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        苯與1,2,4-三甲苯在納米HZSM-5上的烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)

        2011-01-13 08:29:14程曉晶王祥生
        石油煉制與化工 2011年9期
        關(guān)鍵詞:改性催化劑

        程曉晶,王祥生

        (1.大連理工大學(xué)精細(xì)化工國家重點實驗室,大連116012;2.新疆大學(xué)石油天然氣精細(xì)化工教育部重點實驗室)

        1 前 言

        HZSM-5分子篩由于孔道結(jié)構(gòu)獨(dú)特、催化活性高、穩(wěn)定性好而廣泛應(yīng)用于石油化工生產(chǎn)中。納米HZSM-5的研究在近幾年尤為廣泛[1-3]。文獻(xiàn)[4]利用納米HZSM-5外表面積大、外表面酸量多等特點,研究了苯與1,2,4-三甲苯在納米HZSM-5上的烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng),結(jié)果表明,與微米HZSM-5和Hβ沸石相比,納米HZSM-5表現(xiàn)出較好的活性穩(wěn)定性。在苯與1,2,4-三甲苯反應(yīng)體系中,除了苯與1,2,4-三甲苯之間的烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)外,還有1,2,4-三甲苯的脫烷基反應(yīng)、異構(gòu)化反應(yīng)(由于HZSM-5孔道尺寸的限制,1,2,4-三甲苯的歧化反應(yīng)可忽略)以及苯與二甲苯之間的烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)、二甲苯的脫烷基反應(yīng)等二次反應(yīng)。為進(jìn)一步考察以上反應(yīng)在納米HZSM-5上的反應(yīng)次序及位置,可以采用化學(xué)修飾來調(diào)節(jié)催化劑的內(nèi)外表面酸性。硅酸乙酯由于分子較大,隨其負(fù)載量的增大,催化劑外表面和孔口處的強(qiáng)酸位會逐步消除[5];而吡啶的分子尺寸較小,可進(jìn)入催化劑孔道并優(yōu)先和其內(nèi)外表面的強(qiáng)酸位結(jié)合,所以隨著吡啶量的增加,催化劑內(nèi)外表面的酸位從強(qiáng)到弱可以依次被消除。本課題分別用硅酸乙酯和吡啶對納米HZSM-5分子篩催化劑的酸位進(jìn)行修飾,考察其上苯與1,2,4-三甲苯反應(yīng)體系中各反應(yīng)進(jìn)行的次序以及位置。

        2 實 驗

        2.1 催化劑酸性位的消除

        硅酸乙酯改性的方法見文獻(xiàn)[6]。將3g壓片成型的納米HZSM-5(記為NHZ)浸漬在2.6mL硅酸乙酯的環(huán)己烷溶液(1.0mol/L)中,在100℃下干燥30min,冷卻后,再浸漬1次,在100℃下干燥30min。焙燒升溫程序:340℃恒溫1h,540℃恒溫4h。制得的催化劑記為INH1,其理論載硅量為2.7%。對INH1重復(fù)上述步驟即可分別得到硅酸乙酯改性程度不同的催化劑INH2,INH3,INH4,理論載硅量分別為5.4%,8.1%,10.8%。

        吡啶的改性步驟:室溫下將1g壓片成型的納米HZSM-5以1∶1的固液比浸入濃度分別為0.32,0.64,0.96,1.28,1.60mmol/L的吡啶環(huán)己烷溶液中,4h后在100℃下干燥2h。所得催化劑分別記作PNH1,PNH2,PNH3,PNH4,PNH5。催化劑在反應(yīng)時先在反應(yīng)溫度下用N2吹掃2h,脫除弱吸附吡啶。

        2.2 催化反應(yīng)指標(biāo)

        反應(yīng)在小型固定床反應(yīng)器上進(jìn)行,反應(yīng)管為Φ8mm的不銹鋼管。用氣相色譜儀進(jìn)行分析,F(xiàn)ID檢測器,OV-101毛細(xì)管色譜柱,柱長30m。反應(yīng)條件:420℃,4MPa,苯與1,2,4-三甲苯質(zhì)量比22∶78,空速2.1h-1,氫烴摩爾比4,催化劑用量1g。

        脈沖裝置由Φ4mm的U形不銹鋼反應(yīng)管與氣相色譜儀相連組成。反應(yīng)原料通過位于U形管底部的催化劑層后直接進(jìn)入氣相色譜儀進(jìn)行分析。反應(yīng)條件:400℃,氮?dú)饬髁?0mL/min,催化劑用量0.2g。

        各反應(yīng)指標(biāo)表示如下:

        苯轉(zhuǎn)化率=(進(jìn)口苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)-出口苯質(zhì)量分?jǐn)?shù))/進(jìn)口苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)×100%;

        1,2,4-三甲苯總轉(zhuǎn)化率=(進(jìn)口1,2,4-三甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)-出口1,2,4-三甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù))/進(jìn)口1,2,4-三甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)×100%;

        1,2,4-三甲苯異構(gòu)化率=(出口1,2,3-三甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)+出口1,3,5-三甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù))/進(jìn)口1,2,4-三甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)×100%;

        1,2,4-三甲苯烷基轉(zhuǎn)移及脫烷基轉(zhuǎn)化率=1,2,4-三甲苯總轉(zhuǎn)化率-1,2,4-三甲苯異構(gòu)化率;

        側(cè)鏈碳損失=進(jìn)口1,2,4-三甲苯側(cè)鏈碳物質(zhì)的量-產(chǎn)物中芳烴側(cè)鏈碳物質(zhì)的量。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 苯與1,2,4-三甲苯在改性納米HZSM-5上的烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)

        苯與1,2,4-三甲苯在硅酸乙酯改性納米HZSM-5分子篩催化劑上的反應(yīng)結(jié)果見表1。從表1可以看出,雖然苯與1,2,4-三甲苯的進(jìn)料摩爾比為3∶7,但各催化劑上1,2,4-三甲苯的總轉(zhuǎn)化率均高于苯的轉(zhuǎn)化率。表明除苯與1,2,4-三甲苯之間的烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)外,1,2,4-三甲苯還發(fā)生了其它反應(yīng)。隨著硅酸乙酯改性程度的提高,苯轉(zhuǎn)化率、1,2,4-三甲苯轉(zhuǎn)化率均下降。與NHZ相比,INH4的苯轉(zhuǎn)化率下降65.5%,而1,2,4-三甲苯烷基轉(zhuǎn)移及脫烷基轉(zhuǎn)化率下降88.4%。因為硅酸乙酯改性主要消除的是外表面和孔口處的強(qiáng)酸,而1,2,4-三甲苯主要是在外表面和孔口處的酸位反應(yīng)[4],所以1,2,4-三甲苯烷基轉(zhuǎn)移及脫烷基反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率下降很快。側(cè)鏈碳損失反映了催化劑的裂解能力。隨著硅酸乙酯改性程度的提高,反應(yīng)體系中的側(cè)鏈碳損失值下降。與NHZ相比,INH4反應(yīng)體系中的側(cè)鏈碳損失值降幅為99.0%,遠(yuǎn)大于1,2,4-三甲苯轉(zhuǎn)化率的降幅,可以認(rèn)為此時主要是1,2,4-三甲苯的脫烷基反應(yīng)受到較大影響,也就是說1,2,4-三甲苯的脫烷基反應(yīng)比烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)對催化劑酸性的改變更敏感。當(dāng)催化劑外表面的酸位被逐漸消除后,苯還可以與二甲苯在孔內(nèi)繼續(xù)發(fā)生二次反應(yīng),所以苯的轉(zhuǎn)化率下降速率較慢;產(chǎn)物中二甲苯和甲苯的摩爾比隨著硅酸乙酯改性程度的增加而降低,也說明此時孔道內(nèi)發(fā)生了更多的苯與二甲苯之間的二次反應(yīng)并生成甲苯。從表1還可以看出,隨著硅酸乙酯改性程度的加大,1,2,4-三甲苯異構(gòu)化率逐漸上升。這是由于外表面及孔口處的強(qiáng)酸被消除后,1,2,4-三甲苯的脫烷基反應(yīng)和烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)難以進(jìn)行,因此在弱酸位上進(jìn)行異構(gòu)化反應(yīng)。

        表1 硅酸乙酯改性納米HZSM-5分子篩催化劑上的烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)結(jié)果

        逐步吡啶改性納米HZSM-5分子篩催化劑上的烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)結(jié)果見表2。從表2可以看出,隨著納米HZSM-5吡啶改性程度的加深,苯和1,2,4-三甲苯烷基轉(zhuǎn)移及脫烷基轉(zhuǎn)化率均呈下降趨勢,且降幅相差不大。這是因為吡啶改性的同時影響納米HZSM-5內(nèi)外表面的酸性,并同時影響一次反應(yīng)和二次反應(yīng)的進(jìn)行。盡管苯和1,2,4-三甲苯的轉(zhuǎn)化率同時下降,但產(chǎn)物中二甲苯與甲苯的摩爾比減小,說明此時苯與二甲苯之間的二次反應(yīng)受影響的程度更大,這與催化劑中絕大部分的酸位位于孔道內(nèi)相一致。從表2還可以看出,與硅酸乙酯改性結(jié)果不同的是,隨著吡啶改性程度的加深,1,2,4-三甲苯的異構(gòu)化率先升后降;當(dāng)少量的吡啶優(yōu)先使強(qiáng)酸位中毒后,無法進(jìn)行烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)的1,2,4-三甲苯轉(zhuǎn)而進(jìn)行只需要弱酸位催化的異構(gòu)化反應(yīng)。但是當(dāng)吡啶過量使弱酸位也中毒時,則沒有任何反應(yīng)進(jìn)行。

        表2 逐步吡啶改性納米HZSM-5分子篩催化劑上的烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)結(jié)果

        綜上可知,1,2,4-三甲苯的反應(yīng)(脫烷基反應(yīng)、烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)及異構(gòu)化反應(yīng))主要在納米HZSM-5的外表面及孔口處的酸位上進(jìn)行,其中脫烷基反應(yīng)所需酸強(qiáng)度最大,其次是烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng),異構(gòu)化反應(yīng)只需在弱酸位上進(jìn)行;二次反應(yīng)如苯和二甲苯的烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)及二甲苯的脫烷基反應(yīng)主要在納米HZSM-5內(nèi)表面酸位上進(jìn)行。1,2,4-三甲苯的各反應(yīng)對催化劑酸性變化的敏感程度由大到小的順序為脫烷基反應(yīng)>烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)>異構(gòu)化反應(yīng)。

        3.2 納米HZSM-5酸類型的影響

        由于反應(yīng)體系涉及的反應(yīng)物均為芳烴,芳烴接近分子篩催化劑的L酸時容易產(chǎn)生空間位阻。吡啶尺寸較小,與分子篩酸位的結(jié)合無選擇性,既可以與分子篩上的B酸結(jié)合,也可與L酸結(jié)合。由于位阻的關(guān)系,2,6-二甲基吡啶只能與分子篩上的B酸結(jié)合[7]。在脈沖反應(yīng)裝置上分別用吡啶和2,6-二甲基吡啶與反應(yīng)物交替進(jìn)料,納米HZSM-5上不同類型酸被毒化后苯與1,2,4-三甲苯的烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)結(jié)果見圖1。由圖1可見,與吡啶相比,較少量的2,6-二甲基吡啶即可使1,2,4-三甲苯的轉(zhuǎn)化率降至0。剩余的L酸在此條件下并不催化該反應(yīng),說明該反應(yīng)只由B酸催化,這與Ward J W等[8]的報道一致。

        圖1 不同堿改性納米HZSM-5分子篩催化劑上的烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)■—吡啶;●—2,6-二甲基吡啶

        4 結(jié) 論

        在納米HZSM-5上苯與1,2,4-三甲苯反應(yīng)體系中,一次反應(yīng)除了苯與1,2,4-三甲苯之間的烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)外,還有1,2,4-三甲苯的脫烷基反應(yīng)、異構(gòu)化反應(yīng)等。二次反應(yīng)包括苯與產(chǎn)物中二甲苯之間的烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)、二甲苯的脫烷基反應(yīng)等。1,2,4-三甲苯的各反應(yīng)對催化劑酸性變化的敏感程度由大到小依次為脫烷基反應(yīng)>烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)>異構(gòu)化反應(yīng)。1,2,4-三甲苯的脫烷基反應(yīng)、烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)及異構(gòu)化反應(yīng)等一次反應(yīng)主要在納米HZSM-5外表面及孔口酸位上進(jìn)行;二次反應(yīng)則主要在納米HZSM-5內(nèi)表面酸位上進(jìn)行。芳烴的反應(yīng)由B酸催化。

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