УЛУЧШЕННЫЙ КАТАЛИЗАТОР ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭТИЛБЕНЗОЛА В СПОСОБЕ ИЗОМЕРИЗАЦИИ КСИЛОЛА
IMPROVED CATALYST FOR CONVERTING ETHYLBENZENE IN A METHOD FOR ISOMERISATION OF XYLENE

Область техники настоящего изобретения
[0001] Настоящее изобретение относится к каталитической композиции, ее получению и ее применению в деалкилировании этилбензола.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
8+
9+
8
8
8
8
[0002] Углеводородные смеси, содержащие C-ароматические соединения, представляют собой побочные продукты определенных процессов нефтепереработки, включая, но не ограничиваясь этим, процессы каталитического риформинга. Указанные углеводородные смеси, как правило, содержат вплоть до приблизительно 30 массовых процентов (мас.%) C-ароматических соединений, вплоть до приблизительно 10 мас.% неароматических соединений, вплоть до приблизительно 50 мас.% этилбензола, причем остальная масса (составляющая, например, вплоть до приблизительно 100 мас.%) представляет собой смесь изомеров ксилола. В числе C-ароматических соединений наиболее часто присутствуют этилбензол (EB) и изомеры ксилола, включая мета-ксилол (mX), орто-ксилол (oX) и пара-ксилол (pX). Как правило, когда этилбензол присутствует в числе C-ароматических соединений, он присутствует в концентрации, составляющей вплоть до приблизительно 20 мас.% по отношению к полной массе C-ароматических соединений. Три изомера ксилола обычно составляют остальную массу C-ароматических соединений и присутствуют в равновесном массовом соотношении, составляющем приблизительно 1:2:1 (oX:mX:pX).
8
8
[0003] Разделение изомеров ксилола представляет собой особый интерес вследствие пригодности пара-ксилола для применения в изготовлении терефталевой кислоты, которую используют в изготовлении сложнополиэфирного полотна. Однако вследствие близких температур кипения этилбензола (EB), орто-ксилола (oX), мета-ксилола (mX) и пара-ксилола (в совокупности называются "C-ароматические соединения") их разделение посредством фракционной дистилляции оказывается затруднительным. Этилбензол может быть превращен в другие продукты, которые могут быть отделены от C-ароматических соединений посредством фракционной дистилляции.
8
8
[0004] Например, установка для получения пара-ксилола может содержать каталитический реактор для предварительной обработки исходных C-ароматических соединений в целях уменьшения содержания этилбензола в исходной смеси посредством превращения этилбензола. Этилбензол может быть селективно удален из смеси C-ароматических соединений посредством деалкилирования с образованием бензола и этана.
[0005] При деалкилировании этилбензола основная проблема представляет собой не только обеспечение высокой степени превращения в бензол, но также предотвращение потери ксилола. Потеря ксилолов может быть обычно обусловлена трансалкилированием, например, между бензолом и ксилолом с образованием толуола, или присоединением водорода с образованием, например, алкенов или алканов.
[0006] Таким образом, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить катализатор, который будет превращать этилбензол в бензол с высокой селективностью без потери ксилола.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
[0007] Настоящее изобретение относится к каталитической системе, которая является подходящей для изомеризации ксилола и превращения этилбензола в исходной смеси, содержащей ксилол и этилбензол, и содержит первый катализатор, проявляющий активность в превращении этилбензола, и второй катализатор, проявляющий активность в изомеризации ксилола.
8
[0008] Настоящее изобретение также относится к способу превращения смеси исходных веществ, содержащей смесь C-ароматических соединений, включая ксилолы и этилбензол, где содержание пара-ксилола в ксилольной части исходной смеси составляет менее чем равновесное, для получения смеси продуктов с уменьшенным содержанием этилбензола и увеличенным содержанием пара-ксилола, причем указанный способ предусматривает введение в контакт смеси исходных веществ в условиях превращения с первым катализатором, проявляющим активность в превращении этилбензола, и со вторым катализатором, проявляющим активность в изомеризации ксилола.
8
[0009] Для изомеризации исходного материала, содержащего смесь C-ароматических соединений, включая этилбензол и ксилол, где содержание пара-ксилола составляет менее чем в состоянии термического равновесия, настоящее изобретение предлагает двухкомпонентную каталитическую систему, которая содержит первый катализатор, проявляющий активность в превращении этилбензола, и второй катализатор, проявляющий активность в изомеризации ксилола.
8
[00010] Для изомеризации исходного материала, содержащего смесь C-ароматических соединений, включая этилбензол и ксилол, где содержание пара-ксилола составляет менее чем в состоянии термического равновесия, настоящее изобретение предлагает способ, который предусматривает введение в контакт исходного материала в условиях изомеризации с двухкомпонентной каталитической системой, содержащей компонент (1) и компонент (2), причем компонент (1) содержит катализатор, проявляющий активность в превращении этилбензола, и компонент (2) содержит катализатор, проявляющий активность в изомеризации ксилола, и при этом компонент (2) расположен в системе ниже компонента (1) по отношению к потоку исходной смеси этилбензола и ксилола через каталитическую систему.
[00011] Первый катализатор, проявляющий активность в превращении этилбензола, предпочтительно представляет собой кислотное молекулярное сито, которое характеризуется индексом проницаемости в примерном диапазоне от приблизительно 1 до приблизительно 12; предпочтительнее он представляет собой цеолит, предпочтительно кристаллический алюмосиликатный цеолит, имеющий размер частиц, составляющий по меньшей мере приблизительно 1 мкм. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения катализатор превращения EB может содержать катализирующий гидрирование металл, выбранный из металлов групп VI и VIII Периодической системы элементов.
[00012] Второй катализатор, проявляющий активность в изомеризации ксилола, предпочтительно представляет собой кислотное молекулярное сито, которое характеризуется индексом проницаемости в примерном диапазоне от приблизительно 1 до приблизительно 12. Предпочтительные молекулярные сита представляют собой боросиликатные молекулярные сита или молекулярные сита на основе цеолита типа ZSM. Используемое молекулярное сито предпочтительно диспергировано на матрице из оксида алюминия, диоксида кремния или другого подходящего материала. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения катализатор изомеризации ксилола может содержать катализирующий гидрирование металл, выбранный из металлов групп VI и VIII Периодической системы элементов.
[00013] Согласно одному варианту осуществления предложен способ изомеризации потока исходных веществ, содержащего ксилолы и этилбензол, причем указанный способ предусматривает:
введение в контакт потока исходных веществ с первым катализатором в двухслойной каталитической системе для получения первого выходящего потока; и
введение в контакт первого выходящего потока со вторым катализатором в двухслойной каталитической системе для получения второго выходящего потока,
где первый катализатор содержит алюмосиликатное молекулярное сито, содержащее вплоть до 0,8 мас.% алюминия,
где первый катализатор проявляет активность в превращении этилбензола,
где приблизительно 20% или более этилбензола в потоке исходных веществ превращается в углеводороды, не представляющие собой этилбензол, и
где соотношение степени превращения этилбензола и потери ксилола составляет по меньшей мере 45, когда превращается приблизительно 30% этилбензола.
[00014] Алюмосиликатное молекулярное сито содержит приблизительно 0,7+/-0,05 мас.% алюминия. Приблизительно 33% этилбензола в потоке исходных веществ превращается в углеводороды, не представляющие собой этилбензол. Алюмосиликатное молекулярное сито находится на подложке, причем подложка содержит диоксид кремния. Согласно одному варианту осуществления подложка содержит по меньшей мере 50% диоксида кремния. Согласно одному варианту осуществления алюмосиликатное молекулярное сито представляет собой алюмосиликатный цеолит типа ZSM-5. Согласно одному варианту осуществления второй катализатор проявляет активность в изомеризации ксилолов.
[00015] Согласно другому варианту осуществления предложена каталитическая композиция, содержащая алюмосиликатное молекулярное сито с каркасом типа MFI и содержанием алюминия вплоть до 0,8 мас.%, причем указанная каталитическая композиция проявляет активность в превращении этилбензола, и кристаллы каталитической композиции имеют средние значения длины в диапазоне от приблизительно 5 до приблизительно 25 мкм, средние значения ширины в диапазоне от приблизительно 1 до приблизительно 10 мкм и средние значения толщины в диапазоне от приблизительно 1 до приблизительно 10 мкм.
[00016] Согласно одному варианту осуществления алюмосиликатное молекулярное сито содержит приблизительно от 0,5 до 0,8 мас.% Al, предпочтительнее 0,7+/-0,05 мас.% Al и наиболее предпочтительно 0,7 мас.% Al. Согласно одному варианту осуществления кристаллы каталитической композиции имеют средние значения длины, составляющие приблизительно от 5 мкм и до 25 мкм, и имеют средние значения ширины и толщины, составляющие приблизительно от 1 мкм и 10 мкм. Согласно одному варианту осуществления алюмосиликатное молекулярное сито находится на подложке, причем подложка содержит диоксид кремния. Согласно одному варианту осуществления алюмосиликатное молекулярное сито представляет собой алюмосиликатный цеолит типа ZSM-5.
Подробное раскрытие настоящего изобретения
[00017] Первый каталитический компонент двухслойной каталитической системы представляет собой крупнодисперсное алюмосиликатное молекулярное сито, содержащее от 0,5 до 0,8 мас.% Al, предпочтительнее 0,7+/- 0,05 мас.% Al и наиболее предпочтительно 0,7 мас.% Al на подложке, состоящей преимущественно из диоксида кремния. Первый катализатор составляет от приблизительно 10% до приблизительно 90% и предпочтительнее от приблизительно 40% до приблизительно 80% двухслойной каталитической системы и предназначен для гидродеэтилирования этилбензола с образованием этана и бензола перед вторым катализатором.
8
[00018] Настоящее изобретение предлагает новый способ стабилизации активности в отношении изомеризации ксилола двухслойной каталитической системы изомеризации ксилола. Настоящее изобретение является подходящим для использования в изомеризации исходного материала, содержащего смесь C-ароматических соединений, включая ксилолы и этилбензол (EB), причем содержание пара-ксилола в содержащей ксилол части исходной смеси составляет менее чем равновесное содержание, с получением потока продуктов, имеющего уменьшенное содержание этилбензола и увеличенное содержание желательного пара-ксилола. Пара-ксилол представляет собой важный углеводородный исходный материал для изготовления терефталевой кислоты. Согласно настоящему изобретению предложен новый катализатор превращения этилбензола, имеющий более высокую активность превращения этилбензола.
[00019] Катализатор превращения этилбензола представляет собой катализатор, который селективно катализирует превращение этилбензола в смеси исходных веществ в другое соединение или соединения, которые могут быть легко удалены из смеси продуктов. Например, в пределах объема настоящего изобретения превращение этилбензола может происходить посредством реакции деэтилирования, в результате которой этилбензол каталитически превращается в бензол и смесь этилена и этана.
8
[00020] В способах изготовления чистого пара-ксилола отделение пара-ксилола от смеси исходных C-веществ, включая ксилолы и этилбензол, осуществляют с использованием стандартных способов, таких как кристаллизация или адсорбция. После удаления пара-ксилола маточный раствор или рафинат подвергают рециркуляции и изомеризации для восстановления близкого к равновесному состояния смеси ксилолов. Согласно указанному способу изомеризации мета-ксилол и орто-ксилол превращаются в пара-ксилол. Однако оказывается весьма затруднительным отделение этилбензола от ксилолов перед рециркуляцией с использованием обычных технологий разделения.
[00021] Если этилбензол не удалять, он накапливается в технологическом потоке до неприемлемых уровней. Вместо отделения этилбензола в большинстве способов получения чистого пара-ксилола использованы средства для превращения этилбензола в соединения, которые могут быть удалены обычными способами разделения, такими как, например, дистилляция. Описанные в настоящем документе катализаторы превращения этилбензола служат для воздействия на такие реакции превращения.
[00022] Катализатор изомеризации ксилола представляет собой катализатор, который будет катализировать превращение одного ксилола, такого как мета-ксилол или орто-ксилол, в другой ксилол, такой как пара-ксилол. В частности, эффективный катализатор изомеризации ксилолов будет изомеризовать смесь ксилолов, в которой ксилолы присутствуют в неравновесных количествах, в смесь, содержащую ксилолы в равновесных или близких к равновесным количествах при температуре, используемой для реакции изомеризации. Например, смесь ксилолов, содержащая орто-ксилол, мета-ксилол и пара-ксилол, где пара-ксилол присутствует в менее чем равновесном количестве, может быть превращена посредством эффективного катализатора изомеризации ксилола в смесь ксилолов, где орто-, мета- и пара-ксилолы присутствуют в равновесных или близких к равновесным количествах.
[00023] Настоящее изобретение представляет собой каталитическую систему, подходящую для изомеризации ксилола и превращения этилбензола в исходном материале, содержащем ксилол и этилбензол, и включающую новый первый катализатор, проявляющий активность в превращении этилбензола, и второй катализатор, проявляющий активность в изомеризации ксилола, причем второй катализатор расположен в системе ниже первого катализатора по отношению к потоку смеси исходных веществ через каталитическую систему.
8
[00024] Настоящее изобретение также представляет собой способ превращения смеси исходных веществ, содержащей смесь C-ароматических соединений, включая ксилолы и этилбензол, где содержание пара-ксилола в ксилольной части исходной смеси составляет менее чем равновесное, для получения смеси продуктов с уменьшенным содержанием этилбензола и увеличенным содержанием пара-ксилола, причем указанный способ предусматривает введение в контакт смеси исходных веществ в условиях превращения с первым катализатором, проявляющим активность в превращении этилбензола, и со вторым катализатором, проявляющим активность в изомеризации ксилола, где второй катализатор расположен ниже первого катализатора по отношению к потоку смеси исходных веществ через катализаторы.
8
8
8
10
[00025] Исходные материалы для изомеризации, обрабатываемые в соответствии с настоящим изобретением, представляют собой любую смесь C-ароматических соединений, содержащую этилбензол и ксилол(ы). Как правило, такая смесь будет иметь содержание этилбензола в примерном диапазоне от приблизительно 5 до приблизительно 60 мас.%, содержание орто-ксилола в примерном диапазоне от приблизительно 0 до приблизительно 35 мас.%, содержание мета-ксилола в примерном диапазоне от приблизительно 20 до приблизительно 95 мас.% и содержание пара-ксилола в примерном диапазоне от приблизительно 0 до приблизительно 15 мас.%. Помимо вышеупомянутой смеси C-ароматических соединений исходный материал может содержать неароматические углеводороды, такие как парафины и нафтены. Парафины и нафтены будут обычно составлять от приблизительно 0 до приблизительно 20 мас.% исходной смеси; как правило, парафины и нафтены будут содержать C-С-парафины и нафтены.
8
10
8
[00026] Каталитическая система, используемая в соответствии с настоящим изобретением, является многокомпонентной. Функция первого каталитического компонента заключается в том, чтобы осуществлять превращение этилбензола и C-C-парафинов и нафтенов в побочные продукты, которые легко отделяются от потока C-ароматических соединений. Функция второго каталитического компонента заключается в том, чтобы осуществлять изомеризацию ксилольных компонентов в исходном материале до термического равновесия.
[00027] Настоящее изобретение может быть использовано, в частности, но не ограничиваясь этим, в парофазной изомеризации смеси ксилолов с двухслойным катализатором реакций трансалкилирования (в которых EB превращается, главным образом, посредством трансалкилирования в диэтилбензолы) для стабилизации активности катализатора изомеризации ксилола в отношении изомеризации ксилола. Соответствующие условия реакции для способа согласно настоящему изобретению представляют собой температуру, составляющую от приблизительно 480°F (248,8°C) до приблизительно 1000°F (537,8°C), предпочтительно от приблизительно 500°F (260°C) до приблизительно 850°F (454,4°C) и предпочтительнее от приблизительно 600°F (315,6°C) до приблизительно 800°F (426,7°C); манометрическое давление, составляющее от приблизительно 0 до приблизительно 1000 фунтов на квадратный дюйм (0-6900 кПа), предпочтительно от приблизительно 50 до приблизительно 600 фунтов на квадратный дюйм (345-4140 кПа), предпочтительнее от приблизительно 100 до приблизительно 400 фунтов на квадратный дюйм (690-2760 кПа) и наиболее предпочтительно от приблизительно 150 до приблизительно 300 фунтов на квадратный дюйм (1035-2070 кПа); молярное соотношение водорода и суммы углеводородов, составляющее от приблизительно 0,5:1 до приблизительно 10:1, предпочтительно от приблизительно 1:1 до приблизительно 10:1, предпочтительнее от приблизительно 1:1 до приблизительно 6:1 и наиболее предпочтительно от приблизительно 1:1 до приблизительно 3:1. Объемная скорость в расчете на единицу массы катализатора в час (WHSV) может находиться в диапазоне от приблизительно 0,5 до приблизительно 100, предпочтительно приблизительно 2 до приблизительно 50, предпочтительнее приблизительно 3 до приблизительно 20 и наиболее предпочтительно приблизительно 4 до приблизительно 14. Водород обычно вводят для гидрирования предшественников кокса и, следовательно, сокращения до минимума дезактивации катализатора.
[00028] Согласно настоящему изобретению компоненты для превращения EB и/или изомеризация ксилола могут дополнительно содержать катализирующий гидрирование металл. Такой катализирующий гидрирование металл может содержать, не ограничиваясь этим, один или несколько металлов из молибдена, платины, палладия, родия или рутения.
[00029] Даже если каталитический компонент для превращения EB и/или каталитический компонент для изомеризации ксилола дополнительно содержат катализирующий гидрирование металл, авторы предполагают, что гидрирующий слой, например, катализатор, содержащий молибден на оксиде алюминия, все же будет гидрировать олефины, не гидрированные над первым каталитическим слоем, и, таким образом, уменьшать дезактивацию изомеризующего ксилол компонента, увеличивая тем самым его срок службы. Как правило, реакцию изомеризация ксилола осуществляют в проточном реакторе с неподвижным слоем, содержащем каталитическую систему, описанную выше. Согласно предпочтительному варианту осуществления исходный материал проходит каскадом над каталитической системой, помещенной в реактор и имеющей по меньшей мере два последовательных слоя, т. е. слой катализатора превращения EB, а затем слой катализатора изомеризации ксилола. Способ превращения согласно настоящему изобретению может быть также осуществлен в отдельных последовательных реакторах, где исходный материал сначала вступал бы в контакт с катализатор превращения EB в реакторе, а затем получаемый в результате выходящий поток вступал бы в контакт с катализатором изомеризации ксилола во втором реакторе.
[00030] Первый и второй каталитические компоненты (т. е. катализаторы превращения EB и изомеризации ксилола, соответственно) содержат кислотное молекулярное сито, которое характеризуется индексом проницаемости в примерном диапазоне от приблизительно 1 до приблизительно 12. Молекулярные сита, имеющие такой индекс проницаемости, часто сгруппированы как представители класса молекулярных сит, которые называются конфигурационно-селективными. Хотя молекулярное сито типа MFI было использовано в компонентах для превращения EB и для изомеризации ксилола двухслойной каталитической системы согласно варианту осуществления настоящего изобретения, как описано в примерах, в качестве катализаторов могут быть также использованы молекулярные сита других типов (например, ZSM-11, ZSM-12, ZSM-35, ZSM-38 и другие аналогичные материалы).
[00031] Количество катализаторов и относительное количество катализаторов, используемых в каталитической системе и способе согласно настоящему изобретению, представляют собой количества, которые обеспечивают желательное превращение этилбензола и изомеризацию ксилола в используемых условиях реакции.
[00032] Когда молекулярное сито используют в качестве компонента катализатора изомеризации или превращения этилбензола, количество молекулярного сита может составлять от приблизительно 1% до приблизительно 100% по массе и предпочтительнее от приблизительно 10 до приблизительно 70% по массе, причем остальная масса предпочтительно представляет собой материал матрицы подложки, такой как оксид алюминия или диоксид кремния. Предпочтительно материал подложки представляет собой диоксид кремния. Соответствующее массовое соотношение катализатора превращения этилбензола и катализатора изомеризации составляет от приблизительно 1:1 до приблизительно 6:1. Соответствующее массовое соотношение катализатора превращения этилбензола и катализатора гидрирования составляет от приблизительно 1:1 до приблизительно 5:1.
[00033] Катализаторы превращения этилбензола, подходящие для использования согласно настоящему изобретению, включают в себя, но не ограничиваются этим, молекулярное сито типа AI-MFI, диспергированное на диоксиде кремния и крупнодисперсные молекулярные сита, в частности, молекулярное сито типа ZSM-5, имеющее размер частиц, составляющий по меньшей мере приблизительно 1 мкм, и диспергированное на диоксиде кремния, оксиде алюминия, двойном оксиде кремния и алюминия или другой подходящей подложке. Материал подложки предпочтительно представляет собой диоксид кремния. Подходящие катализаторы на основе молекулярного сита типа ZSM, например, молекулярные сита типа ZSM-5, раскрыты в патенте США № Re. 31,782, который во всей своей полноте включен в настоящий документ посредством ссылки.
[00034] Согласно одному варианту осуществления предложен способ изомеризации потока исходных веществ, содержащего ксилолы и этилбензол, причем указанный способ предусматривает:
введение в контакт потока исходных веществ с первым катализатором в двухслойной каталитической системе для получения первого выходящего потока; и
введение в контакт первого выходящего потока со вторым катализатором в двухслойной каталитической системе для получения второго выходящего потока,
где первый катализатор содержит алюмосиликатное молекулярное сито, содержащее вплоть до 0,8 мас.% алюминия,
где первый катализатор проявляет активность в превращении этилбензола,
где приблизительно 20% или более этилбензола в потоке исходных веществ превращается в углеводороды, не представляющие собой этилбензол, и
где соотношение степени превращения этилбензола и потери ксилола составляет по меньшей мере 45, когда превращается приблизительно 30% этилбензола.
[00035] Алюмосиликатное молекулярное сито содержит приблизительно 0,7+/-0,05 мас.% алюминия. Приблизительно 33% этилбензола в потоке исходных веществ превращается в углеводороды, не представляющие собой этилбензол. Алюмосиликатное молекулярное сито находится на подложке, причем подложка содержит диоксид кремния. Согласно одному варианту осуществления подложка содержит по меньшей мере 50% диоксида кремния. Согласно одному варианту осуществления алюмосиликатное молекулярное сито представляет собой алюмосиликатный цеолит типа ZSM-5. Согласно одному варианту осуществления второй катализатор проявляет активность в изомеризации ксилолов.
[00036] Согласно другому варианту осуществления, предложена каталитическая композиция, содержащая алюмосиликатное молекулярное сито, имеющее каркас типа MFI и содержащее вплоть до 0,8 мас.% алюминия, причем указанная каталитическая композиция проявляет активность в превращении этилбензола, и кристаллы каталитической композиции имеют средние значения длины в диапазоне от приблизительно 5 до приблизительно 25 мкм, средние значения ширины в диапазоне от приблизительно 1 до приблизительно 10 мкм и средние значения толщины в диапазоне от приблизительно 1 до приблизительно 10 мкм.
[00037] Согласно одному варианту осуществления алюмосиликатное молекулярное сито содержит приблизительно от 0,5 до 0,8 мас.% Al, предпочтительнее 0,7+/-0,05 мас.% Al, и наиболее предпочтительно 0,7 мас.% Al. Согласно одному варианту осуществления кристаллы каталитической композиции имеют средние значения длины, составляющие приблизительно от 5 мкм до 25 мкм, и имеют средние значения ширины и толщины, составляющие приблизительно от 1 мкм и 10 мкм. Согласно одному варианту осуществления алюмосиликатное молекулярное сито находится на подложке, причем указанная подложка содержит диоксид кремния. Согласно одному варианту осуществления алюмосиликатное молекулярное сито представляет собой алюмосиликатный цеолит типа ZSM-5.
[00038] Далее настоящее изобретение будет проиллюстрировано следующими примерами.
Примеры
Пример 1
3
Пять маломасштабных синтезов цеолита типа ZSM-5 осуществляли с использованием покрытых тефлоном автоклавных реакторов объемом 125 см. При комнатной температуре смешивали следующие реагенты: от 36 до 38 г деионизированной воды, от 0,2 до 0,4 г алюмината натрия (Alfa Aesar, 28,4 мас.% Al), этилендиамин (6,25 г), бромид тетрапропиламмония (2,88 г) и коллоидный золь диоксида кремния Nalco 2327 (27 г). Количество алюмината натрия варьировали (0,20 г, 0,30 г, 0,35 г или 0,40 г), чтобы получать различные уровни алюминия в цеолитном продукте типа ZSM-5 (0,5 мас.%, 0,75 мас.%, 0,88 мас.% или 1,0 мас.%, соответственно). Небольшое количество водного раствора серной кислоты добавляли в каждую смесь для установления pH на уровне от 11,2 до 11,4. Смеси затем загружали в автоклав и нагревали при перемешивании посредством вращения вокруг поперечной оси внутри печи в течение 72 часов при 170°C. После охлаждения твердые продукты собирали путем фильтрации, промывали деионизированной водой, высушивали и прокаливали на воздухе в течение 4 часов при 538°C. Прокаленные продукты типа ZSM-5 исследовали методом спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой (ICP) для определения элементарного состава и рентгеновской дифракции (XRD) для измерения степени кристалличности цеолита ZSM-5 в процентах по сравнению с эталонным цеолитом ZSM-5. Получение и аналитические данные представлены в таблице I.
[00039] Десять цеолитов типа ZSM-5 с различным содержанием алюминия получали в большем масштабе с использованием однолитровых автоклавов из нержавеющей стали, оборудованных внутренними мешалками. Процедура была такой же, как описано выше, с использованием реагентов в таких же относительных количествах, но при увеличении масштаба приблизительно в 10 раз. Десять полученных цеолитов были идентичными, за исключением используемого количества алюмината натрия, которое варьировали, чтобы получать продукты типа ZSM-5 с различным содержанием алюминия. Смеси загружали в однолитровый автоклав и нагревали при перемешивании в течение 72 часов при 170°C. После охлаждения твердые продукты собирали путем фильтрации, промывали деионизированной водой, высушивали и прокаливали на воздухе в течение 4 часов при 510°C. Нанесенные на подложки из диоксида кремния катализаторы, содержащие молибден (Mo), получали из каждого прокаленного цеолита ZSM-5, используя порошок высокодисперсного диоксида кремния Cabot CAB-O-SIL HS-5 в массовом соотношении ZSM-5/диоксид кремния, составляющем 60:40. Порошок ZSM-5 (30 г) смешивали в сухом состоянии с порошком высокодисперсного диоксида кремния (20 г). Добавляли дионизированную воду (от 65 до 85 г), и смесь перемешивали с образованием водной суспензии, после чего добавляли при перемешивании тетрагидрат гептамолибдата аммония (2,15 г в 9 г деионизированной воды). Указанную суспензию высушивали при 165°C и прокаливали при 510°C в течение 4 часов. Прокаленные катализаторы измельчали и просеивали, получая частицы с размерами от 18 до 40 меш (1-0,42 мм) для каталитических исследований. Данные исследований полученных в увеличенном масштабе цеолитов типа ZSM-5 и катализаторов представлены в таблице II. Цеолиты типа ZSM-5 обозначены номерами от 1 до 10, и полученные из них катализаторы Mo-ZSM-5/диоксид кремния обозначены буквой "C" после номера соответствующего цеолита ZSM-5.
-1
2
[00040] Исследования катализаторов типа Mo-ZSM-5/диоксид кремния в экспериментальной установке, содержащей реактор с неподвижным слоем, осуществляли при начальных условиях температуры 700°F (371°C), манометрического давления 220 фунтов на квадратный дюйм (1518 кПа), молярного соотношения водорода и углеводородов 1,7 и скорости подачи (WHSV) исходной смеси углеводородов 15,9 ч. Исходная смесь углеводородов (HC) содержала 9 мас.% этилбензола (EB), 10 мас.% п-ксилола (pX), 53 мас.% м-ксилола (mX), 25 мас.% о-ксилола (oX), 1 мас.% толуола и 0,5 мас.% бензола. Катализаторы исследовали в вышеупомянутых условиях в течение суток. Если степени превращения EB не составляли приблизительно 30%, скорости подачи HC и H регулировали, чтобы получить степень превращения EB, составляющую приблизительно 30% (от 27 до 33%), и исследования продолжали в течение 1-2 следующих суток. Результаты указанных исследований представлены в таблице III.
Таблица I. Маломасштабное получение цеолитов типа ZSM-5 и аналитические данные
ZSM-5
Алюминат натрия, используемый в получении (г)
Целевое содержание Al в продукте ZSM-5 (мас.%)
Фактическое содержание Al в продукте ZSM-5 согласно ICP (мас.%)
Содержание Na в продукте ZSM-5 согласно ICP (частей на миллион)
Степень кристалличности согласно XRD* (%)
A
0,20
0,5
0,54
162
94
В
0,20
0,5
0,50
145
97
D
0,30
0,75
0,74
682
26
E
0,35
0,88
0,91
834
27
F
0,40
1,0
1,01
251
95
*Степень кристалличности по XRD по отношению к эталонному цеолиту ZSM-5
Таблица II. Крупномасштабное получение цеолитов ZSM-5 и катализаторов и аналитические данные
Катализатор ZSM-5 или Mo-ZSM-5/диоксид кремния
Al, мас.%
Na, частей на миллион
Степень кристалличности согласно XRD*
Mo, мас.%
1
0,61
485
102%
-
1С
382
58%
2,8
2
0,72
467
102%
-
363
58%
2,7
3
0,69
433
100%
388
58%
3,0
4
0,69
399
97%
4C
363
56%
3,0
5
0,69
301
101%
285
59%
2,3
6
0,77
215
95%
203
57%
2,5
7
0,82
244
84%
-
246
48%
3,2
8
0,88
293
97%
-
268
53%
3,0
9
0,85
230
97%
-
193
57%
2,3
10
1,03
493
103%
-
405
59%
2,8
*Степень кристалличности по XRD по отношению к эталонному цеолиту ZSM-5
Таблица III. Результаты исследования катализаторов типа Mo-ZSM-5/диоксид кремния в экспериментальной установке
2
Условия: реактор с неподвижным слоем, эксперименты в течение 2-4 суток, температура 700°F (371°C), манометрическое давление 220 фунтов на квадратный дюйм (1518 кПа), молярное соотношение H/HC 1,7.
Катализатор
Al в цеолите ZSM-5 (мас.%)
Продолжительность эксперимента в потоке, суток
WHSV HC (1/ч)
Степень превращения EB (EBC) (%)
Потеря ксилола (%)
Соотношение EBC и потери ксилола
1С
0,61
0,7
15,9
29,9
0,47
64
1,7
15,9
29,9
0,47
64
0,72
0,7
15,9
30,4
0,44
68
2,4
18,0
27,2
0,37
73
3,4
18,0
27,6
0,37
75
2C (второе исследование)
0,72
0,6
15,9
30,6
0,48
64
1,6
18,5
28,2
0,41
68
2,6
18,5
28,4
0,41
70
3,6
18,5
28,4
0,42
68
0,69
0,7
20
30,4
0,43
71
1,7
19
30,3
0,38
80
2,7
20,6
28,3
0,30
95
0,69
0,7
15,9
32,7
0,59
55
1,7
18,9
28,2
0,44
65
2,7
19,0
28,6
0,43
66
0,69
1,7
18
27,6
0,34
82
2,7
18
28,7
0,35
82
3,7
18,3
28,5
0,36
79
6С
0,77
0,7
15,9
31,9
0,58
55
1,7
19
29,4
0,51
57
2,7
20,5
28,3
0,47
61
0,82
1,8
22,5
27,7
0,97
29
0,88
1,7
22,5
28,4
0,73
39
0,85
1,7
25,0
27,3
0,82
33
1,03
1,7
26,8
30,3
0,75
40
2,0
26,8
30,0
0,72
42