Алкилирование толуола диметилкарбонатом на MgO-Pd катализаторах на основе цеолита ZSM-5

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Работа посвящена изучению закономерностей протекания процесса алкилирования толуола диметилкарбонатом на серии катализаторов на основе цеолита ZSM-5, модифицированного MgO и Pd. Конверсия толуола в присутствии немодифицированного цеолита ZSM-5 достигает 35%, а доля п-ксилола в продуктах составляет 22%. Модификация цеолита MgO и Pd приводит к снижению конверсии толуола и увеличению доли п-ксилола в продуктах реакции. Наибольшая селективность п-ксилола (86%) с наименьшей конверсией толуола (11%) была достигнута в присутствии катализатора, полученного модификацией цеолита ZSM-5 нанесением 10 мас% MgO и 1 мас% Pd. Установлено, что минимальный выход три- и тетразамещенных бензолов достигается при содержании палладия в катализаторах 1–3 мас%. Представлен предположительный механизм протекания процессов.

Об авторах

Михаил Дмитриевич Крючков

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: mixail.kryuchkov.97@mail.ru
ORCID iD: 0009-0009-9931-2867
Россия, Москва

Леонид Андреевич Куликов

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: mixail.kryuchkov.97@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7665-5404

к.х.н.

Россия, Москва

Сергей Викторович Кардашев

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: mixail.kryuchkov.97@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1818-7697

к.х.н.

Россия, Москва

Антон Львович Максимов

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова; Институт нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН

Email: mixail.kryuchkov.97@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9297-4950

чл.-корр. РАН, д.х.н., проф.

Россия, Москва; Москва

Эдуард Аветисович Караханов

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: mixail.kryuchkov.97@mail.ru

д.х.н., проф.

Россия, Москва

Список литературы

  1. Shi Q., Gonçalves J. C., Ferreira A. F. P., Rodrigues A. E. A review of advances in production and separation of xylene isomers // Chem. Eng. Proc. 2021. V. 169. ID 108603. https://doi.org/10.1016/j.cep.2021.108603
  2. Liu S., Yang S., He J., Mao D., Yin C. Efficient synthesis of chain-like ZSM-5 zeolite for the m-xylene isomerization reaction // Inorg. Chem. Commun. 2021. V. 128. ID 108564. https://doi.org/10.1016/j.inoche.2021.108564
  3. Демихова Н. Р., Рубцова М. И., Винокуров В. А., Глотов А. П. Изомеризация ксилолов (обзор) // Нефтехимия. 2021. Т. 61. № 6. С. 737–759. https://doi.org/10.31857/S0028242121060010
  4. [Demikhova N. R., Rubtsova M. I., Vinokurov V. A., Glotov A. P. Isomerization of xylenes (a review) // Pet. Chem. 2021. V. 61. N 11. P. 1158–1177. https://doi.org/10.1134/S096554412111013X].
  5. Albahar M., Li C., Zholobenko V. L., Garforth A. A. The effect of ZSM-5 zeolite crystal size on p-xylene selectivity in toluene disproportionation // Micropor. Mesopor. Mater. 2020. V. 302. ID 110221. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2020.110221
  6. Wang Y., Xu S., He X., Yang F., Zhu X. Regulating the acid sites and framework aluminum siting in MCM-22 zeolite to enhance its performance in alkylation of
  7. benzene with methanol // Micropor. Mesopor. Mater. 2022. V. 332. ID 111677. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2021.111677
  8. Ahn J. H., Kolvenbach R., Gutiérrez O. Y., Al-Khattaf S. S., Jentys A., Lercher J. A. Tailoring p-xylene selectivity in toluene methylation on medium pore-size zeolites // Micropor. Mesopor. Mater. 2015. V. 210. P. 52–59. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2015.02.018
  9. Huang X., Wang R., Pan X., Wang C., Fan M., Zhu Y., Wang Y., Peng J. Catalyst design strategies towards highly shape-selective HZSM-5 for para-xylene through toluene alkylation // // Green Energy Environ. 2020. V. 5. N 4. P. 385–393. https://doi.org/10.1016/j.gee.2019.12.001
  10. Zhou J., Liu Z., Wang Y., Kong D., Xie Z. Shape selective catalysis in methylation of toluene: Development, challenges and perspectives // Front Chem. Sci. Eng. 2018. V. 12. N 1. P. 103–112. https://doi.org/10.1007/s11705-017-1671-x
  11. Kumar L., Asthana S., Laxman Newalkar B., Kishore Pant K. Selective toluene methylation to p-xylene: Current status & future perspective // Catal. Rev. Sci. Eng. 2024. V. 66. N 3. P. 820–862. https://doi.org/10.1080/01614940.2022.2097641
  12. Jing H.-J., Yang F.-K., Xia Y.-M., Feng J.-Q., Liu J.-L., Zong Q.-Y. A study on the selectivity of methanol aromatization // Pet. Sci. Technol. 2012. V. 30. N 16. P. 1737–1746. https://doi.org/10.1080/10916466.2010.509077
  13. Zhao Y., Wu H., Tan W., Zhang M., Liu M., Song C., Wang X., Guo X. Effect of metal modification of HZSM-5 on catalyst stability in the shape-selective methylation of toluene // Catal. Today. 2010. V. 156. N 1–2. P. 69–73. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2009.12.012
  14. Yan B., Wu J., Li X., Liu N., Ma Q., Xue B. Selective Synthesis of para-xylene in the alkylation of toluene via regulation of MgO location in Co-modification over HZSM-5 // Catal. Lett. 2024. V. 154. N 6. P. 2752–2760. https://doi.org/10.1007/s10562-023-04536-3
  15. Zhao Y., Ma X., Ren D., Xia Y. A strategy to improve the para-selectivity in toluene methylation on P2O5-ZSM-5 modified by the para-xylene placeholder method // React. Kinet. Mech. Cat. 2021. V. 132. N 2. P. 967–981. https://doi.org/10.1007/s11144-021-01929-6
  16. Martinez-Espin J. S., De Wispelaere K., Westgård Erichsen M., Svelle S., Janssens T. V. W., Van Speybroeck V., Beato P., Olsbye U. Benzene co-reaction with methanol and dimethyl ether over zeolite and zeotype catalysts: Evidence of parallel reaction paths to toluene and diphenylmethane // J. Catal. 2017. V. 349. P. 136–148. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2017.03.007
  17. Zhang M., Xu Y., Williams B. L., Xiao M., Wang S., Han D., Sun L., Meng Y. Catalytic materials for direct synthesis of dimethyl carbonate (DMC) from CO2 // J. Clean. Prod. 2021. V. 279. ID 123344. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.123344
  18. Ling-Ling L., J. Michael J., Xiao-Wa N., Chun-Shan S., Xin-Wen G. Reaction mechanism of toluene methylation with dimethyl carbonate or methanol catalyzed by H-ZSM-5 // Acta Physico-Chimica Sinica. 2013. V. 29. N 07. P. 1467–1478. https://doi.org/10.3866/PKU.WHXB201304262
  19. Fu Y., Zhu H., Shen J. Thermal decomposition of dimethoxymethane and dimethyl carbonate catalyzed by solid acids and bases // Thermochim. Acta. 2005. V. 434. N 1–2. P. 88–92. https://doi.org/10.1016/j.tca.2005.01.021
  20. Kurzina I. A., Reshetnikov S. I., Karakchieva N. I., Kurina L. N. Direct synthesis of dimethyl ether from synthesis gas: Experimental study and mathematical modeling // Chem. Eng. J. 2017. V. 329. P. 135–141. https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.04.132
  21. Khadzhiev S. N., Magomedova M. V., Peresypkina E. G. Mechanism of olefin synthesis from methanol and dimethyl ether over zeolite catalysts: A review // Pet. Chem. 2014. V. 54. N 4. P. 245–269. https://doi.org/10.1134/S0965544114040057
  22. Hill I., Malek A., Bhan A. Kinetics and mechanism of benzene, toluene, and xylene methylation over H-MFI // ACS Catal. 2013. V. 3. N 9. P. 1992–2001. https://doi.org/10.1021/cs400377b
  23. Rasouli M., Atashi H., Mohebbi-Kalhori D., Yaghobi N. Bifunctional Pt/Fe-ZSM-5 catalyst for xylene isomerization // J. Taiwan Inst. Chem. Eng. 2017. V. 78. P. 438–446. https://doi.org/10.1016/j.jtice.2017.05.018
  24. Waziri S. M., Aitani A. M., Al-Khattaf S. Transformation of toluene and 1,2,4-trimethylbenzene over ZSM-5 and mordenite catalysts: A comprehensive kinetic model with reversibility // Ind. Eng. Chem. Res. 2010. V. 49. N 14. P. 6376–6387. https://doi.org/10.1021/ie100527x
  25. Lacroix J. F., Soldera A., Lavoie J. M. A thermodynamic resolution of dimethyl carbonate decarboxylation and the first example of its reversibility: Dimethyl ether carboxylation // J. CO2 Utilization. 2014. V. 7. P. 46–50. https://doi.org/10.1016/j.jcou.2014.04.001
  26. Wang C., Xu J., Qi G., Gong Y., Wang W., Gao P., Wang Q., Feng N., Liu X., Deng F. Methylbenzene hydrocarbon pool in methanol-to-olefins conversion over zeolite H-ZSM-5 // J. Catal. 2015. V. 332. P. 127–137. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2015.10.001
  27. Zeng S., Zhang W., Li J., Lin S., Xu S., Wei Y., Liu Z. Revealing the roles of hydrocarbon pool mechanism in ethanol-to-hydrocarbons reaction // J. Catal. 2022. V. 413. P. 517–526. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2022.07.002
  28. Liao H. Mechanism of methanol-to-olefin (MTO) reaction // App. Comp. Eng. 2024. V. 85. N 1. P. 159–164. https://doi.org/10.54254/2755-2721/85/20240688
  29. Волнина Э. А., Кипнис М. А., Хаджиев С. Н. Каталитическая химия диметилового эфира (обзор) // Нефтехимия. 2017. Т. 57. № 3. С. 343–262. https://doi.org/10.7868/S0028242117030133 [Volnina E. A., Kipnis M. A., Khadzhiev S. N. Catalytic chemistry of dimethyl ether (review) // Pet. Chem. 2017. V. 57. N 5. P. 353–373. https://doi.org/10.1134/S0965544117050139].
  30. Ortega C., Hessel V., Kolb G. Dimethyl ether to hydrocarbons over ZSM-5: Kinetic study in an external recycle reactor // Chem. Eng. J. 2018. V. 354. P. 21–34. https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.07.178
  31. Aboul-Gheit A. K., Hanafy S. A., Aboul-Enein A. A., Ghoneim S. A. Para-xylene maximization // J. Taiwan Inst. Chem. Eng. 2011. V. 42. N 5. P. 860–867. https://doi.org/10.1016/j.jtice.2011.03.004
  32. Gao Y., Chen S.-L., Wei Y., Wang Y., Sun W., Cao Y., Zeng P. Kinetics of coke formation in the dimethyl ether-to-olefins process over SAPO-34 catalyst // Chem. Eng. J. 2017. V. 326. P. 528–539. https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.05.158

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Дифрактограммы немодифицированного цеолита (Zeolyst), модифицированного 10 мас% MgO (ZMgO), образцов, модифицированных 10 мас% MgO и X мас% Pd (X = 1, 3, 5, 7) (ZMgOPd1, ZMgOPd3, ZMgOPd5, ZMgOPd7 соответственно).

Скачать (75KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Термопрограммируемая десорбция аммиака цеолита немодифицированного (Zeolyst), модифицированного 10 мас% MgO (ZMgO), модифицированного 10 мас% MgO и X мас% Pd (X = 1, 3, 5, 7) (ZMgOPd1, ZMgOPd3, ZMgOPd5, ZMgOPd7 соответственно).

Скачать (70KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Состав продуктов алкилирования толуола диметилкарбонатом в присутствии немодифицированного цеолита (Zeolyst), модифицированного 10 мас% MgO (ZMgO), модифицированного 10 мас% MgO и X мас% Pd (X = 1, 3, 5, 7) (ZMgOPd1, ZMgOPd3, ZMgOPd5, ZMgOPd7 соответственно).

Скачать (129KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Состав жидких продуктов алкилирования толуола диметилкарбонатом в присутствии немодифицированного цеолита (Zeolyst), модифицированного 10 мас% MgO (ZMgO), образцов, модифицированных 10 мас% MgO и X мас% Pd (X = 1, 3, 5, 7) (ZMgOPd1, ZMgOPd3, ZMgOPd5, ZMgOPd7 соответственно), в зависимости от времени реакции.

Скачать (327KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025