制备分子筛流化床催化剂的方法

制备分子筛流化床催化剂的方法
【专利摘要】本发明涉及一种制备分子筛流化床催化剂的方法，主要用于解决现有技术中催化剂中的分子筛结晶度较低、用于含氧化合物制低碳烯烃催化反应活性较差的问题。本发明通过采用包括以下步骤：(a)将含有硅源、铝源、磷源的原料与水混合；(b)加入粘结剂形成悬浮液；(c)高速剪切悬浮液后通过喷雾干燥法得到硅磷铝氧化物微球，高温焙烧微球；(d)将微球、水、模板剂、氟化物投入晶化釜，采用水热合成法在微球表面和体相产生分子筛；(e)焙烧微球得到成品催化剂的技术方案，较好的解决了该问题，可应用于含氧化合物制低碳烯烃的反应过程中。
【专利说明】制备分子筛流化床催化剂的方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种制备分子筛流化床催化剂的方法，特别是关于一种用于含氧化合 物制低碳烯烃的分子筛流化床催化剂的制备方法。

【背景技术】
[0002] 乙烯和丙烯可用于生产塑料和其他化工产品，是重要的有机化工原料，随着现代 社会的进步和发展，其需求量越来越大。目前世界上98%以上的乙烯产量来自于蒸汽裂解 技术，丙烯生产主要以蒸汽裂解生产乙烯的联产品和炼油厂催化裂化的副产品两种形式获 得。由于石油需求的持续增长、产能增长有限以及石油资源的不可再生性，近年来原油价格 上升趋势，使乙烯、丙烯的生产成本随之上升，并且已探明石油资源按现有生产水平仅可开 采将近50年，开发非常规石油资源利用技术已迫在眉睫。
[0003] 甲醇是一种常见的大宗化工原料，可由煤炭、天然气、生物质、固体废物等作为原 料来生产，原料来源非常广泛。天然气等原料通过部分氧化法或蒸汽转化法得到合成气 (CCHH2)，然后在合成甲醇催化剂（如铜/锌氧化物催化剂）的作用下，在合成反应器中转化 得到甲醇。天然气或煤经合成气生产甲醇已实现工业化，规模不断扩大、技术日臻完善。非 石油资源如天然气资源相对丰富，尽管以很高的消费速度增长，但世界范围内的天然气供 应仍可保证100多年。因此，在未来几十年里，世界范围内的能源结构将发生重大变化。从 能源结构的多元化和可持续供应能力考虑，天然气等非常规石油资源利用正越来越受到重 视。
[0004] 含氧化合物尤其是醇，能够转化成低碳烯烃。优选的转化过程泛指含氧化合 物-到-烯烃（OTO)反应过程，一种特别优选的OTO工艺是甲醇-到-烯烃（MTO)反应过 程，其中甲醇在分子筛催化剂存在下主要地转化为乙烯和/或丙烯。天然气或煤经合成气 生产甲醇已实现工业化，规模不断扩大、技术日臻完善。甲醇制烯烃（MethanoltoOlefin， 简称ΜΤ0)技术，作为由煤炭或天然气生产基本有机化工原料的新工艺路线，是最有希望取 代或部分替代石脑油作为原料制取烯烃的路线，也是实现煤化工或天然气化工向石油化工 延伸发展的有效途径。这种方法可以较大范围调节产品比例，以满足市场的需求。开发甲 醇制烯烃技术，对确保国家能源安全，经济快速、可持续发展具有深远意义。
[0005] 甲醇制烯烃过程，需要在分子筛择形催化的作用下进行。很多分子筛均可用于甲 醇制烯烃的催化剂活性组分，比如广为人知的ZSM-5分子筛、SAPO分子筛等。其他可用于 甲醇制烯烃反应的分子筛有T沸石、ZK-5、毛沸石和菱沸石等。到目前为止，应用于甲醇制 烯烃反应过程的分子筛以SAP0-34分子筛性能最佳，SAP0-34分子筛是一种磷酸硅铝微孔 晶体，结构类似于菱沸石，属于三方晶系，具有三维孔道结构，其孔口直径为〇. 43nm，具有强 择形性，因而用于甲醇制烯烃反应时表现的性能良好，低碳烯烃的选择性较高。
[0006] 分子筛应用于工业催化时，一般不能采用100%的分子筛制备成催化剂应用于工 业过程。分子筛的自身粘结性比较差，自身粒度过于细小，难于成型为直接应用于工业过程 的催化剂。分子筛的制造成本一般比较高，如果采用100%的分子筛作为工业催化剂，将使 得工业过程的运作成本增加。工业过程一般要求催化剂具备一定的形状和强度以适应于工 业反应器。对于固定床反应器，催化剂在安装之后无需移动，但催化剂需具备一定的抗压碎 强度，以防止在装剂过程中催化剂受冲击而破损，并防止安装在下层的催化剂由于承受压 力而破损。对于流化床反应器，由于催化剂本身在反应器中不断循环流动或者湍动，故而催 化剂除了需要有良好的活性和选择性外，也要具有一定的球形度、良好的粒度分布、堆比等 各种物理性质。因此，无论是将分子筛应用于固定床反应器，还是应用于流化床反应器，均 需将分子筛和载体材料通过粘结剂的作用形成分子筛催化剂组合物；这种分子筛组合物同 时可兼具催化活性、选择性、稳定性、形状和强度，从而满足工业过程对催化剂的要求。
[0007] 目前来看，应用于含氧化合物制低碳烯烃反应的流化床催化剂的主要制备方法是 将分子筛、基质、粘结剂及结构助剂充分混合后制成均匀浆料，再通过压力喷雾、离心喷雾 等干燥手段进行成型。CN200810043249. 5报道了一种将分子筛、粘结剂、载体材料混合喷 雾制备成流化床催化剂的方法；CN1132533A报道了用于甲醇转化低碳烯烃的耐磨催化剂 的制备，通过降低催化剂中分子筛的含量提高了催化剂的耐磨效果。CN200810043248. 0报 道了一种通过控制配料工艺增强分子筛流化床催化剂磨耗的方法。USP5248647报道了将 SAP0-34分子筛、高岭土、硅溶胶制成浆料，喷雾成型制得流化床催化剂的办法。USP6153552 报道了一种含SAPO分子筛的微球催化剂制备方法，将SAPO分子筛、无机氧化物溶胶、含磷 化合物混合打浆后喷雾成型。
[0008]在合成液中加入氟化物通过水热晶化原位合成得到的分子筛流化床催化剂具有 其独特优势，氟化物的存在可以促进分子筛在微球载体上的生长从而提高催化剂的催化性 能。同时，采用这种方法制备的催化剂由于球体内孔道丰富而有利于扩散，能提高含氧化合 物制低碳烯烃的选择性；另一方面，由于分子筛与基体由化学键结合，其球体的耐磨强度也 将得到提高。有关原位合成法制备流化床催化剂应用于含氧化合物制低碳烯烃反应的报道 较少，专利CN101157057B也有涉及此类制备方法，但是其制备的分子筛流化床催化剂结晶 度较低、用于含氧化合物制低碳烯烃催化反应活性较差。


【发明内容】

[0009]本发明需要解决现有文献中报道的利用原位合成法制备分子筛流化床催化剂中 分子筛结晶度较低，用于含氧化合物转化制低碳烯烃时活性较低的技术问题，提供一种新 的利用原位合成法制备分子筛流化床催化剂的方法。该方法具有制得的流化床催化剂的分 子筛结晶度高，用于含氧化合物转化制低碳烯烃时活性高的优点。
[0010] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种制备分子筛流化床催 化剂的方法，包括以下步骤： (a) 将硅源、铝源、磷源与水混合，形成原料混合液；所述的原料混合液中各氧化物的 摩尔比组成为：Al2O3 :aSi02 :bP205，其中a的取值范围为0.05?5，b的取值范围为 0. 05 ?5 ; (b) 加入粘结剂形成浆料的悬浮液，粘结剂用量和浆料的重量比例为：粘结剂/浆料 =0. 001?0. 4 ;剪切悬浮液直至悬浮液中90%的颗粒尺度小于8微米； (c) 喷雾干燥悬浮液，得到硅磷铝氧化物微球，再把得到的微球进行焙烧，得到硅磷铝 氧化物微球I，焙烧温度Tl为300?1000°C; (d)将微球I与水、模板剂、氟化物混合，投入晶化釜进行水热晶化，得到微球II，其 中，晶化温度为120?220°C，晶化时间6?72小时；上述微球I与水、模板剂、氟化物的重 量组成为：水：c模板剂：d微球I:e氟化物，其中c的取值范围为0. 01?10,d的取值范 围为0. 01?I;e的取值范围为0. 0001?0. 1; (e)焙烧微球II，得到成品催化剂，焙烧温度T2为300?1000°C。
[0011] 上述技术方案中，催化剂中的分子筛优选方案为SAP0-5、SAP0-11、SAP0-17、 SAP0-18、SAP0-34、SAPO-44、SAP0-47、SAP0-56中的至少一种；氟化物优选方案为氢氟酸； 磷源优选方案为正磷酸、磷酸氢铵、磷酸二氢铵、有机磷化物、磷氧化物中的至少一种；铝源 优选方案为活性氧化铝、拟薄水铝石、异丙醇铝、高岭土、铝盐中的至少一种；硅源优选方案 为硅溶胶、活性二氧化硅、正硅酸乙酯、高岭土中的至少一种；粘结剂优选方案为选自硅溶 胶、铝溶胶、硅铝溶胶中的至少一种；模板剂优选方案为选自二乙胺、三乙胺、正丙胺、异丙 胺、三正丙胺、三异丙胺、二正丙胺、二异丙胺、四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢 氧化铵、1，6-己二胺、环己胺、吗啉、乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺中的至少一种；晶化时间 优选范围为12?48小时；晶化温度优选范围为150?200°C。优选的技术方案为：成品催 化剂中的分子筛存在于催化剂微球的表面和体相。
[0012] 根据权利要求1所述的制备分子筛流化床催化剂的方法，其特征在于焙烧温度Tl 为300?600°C;焙烧温度T2为400?800°C。优选的技术方案为：成品催化剂中，存在于催 化剂微球表面的分子筛占催化剂重量的5-10%。优选的技术方案为：a的取值范围为0. 1? 3，b的取值范围为0. 1?3 ;c的取值范围为0. 1?5,d的取值范围为0. 1?0. 5 ;e的取值 范围为0. 01?0. 1。
[0013] 上述技术方案中分子筛存在于成品催化剂微球的表面和体相。所制得的成品催化 剂可应用于含氧化合物制低碳烯烃的反应过程。
[0014] 将所制得的催化剂置于OlOmmXlmm的不锈钢管制成的固定床反应器上进行甲 醇制烯烃反应的评价，内装催化剂2. 0克，进料为纯甲醇，反应温度为400?500°C，反应空 速为2?10克甲醇/克催化剂·小时。
[0015] 本发明通过将氟化物引入到原位合成法制备分子筛流化床催化剂工艺中，提高了 分子筛流化床催化剂中分子筛的结晶度，将其作为催化剂用于含氧化合物转化制低碳烯烃 时活性得到提高，甲醇转化率接近100%，乙烯与丙烯的收率可以达到84. 1%，取得了较好 的技术效果。
[0016] 下面通过实施例对本发明作进一步阐述。

【具体实施方式】[0017]【比较例1】 按照氧化物干基含量30wt%配取浆料，将计量的正磷酸(含量85wt%)、拟薄水铝石(含 量70wt%)、正硅酸乙酯(含量30wt%)依次加入到去离子水中，此时加入各组分的摩尔比为 Al2O3 :P2O5 :SiO2=I:1:1. 25,搅拌IOmin后加入硅溶胶(含量30wt%)，硅溶胶占浆料总质 量的5%。继续搅拌IOmin后胶磨30min，用激光粒度仪测定此悬浮液的颗粒度，其平均粒 径小于3微米。
[0018] 将浆料用离心式喷雾干燥机进行喷雾干燥，喷雾条件为进风温度260°C，出风温度 140°C，所制得的磷硅铝氧化物小球用激光粒度仪测定其粒度，平均粒径为78微米。
[0019] 将所制得的磷硅铝氧化物小球投入马弗炉700°C高温焙烧5小时后投入带有聚四 氟乙烯内衬的晶化釜，再顺次加入水和吗啉，此时各组分的质量比为：磷硅铝氧化物小球： 水：吗啉=1 :10 :3。将晶化釜密封后投入烘箱，于180°C晶化18小时。晶化完成后进行洗涤、 干燥、焙烧。采用X-射线衍射光谱仪对样品进行分析，测得所合成催化剂上晶体为SAP0-34 分子筛，规定其相对结晶度为100%。
[0020] 【比较例2】 按照比较例1的各个步骤及条件，但是将反应釜内的模板剂吗啉换为三乙胺，最后得 到SAP0-34的结晶度为90. 2%。
[0021] 【实施例1】 按照氧化物干基含量30wt%配取浆料，将计量的正磷酸(含量85wt%)、拟薄水铝石(含 量70wt%)、正硅酸乙酯(含量30wt%)依次加入到去离子水中，此时加入各组分的摩尔比为 Al2O3 :P2O5 :SiO2=I:1:1. 25,搅拌IOmin后加入硅溶胶(含量30wt%)，硅溶胶占浆料总质 量的5%。继续搅拌IOmin后胶磨30min，用激光粒度仪测定此悬浮液的颗粒度，其平均粒 径小于3微米。
[0022] 将浆料用离心式喷雾干燥机进行喷雾干燥，喷雾条件为进风温度260°C，出风温度 140°C，所制得的磷硅铝氧化物小球用激光粒度仪测定其粒度，平均粒径为78微米。
[0023] 将所制得的磷硅铝氧化物小球投入马弗炉700°C高温焙烧5小时后投入带有聚四 氟乙烯内衬的晶化釜，再顺次加入水、吗啉、氢氟酸，此时各组分的质量比为：水：模板剂： 微球：氟化物=1 :〇. 3 :0. 1 :0. 005。将晶化釜密封后投入烘箱，于180°C晶化18小时，晶化 完成后进行洗涤、干燥、焙烧。采用X-射线衍射光谱仪对样品进行分析，测得所合成催化剂 上晶体为SAP0-34分子筛，测得其相对结晶度为125%。
[0024] 【实施例2】 按照实施例1的各个步骤及条件，但是将反应釜内的模板剂吗啉换为三乙胺，最后得 到SAP0-34的结晶度为109%。
[0025] 【实施例3】 按照实施例1的各个步骤及条件，但是将反应釜中各组分的比例调整为水：模板剂：微 球：氟化物=1 :〇. 3 :0. 1 :0. 003,最后得到SAP0-34的结晶度为122%。
[0026] 【实施例4】 按照实施例1的各个步骤及条件，但是将反应釜中水：〇. 3模板剂：0. 1微球：0. 007氟 化物，最后得到SAP0-34的结晶度为131%。
[0027] 【实施例5】 按照实施例4的各个步骤及条件，但是将反应釜内的模板剂吗啉换为四乙基氢氧化 铵，最后得到SAP0-34的结晶度为115%。
[0028] 【实施例6】 按照实施例1的各个步骤及条件，但是将反应时间调整为36小时，最后得到SAP0-34 的结晶度为105%。
[0029] 【实施例7】 将所制得的SAP0-34分子筛催化剂置于Φ10_XImm的不锈钢管制成的固定床反应器 上进行甲醇制烯烃反应的评价，内装SAP0-34分子筛催化剂2. 0克，进料为纯甲醇，反应温 度为460°C，反应空速6克甲醇/克催化剂?小时。反应产物经气液分离后进行色谱分析。 分析仪器为HP7890型气相色谱，Φ0. 53mmX0. 4μmX30mHP-Q毛细管柱，氢火焰离子化检 测器。结果如表1所示： 表1

【权利要求】
1. 一种制备分子筛流化床催化剂的方法，包括以下步骤： (a) 将硅源、铝源、磷源与水混合，形成原料混合液；所述的原料混合液中各氧化物的 摩尔比组成为：A120 3 : aSi02 : bP205，其中a的取值范围为0.05?5，b的取值范围为 0. 05 ?5 ; (b) 加入粘结剂形成浆料的悬浮液，粘结剂用量和浆料的重量比例为：粘结剂/浆料 =0. 001?0. 4 ;剪切悬浮液直至悬浮液中90%的颗粒尺度小于8微米； (c) 喷雾干燥悬浮液，得到硅磷铝氧化物微球，再把得到的微球进行焙烧，得到硅磷铝 氧化物微球I，焙烧温度T1为300?1000°C ; (d) 将微球I与水、模板剂、氟化物混合，投入晶化釜进行水热晶化，得到微球II，其 中，晶化温度为120?220°C，晶化时间6?72小时；上述微球I与水、模板剂、氟化物的重 量组成为：水：c模板剂：d微球I :e氟化物，其中c的取值范围为0. 01?10, d的取值范 围为0. 01?1 ;e的取值范围为0. 0001?0. 1; (e) 焙烧微球II，得到成品催化剂，焙烧温度T2为300?1000°C。
2. 根据权利要求1所述的制备分子筛流化床催化剂的方法，其特征在于成品催化剂中 的分子筛为 SAPO-5、SAPO-11、SAPO-17、SAPO-18、SAPO-34、SAPO-44、SAPO-47、SAPO-56 中 的至少一种。
3. 根据权利要求1所述的制备分子筛流化床催化剂的方法，其特征在于步骤（d)氟化 物为氢氟酸。
4. 根据权利要求1所述的制备分子筛流化床催化剂的方法，其特征在于步骤（a)磷 源为正磷酸、磷酸氢铵、磷酸二氢铵、有机磷化物、磷氧化物中的至少一种；铝源为活性氧化 铝、拟薄水铝石、异丙醇铝、高岭土、铝盐中的至少一种；硅源为硅溶胶、活性二氧化硅、正硅 酸乙酯、高岭土中的至少一种；粘结剂选自硅溶胶、铝溶胶、硅铝溶胶中的至少一种。
5. 根据权利要求1所述的制备分子筛流化床催化剂的方法，其特征在于模板剂为有机 胺，所述的有机胺选自二乙胺、三乙胺、正丙胺、异丙胺、三正丙胺、三异丙胺、二正丙胺、二 异丙胺、四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、1，6-己二胺、环己胺、吗啉、乙 醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺中的至少一种。
6. 根据权利要求1所述的制备分子筛流化床催化剂的方法，其特征在于晶化时间为 12?48小时，晶化温度为150?200°C。
7. 根据权利要求1所述的制备分子筛流化床催化剂的方法，其特征在于成品催化剂中 的分子筛存在于催化剂微球的表面和体相。
8. 根据权利要求1所述的制备分子筛流化床催化剂的方法，其特征在于焙烧温度T1 为300?600°C ;焙烧温度T2为400?800°C。
9. 根据权利要求7所述的制备分子筛流化床催化剂的方法，其特征在于成品催化剂 中，存在于催化剂微球表面的分子筛占催化剂重量的5-10%。
10. 根据权利要求1所述的制备分子筛流化床催化剂的方法，其特征在于a的取值范 围为0. 1?3, b的取值范围为0. 1?3 ;c的取值范围为0. 1?5, d的取值范围为0. 1? 〇. 5 ;e的取值范围为0. 01?0. 1。
【文档编号】C07C1/20GK104226364SQ201310237150
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月17日 优先权日:2013年6月17日
【发明者】王伟, 刘红星, 陆贤, 钱坤 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司上海石油化工研究院