CN1840475A

CN1840475A - 一种NaY分子筛的制备方法

Info

Publication number: CN1840475A
Application number: CN 200510059764
Authority: CN
Inventors: 宋家庆; 秦龙
Original assignee: Sinopec Research Institute of Petroleum Processing; China Petroleum and Chemical Corp
Current assignee: Sinopec Research Institute of Petroleum Processing; China Petroleum and Chemical Corp
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: CN100389066C

Abstract

本发明公开了一种NaY分子筛的制备方法，该方法包括将导向剂、硅源、铝源和水形成的硅铝胶，再与一种有机化合物混合均匀，然后经老化和晶化的过程，其特征在于所说的有机化合物为冠醚，其加入量以摩尔计、占硅铝胶中Al₂O₃摩尔数0.5～50％。该方法所合成的分子筛具有更高的结晶度和小晶粒的特征。

Description

一种NaY分子筛的制备方法

技术领域

本发明是关于一种NaY分子筛的制备方法。

背景技术

NaY分子筛被广泛应用于石油催化裂化和石油化工领域中。在工业上，NaY分子筛的生产基本都采用USP 3,639,099和USP 4,166,099中提出的导向剂法。目前，Grace Davason公司定义在300～600nm之间晶体尺寸的NaY为常规的NaY分子筛，而定义小于300nm晶体尺寸的NaY为小晶粒NaY分子筛。

我们知道，在催化裂化反应过程中，烃类分子在NaY分子筛中的内扩散性能对于NaY分子筛催化活性有着非常重要的影响；同时，目前炼油原料的日趋重质化也要求裂化催化剂对大分子烃类有更大的反应活性。与常规的NaY分子筛相比，小晶粒NaY分子筛具有更大的比表面积和更多的外表面活性中心，因此有利于提高烃类分子的内扩散速率并提高对大分子烃的裂化能力。

NaY分子筛晶粒大小对于其催化裂化反应性能的影响已有文献报道。“Applied Catalysis，23(1986)，69～80页”中报道了晶粒度为50nm的Y型分子筛对重瓦斯油的裂化具有更高的活性及更好的选择性。

减小NaY分子筛晶粒度的方法在USP 3,864,282和USP 3,528,615中公开，该方法是用热粉碎技术处理NaY分子筛，可以使晶粒度减小到100nm。但是这种物理粉碎处理过程不仅耗费能量，而且破坏了分子筛的晶体结构，使分子筛部分无定形化。

水热合成法直接合成小晶粒NaY分子筛的方法也有报道。研究表明，硅源中含有少量的杂原子可以提高晶化速率，使产生的分子筛晶粒尺寸变小。USP 3,755,538所公开的方法是向导向剂中加入少量选自B，V，P，Mo，W，Ge，Ga中的至少一种元素，得到的NaY分子筛具有200～600nm的晶粒度；CN 1073968C公开的方法是在合成体系中添加稀土金属粒子，所合成的NaY分子筛具有小于300nm的晶粒度。

通过导向剂向合成体系引入更多的晶核也可以使产生的分子筛晶粒尺寸变小。例如，CN 1113814C中公开的方法是在常规导向剂中加入有机分散剂以增加导向剂中晶核有效密度，所合成出的NaY分子筛晶粒为300～600nm；CN1160676A中公开的方法是以常规导向剂中的硅作为全部硅源，即通过加大导向剂用量，用常规晶化方法合成出晶粒为100～500nm的NaY分子筛；KR8601-488B提出了一种控制导向剂的老化时间、温度等因素的合成方法，可合成细晶粒NaY分子筛。

导向剂受过量水玻璃对凝胶相的稀释作用影响，分布更均匀，有利于合成出小晶粒NaY分子筛，以改进的导向剂和常规水热合成方法制备小晶粒NaY分子筛也有报道。例如，CN 1033503C中提出的方法是将硅酸钠溶液加入到常规导向剂中，继续老化0.5～2小时，得到透明导向剂，所说的透明导向剂中含有较多的硅，用于工业生产时容易造成过滤装置堵塞；CN 1176848A中公开的方法是将乙醇加入到常规导向剂中，使得导向剂浓缩并继续老化2～20小时，得到高浓度透明导向剂，其中涉及乙醇相的分离操作，过程较为复杂。

CN 1074389C中公开的方法是向合成体系中添加可与水互溶并且可与铝源形成稳定络合物的有机络合剂，如乙酸、柠檬酸、乙二胺四乙酸等，合成出具有小于300nm平均粒度、产品骨架硅铝比一般大于5.0、结晶度一般大于80％的NaY分子筛，其中有机络合剂的加入量为原料中Al₂O₃的0.1～5倍。

经多年的研究表明，优化液相体系合成条件和步骤是减小分子筛晶粒尺寸的有效途径。优化方法一般为高碱度、高硅铝比、稀溶液及较低的温度。提高合成体系碱度有利于减小NaY分子筛晶体尺寸。在EP 0435625A2中合成反应物Na₂O/Al₂O₃比高达6～15。但高碱度合成体系产品多为X型分子筛或硅铝比小于5的Y型分子筛。

CN 1032803C中公开的方法首先将硅铝凝胶在80～180℃预晶化1～10小时，冷却到室温后再加入导向剂，90～100℃继续晶化5～25小时，合成的NaY分子筛平均晶粒尺寸在100～500nm之间。该方法步骤较为复杂，不易控制。

CN 1133585C公开的方法是分步制备硅铝胶，所合成的NaY分子筛粒径为30～70nm，该方法还可以通过控制晶化条件和配料比例合成出一系列粒度分布在30～250nm、硅铝比在3.2～3.6的小晶粒NaY分子筛，该方法所合成的分子筛的硅铝比较低。

CN 1354134A公开的方法是将硅铝原料在0～40℃下低温混合，先混合硅源和碱，以形成更多更小的晶核，这样可以合成出平均晶粒尺寸小于300nm的NaY分子筛。

CN 1354133A公开的方法采用W/O微乳体系，所合成的NaY分子筛平均晶粒尺寸小于250nm。

USP 4,778,666公开了以微波加热的方式制备细晶粒NaY分子筛方法。

为了得到粒径分布均一的小晶粒分子筛，在合成体系中加入水溶性有机溶剂的方法也有报道。USP 3,516,786公开的方法是在合成体系升温晶化之前，向合成体系中加入少量可与水互溶的有机试剂，如甲醇、乙醇、丙酮、二甲砜、N，N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃等，其分子筛晶粒尺寸为10～100nm。USP4,372,931和EP 0041338A公开的方法是在低温成胶的前提下，向反应混合物中加入单糖或多糖，其分子筛晶粒尺寸为40～60nm。添加有机溶剂或糖类所合成的分子筛多数骨架硅铝比降低，一般低于2.5。

Zeolites，1990，Vol.10，546～552报道了环状有机超分子作为合成高硅铝比的faujasite沸石的有效模板剂的研究。作为与沸石超笼相适合的环状有机超分子，18-冠-6和15-冠-5是非常适宜的模板剂。在合成体系Na₂O/Al₂O₃较低(1.8～2.4)，模板剂/Al₂O₃＝0.7～1.0的条件下，以18-冠-6为模板剂可合成高硅铝比(骨架Si/Al为4.2)的六方晶相faujasite沸石，而以15-冠-5为模板剂可合成同样高硅铝比的立方晶相faujasite沸石。但是该方法中模板剂用量很大，而且分子筛产品晶粒大小为3μm左右。

发明内容

发明人意外地发现，当在制备NaY分子筛的合成硅铝胶中添加少量的冠醚时，却可以得到小晶粒的NaY分子筛。

因此，本发明的目的是在现有技术的基础上，提供一种有别于现有技术的NaY分子筛的制备新方法，所得NaY分子筛具有小晶粒的特征。

本发明提供的NaY分子筛的制备方法，该方法包括将导向剂、硅源、铝源和水形成的硅铝胶，再与一种有机化合物混合均匀，然后经老化和晶化的过程，其特征在于所说的有机化合物为冠醚，其加入量以摩尔计、占硅铝胶中Al₂O₃摩尔数的0.5～50％。

本发明提供的方法中，所说的导向剂可以采用现有技术中制备导向剂的各种方法来制备，制备导向剂的方法是本领域的普通技术人员所熟知的技术，在工业生产中普遍采用，本发明并无特别的要求，可以参考USP 3,639,099、USP3,671,191、USP 4,166,099等文献。

本发明提供的方法中，所说的硅源为本领域技术人员所熟知，可以选自水玻璃或硅溶胶，其中优选水玻璃作为硅源，它与导向剂中的硅一起作为合成Y型分子筛的总的硅源。

所说的铝源也为本领域技术人员所熟知，可以选自铝酸盐和/或铝盐，酸性的铝盐与碱性的铝酸盐可用来调节反应体系的碱度，其中铝酸盐优选偏铝酸钠，铝盐可以选自硫酸铝、磷酸铝、氯化铝或硝酸铝，其中优选硫酸铝。单独用铝酸盐或单独用铝盐，再与导向剂中的铝一起作为合成Y型分子筛的总的铝源时，仍然需要另外加酸或碱来调节反应体系的碱度，因此，优选同时采用铝酸盐和铝盐，再与导向剂中的铝源一起作为复合铝源。

更具体地说，本发明提供的制备方法，该方法由下述步骤组成：

1)按照摩尔组成(9～36)Na₂O∶Al₂O₃∶(8～21)SiO₂∶(100～800)H₂O制备导向剂；

2)将导向剂同硅源、铝源和水在40～90℃下混合均匀，得到摩尔组成为(2.0～5.0)Na₂O∶Al₂O₃∶(7～20)SiO₂∶(100～600)H₂O的硅铝胶，其中导向剂中的Al₂O₃占所得混合物总Al₂O₃量的1～20重％；

3)向(2)的硅铝胶中加入冠醚，其加入量占硅铝胶中Al₂O₃摩尔数的0.5～50％；

4)将(3)所得硅铝胶在0～90℃下老化2～50小时、然后在90～120℃下晶化8～60小时并回收产品。

所说步骤(1)中的导向剂的组成范围优选(9～11)Na₂O∶Al₂O₃∶(9～12)SiO₂∶(100～200)H₂O。

所说步骤(2)中硅铝胶成胶过程最好在80℃下进行，常规的操作一般是将水浴温度设定于80℃并恒温20分钟，并将盛有定量水玻璃的容器置于水浴中预热10分钟至80℃，然后在搅拌条件下向硅源(如水玻璃)中依次加入导向剂、铝源(如偏铝酸钠溶液、硫酸铝溶液)，搅拌1小时。

本发明提供的方法中，冠醚的加入量优选以摩尔计、占硅铝胶中Al₂O₃摩尔数2～20％。所说的有机化合物为冠醚，优选采用通式表述为(-O-CH₂-CH₂)_n的脂肪族单环冠醚，其中，4≤n≤8，更优选18-冠-6(n＝6)或15-冠-5(n＝5)。

本发明提供的NaY分子筛的制备方法，其特征在于添加了少量的冠醚类化合物进入反应体系，和现有技术(Zeolites，1990，Vol，10，546～552，添加比例为硅铝胶中Al₂O₃摩尔数的70～100％)相比，所合成得到的产物分子筛具有小晶粒的特征，而且可以明显提高Y型分子筛的产品结晶度。

附图说明

图1为实施例1制备的样品的扫描电镜照片。

图2为对比例制备的样品的扫描电镜照片。

图3为实施例7制备的样品的扫描电镜照片。

图4为实施例8制备的样品的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步说明，但并不因此而限制本发明的内容。

在各实施例和对比例中，分子筛的结晶度根据RIPP 146-90标准方法测定(《石油化工分析方法(RIPP实验方法)》，杨翠定等编，科学出版社，1990年出版)，骨架SiO₂/Al₂O₃由RIPP 145-90标准方法测定Y型分子筛的晶胞常数a₀之后，再由下式计算得出：

Si O_{2} / A l_{2} O_{3} = \frac{25.248 - a_{0}}{0.245} \times 2 .

分子筛形貌和晶粒大小由扫描电镜(SEM)测定。

实施例1

导向剂制备：室温下将6.1克偏铝酸钠(Rediel deHaёn公司；Na₂O：40～45重％，Al₂O₃：50～56重％，Fe₂O₃≯0.05)和16.6克氢氧化钠(北京化工厂，优级纯)在搅拌条件下完全溶解于52.3克去离子水中；再加入75.2克水玻璃(长岭催化剂公司，模数3.3，Na₂O：8.1重％，SiO₂：26重％)，搅拌20分钟至溶胶形成，于室温下密闭静态老化24小时。

偏铝酸钠溶液制备：将51.1克偏铝酸钠在搅拌条件下完全溶解于640克去离子水中，过滤去其中不溶杂质，得674.6克透明清液。

硫酸铝溶液制备：将700.8克偏铝酸钠(天津市化学试剂三厂，优级纯)在搅拌条件下完全溶解于1197.6克去离子水中，过滤除去其中不溶杂质。所得溶液密度为1.226克/毫升，Al₂O₃浓度为69.5克/升。

硅铝胶制备：向塑料烧杯中加入78.3克水玻璃，80℃下预热10分钟；在搅拌条件下加入8.4克导向剂，67.1克偏铝酸钠溶液，14.5克硫酸铝溶液，80℃搅拌1小时形成流动性水凝胶。

称取101.0克硅铝胶，向其中加入0.4克18-冠-6(Fluka公司，w(18-冠-6)≥99％)，加入量为硅铝胶中Al₂O₃摩尔数的0.0677倍，使其溶解并与硅铝胶均匀混合，然后加入到内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，密封后80℃静态老化8小时，使100℃下静态晶化16h。快速冷却反应釜，晶化产物经真空过滤机抽滤，用60～70℃去离子水洗涤至PH值小于9。将固体产物于110℃下烘干后进行物化表征。

X-射线衍射光谱(XRD)的结果表明，样品为NaY分子筛；SEM照片(图1)表明，其晶粒尺寸在200～250nm，具有小晶粒的特征。其它物化表征数据见表1。

实施例2

称取88.5克硅铝胶，向其中加入0.7克18-冠-6，使其为反应混合物中Al₂O₃摩尔数的0.135倍。其余过程如实施例1。

X-射线衍射光谱(XRD)的结果表明，样品为NaY分子筛；产品晶粒具有图1的尺寸特征。其它物化表征数据见表1。

实施例3

称取114.6克硅铝胶，向其中加入1.4克18-冠-6，使其为反应混合物中Al₂O₃摩尔数的0.209倍。其余过程如实施例1。

实施例4

称取81.8克硅铝胶，向其中加入1.3克18-冠-6，使其为反应混合物中Al₂O₃摩尔数的0.272倍。其余过程如实施例1。

实施例5

称取88.4克硅铝胶，向其中加入1.8克18-冠-6，使其为反应混合物中Al₂O₃摩尔数的0.348倍。其余过程如实施例1。

实施例6

称取76.5克硅铝胶，向其中加入1.9克18-冠-6，使其为反应混合物中Al₂O₃摩尔数的0.424倍。其余过程如实施例1。

对比例

本对比例说明未加冠醚有机物的空白体系结果。

导向剂制备及硅铝胶制备过程同实施例1。

将硅铝胶加入到内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜，密封后80℃静态老化8小时。随后将硅铝胶100℃静态晶化16h。取出并快速冷却反应釜，产物经真空过滤机抽滤，用60～70℃去离子水洗涤至PH值小于9。将固体产物于110℃下烘干后进行物化表征。

X-射线衍射光谱(XRD)的结果表明，样品为NaY分子筛；SEM照片(图2)表明，其晶粒尺寸＞300nm，其它物化表征数据见表1。

实施例7

本实施例说明在加入18-冠-6条件下，通过改变合成硅铝胶配比的制备过程。

导向剂制备同实施例1。

偏铝酸钠溶液制备：将25.2克偏铝酸钠(规格同上)在搅拌条件下完全溶解于365.3克去离子水中，过滤去其中不溶杂质，得390.2克透明清液。

硫酸铝溶液制备：将489.6克偏铝酸钠(天津市化学试剂三厂，优级纯)在搅拌条件下完全溶解于832.4克去离子水中，过滤除去其中不溶杂质。所得溶液密度为1.226克/毫升，Al₂O₃质量浓度百分比为6.2％。

硅铝胶制备：将水浴温度设定于80℃并恒温20分钟，并将盛有42.3克水玻璃(长岭催化剂公司，模数3.2，Na₂O：8.6wt％，SiO₂：28.2wt％)的容器置于水浴中预热10分钟至80℃。然后在搅拌条件下向水玻璃中依次加入4.6克导向剂，34.2克偏铝酸钠溶液，12.1克硫酸铝溶液，80℃搅拌1小时。

称取108.9克硅铝胶，向其中加入1.3克18-冠-6，使其为反应混合物中Al₂O₃摩尔数的0.209倍。用超声震荡40秒使其溶解并与硅铝胶均匀混合。将混合物加入到内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜，密封后80℃静态老化8小时，随后100℃静态晶化30h。取出并快速冷却反应釜，产物经真空过滤机抽滤，用60～70℃去离子水洗涤至PH值小于9。将固体产物于110℃下烘干后进行物化表征。

产品结构SiO₂/Al₂O₃比及相对结晶度见表1。SEM结果见附图3。产品晶粒尺寸在160～300nm之间。

表1

实施例编号	18-冠-6/Al₂O₃	结晶度(％)	SiO₂/Al₂O₃
实施例编号	18-冠-6/Al₂O₃	结晶度(％)	SiO₂/Al₂O₃	1	0.0677	94.6	4.74
2	0.135	99.7	4.72	1	0.0677	94.6	4.74
2	0.135	99.7	4.72	3	0.209	101.0	4.72
4	0.272	99.3	4.67	3	0.209	101.0	4.72
4	0.272	99.3	4.67	5	0.348	103.2	4.73
6	0.424	103.0	4.62	5	0.348	103.2	4.73
6	0.424	103.0	4.62	对比例	/	82.0	4.73
7	0.209	101	5.13	对比例	/	82.0	4.73

从表1的数据可以看出，18-冠-6对NaY分子筛产品的硅铝比影响不大，但可以明显提高产品结晶度。

实施例8

导向剂制备和硅铝胶制备过程同实施例1。

称取100.4克硅铝胶，向其中加入0.5克15-冠-5(Fluka公司，w(15-冠-5)≥99％)，使其为硅铝胶中Al₂O₃摩尔数的10％。用超声震荡40秒使其溶解并与硅铝胶均匀混合。将混合物加入到内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜，密封后80℃静态老化8小时。使混合物于100℃下静态晶化16h。取出并快速冷却反应釜，产物经真空过滤机抽滤，用60～70℃去离子水洗涤至PH值小于9。将固体产物于110℃下烘干后进行物化表征。

X-射线衍射光谱(XRD)的结果表明，样品为NaY分子筛；SEM照片(图4)表明，其晶粒尺寸在150～260nm之间，其它物化表征数据见表2。

实施例9

称取89.1克硅铝胶，向其中加入1.3克15-冠-5，使其为硅铝胶中Al₂O₃摩尔数的0.301倍。其余过程如实施例8。

X-射线衍射光谱(XRD)的结果表明，样品为NaY分子筛；产品晶粒具有图4的尺寸特征。其它物化表征数据见表2。

表2

实施例编号	15-冠-5/Al₂O₃	结晶度(％)	SiO₂/Al₂O₃
实施例编号	15-冠-5/Al₂O₃	结晶度(％)	SiO₂/Al₂O₃	8	10％	99.6	4.73
9	30.1％	102.1	4.70	8	10％	99.6	4.73
9	30.1％	102.1	4.70	对比例	/	82.0	4.73

表2中同时列出对比例制备的分子筛的结晶度和硅铝比数据。从表2的数据同样可以看出，15-冠-5对NaY分子筛产品的硅铝比影响不大，但可以明显提高产品结晶度。

Claims

1.一种合成NaY分子筛的方法，该方法包括将导向剂、硅源、铝源和水形成的硅铝胶，再与一种有机化合物混合均匀，然后经老化和晶化的过程，其特征在于所说的有机化合物为冠醚，其加入量以摩尔计、占硅铝胶中Al₂O₃摩尔数0.5～50％。

2.按照权利要求1的方法，其中所说的冠醚以摩尔计、占硅铝胶中Al₂O₃摩尔数2～20％。

3.按照权利要求1或2的方法，所说的冠醚选自通式为(-O-CH₂-CH₂)_n的脂肪族单环冠醚，其中4≤n≤8。

4.按照权利要求3的方法，所说脂肪族单环冠醚为18-冠-6或15-冠-5。

5.按照权利要求1的方法，所说硅源选自水玻璃或硅溶胶，铝源选自铝酸盐或铝盐。

6.按照权利要求5的方法，其中所说铝盐选自硫酸铝、磷酸铝、氯化铝或硝酸铝。

7.按照权利要求1的方法，其特征在于该方法由下述步骤组成：

(1)按照摩尔组成(9～36)Na₂O∶Al₂O₃∶(8～21)SiO₂∶(100～800)H₂O制备导向剂；

(2)将导向剂同硅源、铝源和水在40～90℃下混合均匀，得到摩尔组成为(2.0～5.0)Na₂O∶Al₂O₃∶(7～20)SiO₂∶(100～600)H₂O的硅铝胶，其中导向剂中的Al₂O₃占所得混合物总Al₂O₃量的1～20重％；

(3)向(2)的硅铝胶中加入冠醚，其加入量占硅铝胶中Al₂O₃摩尔数的0.5～50％；

(4)将(3)所得硅铝胶在0～90℃下老化2～50小时、然后在90～120℃下晶化8～60小时并回收产品。

8.按照权利要求7的方法，所说步骤(1)中导向剂摩尔组成为(9～11)Na₂O∶Al₂O₃∶(9～12)SiO₂∶(100～200)H₂O。

9.按照权利要求7的方法，所说步骤(2)中所说混合物的摩尔配比为(3.0～3.6)Na₂O∶Al₂O₃∶(9～11)SiO₂∶(150～250)H₂O。

10.按照权利要求7的方法，所说步骤(2)中所说导向剂中的Al₂O₃占所得混合物总Al₂O₃量的3～8重％。