本發(fā)明涉及一種無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩催化劑及其制備方法和用途。
技術(shù)背景
芳烴，特別是諸如BTX(苯、甲苯、二甲苯)的輕質(zhì)芳烴，是重要的基本有機化工原料。隨著近年來全球工業(yè)與經(jīng)濟的不斷發(fā)展，芳烴的需求量不斷增長。目前，芳烴的主要來源為石腦油重整和裂解汽油加氫過程，這兩個過程均是以石油為生產(chǎn)原料。然而，隨著石油資源的不斷消耗與價格的不斷上漲，以石油為原料的芳烴生產(chǎn)成本大幅攀升。因此，從長遠來看，從甲醇直接轉(zhuǎn)化來制備芳烴，不失為一條非常有前景的芳烴生產(chǎn)路線。
目前報道的甲醇轉(zhuǎn)化制芳烴成型催化劑，通常由諸如ZSM-5、ZSM-11或MCM-22等的沸石分子篩、粘結(jié)劑以及脫氫活性組分和修飾組分組成。但是由于成型過程中，粘結(jié)劑包裹了分子篩，使得分子篩的有效利用率下降，部分分子篩的孔道被堵塞，使反應(yīng)物和生成物在催化劑上的擴散性能受到影響，并最終導(dǎo)致催化劑的活性與目標產(chǎn)物的選擇性下降。如果把催化劑中的粘結(jié)劑全部或大部分轉(zhuǎn)化成有效組分分子篩可以克服以上問題。所謂的無粘結(jié)劑催化劑就是在分子篩催化劑成型后，通過再次晶化將所加入的粘結(jié)劑轉(zhuǎn)化成有效組分分子篩，是整體的成型催化劑不含或只含少量的粘結(jié)劑，同時保持催化劑具有滿足工業(yè)應(yīng)用的強度。一般來說，無粘結(jié)劑分子篩催化劑中粘結(jié)劑的質(zhì)量含量小于等于5％。
其中ZSM-23分子篩是一種微孔的高硅分子篩，最早由C.J.Plank等人于20世紀70年代成功合成。ZSM-23分子篩具有MTT結(jié)構(gòu)的拓撲骨架，骨架結(jié)構(gòu)中同時包含有五元環(huán)、六元環(huán)和十元環(huán)，但沒有類似MFI結(jié)構(gòu)的交叉孔道，其由十元環(huán)組成的一維孔道互不交聯(lián)，孔道形狀為淚珠狀，孔口大小為0.45×0.56nm。由于ZSM-23分子篩獨特的孔道結(jié)構(gòu)和較強的表面酸特性，在許多催化反應(yīng)中表現(xiàn)出很高的催化活性與選擇性。主要用于烯烴低聚、烯烴/烷烴裂解、芳烴烷基化和異構(gòu)化、直鏈烴骨架異構(gòu)、脫硫和吸附分離等反應(yīng)中，特別是在烯烴低聚和催化裂解制低碳烯烴方面，具有很好的催化性能。SAPO-34分子篩是一種 八元環(huán)孔道結(jié)構(gòu)的磷酸硅鋁(SAPO)分子篩，孔口直徑在0.4nm左右，通常情況下，SAPO-34分子篩具有比ZSM-23更強的酸性和更好的水熱穩(wěn)定性，目前已在甲醇制低碳烯烴的反應(yīng)中得到了廣泛的應(yīng)用。由于兩種分子篩各自的孔徑比較均勻單一、酸性強弱不同，因此各自只適合于較簡單的反應(yīng)過程，對于一些復(fù)雜的反應(yīng)體系，依靠單獨的一種分子篩不能得到很好地處理。如果將兩者結(jié)合得到一種復(fù)合分子篩，則可以發(fā)揮其多級孔道結(jié)構(gòu)和酸性可調(diào)的優(yōu)點，從而提高復(fù)雜反應(yīng)體系的反應(yīng)活性。
對于甲醇/二甲醚制芳烴反應(yīng)，其反應(yīng)機理分為兩個步驟，首先是甲醇在酸性位作用下脫水生成二甲醚，二甲醚又在酸性位的作用下生成低碳烯烴，然后低碳烯烴經(jīng)過齊聚、環(huán)化、脫氫、烷基化和脫烷基等復(fù)雜過程生成芳烴。對于第一個步驟，可以理解為甲醇制低碳烯烴反應(yīng)，該反應(yīng)需要較強的酸性，再加上反應(yīng)原料和目標產(chǎn)物都是小分子烴類，SAPO-34已經(jīng)被證明是最適合該反應(yīng)的分子篩。對于第二個步驟，可以理解為低碳烯烴的芳構(gòu)化過程，由于芳烴的分子直徑比較大，在孔徑較小的SAPO-34分子篩內(nèi)擴散受到限制，因此SAPO-34分子篩基本上沒有芳構(gòu)化活性，而ZSM-23分子篩的孔道大小則剛好匹配了苯、甲苯和二甲苯的分子大小，非常適合烴類芳構(gòu)化制備芳烴的反應(yīng)。將SAPO-34分子篩和ZSM-23分子篩結(jié)合，制得復(fù)合分子篩，則能發(fā)揮其協(xié)同作用，取得更好的反應(yīng)效果。
文獻CN102372291A報道了SAPO-18/SAPO-34共生分子篩的制備方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)合成的多孔材料孔徑單一、活性不高的問題，在甲醇制低碳烯烴的反應(yīng)中，采用該共生分子篩制備的催化劑具有催化劑失活速度慢得優(yōu)點。
文獻CN102372290A也通過合成條件，將磷源、鋁源、硅源及模板劑混合，水熱晶化合成出了SAPO-5/SAPO-34共生分子篩。
文獻CN1772611A報道了一種十元環(huán)結(jié)構(gòu)的復(fù)合分子篩的制備方法，其中包括ZSM-23與SAPO-11復(fù)合分子篩，其在潤滑油的異構(gòu)脫蠟過程和柴油的異構(gòu)降凝過程中表現(xiàn)出了優(yōu)異的催化性能。
文獻CN200510086493.6報道了一種ZSM-22/ZSM-23復(fù)合分子篩及其制備方法。
文獻CN102371169A報道了一種無粘結(jié)劑分子篩催化劑及其制備方法。其中的分子篩包括ZSM-5、ZSM-23、ZSM-11、絲光沸石、Y沸石、β沸石、MCM-22、MCM-49、MCM-56、ZSM-5/絲光沸石、ZSM-5/β沸石、ZSM-5/Y沸石、MCM-22/絲光沸石、ZSM-5/Gagadiite、ZSM-5/β沸石/絲光沸石、ZSM-5/β沸石/Y沸石等等。
然而，目前還未見到無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩的報道。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題之一是現(xiàn)有技術(shù)采用水熱合成方法制備分子篩過程復(fù)雜，成本較高，污染較大，分子篩粉體在實際應(yīng)用中難回收，以及含粘結(jié)劑催化劑活性低和不含粘結(jié)劑催化劑強度差的問題，提供一種無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩催化劑，該催化劑具有反應(yīng)活性高，制備過程簡單，成本低，污染小的特點。
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題之二是提供一種與解決技術(shù)問題一相對應(yīng)的催化劑制備方法。
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題之三是提供一種上述無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩催化劑相應(yīng)用途。
為了解決技術(shù)問題一，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩催化劑，以重量份數(shù)計包括：
(1)90～99份ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩；
(2)1～10份金屬修飾元素；
(3)0～10份的無定形的硅、鋁和磷的氧化物。
上述技術(shù)方案中，金屬修飾元素可先負載在ZSM-23分子篩上，也可后負載在催化劑上。所述金屬修飾元素選自元素周期表ⅠB至ⅧB和ⅢA中的至少一種，優(yōu)選La、Cr、Mo、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ag、Zn、Ga中的至少一種。所得催化劑的強度大于40牛/顆，其中每顆催化劑的直徑為1～5毫米，長度為5毫米，能滿足工業(yè)應(yīng)用的要求。
優(yōu)選的技術(shù)方案為，金屬修飾元素負載在ZSM-23分子篩上。優(yōu)選的技術(shù)方案為，金屬修飾元素負載在成型的催化劑前體上。
為了解決技術(shù)問題二，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩催化劑的制備方法，包括以下幾個步驟：
(1)將硅源、鋁源、磷源、ZSM-23分子篩按照一定比例與水混合形成凝膠，以各物質(zhì)的干基計，摩爾比為：Al2O3：P2O5：SiO2：ZSM-23＝1：0.8～2.0：0.3～2.0：0.1～30.0；
(2)凝膠干燥后，破碎成適合反應(yīng)所需的顆粒；
(3)將破碎的顆粒置于含有機模板劑的蒸汽中，于80～220℃晶化18～150h；
(4)將晶化得到的產(chǎn)品洗滌、干燥、焙燒得到無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩；
(5)將得到的無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩用選自元素周期表ⅠB至ⅧB和ⅢA中的至少一種金屬元素浸漬改性，得到無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩催化 劑。
上述技術(shù)方案中，其中金屬修飾元素可在步驟(1)之前，先采用浸漬法或離子交換法負載于ZSM-23分子篩上，被經(jīng)過干燥焙燒使其轉(zhuǎn)化骨架金屬離子或者金屬氧化物的形式負載于ZSM-23分子篩上，也可以在步驟(3)之后采用浸漬法負載于催化劑上。制備過程所用的硅源選自硅溶膠、水玻璃、活性二氧化硅、有機硅中的至少一種。鋁源選自擬薄水鋁石、異丙醇鋁、活性氧化鋁、鋁鹽中的至少一種。磷源選自正磷酸、亞磷酸、磷酸鹽中的至少一種。ZSM-23分子篩可以是H型ZSM-23、Na型ZSM-23，也可以是金屬元素修飾后的ZSM-23，如果選用Na型ZSM-23，在催化劑用于反應(yīng)之前，需通過離子交換使其轉(zhuǎn)變成H型ZSM-23。有機模板劑選自四乙基氫氧化銨、三乙胺、嗎啡啉中的至少一種。制備所用各種原料，以各物質(zhì)的干基重量計，比例為：Al2O3：P2O5：SiO2：ZSM-23＝1：0.8～1.6：0.3～1.0：0.5～20.0。
為了解決技術(shù)問題三，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：所述的無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩催化劑，用于甲醇/二甲醚制芳烴的反應(yīng)中。
將一定大小的成品催化劑置于固定床反應(yīng)中，升溫到380～550℃，在空速為0.1～10h-1條件下將甲醇/二甲醚與催化劑接觸，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過冷卻、分離得到所需芳烴。
本發(fā)明通過先將硅源、鋁源、磷源、ZSM-23分子篩按照一定比例與水混合形成凝膠，凝膠干燥后將其置于含有機模板劑的蒸汽中進行氣固相轉(zhuǎn)化，將凝膠中的無定形硅、鋁和磷氧化物轉(zhuǎn)化成有效成分分子篩，從而提高了催化劑中分子篩的含量，提高反應(yīng)活性。同時，得到的ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩，具有多級孔道結(jié)構(gòu)和酸性可調(diào)的優(yōu)點，比單獨采用一種分子篩更適合于復(fù)雜的反應(yīng)體系，特別是甲醇/二甲醚制芳烴反應(yīng)過程，從而提高復(fù)雜反應(yīng)體系的反應(yīng)活性。
下面通過實施例對本發(fā)明做進一步闡述，但本發(fā)明并不僅限于這些實施例。
具體實施方式
【實施例1】
稱取100g HZSM-23與適量的水混合，強烈攪拌形成漿液A1。稱取100g擬薄水鋁石，130g正磷酸(85％wt)，80g硅溶膠(40％wt)與適量的水混合形成均勻的凝膠B1。將A1和B1混合并攪拌均勻，然后置于110℃的烘箱中蒸干。將蒸干的固體破碎成10～20目的顆粒，并置于高壓釜的上層支架上，然后在高壓釜的下層放置100g水和100g四乙基氫 氧化銨的混合液。密閉后經(jīng)過200℃晶化72h，產(chǎn)物經(jīng)過水洗、干燥、焙燒除去少量模板劑得到無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩。
稱取10g上述無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩，采用等體積浸漬法，以硝酸鋅水溶液為浸漬液，在ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩上浸漬3％的Zn元素，經(jīng)過干燥、焙燒得到無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩催化劑。
取9g上述無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩催化劑置于不銹鋼固定床反應(yīng)器中，升溫到480℃，然后用柱塞泵將甲醇打入反應(yīng)器中與催化劑相接觸發(fā)生反應(yīng)，甲醇重量空速1.5h-1，產(chǎn)物經(jīng)過冷凝分離得到芳烴，反應(yīng)結(jié)果列于表1。
【實施例2～6】
稱取10g實施例1制備得到的無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩，采用等體積浸漬法，分別負載重量含量1.0％的La、1.0％的Cr、1.0％的Co、1.0％的Ga以及復(fù)合1.0％的La與1.0％的Zn，經(jīng)過干燥、焙燒得到無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩催化劑。
催化劑的評價方法同實施例1，結(jié)果列于表1。
【實施例7】
稱取20g HZSM-23分子篩原粉，與一定量的硝酸鋅水溶液混合，經(jīng)過90℃加熱回流2h，然后水洗、過濾，重復(fù)2次后，將水洗、過濾后得到的固體經(jīng)過干燥，550℃焙燒4h得到Zn交換的ZSM-23分子篩。
稱取10g上述鋅交換的ZSM-23分子篩與適量水混合，強烈攪拌形成漿液A7。稱取8g擬薄水鋁石，13g正磷酸(85％)，5g硅溶膠(40％wt)與適量的水混合形成均與凝膠B7。將A7與B7在攪拌條件下混合均勻，然后置于120℃烘箱中蒸干。將蒸干的固體破碎成10～20目的顆粒，并置于高壓釜的上層支架上，下層放置7g三乙胺、4g嗎啡啉與4g水的混合液，密閉后經(jīng)過180℃晶化64h，產(chǎn)物經(jīng)過水洗、干燥、焙燒除去少量模板劑得到無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩催化劑。
催化劑的評價方法同實施例1，結(jié)果列于表1。
【實施例8】
稱取40g NaZSM-23與適量的水混合，強烈攪拌形成漿液A8。稱取7g異丙醇鋁，6g正磷酸，1.2g磷酸二氫鋁，5g硅溶膠與適量的水混合形成均勻的凝膠B8。將A8與B8混 合均勻，在80℃條件下邊攪拌邊加熱蒸干，然后再放入150℃烘箱干燥6h。將干燥后的固體破碎成10～20目的顆粒。取20g上述顆粒并置于高壓釜的上層支架上，下層放置4g四乙基氫氧化銨、12g三乙胺和9g水的混合液。密閉后經(jīng)過200℃晶化52h，產(chǎn)物經(jīng)過水洗、干燥，550℃焙燒4h除去少量模板劑得到無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩。將上述制備得到的無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩，與一定量的10％的硝酸銨溶液在90℃條件下交換2h，水洗、過濾，重復(fù)2次后，將水洗、過濾后得到的固體經(jīng)過干燥，550℃焙燒4h得到H型的無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩。
稱取10g上述H型無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩，以硝酸鋅水溶液為浸漬液，采用等體積浸漬法在無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩上浸漬3％的金屬Zn，經(jīng)過干燥、焙燒制成催化劑。
催化劑的評價方法同實施例1，結(jié)果列于表1。
【實施例9】
稱取20g實施例8得到的10～20目的固體顆粒，并置于高壓釜的上層支架上，下層放置7g四乙基氫氧化銨、6g嗎啡啉與8g水的混合液，密閉后經(jīng)過190℃晶化58h，產(chǎn)物經(jīng)過水洗、干燥，540℃焙燒4h除去少量模板劑得到無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩。
將得到的無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩，按照實施例8的方法交換成H型的無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩。稱取10g上述H型無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩，以硝酸鋅水溶液為浸漬液，采用等體積浸漬法在無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩上浸漬3％的金屬Zn，經(jīng)過干燥、焙燒制成催化劑。
催化劑的評價方法同實施例1，結(jié)果列于表1。
【比較例1】
稱取16g擬薄水鋁石，25g正磷酸(85％wt)，24g硅溶膠(40％wt)，20g四乙基氫氧化銨與適量的水混合。攪拌均勻后轉(zhuǎn)移到密閉的高壓晶化釜中，在180℃晶化48h后經(jīng)過水洗、干燥，550℃焙燒4h除去少量模板劑，產(chǎn)物經(jīng)過X射線衍射鑒定為純相SAPO-34分子篩。
將分子篩采用等體積浸漬法，以硝酸鋅水溶液為浸漬液，負載3％的Zn，然后經(jīng)過干燥、焙燒。將焙燒后的粉末經(jīng)過壓片、破碎得到10～20目的無粘結(jié)劑SAPO-34分子篩催化劑，采用實施例1的方法表征其催化活性，結(jié)果列于表1。
【比較例2】
與實施例7對比，取實施例7中使用的Zn離子交換的ZSM-23分子篩經(jīng)過壓片、破碎得到10～20目的無粘結(jié)劑ZSM-23分子篩催化劑，采用實施例1的方法表征其催化活性，結(jié)果列于表1。
【比較例3】
與實施例1對比，稱取10g SAPO-34，10g ZSM-23，8g擬薄水鋁石、1g田菁粉與適量的稀硝酸混合均與，采用擠條的方式成型，干燥、焙燒后破碎成10～20目的顆粒。采用等體積浸漬法，以硝酸鋅水溶液為浸漬液，在顆粒上負載重量含量3％的Zn，然后經(jīng)過干燥、焙燒得到甲醇制芳烴催化劑，催化劑的反應(yīng)性能評價采用實施例1的方法，結(jié)果列于表1。
表1
從表1中可以看出，無粘結(jié)劑的SAPO-34分子篩催化劑沒有芳構(gòu)化活性，無粘結(jié)劑ZSM-23分子篩催化劑的芳構(gòu)化活性不如無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩催化劑的高，同樣含粘結(jié)劑ZSM-23和SAPO-34兩種分子篩的催化劑活性也不如無粘結(jié)劑ZSM-23/SAPO-34復(fù)合分子篩催化劑的活性高。