[发明专利]一种高催化活性的多级孔甲烷无氧芳构化和芳烃烷基化耦合催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种高催化活性的多级孔甲烷无氧芳构化和芳烃烷基化耦合催化剂及其制备方法和应用。所述催化剂包括至少一种甲烷芳构化活性组分及助剂和至少一种芳烃烷基化活性组分及助剂；所述催化剂具有包括微孔和介孔的多级孔结构；所述甲烷芳构化活性组分的负载量为3‑20wt％；所述甲烷芳构化助剂的负载量为1‑10wt％；所述芳烃烷基化助剂的负载量为1‑10wt％。该催化剂能够使得甲烷无氧芳构化反应与产物芳烃烷基化反应同时进行，可以直接将甲烷转化为混合芳烃，同时具有的三维有序结构以及多级孔道结构有利于大分子产物的扩散效果，有效抑制积碳，提高反应效率，拥有长期的稳定性以及活性。

技术领域

本发明涉及甲烷直接转化技术领域。更具体地，涉及一种高催化活性的多级孔甲烷无氧芳构化和芳烃烷基化耦合催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

页岩气，是从页岩层中开采出来的一种非常重要的非常规天然气资源。页岩气的发展有一个漫长的开采寿命和生产周期长的优点，甲烷作为页岩气的主要成分，成为本世纪以及未来都备受青睐的化石能源，引起了国内外研究者的广泛关注。以甲烷为反应物，进行无氧芳构化反应，不仅原料气来源充足，而且可以同时生成高附加值的液态芳烃产物和石化行业重组分加氢的重要工业原料-H₂，具有十分可观的经济效益和环境效益。因此甲烷无氧芳构化反应不仅提高了天然气的利用效率，而且还缓解了石油资源的短缺，是一项富有科研前景的科研项目。

1993年，Wang等首次报道了973K下Mo/HZSM-5催化剂上连续流动条件下的甲烷无氧芳构化反应，甲烷转化率为7.2％，得到了高选择性的芳烃产物，引起了国内外的广泛关注(Wang L Sh,Tao L X,Xie M S,Xu G F,Huang J Sh,Xu Y D.Catal Lett,1993,21:35)。自Wang的发现以来，许多研究者和研究小组已经致力于进一步开发甲烷转化成苯的催化剂和工艺技术的不同方面。制备并测试了许多催化剂配方并开发了多种反应器和工艺条件和方案。甲烷在无氧条件下的转化通常有大量的积碳生成，而严重的积碳是导致甲烷无氧芳构化催化剂失活的主要原因。

近年来，Mo/HZSM-5催化剂是公认的甲烷无氧芳构化反应最有效的催化剂之一。但是，传统HZSM-5分子筛的微孔结构限制了反应生成的苯等大分子在孔道中的扩散。而与传统沸石分子筛相比，多级孔分子筛具有明显优势：(1)对于扩散步骤控制的反应，多级孔道沸石分子筛的孔道较宽，有利于反应产物快速扩散，有效的提高了催化剂的活性；(2)多级孔道能够是生成产物快速地从扩散相到主体，以防止活性中心副反应的发生；(3)多级孔道沸石分子筛能促进活性物种与沸石分子筛相互作用，使两种活性组分更好的接触，从而更有利于双功能催化剂作用的实现；(4)能延长沸石分子筛的寿命，积炭烧除变得更容易，有利于催化剂的再生。故而多级孔分子筛以其良好的传质性能和择形性能而备受关注，将其应用于甲烷芳构化反应中将会发挥重要作用。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种高催化活性的多级孔甲烷无氧芳构化和芳烃烷基化耦合催化剂。所述催化剂能够使得甲烷无氧芳构化反应与产物芳烃烷基化反应同时进行，可以直接将甲烷转化为混合芳烃。本催化剂可以将甲烷无氧芳构化反应与芳烃烷基化反应串联起来，不仅打破了反应的热力学平衡，也通过消耗芳构化产物苯、甲苯等，同时具有的三维有序结构以及多级孔道结构有利于大分子产物的扩散效果，有效抑制积碳，提高反应效率，拥有长期的稳定性以及活性。

本发明的另一个目的在于提供一种高催化活性的多级孔甲烷无氧芳构化和芳烃烷基化耦合催化剂的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供一种高催化活性的多级孔甲烷无氧芳构化和芳烃烷基化耦合催化剂的应用。

为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：