表面富硅型ZSM-5分子筛的甲醇制对二甲苯联产低碳烯烃催化性能

通过表面化学改性制备表面富硅型ZSM-5分子筛,采用XRD、N2等温吸附-脱附、TEM、NH3-TPD和Py-FTIR等手段对其孔结构和酸性质进行了表征,考察其甲醇制对二甲苯联产低碳烯烃反应的催化性能。结果表明,引入Zn使催化剂中一部分强酸转变为中强酸,并增加了具有脱氢作用的Zn-L酸中心,提高乙烯和丙烯的选择性;Mg改性不仅可以调节孔道的择形性,而且增加了L酸中心的数量,有利于PX的生成;不同硅源的多次硅沉积使得SiO₂可以更均匀地沉积在外表面,调变催化剂的酸性质和孔结构,从而进一步提高对二甲苯及乙烯和丙烯的选择性。最终,二甲苯中对位选择性可达到87.1%,二甲苯及乙烯和丙烯的选择性达到61%,乙烯在C₂烃类的选择性高达97.8%,丙烯在C₃烃类中选择性高达90.6%。     

金属氧化物和硅沉积改性 ZnO/SiO2/ZSM-5的甲醇择形芳构化反应催化研究

采用真空浸渍法对ZSM-5分子筛进行硅沉积和负载金属修饰,制备了复合改性的ZnO/SiO₂/ZSM-5催化剂,并将它应用于甲醇择形芳构化反应中。采用XRD、BET、NH₃-TPD、SEM、TEM等方法对制备的催化剂进行了物化表征。考察硅沉积次数和ZnO负载量对甲醇芳构化反应(MTA)中对二甲苯(PX)的选择性和收率的影响。结果表明,两次硅沉积改性并负载2.0%金属ZnO的ZSM-5分子筛具有较高的PX收率,在优化的反应温度420 ℃、反应压力0.2 MPa、甲醇空速WHSV为1.25 h^-1下,PX收率在28%以上。     

碱金属化合物改性ZSM-5沸石的择形催化作用

经碱金属化合物改性的HZSM-5分子筛,能提高甲苯烷基化生成对二甲苯的选择性,降低二甲苯异构化活性。改性后沸石的表面总酸度下降,酸强度减弱,孔结构变化不明显。     

Catalytic Conversion of Biomass-Derived Polyols into Para-xylene over SiO2-Modified Zeolites

This work proved that biomass-based polyols (sorbitol, xylitol, erythritol, glycerol and ethanediol) were able to be converted into high-value chemical (p-xylene) by catalytic cracking of polyols, alkylation of aromatics, and the isomerization of xylenes over the SiO₂-modified zeolites. Compared to the conventional HZSM-5 zeolite, the SiO₂-containing zeolites considerably increased the selectivity and yield of p-xylene due to the reduction of external surface acidity and the narrowing of pore entrance. The influences of the methanol additive, reaction temperature, and types of polyols on the selectivity and yield of p-xylene were investigated in detail. Catalytic cracking of polyols with methanol significantly enhanced the production of p-xylene by the alkylation of toluene with methanol. The highest p-xylene yield of 10.9 C-mol% with a p-xylene/xylenes ratio of 91.1% was obtained over the 15wt%SiO₂/HZSM-5 catalyst. The reaction pathway for the formation of p-xylene was addressed according to the study of the key reactions and the characterization of catalysts.     

ZnZrOx-HZSM-5双功能催化剂催化甲苯与合成气烷基化制对二甲苯

作为重要的有机化工原料,近些年来随着聚酯行业的高速发展,对二甲苯(PX)需求量逐年增高.目前,PX主要通过传统的石油路线生产,例如石脑油催化重整、甲苯歧化和C₈芳烃异构化,这些路线的后续精馏能耗较高.甲醇作为碳源与甲苯烷基化制备PX有效提高了目标产物的选择性,且已实现工业化.然而,由于甲醇生成甲氧基烷基化物种的能垒较高,使反应温度较高,促进了甲醇制烯烃(MTO)副反应的进行,降低了甲醇利用率;且由于积炭的形成,催化剂容易失活.合成气是非石油基资源如煤炭、天然气和生物质等利用的重要平台,在转化为醇类、烯烃以及芳烃路径中将经过甲氧基中间体,因此,本文研发以合成气代替甲醇与甲苯烷基化制备PX的催化剂和催化过程.基于本课题组关于CO₂加氢耦合甲苯烷基化制PX的研究基础,本文将ZnZrO_x(ZZO)与ZSM-5(Z5)混合制得双功能催化剂,用于合成气转化耦合甲苯烷基化制PX.研究结果表明,通过优化催化剂的组成和烷基化反应条件,调控CO加氢反应和甲苯烷基化反应的匹配性,在甲苯转化率为10.3%时,可获得64.8%的二甲苯选择性(不计水煤气变换反应),其中PX占81.8%,气态烃副产物的选择性为10.9%;在相同条件下采用甲醇为烷基化试剂时,二甲苯选择性仅38.5%,其中PX占38.8%,此时气态烃副产物的选择性达26.2%.同位素效应实验结果表明,二甲苯中新增甲基来自于合成气,而非甲苯的歧化反应.催化剂构效研究结果表明,PX的选择性与分子筛孔径、酸性强度以及Br?nsted酸性位点有关;原位红外结果也证实了该反应呈现逆同位素效应(k_H2/k_D2=0.92),表明反应中甲酸盐物种(HCOO*)加氢可能是反应的决速步骤.与传统的甲醇甲苯烷基化路径相比,采用来源广泛和成本较低的合成气与甲苯进行烷基化反应的温度(340℃)更低,有效避免了MTO副反应的发生,同时,该催化剂可在100 h内保持良好稳定性.综上,本工作结果为高效制备高值芳烃PX提供了新思路.     

ZnZrOx-HZSM-5双功能催化剂催化甲苯与合成气烷基化制对二甲苯

作为重要的有机化工原料,近些年来随着聚酯行业的高速发展,对二甲苯(PX)需求量逐年增高.目前,PX主要通过传统的石油路线生产,例如石脑油催化重整、甲苯歧化和C₈芳烃异构化,这些路线的后续精馏能耗较高.甲醇作为碳源与甲苯烷基化制备PX有效提高了目标产物的选择性,且已实现工业化.然而,由于甲醇生成甲氧基烷基化物种的能垒较高,使反应温度较高,促进了甲醇制烯烃(MTO)副反应的进行,降低了甲醇利用率;且由于积炭的形成,催化剂容易失活.合成气是非石油基资源如煤炭、天然气和生物质等利用的重要平台,在转化为醇类、烯烃以及芳烃路径中将经过甲氧基中间体,因此,本文研发以合成气代替甲醇与甲苯烷基化制备PX的催化剂和催化过程.基于本课题组关于CO₂加氢耦合甲苯烷基化制PX的研究基础,本文将ZnZrO_x(ZZO)与ZSM-5(Z5)混合制得双功能催化剂,用于合成气转化耦合甲苯烷基化制PX.研究结果表明,通过优化催化剂的组成和烷基化反应条件,调控CO加氢反应和甲苯烷基化反应的匹配性,在甲苯转化率为10.3%时,可获得64.8%的二甲苯选择性(不计水煤气变换反应),其中PX占81.8%,气态烃副产物的选择性为10.9%;在相同条件下采用甲醇为烷基化试剂时,二甲苯选择性仅38.5%,其中PX占38.8%,此时气态烃副产物的选择性达26.2%.同位素效应实验结果表明,二甲苯中新增甲基来自于合成气,而非甲苯的歧化反应.催化剂构效研究结果表明,PX的选择性与分子筛孔径、酸性强度以及Br?nsted酸性位点有关;原位红外结果也证实了该反应呈现逆同位素效应(k_H2/k_D2=0.92),表明反应中甲酸盐物种(HCOO*)加氢可能是反应的决速步骤.与传统的甲醇甲苯烷基化路径相比,采用来源广泛和成本较低的合成气与甲苯进行烷基化反应的温度(340℃)更低,有效避免了MTO副反应的发生,同时,该催化剂可在100 h内保持良好稳定性.综上,本工作结果为高效制备高值芳烃PX提供了新思路.     

SiO_2改性MCM-22分子筛上联苯与环己醇的择形烷基化反应

以正硅酸四乙酯(TEOS)为修饰剂,采用化学液相沉积法(CLD)对MCM-22分子筛进行改性,制备了一系列SiO_2改性的MCM-22催化剂。采用X射线衍射(XRD)、N_2物理吸附-脱附、氨程序升温脱附(NH_3-TPD)、吡啶吸附红外光谱(Py-IR)对催化剂性质进行了表征。结果表明SiO_2主要沉积在MCM-22分子筛的外表面,外表面上的Br?nsted酸位量明显减少,但对分子筛的总酸量影响不大。考察了改性催化剂用于联苯与环己醇的择形烷基化反应制备线性4-环己基联苯(4-CBP)及4,4′-环己基联苯(4,4′-DCBP)的催化性能。在常压条件下,温度为190°C时反应200 min,4-CBP与4,4′-DCBP的选择性分别为80.4%与63.7%。结合表征数据,发现SiO_2沉积对发生在催化剂外表面Br?nsted酸位上的异构化反应有明显的抑制作用。此外,重复使用5次后的改性分子筛经过焙烧复原,活性与选择性基本恢复。     

金属氧化物改性的HZSM-5上甲苯与甲醇的烷基化反应

 考察了La2O3,MgO以及La2O3-MgO复合改性的HZSM-5催化剂的孔结构、表面酸性和吸附性能,以及它们在甲苯与甲醇烷基化反应中的催化性能. 未经改性的HZSM-5上甲苯甲基化反应产物组成为热力学平衡组成,而改性后的催化剂上目标产物对二甲苯选择性提高,但反应活性下降. La2O3改性使HZSM-5孔径缩小,孔道变窄,强酸和弱酸酸量均降低,目标产物选择性明显提高; MgO主要分布在沸石外表面和孔口,因而MgO改性的HZSM-5孔口尺寸稍有缩小,另外强酸酸量减少,弱酸酸量略有上升,对二甲苯选择性略有提高; 而La2O3-MgO复合改性的催化剂上对二甲苯选择性显著提高,达到93%. 结果表明,反应的对位选择性是孔径和表面酸性同时调变的结果,孔径效应比酸性分布对催化剂的对位选择性影响更大.     

Ru助剂对Co/SiO_2/HZSM-5催化剂合成航空燃油类烃的影响

以中孔硅胶和微孔HZSM-5分子筛为复合载体,添加Ru制备了钴基催化剂,考察了Ru添加量(1%~4%,质量分数)对催化剂结构和固定床费托合成航空燃油类烃的影响。实验结果表明,制备的复合载体催化剂有一定的微孔和中孔结构,Ru的添加有利于Co分散,Ru促进的催化剂低温还原过程提高了催化剂在150~750℃的还原度和CO转化率,复合载体中HZSM-5分子筛利用其微孔结构,提高了异构烃的收率。当Ru负载量为1%时,CO转化率达到62.8%,航空燃油类烃的收率达到37.7%,包括约10.9%的异构烃。Ru负载量超过2%时,增强的催化剂CO加氢活性和CH4选择性,导致合成产物向低碳烃方向偏移。     

十氢萘在分子筛催化剂上的开环反应研究

在小型固定流化床(FFB)装置中研究了Y分子筛与ZSM-5分子筛催化剂上的十氢萘裂化开环反应性能,考察了温度和剂油比对Y分子筛开环反应催化性能的影响。结果表明,十氢萘在分子筛催化剂上通过环烷环开环反应生成丙烷、丙烯、丁烷、丁烯、甲基戊烷和环戊烷、环己烷等非芳烃以及苯、C_1~4烷基取代苯等单环芳烃,并通过脱氢缩合反应生成四氢萘、萘、甲基萘和菲、芘等多环芳烃甚至焦炭等。由于扩散和吸附性能的影响,ZSM-5分子筛催化剂的裂化开环反应选择性比Y分子筛催化剂的高,因此,十氢萘环烷环开环与脱氢缩合反应的相对比例(NRO/DHC)在ZSM-5分子筛催化剂上较高。在Y分子筛催化剂上,温度为450~550 ℃、剂油比为3~9,反应温度升高或者剂油比增加,双分子氢转移以及脱氢缩合反应增强,从而导致环烷环开环产物选择性降低。     

封装型Pt/SOD分子筛的合成及表征

基于封装型贵金属分子筛的合成,充分利用其择形性和氢溢流特性构建新型加氢催化剂,选定Pt作为活性组分,方钠石作为载体,通过水热合成法直接将金属前驱体Pt(NH_3)_4Cl_2引进SOD合成母液中进行晶化,合成了不同封装量的Pt/SOD分子筛。采用苯加氢反应测试样品的催化活性,并运用XRD、SEM、TEM和H_2-TPD对样品进行表征。结果表明,合成的不同封装量的Pt/SOD样品均具有良好的催化活性,与溢流氢受体HZSM-5间均具有良好的氢溢流效应。其中,当金属前驱体Pt(NH_3)_4Cl_2的用量为(Pt(NH_3)_4Cl_2)∶(Si-Algel)比为0.030 g/g时,所合成的Pt/SOD样品最佳,催化苯加氢反应的苯转化率可达54.38%。     

Liquid phase bromination of aromatics over zeolite H-beta catalyst

The liquid phase bromination of chlorobenzene, toluene and xylenes (o-, m-, p-) is catalyzed using zeolite as catalyst and N-bromosuccinimide (NBS) as the brominating agent. In addition, the bromination of toluene has been investigated over various zeolites using both NBS and liquid Br₂ as brominating agents. A comparison under similar reaction conditions with H₂SO₄, in the absence of catalyst and FeCl₃ (in the case of toluene) is also investigated for each reaction. Zeolite H-beta is found to be selective compared to the conventional catalysts and other zeolites in the bromination of chlorobenzene and toluene whereas selectivity for 4-bromo-o-xylene (4-BOX/3-BOX) over H-beta and H₂SO₄ was found nearly comparable in the bromination of o-xylene. In the bromination of toluene, acidic H-beta favours the formation of nuclear products whereas in the absence of any catalyst, in the presence of weakly acidic H–Y and potassium exchanged zeolites K-beta and K–L, the concentration of side-chain product, œ-bromotoluene, is enhanced. The conversion of NBS, rate of NBS conversion (mmol g⁻¹ h⁻¹) and selectivity for products are strongly influenced by the reaction parameters. As the reaction time, catalyst amount, reaction temperature and molar ratios of NBS/toluene are increased, an increase in the conversion of NBS is noticed. Presumably, the catalytic bromination of aromatics proceeds by an electrophile (Br⁺) which is generated by the heterolytic cleavage of NBS/Br₂ by an acidic zeolite. Thus, the generated Br⁺ attacks the aromatic ring resulting in the formation of brominated nuclear products.     

H-ZSM-5分子筛形貌对ZnCr2O4/H-ZSM-5双功能催化剂合成气制芳烃催化性能的影响

采用水热法，通过改变合成条件选择性制备出具有球状堆积、薄片状、中空和海绵条状结构的四种不同形貌的H-ZSM-5分子筛，并采用XRD、SEM、Py-FTIR、NH₃-TPD、ICP和N₂物理吸附等手段对其结构性质进行了表征。将具有尖晶石结构的ZnCr₂O₄复合氧化物与不同形貌的H-ZSM-5分子筛组成ZnCr₂O₄/H-ZSM-5双功能催化剂，应用于合成气直接制芳烃（STA）的反应过程，研究了H-ZSM-5分子筛形貌对该双功能催化剂STA性能的影响。结果表明，H-ZSM-5分子筛形貌对ZnCr₂O₄/H-ZSM-5的合成气制芳烃催化性能具有重要影响；不同形貌H-ZSM-5分子筛的芳烃选择性由高到低顺序依次为球状堆积 > 海绵条状 > 中空结构 > 薄片状结构。其中，ZnCr₂O₄氧化物与具有球状堆积结构的H-ZSM-5分子筛组成的ZnCr₂O₄/H-ZSM-5（sphere）双功能催化剂在STA反应过程中表现出最佳的催化性能：在350℃和3.0 MPa条件下，CO转化率为12.6%，芳烃选择性高达68.8%，而甲烷、C_2-4⁰烷烃和CO₂选择性分别降低至1.3%、14.3%和41.4%。这是由于球状堆积H-ZSM-5分子筛粒径适中（约350 nm），孔道长度适宜，适合芳烃产物的扩散但又能避免低碳烃类过早扩散出酸性分子筛孔道，从而有利于合成气转化中间产物的芳构化，提高芳烃产物的选择性。     

Renewable \begin{document}$p$\end{document}-Xylene Production by Co-catalytic Pyrolysis of Cellulose and Methanol

This work developed a one-step process for renewable p-xylene production by co-catalytic fast pyrolysis (co-CFP) of cellulose and methanol over the different metal oxides modified ZSM5 catalysts. It has been proven that \begin{document}${\rm{L}}{{\rm{a}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}$\end{document}-modified ZSM5(80) catalyst was an effective one for the production of bio-based p-xylene. The selectivity and yield of p-xylene strongly depended on the acidity of the catalysts, reaction temperature, and methanol content. The highest p-xylene yield of 14.5 C-mol% with a p-xylene/xylenes ratio of 86.8% was obtained by the co-CFP of cellulose with 33wt% methanol over 20%\begin{document}${\rm{L}}{{\rm{a}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}$\end{document}-ZSM5(80) catalyst. The deactivation of the catalysts during the catalytic pyrolysis process was investigated in detail. The reaction pathway for the formation of p-xylene from cellulose was proposed based on the analysis of products and the characterization of catalysts.     

Catalytic Para‐Xylene Maximization. V. Toluene Methylation with Methanol and Disproportionation of Toluene Using Pt/ZSM‐5 and Pt/Mordenite Catalysts

Toluene was methylated with methanol and disproportionated using catalysts containing different Pt contents (0.2, 0.4 and 0.6%) supported on H‐ZSM‐5 or H‐mordenite (H‐M) zeolites in a fixed‐bed flow‐reactor operated atmospherically at temperatures of 300–500 °C in a flow of hydrogen. Platinum dispersion in the zeolite supports and acid sites strength distribution were evaluated using hydrogen chemisorption (1:1 stoichiometry) and ammonia temperature programmed desorption (TPD) in a differential scanning calorimeter (DSC). Toluene methylation was much faster on all catalysts than toluene disproportionation (DISP). Both reactions were more accelerated using H‐ZSM‐5 containing catalysts than H‐M containing catalysts. The yield of xylenes, and in particular para‐xylene, was significantly influenced by the yield of trimethylbenzenes (TMBs) in product. The selectivities for para‐, ortho‐ and meta‐xylenes production were found largely dependent on the Pt content in the catalysts, particularly when supported on H‐ZSM5‐zeolite. However, using Pt/H‐M catalysts, these selectivities were not strictly controlled by Pt content in the catalysts.     

不同硅铝比的ZSM-11沸石分子筛的催化性能

合成了一系列硅铝比为31—176的ZSM-11沸石,以甲苯-甲醇烷基化、间二甲苯异构化和甲苯歧化三个反应作为探针反应,研究了它们的催化性能。将其与酸性质和晶胞参数相关联发现,低硅铝比适于甲苯歧化,中硅铝比适于间二甲苯异构化,高硅铝比适于甲苯-甲醇烷基化反应。各反应所需的酸强度为甲苯歧化>间二甲苯歧化>间二甲苯异构化>甲苯-甲醇烷基化。Na~+的存在以及用4-甲基喹啉或(CH_3)_3SiCl中毒,可抑制强酸位,明显提高甲苯-甲醇烷基化反应生成对二甲苯的选择性,尤以(CH_3)_3SiCl中毒的低Al/u.c.的NaHZSM-11最佳。     

Effect of Phosphoric Acid on HZSM-5 Catalysts for Prins Condensation to Isoprene from Isobutylene and Formaldehyde

A series of HZSM-5 zeolites modified with different amounts of phosphoric acid(P/HZSM-5) was prepared. The physicochemical features of the P/HZSM-5 catalysts were characterized via X-ray diffraction(XRD), N₂ adsorption-desorption, NH₃-temperature programmed desorption(NH₃-TPD) and Fourier tranform infrared(FTIR) spectra of the adsorbed pyridine, and the performances of the catalysts for Prins condensation to isoprene from isobutylene and formaldehyde were investigated. The maximum isobutene conversion and isoprene selectivity were 10.3% and 94.6% on the HZSM-5 catalyst with a Si/Al molar ratio of 600 using 5%(mass fraction) phosphoric acid. The phosphoric acid modification not only modulated the amount of acidic sites but also regulated the acid type. An appropriate amount of weak Lewis and Brönsted acid sites served as the active sites for the condensation of isobutene with formaldehyde, and the strong acid sites could cause side reactions and coke deposition.     

碱催化促进Ni-W/β分子筛催化剂氢解纤维素产1,2-丙二醇的研究

为提高纤维素催化氢解产醇类产物中1,2-丙二醇(1,2-PG)的收率,采用等体积浸渍法制备了以β分子筛为载体负载Ni和W的催化剂。结果表明,当7Ni-20W/β分子筛作为催化剂时,在240℃反应温度和6.0 MPa H_2的条件下反应30 min后,纤维素实现完全转化,1,2-PG和乙二醇(EG)产率分别达到19.3%和45.3%;不同于其他载体催化剂,β分子筛可以明显提高1,2-PG选择性。当不同碱催化剂加入到Ni-W/β分子筛催化剂反应体系后,可以进一步提高1,2-PG的选择性。尤其是当加入Ba(OH)_2后,1,2-丙二醇产率从19.3%提高了32.5%。为了探究碱催化剂在反应中的作用,以葡萄糖为底物进行了一系列的碱催化反应。结果表明,碱催化剂主要作用是有助于将葡萄糖异构化为果糖,从而促进纤维素转化为1,2-PG。催化剂在两次回收重复利用之后1,2-PG的收率只下降3.9%,乙二醇产率收率下降4.1%。     

二甲苯在ZSM-5分子筛中的吸附与扩散

本文在298K-493K温度范围内,测定了二甲苯在ZSM-5分子筛中的吸附等温线和扩散系数。间二甲苯在HZSM-5分子筛中的吸附是需要较高活化能而为扩散控制的物理吸附,只有在较高温度下(>393K),才能进入分子筛的敛孔,其扩散系数比对二甲苯小三个数量级。对、间二甲苯在HZSM-5分子筛中的吸附量随温度升高而渐趋接近。但HZSM-5经镁改性后,间二甲苯吸附量大幅度下降,而对二甲苯吸附量变化不大,说明孔道结构因素对提高烷基苯转化的对位选择性起着相当重要的作用。增大分子筛的晶粒尺寸,二甲苯的扩散系数变化不大,表明大晶粒ZSM-5之所以能提高对位选择性,原因在于扩散路线的增长导致扩散较慢的间二甲苯异构化为扩散较快的对二甲苯。     

钡改性对Cr_2O_3/Al_2O_3催化剂异丁烷脱氢性能的影响

采用浸渍法制备了不同BaO负载量的Cr_2O_3/Al_2O_3催化剂,利用XRD、BET、NH3-TPD和O2-TPO等表征方法对钡改性前后的催化剂进行了分析;在反应温度560℃、反应压力0.1MPa、催化剂用量10mL、GHSV=400h-1的条件下,在固定床反应器上考察了其异丁烷脱氢反应的性能。结果表明,钡的引入影响了活性组分Cr2O3的分散,导致了催化剂比表面积的降低,但影响并不显著;钡的引入降低了催化剂表面的酸性、减少了反应过程中催化剂的积炭,改善了催化剂的选择性,提高了催化剂的稳定性。当BaO负载量为3%时,催化剂的性能最佳。