本發(fā)明涉及一種Beta-SBA-16復合分子篩及其制備方法,以及該復合分子篩制成的催化劑載體,和該復合分子篩作為載體制得的加氫精制催化劑及其制備方法和應用,屬于催化劑技術領域。
背景技術:
隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展,車輛柴油化的趨勢正在加快,但同時,柴油尾氣當中的SOx、NOx和PM(顆粒物)所帶來的問題也日趨明顯,霧霾等嚴重的環(huán)境污染迫使環(huán)保法規(guī)日益嚴格,世界范圍內(nèi)柴油質(zhì)量升級步伐加快。美國自2006年6月開始把柴油中的硫含量降到15μg/g以下,芳烴質(zhì)量分數(shù)小于35%,十六烷指數(shù)大于40;歐洲國家從2009年開始執(zhí)行歐V排放標準,要求柴油中的硫含量低于10μg/g,十六烷值大于51;我國將于2017年1月1日起全面供應等同于歐V標準的國V柴油,低硫、低芳烴、高十六烷值的柴油成為煉油行業(yè)追求的目標,尤其是對硫含量的要求越來越嚴格。
目前,加氫技術仍是工業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)清潔柴油的最有效手段,盡管通過提高反應溫度、降低反應空速、增加反應器體積、降低餾分切割點等多種方式來提高脫硫深度,但提高反應溫度會增加能耗并縮短催化劑使用壽命,降低反應空速會降低處理量,改建或新建裝置則會增加投資,因此,高活性深度脫硫催化劑的開發(fā)成為解決問題的核心和最主要手段。
因此,在柴油加氫精制催化劑研發(fā)領域,世界各大研發(fā)機構(gòu)相繼采用新技術推出了一系列的高活性柴油深度脫硫催化劑:公司的“TK系列催化劑”、AKZO公司的“STARS和NEBULA催化劑技術”、Criterion公司的“CENTINEL加氫處理催化劑技術”、中國石化撫順石油研究院的“FHUDS系列催化劑”,中國石化石油化工科學研究院的“RS系列催化劑”等。
經(jīng)過幾十年的發(fā)展,柴油加氫精制催化劑的活性組分已相對成熟,而新型載體的開發(fā)成為了加氫精制催化劑研制的主要方向。柴油深度加氫脫硫反應中最難脫除的含硫化合物是位阻效應極強的二苯并噻吩類物質(zhì),這不僅要求催化劑具有開闊的孔道結(jié)構(gòu)以消除其擴散效應,還要求其具有適宜的酸分布以增強烷基DBT的異構(gòu)化脫硫。因此,研制具有開闊孔道結(jié)構(gòu)和適宜酸性質(zhì)的載體,成為高性能柴油加氫脫硫催化劑開發(fā)的關鍵問題。
微孔分子篩作為一種酸性載體,具有比表面積大、酸性強、酸量易于調(diào)控、具有擇形功能以及穩(wěn)定性好等優(yōu)點,從而被廣泛用于石油化工中的催化反應過程。但是微孔沸石較小的孔道限制了其在大分子吸附分離和催化轉(zhuǎn)化方面的應用。而介孔材料具有規(guī)則有序的三維籠狀孔道結(jié)構(gòu)和比表面積大、表面孔徑均一以及較厚的孔壁的特點,這種結(jié)構(gòu)特性既利于金屬活性組分在載體表面高度分散,又利于反應物以及產(chǎn)物在孔道內(nèi)的傳輸和擴散,催化劑獲得更多的表面活性中心提高催化劑活性的同時,也促進產(chǎn)物從催化劑表面的脫附從而提高目標產(chǎn)物的選擇性。近年來,隨著科學研究的不斷深入,介微孔復合材料逐漸成為人們研究的熱點。
CN1513951A公開了一種采用新型載體材料擔載金屬活性組分制備加氫脫硫催化劑的制備方法,其中,新型載體材料為微孔分子篩以及中孔分子篩構(gòu)成的復合載體。微孔分子篩為Y沸石、ZSM-5沸石、Beta沸石、A型沸石等,中孔分子篩為MCM-41、SBA-15以及SBA-16等。在其實施例中,復合載體中雖然包括Beta沸石以及SBA-16介孔材料,但其制備方法為機械混合,并不能充分發(fā)揮Beta分子篩酸性可調(diào)優(yōu)勢,以及介孔分子篩大孔道結(jié)構(gòu)中反應物分子的擴散優(yōu)勢。
CN102199068A公開了一種介微孔復合型分子篩催化劑的制備方法,其中微孔分子篩為H型Beta沸石,介孔分子篩為MCM-41。經(jīng)過實驗驗證,SBA-16的Im3m三維立方孔道與MCM-41的P6mm二維六方孔道結(jié)構(gòu)相比,其擴散性能可以得到大幅度提升。由于SBA-16介孔材料具有連接主孔道的連接孔和大量的枝孔網(wǎng)絡,從而能夠為分子提供了更為有利的擴散條件,可以進一步提高其所擔載催化劑的催化性能。
技術實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是提供一種Beta-SBA-16復合分子篩及其制備方法。該復合分子篩具有優(yōu)異的孔結(jié)構(gòu)(高比表面積、大孔徑)。將該復合分子篩制成混合載體并應用于加氫精制催化劑的制備,利用該催化劑可以對FCC柴油進料油品進行加氫精制。
本發(fā)明的又一目的是提供一種上述Beta-SBA-16復合分子篩制成的催化劑載體。
本發(fā)明的又一目的是提供一種上述Beta-SBA-16復合分子篩作為載體制得的加氫精制催化劑及其制備方法。
本發(fā)明的又一目的是提供上述加氫精制催化劑在FCC柴油進料油品進行加氫精制反應中的應用。
為達到上述目的,本發(fā)明首先提供了一種Beta-SBA-16復合分子篩,該復合分子篩具有微孔Beta分子篩的BEA拓撲結(jié)構(gòu)和介孔分子篩SBA-16的三維立方(Im3m)孔道結(jié)構(gòu),其表面積為600-1000m2·g-1,孔徑為4-8nm,孔容為0.7-0.9cm3·g-1。
本發(fā)明提供的Beta-SBA-16復合分子篩具有Beta分子篩的微孔和SBA-16分子篩的介孔雙重孔道結(jié)構(gòu),是一種復合介微孔分子篩。本發(fā)明提供的Beta-SBA-16復合分子篩的介孔孔壁中存在Beta分子篩的初級、次級結(jié)構(gòu)單元,并不是單一的微孔分子篩與介孔分子篩機械混合,因此稱其為復合介微孔分子篩。而且本發(fā)明通過介微孔的復合,利用Beta分子篩的初級、次級結(jié)構(gòu)單元對酸性進行調(diào)變,以及充分利用介孔孔道的傳質(zhì)性能,因此所得到的復合分子篩既能得到適宜的酸性,也能夠保留介孔分子篩的孔道優(yōu)勢。
此外,本發(fā)明還提供了一種上述的Beta-SBA-16復合分子篩的制備方法,該方法包括以下步驟:
(1)采用納米微晶自組裝法制備Beta分子篩微晶乳液前驅(qū)體;
(2)以F127(EO106PO70EO106)為模板劑,正硅酸四乙酯(TEOS)為硅源,制備SBA-16介孔分子篩的前驅(qū)體溶液;
(3)向所述SBA-16介孔分子篩的前驅(qū)體溶液中加入所述Beta分子篩微晶乳液前驅(qū)體,攪拌18-24h制得混合溶液,將所述混合溶液在80-140℃晶化24-60h,然后經(jīng)洗滌、干燥、焙燒,制得所述的Beta-SBA-16復合分子篩。
在上述制備方法中,優(yōu)選地,所述Beta分子篩微晶乳液前驅(qū)體是通過以下步驟制備得到的:將原料正硅酸四乙酯(TEOS)、四乙基氫氧化銨(TEAOH)、H2O、NaOH以及偏鋁酸鈉按照(1.0-2.0)Na2O:Al2O3:(20-60)SiO2:(200-400)H2O的摩爾比(更優(yōu)選為按照(1.0-2.0)Na2O:Al2O3:(20-60)SiO2:(200-350)H2O的摩爾比)混合均勻后,在100-140℃晶化18-24h,制備得到所述的Beta分子篩微晶乳液前驅(qū)體。
更具體地,所述Beta分子篩微晶乳液前驅(qū)體是通過以下步驟制備得到的:
步驟一:以正硅酸四乙酯、四乙基氫氧化銨、H2O、NaOH以及偏鋁酸鈉作為原料,將原料中的一部分正硅酸四乙酯與全部四乙基氫氧化銨混合后,攪拌至透明,得到一第一溶液;
步驟二:將原料中剩余的正硅酸四乙酯與全部H2O、NaOH以及偏鋁酸鈉混合后,攪拌至溶解,得到一第二溶液;
步驟三:將所述第二溶液逐滴加入到所述第一溶液中,攪拌2-4h直至所形成的溶膠不再分層,在100-140℃晶化18-24h,制備得到所述的Beta分子篩微晶乳液前驅(qū)體;
其中,原料正硅酸四乙酯、四乙基氫氧化銨、H2O、NaOH以及偏鋁酸鈉滿足(1.0-2.0)Na2O:Al2O3:(20-60)SiO2:(200-400)H2O的摩爾比,優(yōu)選滿足(1.0-2.0)Na2O:Al2O3:(20-60)SiO2:(200-350)H2O的摩爾比。
在上述制備方法中,優(yōu)選地,所述Beta分子篩微晶乳液前驅(qū)體的SiO2/Al2O3摩爾比為(20-60):1,更優(yōu)選為(24-36):1。
在上述制備方法中,優(yōu)選地,所述SBA-16介孔分子篩的前驅(qū)體溶液是通過以下步驟制備得到的:將原料F127(EO106PO70EO106)、HCl溶液(濃度優(yōu)選為2.0M)、正丁醇和正硅酸四乙酯(TEOS)按照F127:正丁醇:正硅酸四乙酯:HCl:H2O=0.004:2.0:1.0:(1.5-6.0):140的摩爾比混合均勻后,制備得到SBA-16介孔分子篩的前驅(qū)體溶液。更優(yōu)選地,將各原料混合均勻是在28-40℃條件下進行的,并且所述SBA-16介孔分子篩的前驅(qū)體溶液的H+濃度為1.0mol/L~2.5mol/L。
更具體地,所述SBA-16介孔分子篩的前驅(qū)體溶液是通過以下步驟制備得到的:
步驟一:采用水熱合成法,將F127和HCl溶液(濃度優(yōu)選為2.0M),在28-40℃攪拌1.5-2.5h;
步驟二:待溶液澄清透明后,加入正丁醇,繼續(xù)在28-40℃攪拌0.5-1.5h;
步驟三:在攪拌狀態(tài)下逐滴加入TEOS,繼續(xù)在28-40℃攪拌1.5-2.5h后,制備得到所述的SBA-16介孔分子篩的前驅(qū)體溶液,并且所述SBA-16介孔分子篩的前驅(qū)體溶液的H+濃度為1.0mol/L~2.5mol/L;
其中,原料F127、HCl溶液、正丁醇和TEOS滿足F127:正丁醇:TEOS:HCl:H2O=0.004:2.0:1.0:(1.5-6.0):140的摩爾比。
在上述制備方法中,優(yōu)選地,所述SBA-16介孔分子篩的前驅(qū)體溶液和所述Beta分子篩微晶乳液前驅(qū)體的混合比例為:SBA-16介孔分子篩的前驅(qū)體溶液中的原料F127:Beta分子篩微晶乳液前驅(qū)體的質(zhì)量比為1:(1-2.5)。
在上述制備方法中,優(yōu)選地,步驟(3)是在3r/s~10r/s的快速攪拌條件下,向所述SBA-16介孔分子篩的前驅(qū)體溶液中逐滴加入所述Beta分子篩微晶乳液前驅(qū)體。
在本發(fā)明的Beta-SBA-16復合分子篩的制備方法中,SBA-16介孔分子篩的前驅(qū)體溶液的合成過程中采用TEOS作為硅源,可用于不同硅鋁摩爾比的復合分子篩的合成。此外,Beta分子篩微晶乳液前驅(qū)體在常溫下合成,并在100-140℃完成晶化。并且,Beta-SBA-16復合分子篩的合成是在靜態(tài)自壓條件下進行的。
本發(fā)明提供的Beta-SBA-16復合分子篩制備方法,具有以下特點:采用低溫條件下合成,復合分子篩較好地保持了介孔分子篩材料的平均孔徑和比表面積,并且復合分子篩具有三維立方結(jié)構(gòu),有利于提高相應催化劑的擴散性能和金屬分散性能;本發(fā)明的Beta-SBA-16復合分子篩具有適宜的酸性,有利于加氫精制反應的進行。
另外,本發(fā)明還提供了一種上述Beta-SBA-16復合分子篩制成的催化劑載體。
根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式,優(yōu)選地,所述催化劑載體是通過以下步驟制備得到的:對所述的Beta-SBA-16復合分子篩進行離子交換處理,將離子交換處理后的復合分子篩與氧化鋁載體制成混合載體,即為所述的催化劑載體。
在上述催化劑載體中,優(yōu)選地,所述氧化鋁載體是采用擬薄水鋁石從室溫在4-6h的時間程序升溫至500℃-550℃,然后恒溫焙燒5-7h而制備得到的。
在上述催化劑載體中,優(yōu)選地,Beta-SBA-16復合分子篩與氧化鋁載體的質(zhì)量比為(0.2-0.4):1,更優(yōu)選為(0.2-0.3):1。
在上述催化劑載體中,對所述的Beta-SBA-16復合分子篩進行離子交換處理的具體步驟、以及與氧化鋁載體制成混合載體的具體步驟均可以為本領域常規(guī)的。
此外,本發(fā)明還提供了一種上述Beta-SBA-16復合分子篩作為載體制得的加氫精制催化劑。
根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式,優(yōu)選地,所述加氫精制催化劑包含所述的Beta-SBA-16復合分子篩和氧化鋁載體制成的混合載體,以及Ni和Mo作為活性組分。更優(yōu)選地,在所述混合載體中,Beta-SBA-16復合分子篩與氧化鋁載體的質(zhì)量比為(0.2-0.4):1,尤為優(yōu)選為(0.2-0.3):1;以所述加氫精制催化劑的總重量為基準,Ni的含量以NiO計為3%-4%,Mo的含量以MoO3計為8%-15%。
本發(fā)明又提供了一種上述加氫精制催化劑的制備方法,該方法包括以下步驟:
(1)對所述的Beta-SBA-16復合分子篩進行離子交換處理,將離子交換處理后的復合分子篩與氧化鋁載體制成混合載體;
(2)然后將活性金屬分步浸漬到混合載體上,再經(jīng)干燥、焙燒,制得所述的加氫精制催化劑。
在上述加氫精制催化劑的制備方法中,優(yōu)選地,所述氧化鋁載體是采用擬薄水鋁石從室溫在4-6h的時間程序升溫至500℃-550℃,然后恒溫焙燒5-7h而制備得到的。
在上述加氫精制催化劑的制備方法中,優(yōu)選地,在所述混合載體中,離子交換處理后的Beta-SBA-16復合分子篩與氧化鋁載體的質(zhì)量比為(0.2-0.4):1,更優(yōu)選為(0.2-0.3):1。
在上述加氫精制催化劑的制備方法中,優(yōu)選地,所述活性金屬包括Ni和Mo。更優(yōu)選地,以所述加氫精制催化劑的總重量為基準,Ni的含量以NiO計為3%-4%,Mo的含量以MoO3計為8%-15%。
在上述加氫精制催化劑的制備方法中,對所述的Beta-SBA-16復合分子篩進行離子交換處理的具體步驟、與氧化鋁載體制成混合載體的具體步驟、將活性金屬分步浸漬到混合載體上的具體步驟以及之后的干燥、焙燒的溫度均可以為本領域常規(guī)的。
由于氧化鋁與活性金屬存在較強的相互作用,而復合分子篩與活性金屬存在較弱的相互作用,這些都會嚴重阻礙催化劑的活性。本發(fā)明通過將氧化鋁載體與復合分子篩制成混合載體,該混合載體可均衡這種相互作用,進而使制備的催化劑具有良好的活性。
本發(fā)明又提供了上述加氫精制催化劑在FCC柴油進料油品進行加氫精制反應中的應用。
以Beta-SBA-16復合分子篩作為混合載體的一部分制得的加氫精制催化劑性能突出,利用所述的催化劑對FCC柴油進料油品進行加氫精制反應,最高脫硫率>99.2%。
綜上所述,本發(fā)明提供了一種Beta-SBA-16復合分子篩、及其制得的混合載體以及采用該混合載體制備的加氫精制催化劑及其應用。本發(fā)明提供的Beta-SBA-16復合分子篩具有Beta分子篩的微孔和SBA-16分子篩的介孔雙重孔道結(jié)構(gòu),是一種復合介微孔分子篩,其表面積為600-1000m2·g-1,孔徑為4-8nm,孔容為0.7-0.9cm3·g-1。本發(fā)明提供的加氫精制催化劑包含有Beta-SBA-16復合分子篩和氧化鋁的混合載體、一種Ⅷ族的Ni金屬和一種ⅥB族Mo金屬作為活性組分。利用所述的催化劑對FCC柴油進料油品進行加氫精制反應后,柴油脫硫率可達99.2%,硫含量低于10ppm,符合國V標準要求。
附圖說明
圖1為實施例1制得的Beta-SBA-16復合分子篩硅鋁比為50的樣品的小角XRD譜圖;
圖2為實施例1制得的Beta-SBA-16復合分子篩硅鋁比為50的樣品的廣角XRD譜圖;
圖3a-3c分別為純SBA-16介孔分子篩、實施例1制得的Beta-SBA-16復合分子篩硅鋁比為50或60的樣品的透射電鏡圖;
圖4為實施例1制得的Beta-SBA-16復合分子篩的N2-吸附脫附等溫線圖;
圖5為實施例1制得的Beta-SBA-16復合分子篩的孔徑分布圖。
具體實施方式
為了對本發(fā)明的技術特征、目的和有益效果有更加清楚的理解,現(xiàn)對本發(fā)明的技術方案進行以下詳細說明,但不能理解為對本發(fā)明的可實施范圍的限定。
實施例1
本實施例提供了系列Beta-SBA-16復合分子篩,它們的制備過程包括以下步驟:
一、制備Beta分子篩微晶乳液前驅(qū)體
步驟一:取26.0g TEAOH加入到21.43g TEOS中,在室溫中溶解,攪拌30min至透明,記為溶液(1);
步驟二:將0.19g NaOH、NaAlO2、3.50g TEAOH以及2g H2O混合,攪拌至溶解,根據(jù)復合分子篩不同硅鋁摩爾比Si/Al=30、40、50、60,加入不同量的NaAlO2,分別為:1.1519g、0.8639g、0.6912g、0.5760g,記為溶液(2);
步驟三:將溶液(2)逐滴加入到溶液(1)中,攪拌2-4h直至所形成的溶膠不再分層;
步驟四:轉(zhuǎn)移到晶化釜中,在140℃晶化24h,晶化釜內(nèi)壓力約為0.4-0.5MPa,晶化完成后,即得系列Beta分子篩微晶乳液前驅(qū)體,備用。
二、制備SBA-16介孔分子篩的前驅(qū)體溶液
步驟一:在35℃,將4g模板劑F127加入到240mL的2mol/L HCl溶液中,攪拌溶解,記為溶液(3);
步驟二:向溶液(3)中加入12g正丁醇,繼續(xù)攪拌1h,隨后逐滴加入16.6g TEOS,繼續(xù)攪拌2h,其中,原料用量的摩爾比為F127:正丁醇:TEOS:HCl:H2O=0.004:2.0:1.0:6.0:140,得到SBA-16介孔分子篩的前驅(qū)體溶液。
三、混膠:在3r/s~10r/s的快速攪拌下,向上述SBA-16介孔分子篩的前驅(qū)體溶液中分別逐滴加入8.0g上述系列Beta分子篩微晶乳液前驅(qū)體,攪拌24h后形成溶膠狀態(tài),制得系列混合溶液。
四、水熱晶化:將系列混合溶液分別轉(zhuǎn)移至晶化釜中,在120℃烘箱中晶化60h;然后經(jīng)洗滌、80℃干燥12h、550℃焙燒6h、冷卻降溫,得到系列Beta-SBA-16復合分子篩,分別記為BS-30、BS-40、BS-50、BS-60(其中的30、40、50、60代表復合分子篩的硅鋁摩爾比Si/Al)。
對上述的系列Beta-SBA-16復合分子篩中硅鋁比為50的樣品進行測試分析,其小角XRD、廣角XRD結(jié)果分別如圖1、圖2所示。純SBA-16介孔分子篩、BS-50、BS-60的透射電鏡(TEM)圖分別如圖3a-3c所示,其中圖3a為純SBA-16介孔分子篩的透射電鏡圖,圖3b為硅鋁比為50的Beta-SBA-16復合介微孔分子篩的透射電鏡圖,圖3c為硅鋁比為60的Beta-SBA-16復合介微孔分子篩的透射電鏡圖。BS-30、BS-40、BS-50、BS-60以及傳統(tǒng)γ-Al2O3的N2-吸附脫附等溫線如圖4所示。BS-30、BS-40、BS-50、BS-60以及傳統(tǒng)γ-Al2O3的孔徑分布如圖5所示。
測試得出本實施例制得的Beta-SBA-16復合分子篩BS-30、BS-40、BS-50、BS-60的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。
表1
實施例2
本實施例提供了系列加氫精制催化劑,它們的制備方法包括以下步驟:
一、制備離子交換處理后的H型Beta-SBA-16復合分子篩載體
將實施例1制得的系列Beta-SBA-16復合分子篩分別與1mol/L的NH4Cl溶液按照1g復合分子篩對應10mL NH4Cl溶液的比例在80℃水浴條件下攪拌2h進行銨交換,經(jīng)過濾、洗滌、干燥,然后以相同步驟進行第二次銨交換即可得到系列H型Beta-SBA-16復合分子篩載體。
二、制備混合載體
采用機械混合法將上述系列H型Beta-SBA-16復合分子篩載體分別與γ-Al2O3以質(zhì)量比1:4的比例混合制得系列Beta-SBA-16-γ-Al2O3混合載體(記為BSA)。
三、制備加氫精制催化劑
步驟一:將0.71g鉬酸銨溶于去離子水配成溶液,使用該溶液分別浸漬系列BSA混合載體(5g),同時超聲波分散15分鐘,攪拌3分鐘后在100℃下干燥5h,550℃焙燒6h后,冷卻至室溫,制得系列已負載鉬的Mo/BSA載體;
步驟二:用0.79g硝酸鎳溶于去離子水配成溶液,使用該溶液分別浸漬上述系列Mo/BSA載體,同時超聲波分散15分鐘,攪拌3分鐘后在在100℃干燥5h,550℃焙燒6h后,冷卻至室溫,制得系列已負載鉬和鎳的加氫精制催化劑(記為Cat-BSA-x,x=30、40、50、60;其中x表示混合載體中的H型Beta-SBA-16復合分子篩載體的硅鋁摩爾比Si/Al);
經(jīng)測試,上述系列加氫精制催化劑中,Mo以MoO3計,質(zhì)量分數(shù)為10%;Ni以NiO計,質(zhì)量分數(shù)為3.5%。
測試例1
反應原料性質(zhì)如表2所示。
表2 FCC柴油原料的部分性質(zhì)
采用FCC柴油為進料油品,以實施例2的催化劑為精制劑,進行加氫精制反應條件優(yōu)化,考察了原料轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品分布及收率。
對催化劑進行具體測試的方法如下:
(1)催化劑裝填:石英棉+石英砂(20-40目)14mL+石英棉+精制劑2g+石英棉+石英砂6mL+石英棉;
(2)預硫化過程條件:溫度320℃,壓力4MPa,硫化液流量為2.5mL/h,穩(wěn)定4h;
(3)評價過程反應條件:反應溫度為350℃,壓力5MPa,質(zhì)量空速1.0h-1,氫油比600。
催化劑加氫精制反應結(jié)果如表3所示。
表3催化劑加氫精制反應結(jié)果
由表3可以看出,Cat-BSA-30、Cat-BSA-40、Cat-BSA-50、Cat-BSA-60對FCC柴油的加氫精制效果都高于以傳統(tǒng)γ-Al2O3為載體的Cat-Al2O3,Cat-BSA-50的脫硫性能最高,產(chǎn)物的硫含量低于10ppm,達到了“國V”標準。