Highly shape-selective Zn-P/HZSM-5 zeolite catalyst for methanol conversion to light aromatics

A highly shape-selective and relatively long-lifetime HZSM-5-based catalyst (Zn-2P/HZSM-5) was prepared by chemical modification with both ZnSiF₆·6H₂O and H₃PO₄ solution. The phosphoric acid modification could effectively modulate the Brønsted acid strength of the HZSM-5 catalyst, which promotes the oligomerization, alkylation, cyclization, and hydrogen transfer reactions. The introduction of Zn-Lewis acid sites significantly improved the dehydroaromatization of higher olefins. All of these were very beneficial for the generation of BTX (i.e. benzene, toluene, and xylene) hydrocarbons in aromatization of methanol. The coke amount and the average rate of coke formation decreased over the Zn-2P/HZSM-5 catalysts, which may largely be ascribed to its lower strong acid sites and lower outer surface acidity. The catalytic performance of methanol aromatization showed that the Zn-2P/HZSM-5 catalyst exhibited the highest BTX selectivity of about 46.76% and the longest catalytic lifetime of about 498 h at T = 400 °C, P = 0.1 MPa, and weight hourly space velocity = 0.7 h⁻¹.     

HZSM-5分子筛上C_(6～8)混合链烃和邻二甲苯的加氢裂化

在连续流动固定床装置上,探讨了不同酸性HZSM-5上C6~8混合链烃(以下简称混合烃)和邻二甲苯加氢裂化的变化规律,并在稳定条件下考察了反应温度、质量空速以及氢烃体积比等反应参数的影响。混合烃的加氢裂化伴随着芳构化反应,酸性较弱的HZSM-5主要发生加氢裂化反应,裂化产物以正构烷烃为主,甲烷和异构烷烃较少。酸性强的HZSM-5上,起初以芳构化反应为主,稳定之后产物分布与弱酸催化剂接近。混合烃的加氢裂化反应表现出明显的温度效应,而质量空速和氢烃体积比的影响较小。在380℃、3.0 MPa、质量空速1.02 h-1、氢烃体积比1 000的条件下,100 h内混合烃的转化率均在99%以上,稳定的裂化反应选择性在95%以上。邻二甲苯发生加氢裂化及异构、歧化反应,酸性强的HZSM-5裂化产物收率高,裂化产物分布与混合烃的基本相同。稳定的邻二甲苯裂化反应选择性小于10%。     

Effects of P content in a P/HZSM-5 catalyst on the conversion of ethanol to hydrocarbons

A series of P/HZSM-5 catalysts prepared by impregnation method were used for ethanol conversion to lower olefins. The catalysts were characterized by X-ray diffraction (XRD), NH3-temperature-programmed desorption (NH3-TPD) and N2 adsorption-desorption measurements. It was found that the P/HZSM-5 catalysts showed high activity and selectivity toward light olefins. The selectivities of propylene and butylene can be improved with the introduction of phosphorus (P). When the content of P reached 3.0 wt%, more than 18.9% propylene in the gaseous products was obtained over the P/HZSM-5 catalyst at 450 ?C. The introduction of P modified the strong Br?nsted acid sites of the original HZSM-5 catalysts and P/HZSM-5 catalysts could resist coke formation and showed good stability.     

水对两段法合成汽油中HZSM-5分子筛稳定性及油相产物的影响

模拟两段法合成汽油工艺的反应条件(360℃、2 MPa),通过控制甲醇的脱水量或在该气氛下对HZSM-5进行水热预处理,考察了水对催化剂稳定性及油相产物的影响。XRD、BET、FT-IR、SEM和NH3-TPD等表征手段表明水热预处理后的分子筛具有晶粒小、中孔多和酸强度低等特点,能显著提高汽油收率和异构烷烃选择性。甲醇在HZSM-5分子筛上发生脱水反应,产生的水热气氛造成强酸中心失活。     

HZSM-5分子筛上甲醇制烯烃典型产物的传质行为研究

分子筛催化甲醇制烯烃反应(MTO)是典型的扩散主导反应过程,运用频率响应技术系统研究了几种典型产物分子(乙烯/乙烷、丙烯/丙烷、苯)在HZSM-5分子筛上的扩散行为。结果表明,频率响应法成功辨析了不同产物分子的传质规律,证实C2和C3烃分子在HZSM-5微孔孔道内具有相近的扩散速率,但由于受晶体表面阻碍效应影响不同,乙烷分子可自由进出HZSM-5分子筛孔道,而丙烷分子则受到较显著的微孔孔道扩散限制。另外,苯分子的扩散速率显著小于C2和C3分子,且苯分子受晶体表面阻抗效应的影响较小。本研究结果可用于解释HZSM-5分子筛在MTO反应中产物选择性的特点及表面结焦原因,进而从传质角度为高活性、选择性以及稳定性的高效甲醇转化制烃催化剂的定向开发提供理论指导。     

四丙基氢氧化铵改性纳米HZSM-5分子筛及其在甲醇制汽油中的催化性能

采用四丙基氢氧化铵(TPAOH)溶液对纳米ZSM-5分子筛进行改性, 运用X射线衍射、扫描电镜、²⁷Al和²⁹Si固体核磁、X射线光电子能谱、N₂物理吸附脱附法和NH₃程序升温脱附等手段对所制样品进行了表征, 并评价了其催化甲醇制汽油反应性能. 结果表明, 改性后的HZSM-5相对结晶度增加, 晶体形貌更加规整, 表面硅铝比增加, 比表面积和微孔表面积增大, 强酸位酸量增多. 同时, TPAOH改性不仅可以使分子筛脱硅脱铝, 而且伴有二次晶化补硅补铝, 改变了分子筛的硅铝分布. 改性的HZSM-5在甲醇制汽油反应中的稳定性大幅度提高, 其寿命由70h增至170h以上, 随着TPAOH处理时间的增加, 催化剂寿命增加, 氢转移反应加快, 导致油相产品中异构烷烃增多, 烯烃减少.     

生物柴油的催化改性对其冷滤点的影响

利用HZSM-5型分子筛作为催化剂,在250℃～350℃、0.01MPa～0.04MPa的条件下,对生物柴油的主要组分油酸甲酯、棕榈酸甲酯、硬酯酸甲酯、亚油酸甲酯、月桂酸甲酯进行催化改性,以达到降低生物柴油冷滤点（CFPP）的目的。实验研究了反应温度和反应真空度对各脂肪酸甲酯产物的冷滤点、结炭率、碘值的影响,以该实验数据为依据,将动物油经过酯交换制备的生物柴油（AFE）进行催化改性。结果表明,在300℃~350℃,对饱和脂肪酸甲酯改性有很好的降凝效果,产物碘值升高;油酸甲酯通过改性,也取得了很好的降凝效果,产物碘值下降,在该反应条件下改性饱和脂肪酸甲酯和油酸甲酯催化剂的结炭率保持在5%以下;而亚油酸甲酯仅在350℃时改性才有降凝效果,且结炭率在10%以上。生物柴油（AFE）催化改性达到最佳降凝效果的条件为300℃~325℃,0.01MPa,改性后的的酸值小于0.6mg/g,冷滤点下降了19℃,碘值（I.V）为44.32g/100g,运动黏度（μ_t）为4.397mm²/s,并且催化剂结炭率保持在5%以下。     

La改性HZSM-5分子筛催化剂甲醇转化制汽油反应性能研究

采用浸渍法制备了La改性HZSM-5分子筛催化剂,利用X射线衍射（XRD）、氮气吸附-脱附、氨气程序升温脱附（NH₃-TPD）以及吡啶吸附红外光谱（Py-FTIR）技术对催化剂进行表征,并在固定床微型反应评价装置上,在反应温度350℃,系统压力0.1 MPa,甲醇质量空速4.74 h^-1的条件下,考察La改性HZSM-5分子筛催化剂的甲醇转化制汽油反应性能。结果表明,La改性HZSM-5分子筛催化剂的酸量降低,比表面积和孔容减小。La负载量为4%时,其MTG反应性能最佳,催化剂的寿命和汽油收率分别由改性前的12 h和52.69%增加到16 h和59.28%。此外,随着La负载量的增加,汽油中芳烃含量显著降低,降幅达18%。     

Effect of Fe-Mo promoters on HZSM-5 zeolite catalyst for 1-hexene aromatization

The promotional effect of Fe-Mo species introduced into HZSM-5 (Zeolyst Int., SiO₂/Al₂O₃ ≈ 30) zeolite catalyst by the wetness impregnation method for the 1-hexene aromatization was investigated. The structure and catalytic performance for the aromatization of 1-hexene over xFeyMo-ZSM-5 catalysts in comparison with unmodified HZSM-5 catalysts were studied. The xFeyMo-ZSM-5 catalysts contain fixed loading (5 wt%) and variable Fe/Mo ratio. The catalysts were characterized by BET, ICP-AES, HRSEM-EDS, HRTEM, XRD, FTIR, H₂-TPR, NH₃-TPD, and pyridine DRIFT spectroscopy. The characterization data confirmed the existence of Fe and Mo species in the zeolite matrix. With Fe and Mo species implementation to HZSM-5 zeolite, the amount of the acid sites decreased, but the selectivities to C₉₊ aromatics increased. The catalyst evaluation was performed at 350 °C for 6 h on-stream at atmospheric pressure using a fixed-bed quartz tube reactor. The selectivity to products of different carbon number was affected by the Fe/Mo ratio within the zeolite. It was found the product distribution of grouped fractions of C₁–C₁₇₊ from the liquid product. The results indicate that the optimum ratio of Fe/Mo is 1–1.5. The highest selectivity for gasoline and distillate ranges was obtained for the 2.5wt%Fe2.5wt%Mo- and 3wt%Fe2wt%Mo-ZSM-5 samples, which was higher than that for parent HZSM-5 catalyst.     

焙烧温度对镧改性HZSM-5表面性质及乙醇脱水制乙烯反应性能的影响

采用浸渍法将稀土金属La负载在HZSM-5分子筛上,考察了在450~600℃范围内焙烧温度对La改性HZSM-5(La/HZSM-5)表面性质及催化乙醇脱水制乙烯性能的影响。X射线衍射和N2吸附-脱附分析分别表明焙烧温度对La/HZSM-5的晶体结构和孔结构影响不大,而NH3程序升温脱附测试则表明随着焙烧温度的升高La/HZSM-5的表面酸量和酸强度均有明显下降的趋势,相应的催化性能测试表明催化剂的活性和寿命也随之下降,这可归结于不同焙烧温度下La物种形态差异的结果。以450℃下焙烧制备的3%La/HZSM-5为优选催化剂,在最佳的反应条件下,其单程使用寿命可达108天。     

ZSM-5分子筛的粒径可控合成及其在甲醇转化中的催化作用

以四丙基氢氧化胺为模板剂、聚乙二醇为添加剂,水热合成了粒径在0.1～14 μm且分布均一的ZSM-5分子筛,并采用XRD、SEM、BET、Py-IR、NH₃-TPD和ICP等技术对其进行了表征,考察了不同粒径分子筛在甲醇转化制碳氢化合物反应中的催化作用。结果表明,通过调变PEG添加量、硅源种类和水含量以及控制陈化和晶化条件,可以在较大范围内调变分子筛晶粒尺寸。随着粒径的减小,ZSM-5晶粒的聚集程度、比表面积和Si/Al比提高,而结晶度、BrØnsted酸浓度和总酸量有所下降。在甲醇催化转化制碳氢化合物的反应中,粒径为0.1 μm的分子筛催化稳定性最好;随着粒径的增大,其稳定性逐渐下降,粒径为14 μm的分子筛催化剂寿命明显降低。同时,粒径对甲醇转化产物分布也有较大影响;小粒径分子筛有利于生成轻质烃类(C₁～C₄),而大粒径分子筛对C₅以上烷烃和芳烃的选择性较高。     

Study on the “induction period” of toluene ethylation performed on HZSM-5 zeolite catalysts

Formation and consumption of activated toluene species results in an “induction period” in the toluene ethylation on HZSM-5 zeolite, and toluene pretreatment can enhance the activity of HZSM-5 in the reaction by producing activated toluene species.     

Ni2P/HZSM-5上噻吩加氢脱硫性能研究

采用程序升温还原方法制备了Ni2P/HZSM5催化剂。用X射线衍射 (XRD)、低温N2吸附（BET）、扫描电镜(SEM)等技术对催化剂样品的物相、比表面积、形貌等性质进行了表征。在连续微反系统中测定了Ni2P/HZSM5催化剂对噻吩加氢脱硫催化活性;研究了Ni2P负载量、前驱体中Ni/P摩尔比对催化剂的物相及性能的影响,考察了空速、反应温度、反应压力等操作条件对催化剂上噻吩加氢脱硫性能的影响。实验结果表明,Ni2P/HZSM5催化剂对噻吩加氢脱硫反应具有较高的活性和稳定性。随着Ni2P负载量、前驱体中Ni/P摩尔比的增加,催化剂的活性和稳定性先升高后降低。反应温度和体积空速对Ni2P/HZSM5催化剂的噻吩加氢脱硫性能有较明显的影响,反应压力和进料氢油比的影响相对较小。     

HZSM—5沸石内外表面酸,孔大小和择形催化性能的研究

用吡啶、2,4-二甲基喹啉及NH_3吸附的TPD法测定了HZSM-5沸石的内、外表面酸量和酸分布,用环己烷吸附速度和吸附量表征孔大小,以乙苯歧化和对二乙苯异构化作研究择形催化反应.结果表明,HZSM-5外表面酸约占总酸量的20％,内、外表面酸均为非均匀分布.强酸位是对二乙苯和乙苯裂化的活性中心,而对歧化和异构化反应生成对位异构体的选择性影响不大.间二乙苯主要在内表面酸中心上生成,而对二乙苯在外表面酸位上异构化不是主要途径.对位选择性的提高与环己烷吸附速度减小有很好的对应关系,而与酸量变化关系不大.虽然中强和弱酸位对对位选择有一定影响,但影响对位选择性的主要因素是沸石的孔径大小.     

Zn-P复合改性HZSM-5在线催化热解获取生物油的研究

为进一步提高精制生物油的制取效率和燃料品质,采用Zn和P对HZSM-5分子筛进行复合改性,使用XRD、SEM EDS、ICP-AES、BET等方法表征改性HZSM-5分子筛,考察了Zn、P改性对精制生物油理化特性和液相产物的化学组成以及对HZSM-5抗结焦性能的影响。结果表明,Zn、P在HZSM-5表面负载均匀,Zn、P改性未影响HZSM-5的晶体骨架结构,改性HZSM-5的比表面积随着Zn负载量的上升而减少;Zn负载量为3%时,催化热解得到的精制生物油含氧量为10.67%,热值为36.76 MJ/kg,pH值为5.85,精制生物油品质得到显著提升;液相产物中酸类、醛类和酮类等不期望物质相对含量显著下降,芳香族化合物相对含量显著增加,芳香族化合物相对含量为91.93%,其中,芳香烃为74.63%;HZSM-5因负载P使得其相对结焦量明显降低,显著增强了HZSM-5的稳定性;Zn改性促进了氢原子转移和碳正离子的形成,有利于提高HZSM-5分子筛的芳构化性能。     

晶粒大小对ZSM-5分子筛甲醇制低碳烯烃催化性能的影响

对三种HZSM-5分子筛进行Ca改性,获得两组酸性接近的催化剂,考察了晶粒大小对甲醇制低碳烯烃(MTO)反应的影响。通过进一步与Na改性的比较,探讨了Ca在催化反应中的作用。采用扫描电镜(SEM)测定晶粒大小及形貌,氨气程序升温脱附(NH3-TPD)及吡啶红外吸附(Py-IR)表征催化剂的酸性。MTO催化性能测定结果表明,HZSM-5的低碳烯烃选择性较低且下降较快,催化活性降低也快;Ca改性降低酸性,提高了低碳烯烃选择性和催化稳定性;晶粒大小主要影响催化稳定性,小晶粒分子筛催化剂稳定性更好。高Ca含量改性效果更好;钠改性也提高了低碳烯烃选择性,但其稳定性较差。对于HZSM-5和Ca/HZSM-5,小晶粒的催化剂具有较好的催化稳定性。提出Ca参与了催化反应,MTO是一个酸碱协同作用的催化过程。     

改性HZSM-5分子筛上噻吩烷基化反应和失活再生性能的研究

采用不同碱单独处理和两种碱不同方式联合处理HZSM-5分子筛,制备微孔-介孔多级孔HZSM-5分子筛催化剂并应用于噻吩烷基化反应中。结果表明,不同碱单独处理和两种碱不同方式联合处理HZSM-5分子筛后,均能够在分子筛上造出介孔孔道且能够调变分子筛的酸性,其中,采用Na₂CO₃溶液和TPAOH溶液分开处理得到的分子筛催化剂织结构最适合噻吩烷基化反应;其次考察具有最佳织结构分子筛催化剂的噻吩烷基化反应稳定性,并分析催化剂失活的原因和再生条件。结果表明,当噻吩烷基化反应进行到1050 h后,催化剂已基本失活,催化剂失活的主要原因是,在反应过程中原料中反应组分间发生烯烃齐聚、环化、脱氢和芳烃烷基化等副反应生成的大分子化合物沉积在催化剂上,堵塞催化剂的孔道和遮盖催化剂的活性中心所致;对失活催化剂进行高温再生,从高温再生的能耗较大以及多次高温再生对催化剂酸性和骨架结构不利的角度考虑,选定催化剂的再生温度为550 ℃。     

Ga/HZSM-5分子筛上乙烯二聚反应的理论研究

应用理论计算方法研究了Ga/HZSM-5及Al/HZSM-5 分子筛上乙烯二聚生成1-丁烯的反应历程, 比较了分子筛酸性对反应能量的影响. 计算采用分为两层的76T簇模型, 应用量子力学和分子力学联合的 ONIOM2 (B3LYP/6-31G(d, p):UFF) 方法. 乙烯二聚过程可按照分步机理和协同机理进行, 均得到表面丁基烷氧中间产物. 计算结果表明, 与在Al/HZSM-5分子筛上的反应过程相比, 乙烯在 Ga/HZSM-5分子筛上的吸附能低 20.62 kJ·mol^-1, 但质子化反应的活化能只高出1.26 kJ·mol^-1; 而乙基烷氧中间体与乙烯分子结合过程的活化能高出 62.55 kJ·mol^-1, 原因是Ga 原子半径大, 降低了六元环过渡态的稳定性. 若按协同机理, 质子转移和C―C键聚合同时进行, 在 Ga/HZSM-5分子筛上的活化能较Al/HZSM-5的高16.44 kJ·mol^-1. 因此乙烯二聚按照协同机理有利. 研究还表明, 表面丁基烷氧中间体脱质子, 生成1-丁烯并吸附在复原的分子筛酸性位上. 该反应在两种酸中心上的活化能几乎相同, 但明显高于其他各步的活化能, 因此成为整个反应的速度控制步骤.     

Influence of Pretreatment Conditions on Methane Aromatization Performance of Mo／HZSM—5 and Mo—Cu／HZSM—5 Catalysts

Mo/HZSM-5 is a good catalyst for methane aromatization, and the reaction performance of Mo/HZSM-5 and Cu modified Mo/HZSM-5 catalysts under various pretreatment conditions has been studied. The results indicate that the catalyst presented a distinguished catalytic activity, benzene selectivity and a high stability when the bed temperature was raised in N2 atmosphere.     

HZSM-5在线提质生物油及催化剂失活机理分析

对不同使用时间的HZSM-5分子筛在线催化提质制取的生物油进行理化特性和成分分析,从生物油品质角度对HZSM-5的催化性能进行评价;并采用TG、BET、XRD、SEM和TEM等方法对失活的HZSM-5催化剂进行表征分析,探讨了HZSM-5催化提质生物油的失活机理,并进行再生研究。研究表明,HZSM-5分子筛可转化生物油中的酸类、醛类和酮类等"非期望"有机物,生成较多"期望"有机物,如酚类和芳烃类物质,降低生物油的氧含量及酸性,提高生物油的热值;HZSM-5使用80 min后,生物油品质明显变差,催化剂活性明显降低;失活催化剂上沉积的焦炭主要呈纤维状,同时,还存在少量石墨状焦炭,焦炭总量达14.12%,且使用过程中催化剂的比表面积和孔容均下降,晶粒的团聚现象加剧,结晶度下降;在催化提质过程中,在孔道内生成的石墨状焦炭及在表面形成的纤维状焦炭大量覆盖活性位点,使得催化剂失活。经550℃再生后,催化剂可恢复催化性能。