剂元素的含量为7-10重量％。
15.根据权利要求10所述的改性Beta分子筛，其中，
以所述改性Beta分子筛的干基重量为基准，以氧化物计，所述第一助剂元素的含量为1-10重量％；所述第二助剂元素的含量为0.1-10重量％。
16.根据权利要求15所述的改性Beta分子筛，其中，
以所述改性Beta分子筛的干基重量为基准，以氧化物计，所述第一助剂元素的含量为5-10重量％％；所述第二助剂元素的含量为0.1-5重量％。
17.根据权利要求16所述的改性Beta分子筛，其中，
以所述改性Beta分子筛的干基重量为基准，以氧化物计，所述第一助剂元素的含量为5-9重量％；所述第二助剂元素的含量为1-3重量％。
18.根据权利要求1-9中任意一项所述的改性Beta分子筛，其中，
所述碱土金属元素选自Mg、Ca、Sr和Ba元素中的至少一种。
19.根据权利要求18所述的改性Beta分子筛，其中，
所述碱土金属元素为Mg元素。
20.一种改性Beta分子筛的制备方法，该方法包括：
(1)在第一溶剂存在下，将Beta分子筛与碱和碱土金属的化合物进行接触；
(2)采用酸溶液对步骤(1)得到的固体产物进行酸处理；
(3)将酸处理后的产物进行焙烧；
所述Beta分子筛和碱土金属的化合物的用量使得制得的所述改性Beta分子筛中，以所述改性Beta分子筛的干基重量为基准，以氧化物计，所述碱土金属元素的含量为10-30重量％；
所述Beta分子筛的SiO2/Al2O3摩尔比为20-25。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述Beta分子筛和碱土金属的化合物的用量使得制得的所述改性Beta分子筛中，以所述改性Beta分子筛的干基重量为基准，以氧化物计，所述碱土金属元素的含量为12-20重量％。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述Beta分子筛和碱土金属的化合物的用量使得制得的所述改性Beta分子筛中，以所述改性Beta分子筛的干基重量为基准，以氧化物计，所述碱土金属元素的含量为15-20重量％。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，
所述Beta分子筛选自铵型Beta分子筛、Na型Beta分子筛和氢型Beta分子筛中的至少一种。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，
所述Beta分子筛为Na型Beta分子筛。
25.根据权利要求20所述的方法，其中，所述碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钾和碳酸钠中的至少一种；
所述碱以碱溶液的形式引入，所述碱溶液的摩尔浓度为0.1-2mol/L；
相对于100重量份的所述Beta分子筛，所述碱溶液的用量为1-100重量份。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，
所述碱以碱溶液的形式引入，所述碱溶液的摩尔浓度为0.3-0.9mol/L；
相对于100重量份的所述Beta分子筛，所述碱溶液的用量为5-20重量份。
27.根据权利要求20所述的方法，其中，
所述碱土金属选自Mg、Ca、Sr和Ba元素中的至少一种；
所述碱土金属的化合物选自碱土金属的氧化物、氯化物、硝酸盐和硫酸盐中的至少一种。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，
所述碱土金属为Mg元素；
所述碱土金属的化合物为氧化镁、氯化镁、硫酸镁和硝酸镁中的至少一种。
29.根据权利要求20所述的方法，其中，
相对于100重量份的所述Beta分子筛，所述第一溶剂的用量为100-1000重量份。
30.根据权利要求20-29中任意一项所述的方法，其中，步骤(1)所述接触的条件包括：温度为50-90℃，时间为1-5h。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，步骤(1)所述接触的条件包括：温度为60-80℃，时间为2-3h。
32.根据权利要求20-29中任意一项所述的方法，其中，步骤(2)所述酸选自盐酸、硝酸、硫酸、磷酸、草酸、柠檬酸和醋酸中的至少一种；
所述酸与以干基计的步骤(1)得到固体产物的重量比为0.5-2。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，步骤(2)所述酸为硫酸和/或草酸。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，步骤(2)所述酸为硫酸和草酸；所述硫酸和草酸的重量比为1：1-4。
35.根据权利要求20-29中任意一项所述的方法，其中，
所述酸溶液的重量含量为5-98重量％。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，
所述酸溶液的重量含量为10-30重量％。
37.根据权利要求20-29中任意一项所述的方法，其中，
步骤(2)所述酸处理的反应条件包括：温度为50-90℃，时间为1-5h。
38.根据权利要求37所述的方法，其中，
步骤(2)所述酸处理的反应条件包括：温度为60-80℃，时间为2-3h。
39.根据权利要求20-29中任意一项所述的方法，其中，该方法还包括在步骤(2)之后，在步骤(3)之前，对步骤(2)酸处理得到的产物进行改性，所述改性包括：在第二溶剂存在下，将步骤(2)酸处理得到的产物与助剂的可溶性化合物进行改性反应；
所述助剂元素包括第一助剂元素和/或第二助剂元素；
所述第一助剂元素选自第IB族、第IIB族、第IVB族、第VIIB族、第VIII族和稀土元素中的至少一种；
所述第二助剂元素选自B、P和N元素中的至少一种。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，
所述第一助剂元素选自Zr、Ti、Ag、La、Ce、Fe、Cu、Zn和Mn元素中的至少一种；
所述第二助剂元素为B元素和/或P元素。
41.根据权利要求40所述的方法，其中，
所述第一助剂元素为Ti、Zr和Ce元素中的至少一种。
42.根据权利要求39中任意一项所述的方法，其中，
所述助剂的可溶性化合物的用量使得制得的所述改性Beta分子筛中，以所述改性Beta分子筛的干基重量为基准，以氧化物计，所述助剂元素的含量为1-15重量％。
43.根据权利要求42所述的方法，其中，
所述助剂的可溶性化合物的用量使得制得的所述改性Beta分子筛中，以所述改性Beta分子筛的干基重量为基准，以氧化物计，所述助剂元素的含量为6-12重量％。
44.根据权利要求43所述的方法，其中，
所述助剂的可溶性化合物的用量使得制得的所述改性Beta分子筛中，以所述改性Beta分子筛的干基重量为基准，以氧化物计，所述助剂元素的含量为7-10重量％。
45.根据权利要求39所述的方法，其中，
所述助剂的可溶性化合物的用量使得制得的所述改性Beta分子筛中，以氧化物计，所述第一助剂元素的含量为1-10重量％；所述第二助剂元素的含量为0.1-10重量％。
46.根据权利要求45所述的方法，其中，
所述助剂的可溶性化合物的用量使得制得的所述改性Beta分子筛中，以氧化物计，所述第一助剂元素的含量为5-10重量％；所述第二助剂元素的含量为0.1-5重量％。
47.根据权利要求46所述的方法，其中，
所述助剂的可溶性化合物的用量使得制得的所述改性Beta分子筛中，以氧化物计，所述第一助剂元素的含量为5-9重量％；所述第二助剂元素的含量为1-3重量％。
48.根据权利要求39所述的方法，其中，
所述改性反应的条件包括：温度为50-90℃，时间为1-5h。
49.根据权利要求48所述的方法，其中，
所述改性反应的条件包括：温度为60-80℃，时间为2-3h。
50.根据权利要求20-29中任意一项所述的方法，其中，步骤(3)所述焙烧的条件包括：温度为500-800℃；时间为1-10h。
51.根据权利要求50所述的方法，其中，步骤(3)所述焙烧的条件包括：温度为550-650℃；时间为2-3h。
52.权利要求20-51中任意一项所述的方法制备得到的改性Beta分子筛。
53.权利要求1-19和52中任意一项所述的改性Beta分子筛在催化裂解中的应用。
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