Aplicación de la zeolita ZSM-5
Introducción de la zeolita ZSM-5
ZSM-5, Zeolite Socony Mobil #5, es un catalizador fabricado por primera vez por Argauer y Landolt en 1969 y patentado por Mobil Oil Company en 1975. Es una zeolita de aluminosilicato que pertenece a la familia de las zeolitas pentasil. Su fórmula química es NanAlnSi96-nO192-16H2O (0
El ZSM-5 es un importante , por lo que exhibe un alto rendimiento catalítico y se aplica ampliamente a procesos importantes en una amplia gama de industrias. En la industria de refinado de petróleo, el ZSM-5 se utiliza para la isomerización, alquilación y aromatización de hidrocarburos debido a su gran estabilidad térmica e hidrotérmica entre los catalizadores ácidos sólidos. Y el hidrocraqueo y la hidroisomerización pueden proporcionar una amplia gama de productos químicos de alta calidad, como gasolina, gasóleo y petróleo. En definitiva, el alto rendimiento de esta zeolita la convierte en un material realmente indispensable en muchas industrias.
La estructura molecular de la zeolita ZSM-5
Síntesis de zeolita ZSM-5
Existen muchos métodos de síntesis para el tamiz molecular de zeolita ZSM-5, y las materias primas y las proporciones también son diferentes. El método de síntesis más común es el método de síntesis hidrotérmica. La materia prima es un compuesto que contiene silicio y aluminio, y la proporción puede sintetizarse desde una proporción baja de silicio y aluminio hasta una proporción completa de silicio. En la producción industrial, las materias primas suelen utilizar cristal de agua y sulfato de aluminio como fuente de silicio y fuente de aluminio para la producción, y el proceso adopta el método de siembra de cristales o el método dirigido por plantillas. Según el entorno de cristalización, se divide en la síntesis de sistema hidrotérmico y de sistema no hidrotérmico; según el tipo de agente de plantilla, se divide en la síntesis de sistema de amina orgánica y de amina inorgánica. Aunque las fuentes de silicio, las fuentes de aluminio, las plantillas, etc. utilizadas en estos métodos de síntesis no son las mismas, la síntesis utiliza el reordenamiento estructural del silicio y el aluminio para la formación de cristales de ZSM-5.
Aplicaciones de la zeolita ZSM-5
La disposición de la estructura cristalina, la uniformidad del tamaño de sus canales y la acidez determinaron las características del ZSM-5.
tiene poros de tamaño uniforme, lo que resulta ventajoso cuando en la zeolita no pueden formarse moléculas mayores que el tamaño de un canal, excepto a veces en las intersecciones. El tamaño de poro de la zeolita ZSM-5 también es especialmente adecuado para la formación de alquenos C7 y C8 y su ciclización en los compuestos aromáticos correspondientes. Esta propiedad única de la ZSM-5 limita la formación de compuestos aromáticos dicíclicos y tricíclicos como precursores del coque.
La propiedad especial selectividad de forma hace que la zeolita comercial sea especialmente adecuada. El término "selectividad de forma" fue acuñado por Weisz y Frilette en 1960 para describir las propiedades catalíticas únicas de los tamices moleculares porosos.
【1】 No fue hasta más tarde que la disponibilidad de la zeolita sintética de poro medio 6A amplió el rango de selectividad de forma. En última instancia, es la homogeneidad y el tamaño de poro moderado de ZSM-5, así como la posibilidad de formar moléculas de producto, lo que hace que las zeolitas de la familia Pentasil sean adecuadas para la catálisis selectiva por forma. La zeolita ZSM-5 se diferencia de la mayoría de los demás tamices moleculares en que su selectividad de forma tiene un rango dinámico muy amplio.
【2】En general, la selectividad de forma se puede dividir en las siguientes categorías :(1) selectividad de reactivo, (2) selectividad de estado de transición restringido y (3) selectividad de producto.
(1) Selectividad del reactivo
La selectividad del reactivo significa que sólo un determinado tipo de molécula reactiva (de tamaño pequeño en comparación con otras moléculas) se difunde a través del pozo del catalizador. Por ejemplo, el proceso de desparafinado del destilado de Mobil es un proceso de selección de la forma del reactante en el que sólo las parafinas rectas o ligeramente ramificadas presentes en el destilado pueden entrar en el pozo de ZSM-5, donde se craquean en productos más ligeros. El resultado es un producto menos "ceroso" con un punto de fluidez más bajo.
(2) Selectividad restringida del estado de transición
Esto ocurre cuando tanto la molécula del reactivo como la del producto son lo suficientemente pequeñas como para difundirse a través del canal, pero el intermediario de la reacción es mayor que el reactivo o el producto y está sujeto a restricciones especiales. En estas condiciones, se prefieren los estados de transición monomoleculares a los bimoleculares. El ejemplo más importante de selectividad limitante de los estados de transición es la ausencia de cocción temprana de las zeolitas ZSM-5. Esta selectividad de forma desempeña un papel central en el craqueo selectivo de alcanos en zeolitas ZSM-5. Por ejemplo, la tensión espacial del complejo de estado de transición más grande necesario para el craqueo del 3-metil pentano en ZSM-5 es la razón propuesta de su menor actividad que la del n-hexano. La conversión de metanol en gasolina (MTG) es otro ejemplo importante de selectividad de la forma del estado de transición, donde el espacio disponible en la cavidad de ZSM-5 determina el complejo de reacción bimolecular máximo que puede formarse.
(3) Selectividad del producto
Esto ocurre cuando parte del producto formado en el orificio es demasiado grande para difundirse hacia el exterior y aparecer como el producto observado. Se convierten en moléculas más pequeñas (por equilibrio, por ejemplo) o acaban desactivando el catalizador al bloquear los poros. La desproporción del m-xileno es el mejor ejemplo. En los productos de alquilación, el 1,3, 5-trimetilbenceno se formará preferentemente sobre las macromoléculas 1,3, 5-trimetilbenceno. Del mismo modo, en la isomerización del xileno, los isómeros para se forman con preferencia a los isómeros orto.
Una de las características únicas de selectividad de forma del H-ZSM-5 es su para-selectividad en reacciones de sustitución electrofílica como la alquilación y desproporción de alquil aromáticos. Ajustando la actividad ácida de la zeolita y controlando los parámetros de difusión, se puede obtener una alta para-selectividad.
Conclusión
Estas propiedades de la zeolita ZSM-5 la convierten en un catalizador excelente para diversos procesos industriales, como el craqueo selectivo por forma, como la formación de M, el desparafinado de destilados y los procesos de desparafinado de lubricantes. Los procesos de aromatización, como la formación de M-2, la ciclización, la aromatización y la conversión de metanol en gasolina (MTG) también se benefician de la síntesis de la zeolita ZSM-5, así como la isomerización del xileno, la desproporción del tolueno, la síntesis del etilbenceno y la transformación selectiva del p-etil tolueno. No cabe duda de que la zeolita ZSM-5 es un material muy valioso en muchas industrias.
Referencias
【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.
