CN106278801A - 侧链烷基化生产乙苯、苯乙烯的方法 - Google Patents

侧链烷基化生产乙苯、苯乙烯的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种侧链烷基化生产乙苯、苯乙烯的方法，主要解决现有技术存在催化剂失活快、稳定性差的问题。本发明通过采用以甲苯和甲醇为原料，在足以使原料发生侧链烷基化反应的条件下，使原料与催化剂接触得到乙苯和苯乙烯；所述催化剂以重量份数计包括：a)98～99.5份颗粒尺寸为20～900纳米的X分子筛；b)0.5～2份选自铕、钆、镱或镥中的至少一种助剂的技术方案较好地解决了该问题，可用于甲苯甲醇侧链烷基化制备乙苯及苯乙烯的工业生产中。

Description

侧链烷基化生产乙苯、苯乙烯的方法
技术领域
本发明涉及一种侧链烷基化生产乙苯、苯乙烯的方法。
背景技术
苯乙烯单体是一种重要的有机化工原料，主要用于聚苯乙烯、ABS树脂、丁苯橡胶、不饱和树脂等产品的生产。此外，还可用于制药、染料或制取农药乳化剂以及选矿剂等，用途十分广泛。苯乙烯系列树脂的产量在合成树脂中仅次于PE、PVC而名列第三。目前大部分工业苯乙烯是由苯和乙烯经Friedel-Craft反应生成乙苯，再经催化脱氢得来。该法流程较长、副反应多、能耗高，原料成本占生产可变成本的85％，生产成本较高。甲苯和甲醇烷基化是生产苯乙烯的一条有潜在应用前景的路线。1967年Sidorenko等首次用碱金属离子交换的X型和Y型沸石为催化剂成功由甲苯和甲醇合成了乙苯以及苯乙烯。与传统工艺相比，此方法具有原料来源广、成本低、能耗低、污染少等优点。因而该反应一经报道就受到了人们的重视，有关这方面的研究也开始增多。
甲苯甲醇侧链烷基化反应在多种催化剂上曾进行了广泛的研究。许多分子筛如X、Y、L、β、ZSM-5，以及一些碱性氧化物如MgO、MgO-TiO2、和CaO-TiO2都被报道研究应用于催化甲苯甲醇侧链烷基化的反应中，如JOURNAL OF CATALYSIS 173,490–500(1998)和CN101623649A、CN101623650A。研究结果发现，要想达到较好的侧链烷基化催化效果，催化剂必须满足下面四点要求：催化剂必须要有足够的碱性中心活化甲醇转变为甲基化试剂甲醛；要有弱的Lewis酸中心来稳定甲苯和极化其甲基；甲苯和甲醇在催化剂上要有一个很好的化学计量的吸附平衡；催化剂须具有微孔孔道结构。因此，对一些沸石催化活性的研究结果表明，碱金属阳离子交换的X型沸石是相对有效的催化剂。Y型沸石的反应活性次于X型沸石。而其它如L、β、ZSM-5型等沸石的反应活性都不理想，而一些没有微孔结构的碱性氧化物，如MgO、MgO-TiO2和CaO-TiO2等只有很低的活性。虽然X和Y分子筛催化剂是活性较高的催化材料，但是X和Y分子筛是属于硅铝比较低的分子筛，在反应过程中存在分子筛催化剂容易脱铝，催化剂容易失活的缺点。因此，怎样解决这类催化剂的稳定性问题成为甲苯甲醇制备乙苯苯乙烯的关键所在。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术存在催化剂失活快、稳定性差的问题，提供一种新的侧链烷基化生产乙苯、苯乙烯的方法。该方法具有甲醇利用率高，催化剂稳定性好的特点。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：一种侧链烷基化生产乙苯、苯乙烯的方法，以甲苯和甲醇为原料，在足以使原料发生侧链烷基化反应的条件下，使原料与催化剂接触得到乙苯和苯乙烯；所述催化剂以重量份数计包括：
a)98～99.5份颗粒尺寸为20～900纳米的X分子筛；
b)0.5～2份选自铕、钆、镱或镥中的至少一种助剂。
上述技术方案中，优选地，所述催化剂的颗粒尺寸为50～700纳米。
上述技术方案中，优选地，所述催化剂的颗粒尺寸为80～500纳米。
上述技术方案中，优选地，所述催化剂的颗粒尺寸为80～250纳米。
上述技术方案中，优选地，所述X分子筛SiO2/Al2O3为2～3。
上述技术方案中，优选地，所述X分子筛是使X分子筛与碱金属离子源接触而进行离子交换的方法而得到的；所述方法包括使纳米X分子筛与钾离子源、铷离子源或铯离子源中的至少一种至少接触一次的步骤。更优选地，所述方法包括使纳米X分子筛与钾离子源、铷离子源或铯离子源中的至少两种分别至少接触一次的步骤。最优选地，所述方法包括使纳米X分子筛与钾离子源、铷离子源和铯离子源分别至少接触一次的步骤。特别优选地，所述方法包括使纳米X分子筛依次与钾离子源、铷离子源和铯离子源分别至少接触一次的步骤。
上述技术方案中，优选地，所述足以使原料发生侧链烷基化反应的条件为：甲苯与甲醇摩尔比为(2～7):1，反应温度为350～500℃，反应压力为0～0.5MP，原料重量空速为1～8小时-1。
本发明方法中，作为所述离子源，比如可以举出这些碱金属的氢氧化物、无机酸盐(比如卤化物盐、硝酸盐等)和有机酸盐(比如醋酸盐等)等，并没有特别的限定。对所述分子筛与所述碱金属离子源接触而进行离子交换的方式没有特别的限定，可以按照本领域常规的方式进行。例如，温度为50～90℃，每次接触时间为1～3小时，液固重量比为5～10。
本发明方法中，使稀土元素负载于纳米X分子筛上的方式是为本领域内所熟知的浸渍法，使用含铕、钆、镱或镥的盐溶液将铕、钆、镱或镥元素负载到X分子筛上。浸渍温度为40～80℃之间，浸渍时间为3～8小时。
本发明方法的评价可以在固定床连续流动反应器中进行，其过程简述如下：取所需量的催化剂放入反应器的恒温区，催化剂下部用石英砂填充。在设定的温度、压力下，将甲苯和甲醇混合，用微量泵送到预热器与氮气混合气化后进入反应器上端，流经催化剂床层进行催化反应，反应产物直接用阀进样进入气相色谱进行分析。
催化剂的活性和选择性按照以下公式进行计算：
本发明方法选用纳米X型分子筛为催化剂材料，有利于反应分子在分子筛催化剂孔道中的扩散，减少了甲醇的分解，从而有效提高了甲醇利用率；将铕、钆、镱或镥元素负载到催化剂上，能大大提高催化剂稳定性。另外，按照离子半径增大的顺序(钾、铷、铯)，用含钾、铷、铯的溶液连续分步对纳米X分子筛依次进行离子交换，提高了离子交换度，大大提高了催化效果。采用本发明方法，在甲苯与甲醇摩尔比为5∶1，反应温度为425℃，反应压力为常压，原料重量空速为2.5小时-1的条件下反应，甲醇利用率可以高达37％，乙苯苯乙烯总选择性可达97％；催化剂稳定性可以保持200小时活性不变，取得了较好的技术效果。
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述。
具体实施方式
【实施例1】
将氢氧化钠溶于蒸馏水中，再将铝酸钠加入到氢氧化钠溶液中，搅拌至澄清。然后将硅溶胶加入到上述溶液中，混合物中各物质的摩尔比为n(Na2O):n(SiO2):n(Al2O3):n(H2O)＝2.92:2:1:96。加入完毕后搅拌，最后放入带有聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，在80℃水浴超声晶化2.5小时，合成产物经过滤洗涤得到纳米X分子筛。合成纳米X分子筛的SiO2/Al2O3比为2.10，平均颗粒尺寸为800nm。
取上述纳米X分子筛，用KNO3溶液、RbNO3溶液和CsNO3溶液依次进行离子交换，过滤后100℃干燥10小时。交换后，催化剂中碱金属离子交换分子筛中钠离子的离子交换度为85％以上。(离子交换度采用ICP法进行测量)。然后将硝酸铕配成溶液，将铕浸渍到上述改性分子筛材料上。负载后催化剂中铕的含量为1％。
将上述得到的催化剂压片成型40～60目的颗粒催化剂，装入反应器，在常压、甲苯甲醇摩尔比为5、在2.5小时-1的液体空速、425℃、N2流速为10毫升/分钟的条件下进行活性评价。
结果：甲醇利用率36.1％，乙苯苯乙烯总选择性96.6％，反应200小时不失活。
【实施例2】
将氢氧化钠溶于蒸馏水中，再将铝酸钠加入到氢氧化钠溶液中，搅拌至澄清。然后将硅溶胶加入到上述溶液中，混合物中各物质的摩尔比为n(Na2O):n(SiO2):n(Al2O3):n(H2O)＝3.57:2:1:96。加入完毕后搅拌，最后放入带有聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，在80℃水浴超声晶化2.5小时，合成产物经过滤洗涤得到纳米X分子筛。合成纳米X分子筛的SiO2/Al2O3比为2.07，平均颗粒尺寸为650nm。
取上述纳米X分子筛，用KNO3溶液、RbNO3溶液和CsNO3溶液依次进行离子交换，过滤后100℃干燥10小时。交换后，催化剂中碱金属离子交换分子筛中钠离子的离子交换度为85％以上。然后将硝酸铕配成溶液，将铕浸渍到上述改性分子筛材料上。负载后催化剂铕的含量为1％。
将上述得到的催化剂压片成型40～60目的颗粒催化剂，装入反应器，在常压、甲苯甲醇摩尔比为5、在2.5小时-1的液体空速、425℃、N2流速为10毫升/分钟的条件下进行活性评价。
结果：甲醇利用率36.3％，乙苯苯乙烯总选择性97.4％，反应200小时不失活。
【实施例3】
将氢氧化钠溶于蒸馏水中，再将铝酸钠加入到氢氧化钠溶液中，搅拌至澄清。然后将硅溶胶加入到上述溶液中，混合物中各物质的摩尔比为n(Na2O):n(SiO2):n(Al2O3):n(H2O)＝4.71:2:1:96。加入完毕后搅拌，最后放入带有聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，在80℃水浴超声晶化2.5小时，合成产物经过滤洗涤得到纳米X分子筛。合成纳米X分子筛的SiO2/Al2O3比为2.12，平均颗粒尺寸为400nm。
取上述纳米X分子筛，用KNO3溶液、RbNO3溶液和CsNO3溶液依次进行离子交换，过滤后100℃干燥10小时。交换后，催化剂中碱金属离子交换分子筛中钠离子的离子交换度为85％以上。然后将硝酸铕配成溶液，将铕浸渍到上述改性分子筛材料上。负载后催化剂铕的含量为1％。
将上述得到的催化剂压片成型40～60目的颗粒催化剂，装入反应器，在常压、甲苯甲醇摩尔比为5、在2.5小时-1的液体空速、425℃、N2流速为10毫升/分钟的条件下进行活性评价。
结果：甲醇利用率36.4％，乙苯苯乙烯总选择性97.5％，反应200小时不失活。
【实施例4】
将氢氧化钠溶于蒸馏水中，再将铝酸钠加入到氢氧化钠溶液中，搅拌至澄清。然后将硅溶胶加入到上述溶液中，混合物中各物质的摩尔比为n(Na2O):n(SiO2):n(Al2O3):n(H2O)＝5.85:2.8:1:105。加入完毕后搅拌，最后放入带有聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，在80℃水浴超声晶化2.5小时，合成产物经过滤洗涤得到纳米X分子筛。合成纳米X分子筛的SiO2/Al2O3比为2.88，平均颗粒尺寸为250nm。
取上述纳米X分子筛，用KNO3溶液、RbNO3溶液和CsNO3溶液依次进行离子交换，过滤后100℃干燥10小时。交换后，催化剂中碱金属离子交换分子筛中钠离子的离子交换度为85％以上。然后将硝酸铕配成溶液，将铕浸渍到上述改性分子筛材料上。负载后催化剂铕的含量为1％。
将上述得到的催化剂压片成型40～60目的颗粒催化剂，装入反应器，在常压、甲苯甲醇摩尔比为5、在2.5小时-1的液体空速、425℃、N2流速为10毫升/分钟的条件下进行活性评价。
结果：甲醇利用率37.2％，乙苯苯乙烯总选择性97.2％，反应200小时不失活。
【实施例5】
将氢氧化钠溶于蒸馏水中，再取铝酸钠加入到氢氧化钠溶液中，搅拌至澄清。然后将硅溶胶加入到上述溶液中，混合物中各物质的摩尔比为n(Na2O):n(SiO2):n(Al2O3):n(H2O)＝5.85:2:1:105。加入完毕后搅拌，最后放入带有聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，在80℃水浴超声晶化2.5小时，合成产物经过滤洗涤得到纳米X分子筛。合成纳米X分子筛的SiO2/Al2O3比为2.10，平均颗粒尺寸为120nm。
取上述纳米X分子筛，用KNO3溶液、RbNO3溶液和CsNO3溶液依次进行离子交换，过滤后100℃干燥10小时。交换后，催化剂中碱金属离子交换分子筛中钠离子的离子交换度为85％以上。然后将硝酸铕配成溶液，将铕浸渍到上述改性分子筛材料上。负载后催化剂铕的含量为1％。
将上述得到的催化剂压片成型40～60目的颗粒催化剂，装入反应器，在常压、甲苯甲醇摩尔比为5、在2.5小时-1的液体空速、425℃、N2流速为10毫升/分钟的条件下进行活性评价。
结果：甲醇利用率38.9％，乙苯苯乙烯总选择性97％，反应200小时不失活。
【实施例6】
将氢氧化钠溶于蒸馏水中，再将铝酸钠加入到氢氧化钠溶液中，搅拌至澄清。然后将硅溶胶加入到上述溶液中，混合物中各物质的摩尔比为n(Na2O):n(SiO2):n(Al2O3):n(H2O)＝5.85:2.25:1:105。加入完毕后搅拌，最后放入带有聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，在80℃水浴超声晶化2.5小时，合成产物经过滤洗涤得到纳米X分子筛。合成纳米X分子筛的SiO2/Al2O3比为2.31，平均颗粒尺寸为85nm。
取上述纳米X分子筛，用KNO3溶液、RbNO3溶液和CsNO3溶液依次进行离子交换，过滤后100℃干燥10小时。交换后，催化剂中碱金属离子交换分子筛中钠离子的离子交换度为85％以上。然后将硝酸铕配成溶液，将铕浸渍到上述改性分子筛材料上。负载后催化剂硼的含量为0.5％，磷的含量为0.8％，铕的含量为1％。
将上述得到的催化剂压片成型40～60目的颗粒催化剂，装入反应器，在常压、甲苯甲醇摩尔比为5、在2.5小时-1的液体空速、425℃、N2流速为10毫升/分钟的条件下进行活性评价。
结果：甲醇利用率40.5％，乙苯苯乙烯总选择性97.2％，反应200小时不失活。
【实施例7】
取【实施例6】中的纳米X分子筛，用KNO3溶液、RbNO3溶液和CsNO3溶液依次进行离子交换，过滤后100℃干燥10小时。交换后，催化剂中碱金属离子交换分子筛中钠离子的离子交换度为85％以上。然后将硝酸镱配成溶液，将镱浸渍到上述改性分子筛材料上。负载后催化剂镱的含量为1％。
将上述得到的催化剂压片成型40～60目的颗粒催化剂，装入反应器，在常压、甲苯甲醇摩尔比为5、在2.5小时-1的液体空速、425℃、N2流速为10毫升/分钟的条件下进行活性评价。
结果：甲醇利用率39.8％，乙苯苯乙烯总选择性97％，反应200小时不失活。
【实施例8】
取【实施例6】中的纳米X分子筛，用KNO3溶液、RbNO3溶液和CsNO3溶液依次进行离子交换，过滤后100℃干燥10小时。交换后，催化剂中碱金属离子交换分子筛中钠离子的离子交换度为85％以上。然后将硝酸钆配成溶液，将钆浸渍到上述改性分子筛材料上。负载后催化剂钆的含量为1％。
将上述得到的催化剂压片成型40～60目的颗粒催化剂，装入反应器，在常压、甲苯甲醇摩尔比为5、在2.5小时-1的液体空速、425℃、N2流速为10毫升/分钟的条件下进行活性评价。
结果：甲醇利用率40.1％，乙苯苯乙烯总选择性97.8％，反应200小时不失活。
【实施例9】
取【实施例6】中的纳米X分子筛，用KNO3溶液、RbNO3溶液和CsNO3溶液依次进行离子交换，过滤后100℃干燥10小时。交换后，催化剂中碱金属离子交换分子筛中钠离子的离子交换度为85％以上。然后将硝酸镥配成溶液，将镥浸渍到上述改性分子筛材料上。负载后催化剂镥的含量为1％。
将上述得到的催化剂压片成型40～60目的颗粒催化剂，装入反应器，在常压、甲苯甲醇摩尔比为5、在2.5小时-1的液体空速、425℃、N2流速为10毫升/分钟的条件下进行活性评价。
结果：甲醇利用率39.2％，乙苯苯乙烯总选择性97.8％，反应200小时不失活。
【比较例1】
取硅铝比SiO2/Al2O3＝2.1的普通X分子筛(颗粒尺寸为3-5μm)，用KNO3溶液、RbNO3溶液和CsNO3溶液依次进行离子交换，过滤后100℃干燥10小时。交换后，催化剂中碱金属离子交换分子筛中钠离子的离子交换度为85％以上。(离子交换度采用ICP法进行测量)。然后将硝酸铕配成溶液，将铕浸渍到上述改性分子筛材料上。负载后催化剂中铕的含量为1％。
将上述得到的催化剂压片成型40～60目的颗粒催化剂，装入反应器，在常压、甲苯甲醇摩尔比为5、在2.5小时-1的液体空速、425℃、N2流速为10毫升/分钟的条件下进行活性评价。
结果：甲醇利用率33.8％，乙苯苯乙烯总选择性97.8％，反应200小时不失活。
【比较例2】
取硅铝比SiO2/Al2O3＝2.1的普通X分子筛(颗粒尺寸为3-5μm)，用KNO3溶液、RbNO3溶液和CsNO3溶液依次进行离子交换，过滤后100℃干燥10小时。交换后，催化剂中碱金属离子交换分子筛中钠离子的离子交换度为85％以上。然后将硝酸镱配成溶液，将镱浸渍到上述改性分子筛材料上。负载后催化剂镱的含量为1％。
将上述得到的催化剂压片成型40～60目的颗粒催化剂，装入反应器，在常压、甲苯甲醇摩尔比为5、在2.5小时-1的液体空速、425℃、N2流速为10毫升/分钟的条件下进行活性评价。
结果：甲醇利用率32.5％，乙苯苯乙烯总选择性97.8％，反应200小时不失活。
【比较例3】
取硅铝比SiO2/Al2O3＝2.1的普通X分子筛(颗粒尺寸为3-5μm)，用KNO3溶液、RbNO3溶液和CsNO3溶液依次进行离子交换，过滤后100℃干燥10小时。交换后，催化剂中碱金属离子交换分子筛中钠离子的离子交换度为85％以上。然后将硝酸钆配成溶液，将钆浸渍到上述改性分子筛材料上。负载后催化剂钆的含量为1％。
将上述得到的催化剂压片成型40～60目的颗粒催化剂，装入反应器，在常压、甲苯甲醇摩尔比为5、在2.5小时-1的液体空速、425℃、N2流速为10毫升/分钟的条件下进行活性评价。
结果：甲醇利用率32.7％，乙苯苯乙烯总选择性97.8％，反应200小时不失活。
【比较例4】
取硅铝比SiO2/Al2O3＝2.1的普通X分子筛(颗粒尺寸为3-5μm)，用KNO3溶液、RbNO3溶液和CsNO3溶液依次进行离子交换，过滤后100℃干燥10小时。交换后，催化剂中碱金属离子交换分子筛中钠离子的离子交换度为85％以上。然后将硝酸镥配成溶液，将镥浸渍到上述改性分子筛材料上。负载后催化剂镥的含量为1％。
将上述得到的催化剂压片成型40～60目的颗粒催化剂，装入反应器，在常压、甲苯甲醇摩尔比为5、在2.5小时-1的液体空速、425℃、N2流速为10毫升/分钟的条件下进行活性评价.
结果：甲醇利用率32.2％，乙苯苯乙烯总选择性97.8％，反应200小时不失活。

Claims (10)

1.一种侧链烷基化生产乙苯、苯乙烯的方法，以甲苯和甲醇为原料，在足以使原料发生侧链烷基化反应的条件下，使原料与催化剂接触得到乙苯和苯乙烯；所述催化剂以重量份数计包括：
a)98～99.5份颗粒尺寸为20～900纳米的X分子筛；
b)0.5～2份选自铕、钆、镱或镥中的至少一种助剂。
2.根据权利要求1所述侧链烷基化生产乙苯、苯乙烯的方法，其特征在于所述催化剂的颗粒尺寸为50～700纳米。
3.根据权利要求2所述侧链烷基化生产乙苯、苯乙烯的方法，其特征在于所述催化剂的颗粒尺寸为80～500纳米。
4.根据权利要求3所述侧链烷基化生产乙苯、苯乙烯的方法，其特征在于所述催化剂的颗粒尺寸为80～250纳米。
5.根据权利要求1所述侧链烷基化生产乙苯、苯乙烯的方法，其特征在于所述X分子筛SiO2/Al2O3为2～3。
6.根据权利要求1所述侧链烷基化生产乙苯、苯乙烯的方法，其特征在于所述X分子筛是使X分子筛与碱金属离子源接触而进行离子交换的方法而得到的；所述方法包括使纳米X分子筛与钾离子源、铷离子源或铯离子源中的至少一种至少接触一次的步骤。
7.根据权利要求6所述侧链烷基化生产乙苯、苯乙烯的方法，其特征在于所述方法包括使纳米X分子筛与钾离子源、铷离子源或铯离子源中的至少两种分别至少接触一次的步骤。
8.根据权利要求7所述侧链烷基化生产乙苯、苯乙烯的方法，其特征在于所述方法包括使纳米X分子筛与钾离子源、铷离子源和铯离子源分别至少接触一次的步骤。
9.根据权利要求8所述侧链烷基化生产乙苯、苯乙烯的方法，其特征在于所述方法包括使纳米X分子筛依次与钾离子源、铷离子源和铯离子源分别至少接触一次的步骤。
10.根据权利要求1所述侧链烷基化生产乙苯、苯乙烯的方法，其特征在于所述足以使原料发生侧链烷基化反应的条件为：甲苯与甲醇摩尔比为(2～7):1，反应温度为350～500℃，反应压力为0～0.5MP，原料重量空速为1～8小时-1。
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