甲苯甲醇选择性烷基化技术研究进展

近年来,甲苯甲醇选择性烷基化技术因产物中对二甲苯选择性高和产物易分离等优点备受关注。综述了国内外甲苯甲醇烷基化制对二甲苯的研究进展,包括甲苯甲醇烷基化的反应机理、工艺技术和催化剂失活研究。     

甲苯甲醇选择性烷基化催化剂研究进展

甲苯甲醇烷基化是生产对二甲苯的一条新工艺路线,其原料价格低廉、对二甲苯选择性高、产物分离简单,因此引起国内外学者的极大关注。活性和选择性高、稳定性好的催化剂是甲苯烷基化技术应用的关键。综述了国内外甲苯甲醇烷基化催化剂的研究进展,包括水热处理法、浸渍法、预积炭法等。指出水蒸气改性可以提高催化剂寿命,浸渍法的操作简单、重复性好,这两种方法是目前分子筛改性的常用方法。通过对分子筛改性来制备高选择性甲苯甲醇烷基化催化剂己经不再是难题,在维持较高活性和选择性的基础上,提高催化剂稳定性,使其具备工业应用价值,是未来甲苯甲醇烷基化技术研究的重点。     

改性ZSM-5催化剂在甲苯、甲醇烷基化制备对二甲苯技术的研究进展

甲苯甲醇烷基化反应是制备对二甲苯的一条新的工艺路线,因原料甲苯和甲醇价格低、产物选择性高而仅采用结晶分离可得到高纯度的对二甲苯、投资少等优点,引起研究者的极大关注.从非金属改性、金属和非金属元素同时改性、催化剂研究新思路3个方面综述了国内外有关改性ZSM-5分子筛催化剂在甲苯、甲醇烷基化技术的研究进展状况.     

甲苯甲醇烷基化合成对二甲苯催化剂研究进展

甲苯甲醇烷基化是新型高选择性合成对二甲苯的方法,可以解决石化行业甲苯和甲醇过剩问题,具有较高的工业开发价值。在具有B酸中心及特殊孔结构的分子筛催化下,甲苯甲醇发生苯环上亲电取代反应得到对二甲苯。甲苯甲醇烷基化催化剂主要有Y沸石催化剂、SAPO及MCM-22和ZSM-5分子筛催化剂等,研究较多的是ZSM-5分子筛催化剂。通过对ZSM-5分子筛进行金属、非金属或复合改性后,可以显著提高烷基化反应转化率和选择性。未来研究的主要目标是获得选择性高且稳定性好的催化剂。     

甲醇甲苯烷基化流化床反应器的数值模拟

利用甲醇甲苯烷基化工艺生产对二甲苯具有良好的应用前景。甲醇甲苯烷基化催化剂较易积炭失活,且反应存在明显热效应。流化床因传热传质性能好、易实现催化剂连续再生,适合用作甲醇甲苯烷基化反应器。本文采用离散颗粒模型,对甲醇甲苯烷基化流化床反应器进行了数值模拟研究,重点考察了进料比、反应压力、分段进料对反应特性的影响。结果表明,当甲苯进料量给定时：降低反应物中甲苯甲醇比可有效提升对二甲苯产率和选择性,但产物中对二甲苯和烯烃摩尔比值较低;提高反应压力可显著提升甲醇和甲苯转化率,但会降低对二甲苯选择性;在低苯醇比基础上采用甲醇分段进料方式不仅可有效提高甲苯利用率,还可灵活调节产物中对二甲苯和烯烃比率;流化床反应器气体返混不利于获得高对二甲苯选择性,且操作条件变化会造成流化床反应器内气固流动改变,导致气固接触效率或反应物局部分压发生改变,这亦将对反应转化特性造成显著影响。这些结果对于流化床反应器优化和放大具有一定的指导意义。     

对二甲苯生产技术研究进展及发展趋势

阐述了甲苯歧化和烷基转移、二甲苯异构化、甲醇芳构化、甲苯选择性歧化及甲醇甲苯选择性烷基化等对二甲苯生产技术的研究进展,并分析了各种技术的优势及不足。文章分析表明,与甲醇制芳烃技术相比,甲醇甲苯选择性烷基化制对二甲苯技术具有对二甲苯选择性高、流程短、无需吸附分离等方面的显著优势,是实现煤经甲醇（和甲苯或苯）制对二甲苯产业发展的最佳选择;采用芳烃联合装置与甲醇甲苯选择性烷基化技术耦合,理想状况下可实现对二甲苯增产40%以上,同时不副产苯。提出了对二甲苯生产工艺技术的发展趋势：发展甲醇甲苯选择性烷基化制对二甲苯技术,既利于煤炭的清洁高效利用,保障聚酯产业链安全,还有助于形成煤化工和石油化工技术互补、协调发展的新格局。     

甲苯和甲醇烷基化反应热力学分析与计算

甲苯甲醇烷基化制备对二甲苯是一条增产对二甲苯的新的工艺路线。文章对甲苯甲醇烷基化反应过程进行了较为详尽的热力学分析,并用Matlab语言计算得到不同温度下相关反应的Gibbs自由能、平衡常数以及产物之间的平衡关系等。结果表明,甲苯甲醇烷基化制备对二甲苯副产低碳烯烃在热力学上均能自发进行并能达到很高限度,但是对二甲苯和低碳烯烃的产率受热力学平衡限制。因此,开发高选择性的催化剂将具有广阔的应用前景。     

改性介微孔ZSM-5分子筛催化剂制备及催化甲苯甲醇烷基化反应性能

将微孔ZSM-5分子筛通过不同浓度的氢氧化钠溶液处理不同的时间制备不同的介微孔ZSM-5分子筛,然后负载五氧化二磷制备介微孔ZSM-5分子筛催化剂,对介微孔ZSM-5分子筛负载五氧化二磷催化剂进行甲苯甲醇烷基化反应评价。其中氢氧化钠溶液浓度为1.0 mol/L、处理时间为30 min得到的介微孔ZSM-5分子筛负载五氧化二磷催化剂催化甲苯甲醇烷基化反应的活性较高。对介微孔ZSM-5分子筛负载五氧化二磷催化剂进一步采用铂进行改性,将制备的催化剂用于甲苯甲醇烷基化反应,在460 ℃条件下连续反应505 h,甲苯转化率保持在10.9%,二甲苯中对二甲苯的选择性保持在96%以上。研究结果表明,五氧化二磷、铂改性的介微孔ZSM-5分子筛催化剂具有优异的甲苯甲醇烷基化反应性能。     

分子筛在甲苯甲醇烷基化反应中的应用

采用分子筛催化甲苯、甲醇烷基化生产对二甲苯,可以通过一次反应直接获得高选择性的对二甲苯;另外,甲苯和甲醇价格低廉,因而具有较高的开发价值。本文简单介绍了分子筛的择形催化原理和影响分子筛择形性的因素,综合描述了Y型及其改性沸石、ZSM-5及其改性分子筛、ZSM-22及其改性分子筛等分子筛催化剂在甲苯甲醇烷基化反应中的特性。     

甲苯甲醇烷基化制对二甲苯催化剂中试反应性能研究

经过多步改性制备了负载二氧化硅（SiO₂）、氧化镁（MgO）、五氧化二磷（P₂O₅）、贵金属铂（Pt）的纳米ZSM-5分子筛催化剂,并在六段固定床反应器上分段装填该催化剂720 g进行甲苯、甲醇烷基化制对二甲苯反应活性评价。实验结果表明,通过调变甲醇和甲苯物质的量比可以使甲苯转化率在22%~30%可调,烷基化液相产物中二甲苯选择性保持在95%以上,二甲苯中对二甲苯选择性保持在95%以上;催化剂单程寿命达到1 300 h,随着反应时间延长催化剂的活性有所下降。通过X射线衍射（XRD）、热重分析（TG-DTG）和氮气吸附-脱附等手段对参加反应前后的催化剂进行了表征,结果表明反应中生成的积炭堵塞了分子筛的孔道或覆盖了催化剂的活性位;经过在反应器内原位再生,催化剂的反应活性基本恢复到新鲜催化剂水平。     

Improvement of para-selectivity in methylation of toluene on various MFI-type metallosilicate catalysts

MFI-type metallosilicates incorporating various transition metal elements were synthesized by the rapid crystallization method. Compared with H-ZSM-5, these metallosilicates possess fewer acid sites and weaker acidic strength. In the methylation of toluene with methanol, protonated metallosilicates exhibited lower conversion of toluene, higher para-selectivity and higher yield of paraxylene than H-ZSM-5. Distributions of trimethylbenzene and tetramethylbenzene isomers produced in toluene methylation indicate that the effective pore size (openings and/or channels) of metallosilicates may be smaller than that of ZSM-5, which is more advantageous for formation of the smallest isomers in trimethylbenzenes and tetramethylbenzenes. The relation between the paraselectivity in toluene methylation and the isomerization activity in para-xylene conversion suggests that the para-selectivity could occur exclusively, when isomerization of para-xylene to other isomers could be completely prevented. Therefore, the improvement in para-selectivity on MFI-type metallosilicates should be attributed to both the reduction in effective pore size and the decrease of strong acid sites, on which produced para-xylene would be isomerized to ortho- and meta-xylenes.     

甲苯甲醇烷基化制对二甲苯动力学模型

采用固定床反应器,在消除内外扩散影响的基础上,在反应温度480~560℃、甲苯甲醇总质量进料空速2 h-1、甲苯甲醇物质的量之比为1~6、水与甲苯物质的量之比为2~6和氢气与甲苯物质的量之比为2~8的条件下,研究了在自制沸石分子筛催化剂上甲苯甲醇烷基化反应的本征动力学,建立了包括甲苯甲醇烷基化制对二甲苯、二甲苯间异构化、二甲苯深度烷基化生成三甲苯和甲醇生成烯烃等7个反应的完整反应网络。采用非线性优化方法进行参数估算,并对模型的适用性进行了误差分析和统计检验。结果表明,甲醇生成烯烃反应的加入使模型能较好地反映出甲苯甲醇物质的量比对反应结果的影响,甲苯甲醇烷基化制对二甲苯的表观活化能为76.66 k J/mol,通过误差分析和统计检验表明,动力学模型是适用的。     

Alkylierung und Umalkylierung von Aromaten an Alumosilicaten

Alkylation and Transalkylation of Aromatics on Alumosilicates The alkylation of toluene (benzene) with methanol and the isomerization of metaxylene on alumina-silica and modified zeolites (HNaY, HM, HZSM-5) are acid-catalyzed proceed via a same intermediate. Except for the samples HZSM-5, the alkylation of toluene (benzene) can be explained by activity — selectivity — correlations. The referential diffusion of para-xylene in the channels of zeolithe ZSM-5 leads to a high product selectivity in alkylation and transalkylation reactions. Suggesting the supposition of a triangular reaction scheme.     

Optimization of conditions for preparation of ZSM-5@silicalite-1 core–shell catalysts via hydrothermal synthesis

Although the preparation of ZSM-5@silicalite-1 (ZS) core-shell catalysts has been reported in the literature, their selectivity to para-xylene (PX) in the toluene alkylation with methanol is difficult to control. Here we present the effects of water and ZSM-5 adding amounts in the synthesis solution, the hydrothermal synthesis time, and the Si/Al ratio of core ZSM-5 on the catalytic performance of ZS core-shell catalysts. The ZS core-shell catalysts were characterized by X-ray diffraction (XRD), N₂ adsorption, and NH₃ temperature-programmed desorption (NH₃-TPD) techniques. The highest PX selectivity of 95.5% was obtained for the ZS (Si/Al=140) catalyst prepared in the synthesis solution with a molar ratio of 0.2TPAOH:1TEOS:250H₂O at 175℃ and 10 r·min^-1 for only 2 h and the corresponding toluene conversion is as high as 22.8% for the alkylation of toluene with methanol.     

改性HZSM-5催化剂上甲苯-甲醇的烷基化反应的研究

采用浸渍法制得了P、B、Cu、Mg单组分及Mg、P、Si多组分复合改性的HZSM-5催化剂,通过XRD、BET、NH3-TPD等手段对改性前后催化剂的结晶度、孔结构及表面酸性进行了表征,在常压连续流动固定床反应装置上考察了改性HZSM-5在甲苯-甲醇烷基化制备对二甲苯反应中的催化性能,并对其微结构、表面酸性与择形选择性进行了关联。结果表明,P、B、Cu、Mg单组分改性的HZSM-5催化剂中,质量分数20%MgO改性使HZSM-5催化剂微孔面积和微孔容大幅下降,强酸显著降低,目标产物对二甲苯选择性明显提高(>60%);Mg、P、Si复合改性的HZSM-5催化剂中,改性剂之间的酸碱等相互作用对改性催化剂的开孔和表面酸性位的影响较大,与单组分改性相比复合改性效果不明显。     

Influence of the Si/Al ratio and ZSM-5 crystallite size on the methylation of toluene

The alkylation of toluene with methanol over ZSM-5 was studied using crystallites of different dimensions and Si/Al ratios. The products of the reaction consisted of 70–80% xylenes. Some benzene and ethyltoluene are also formed. The formation of para-xylene was strongly influenced by the number of aluminium atoms per unit cell of the zeolite and the gel composition utilized in its preparation. For the conditions studied here, no relationship between the crystallite dimensions and the para-selectivity was observed.     

基于PX选择性强化的短流程甲苯甲醇甲基化PX生产新工艺

基于改性的高硅铝ZSM-5催化剂反应动力学模型,本文探讨了甲苯甲醇甲基化反应中影响对二甲苯（PX）选择性的因素,提出了基于选择性强化的短流程甲苯甲醇甲基化PX生产工艺,并从原料利用率、能耗以及经济指标等角度,与已有工艺进行了对比分析。结果表明,在短停留时间、高甲苯/甲醇进料比、高稀释剂/甲醇进料比、较低反应温度和压力条件下,可以促使PX在二甲苯异构体中的选择性达到99.7 %以上。短流程PX生产工艺规避了二甲苯异构体的分离,具有原料利用率高、能耗低、工艺简单的特点,具有良好的经济性。当前工艺研究进一步提升了甲苯甲醇甲基化PX生产工艺的技术竞争力,利用非石油基的甲醇,有助于形成煤化工和石油化工技术互补、协调发展的新格局。     

增产PX的工艺技术新进展与展望

介绍了近年来增产二甲苯工艺技术路线的最新进展动态,以及新型催化剂的发展和对新工艺技术所作的贡献。这些新的工艺技术路线如:甲苯歧化、烷基异构化、甲苯/乙醇和合成气/甲苯生产二甲苯等作了简单论述。     

Internal versus external surface active sites in ZSM-5 zeolite: Part 2: Toluene alkylation with methanol and 2-propanol catalyzed by modified and unmodified H3PO4/ZSM-5

Vapor-phase methylation of toluene with methanol and isopropylation of toluene with 2-propanol has been investigated in a down flow reactor under atmospheric conditions using N₂ gas carrier over a series of surface modified and unmodified ZSM-5 (Si/Al = 60–170) loaded with H₃PO₄, differing in the external surface treatment of the zeolites. The feed molar ratios of toluene/methanol and toluene/2-propanol were varied over a wide range (8–0.125), and the optimum feed ratio of toluene/alcohol was less than 0.5 in both cases. Space velocity employed in toluene methylation reported as WHSV (toluene) = 1.2 h⁻¹, and the space velocity employed in toluene isopropylation reported as WHSV (toluene) = 0.8 h⁻¹. The methylation reactions were carried out in the temperature range of 623–773 K, and the isopropylation reactions were carried out in the temperature range of 483–583 K. Atmospheric pressures was maintained in all runs. Catalysts containing 0–4.9 wt.% P were prepared using modified and unmodified ZSM-5 zeolites, and their catalytic performance for vapor-phase alkylation of toluene with methanol and 2-propanol were investigated. The optimum phosphorous content for methylation was 2.1 wt.% P which was greater than the optimum phosphorous loading for isopropylation (0.7 wt.% P).