Application de la zéolithe ZSM-5
Présentation de la zéolithe ZSM-5
Le ZSM-5, Zeolite Socony Mobil #5, est un catalyseur fabriqué pour la première fois par Argauer et Landolt en 1969 et breveté par Mobil Oil Company en 1975. Il s'agit d'une zéolite aluminosilicatée qui appartient à la famille des zéolithes pentasil. Sa formule chimique est NanAlnSi96-nO192-16H2O (0
Le ZSM-5 est un catalyseur important, de sorte que le ZSM-5 présente des performances catalytiques élevées et est largement appliqué à des processus importants dans un large éventail d'industries. Dans l'industrie du raffinage du pétrole, le ZSM-5 est utilisé pour l'isomérisation, l'alkylation et l'aromatisation des hydrocarbures en raison de sa grande stabilité thermique et hydrothermique parmi les catalyseurs acides solides. L'hydrocraquage et l'hydroisomérisation peuvent fournir une large gamme de produits chimiques de haute qualité, y compris l'essence, le diesel et le pétrole. Dans l'ensemble, les performances élevées de cette zéolithe en font un matériau véritablement indispensable dans de nombreuses industries.
Structure moléculaire de la zéolithe ZSM-5
Synthèse de la zéolithe ZSM-5
Il existe de nombreuses méthodes de synthèse du tamis moléculaire zéolitique ZSM-5, et les matières premières et les proportions sont également différentes. La méthode de synthèse la plus courante est la méthode de synthèse hydrothermale. La matière première est un composé contenant du silicium et de l'aluminium, et le rapport peut être synthétisé à partir d'un faible rapport silicium/aluminium jusqu'au silicium complet. Dans la production industrielle, les matières premières utilisent généralement du verre soluble et du sulfate d'aluminium comme source de silicium et source d'aluminium pour la production, et le processus adopte la méthode d'ensemencement des cristaux ou la méthode dirigée par le modèle. En fonction de l'environnement de cristallisation, on distingue deux types de synthèse : les systèmes hydrothermaux et les systèmes non hydrothermaux ; en fonction du type d'agent matrice, on distingue deux types de synthèse : les systèmes à amines organiques et les systèmes à amines inorganiques. Bien que les sources de silicium, les sources d'aluminium, les gabarits, etc. utilisés dans ces méthodes de synthèse ne soient pas les mêmes, la synthèse utilise le réarrangement structurel du silicium et de l'aluminium pour former des cristaux de ZSM-5.
Applications de la zéolithe ZSM-5
L'arrangement de la structure cristalline, l'uniformité de la taille des canaux et l'acidité déterminent les caractéristiques de la ZSM-5.
possède des pores de taille uniforme, ce qui est avantageux lorsque des molécules plus grandes que la taille d'un canal ne peuvent pas se former dans la zéolithe, sauf parfois aux intersections. La taille des pores de la zéolithe ZSM-5 est également particulièrement adaptée à la formation d'alcènes en C7 et C8 et à leur cyclisation en composés aromatiques correspondants. Cette propriété unique de la zéolithe ZSM-5 limite la formation de composés aromatiques dicycliques et tricycliques en tant que précurseurs de coke.
La zéolithe commerciale est particulièrement adaptée à cette propriété particulière qu'est la sélectivité de forme. Le terme "sélectivité de forme" a été inventé par Weisz et Frilette en 1960 pour décrire les propriétés catalytiques uniques des tamis moléculaires à pores.
【1】 Ce n'est que plus tard que la disponibilité de la zéolithe synthétique à pores 6A a élargi la gamme de sélectivité de forme. En fin de compte, c'est l'homogénéité et la taille modérée des pores de la ZSM-5, ainsi que la possibilité de former des molécules de produit, qui font que les zéolithes de la famille Pentasil conviennent à la catalyse sélective de forme. La zéolithe ZSM-5 diffère de la plupart des autres tamis moléculaires en ce que sa sélectivité de forme a une gamme dynamique très large.
【2】En général, la sélectivité de forme peut être divisée en plusieurs catégories : (1) sélectivité du réactif, (2) sélectivité de l'état de transition restreint et (3) sélectivité du produit.
(1) Sélectivité du réactif
La sélectivité du réactif signifie que seul un certain type de molécule de réactif (de petite taille par rapport à d'autres molécules) se diffuse à travers le trou du catalyseur. Par exemple, le processus de déparaffinage du distillat de Mobil est un processus de sélection de la forme du réactif dans lequel seule la paraffine droite ou légèrement ramifiée présente dans le distillat peut pénétrer dans le puits ZSM-5, où elle est craquée en produits plus légers. Il en résulte un produit moins "cireux" avec un point d'écoulement plus bas.
(2) Sélectivité restreinte de l'état de transition
Cela se produit lorsque les molécules du réactif et du produit sont suffisamment petites pour diffuser à travers le canal, mais que l'intermédiaire de la réaction est plus grand que le réactif ou le produit et qu'il est soumis à des restrictions particulières. Dans ces conditions, les états de transition monomoléculaires sont préférables aux états de transition bimoléculaires. L'exemple le plus important de limitation de la sélectivité des états de transition est l'absence de cuisson précoce des zéolithes ZSM-5. Cette sélectivité de forme joue un rôle central dans le craquage sélectif des alcanes dans les zéolithes ZSM-5. Par exemple, la contrainte spatiale du plus grand complexe d'états de transition nécessaire au craquage du 3-méthyl pentane dans la zéolithe ZSM-5 est la raison proposée pour expliquer son activité plus faible que celle du n-hexane. La conversion du méthanol en essence (MTG) est un autre exemple important de sélectivité de la forme de l'état de transition, où l'espace disponible dans la cavité du ZSM-5 détermine le complexe réactionnel bimoléculaire maximal qui peut être formé.
(3) Sélectivité des produits
Ce phénomène se produit lorsqu'une partie du produit formé dans le trou est trop importante pour diffuser et apparaître comme le produit observé. Ils sont convertis en molécules plus petites (par équilibre, par exemple) ou finissent par désactiver le catalyseur en bloquant les pores. La dismutation du m-xylène en est le meilleur exemple. Dans les produits d'alkylation, le 1,3, 5-triméthylbenzène sera formé de préférence aux macromolécules 1,3, 5-triméthylbenzène. De même, lors de l'isomérisation du xylène, les isomères para sont formés de préférence aux isomères ortho.
L'une des caractéristiques uniques de sélectivité de forme de la zéolithe H-ZSM-5 est sa para-sélectivité dans les réactions de substitution électrophile telles que l'alkylation et la disproportion de composés aromatiques alkylés. En ajustant l'activité acide de la zéolithe et en contrôlant les paramètres de diffusion, il est possible d'obtenir une para-sélectivité élevée.
Conclusion
Les propriétés susmentionnées de la zéolithe ZSM-5 en font un excellent catalyseur pour divers procédés industriels, notamment le craquage sélectif de la forme, tel que la formation de M, le déparaffinage des distillats et le déparaffinage des lubrifiants. Les procédés d'aromatisation tels que la formation de M-2, la cyclisation, l'aromatisation et la conversion du méthanol en essence (MTG) bénéficient également de la synthèse de la zéolithe ZSM-5, de même que l'isomérisation du xylène, la disproportion du toluène, la synthèse de l'éthylbenzène et la transformation sélective du p-éthyltoluène. Il ne fait aucun doute que la zéolithe ZSM-5 est un matériau très précieux pour de nombreuses industries.
Références
【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.
