Anwendung von ZSM-5 Zeolith
Einführung von ZSM-5-Zeolith
ZSM-5, Zeolite Socony Mobil #5, ist ein Katalysator, der 1969 von Argauer und Landolt entwickelt und 1975 von der Mobil Oil Company patentiert wurde. Es handelt sich um einen Aluminosilikat-Zeolith, der zur Familie der Pentasil-Zeolithe gehört. Seine chemische Formel lautet NanAlnSi96-nO192-16H2O (0
ZSM-5 ist ein wichtiger Katalysator für die Erdölraffinerie. ZSM-5 weist eine hohe katalytische Leistung auf und wird in einer Vielzahl von Industriezweigen für wichtige Prozesse eingesetzt. In der Erdölraffinerie wird ZSM-5 aufgrund seiner hohen thermischen und hydrothermischen Stabilität unter den festen sauren Katalysatoren für die Isomerisierung, Alkylierung und Aromatisierung von Kohlenwasserstoffen verwendet. Durch Hydrocracken und Hydroisomerisierung lässt sich eine breite Palette hochwertiger Chemikalien herstellen, darunter Benzin, Diesel und Petroleum. Alles in allem macht die hohe Leistung dieses Zeoliths ihn zu einem wirklich unverzichtbaren Material in vielen Branchen.
Die Molekularstruktur von ZSM-5-Zeolith
Synthese von ZSM-5-Zeolith
Es gibt viele Synthesemethoden für ZSM-5-Zeolith-Molekularsiebe, und auch die Rohstoffe und Anteile sind unterschiedlich. Die gängigste Synthesemethode ist die hydrothermale Synthesemethode. Das Rohmaterial ist eine Verbindung, die Silizium und Aluminium enthält, und das Verhältnis kann von einem niedrigen Silizium-Aluminium-Verhältnis bis hin zu vollem Silizium synthetisiert werden. In der industriellen Produktion werden für die Rohstoffe in der Regel Wasserglas und Aluminiumsulfat als Silizium- und Aluminiumquelle verwendet, und der Prozess erfolgt nach der Methode der Kristallkeimung oder der schablonengesteuerten Methode. Je nach Kristallisationsumgebung unterscheidet man zwischen der Synthese von hydrothermalen und nicht-hydrothermalen Systemen; je nach Art des Template-Agenten unterscheidet man zwischen der Synthese von organischen Aminen und anorganischen Aminen. Obwohl die in diesen Synthesemethoden verwendeten Siliziumquellen, Aluminiumquellen, Templates usw. nicht identisch sind, nutzt die Synthese die strukturelle Umlagerung von Silizium und Aluminium zur Bildung von ZSM-5-Kristallen.
Anwendungen von ZSM-5-Zeolith
Die Anordnung des kristallinen Gerüsts, die Einheitlichkeit der Kanalgröße und der Säuregehalt bestimmen die Eigenschaften von ZSM-5.
hat Poren von einheitlicher Größe, was von Vorteil ist, wenn sich Moleküle, die größer als eine Kanalgröße sind, im Zeolith nicht bilden können, außer manchmal an den Kreuzungspunkten. Die Porengröße von ZSM-5-Zeolith ist auch besonders geeignet für die Bildung von C7- und C8-Alkenen und deren Cyclisierung zu den entsprechenden aromatischen Verbindungen. Diese einzigartige Eigenschaft von ZSM-5 begrenzt die Bildung von dicyclischen und tricyclischen aromatischen Verbindungen als Koksvorläufer.
Die besondere Eigenschaft - Formselektivität - macht kommerzielle Zeolithe besonders geeignet. Der Begriff "Formselektivität" wurde 1960 von Weisz und Frilette geprägt, um die einzigartigen katalytischen Eigenschaften von porösen Molekularsieben zu beschreiben.
【1】 Erst später erweiterte die Verfügbarkeit des synthetischen mittelporigen 6A-Zeoliths den Bereich der Formselektivität. Letztendlich sind es die Homogenität und die moderate Porengröße von ZSM-5 sowie die Möglichkeit der Bildung von Produktmolekülen, die Zeolithe der Pentasil-Familie für die formselektive Katalyse geeignet machen. ZSM-5-Zeolith unterscheidet sich von den meisten anderen Molekularsieben dadurch, dass seine Formselektivität einen sehr großen dynamischen Bereich aufweist.
【2】Im Allgemeinen kann die Formselektivität in die folgenden Kategorien unterteilt werden: (1) Reaktantenselektivität, (2) eingeschränkte Übergangszustandsselektivität und (3) Produktselektivität.
(1) Selektivität der Reaktanten
Reaktantenselektivität bedeutet, dass nur eine bestimmte Art von Reaktantenmolekülen (mit geringer Größe im Vergleich zu anderen Molekülen) durch das Katalysatorloch diffundiert. Das Destillat-Entparaffinierungsverfahren von Mobil beispielsweise ist ein Verfahren zur Auswahl der Reaktantenform, bei dem nur das im Destillat enthaltene geradkettige oder leicht verzweigte Paraffin in das ZSM-5-Loch eindringen kann, wo es in leichtere Produkte gespalten wird. Das Ergebnis ist ein weniger "wachsartiges" Produkt mit einem niedrigeren Stockpunkt.
(2) Eingeschränkte Selektivität der Übergangszustände
Dies ist der Fall, wenn sowohl die Moleküle des Reaktanten als auch des Produkts klein genug sind, um durch den Kanal zu diffundieren, das Reaktionszwischenprodukt jedoch größer ist als der Reaktant oder das Produkt und besonderen Beschränkungen unterliegt. Unter diesen Bedingungen werden monomolekulare gegenüber bimolekularen Übergangszuständen bevorzugt. Das wichtigste Beispiel für die begrenzte Selektivität der Übergangszustände ist das Fehlen des frühen Kochens der ZSM-5-Zeolithe. Diese Formselektivität spielt eine zentrale Rolle bei der selektiven Spaltung von Alkanen in ZSM-5-Zeolithen. Beispielsweise ist die räumliche Belastung des größeren Übergangszustandskomplexes, der für das Cracken von 3-Methylpentan in ZSM-5 erforderlich ist, der vorgeschlagene Grund für seine geringere Aktivität als n-Hexan. Die Umwandlung von Methanol in Benzin (MTG) ist ein weiteres wichtiges Beispiel für die Selektivität der Form des Übergangszustands, bei dem der verfügbare Platz im ZSM-5-Hohlraum den maximalen bimolekularen Reaktionskomplex bestimmt, der gebildet werden kann.
(3) Produktselektivität
Dies geschieht, wenn ein Teil des im Loch gebildeten Produkts zu groß ist, um herauszudiffundieren und als das beobachtete Produkt zu erscheinen. Sie werden entweder in kleinere Moleküle umgewandelt (z. B. durch Gleichgewicht) oder deaktivieren schließlich den Katalysator, indem sie die Poren verstopfen. Die Disproportionierung von m-Xylol ist das beste Beispiel dafür. In den Alkylierungsprodukten wird vorzugsweise 1,3,5-Trimethylbenzol gegenüber den Makromolekülen 1,3,5-Trimethylbenzol gebildet. In ähnlicher Weise werden bei der Isomerisierung von Xylol die para-Isomere vor den ortho-Isomeren gebildet.
Eines der einzigartigen Formselektivitätsmerkmale von H-ZSM-5 ist seine Paraselektivität bei elektrophilen Substitutionsreaktionen wie der Alkylierung und Disproportionierung von Alkylaromaten. Durch Anpassung der Säureaktivität des Zeoliths und Kontrolle der Diffusionsparameter kann eine hohe Paraselektivität erzielt werden.
Schlussfolgerung
Die oben genannten Eigenschaften von ZSM-5-Zeolith machen ihn zu einem ausgezeichneten Katalysator für eine Vielzahl industrieller Prozesse, einschließlich des formselektiven Crackens, wie z. B. M-Bildung, Destillatentparaffinierung und Schmierölentparaffinierungsprozesse. Aromatisierungsprozesse wie M-2-Bildung, Cyclisierung, Aromatisierung und Methanol-zu-Benzin-Umwandlung (MTG) profitieren ebenfalls von der Synthese von ZSM-5-Zeolith, ebenso wie die Isomerisierung von Xylol, die Disproportionierung von Toluol, die Synthese von Ethylbenzol und die selektive Umwandlung von p-Ethyltoluol. Es besteht kein Zweifel, dass ZSM-5-Zeolith ein sehr wertvolles Material für viele Industriezweige ist.
Referenzen
【1】. V. J. Frilette, P. B. Weisz, R. L. Golden, J. Catal. 1962, 1:301-306.
【2】. N. Y. Chen, W. E. Garwood, Advances in Chemistry, 1973, 121:575-582.
