Toluene disproportionation reaction was carried out in a fixed bed reactor packed with hydrogen Y zeolite catalysts. The effects of operating conditions, such as, the reaction temperature, hydrogen mole ratio, and regenerated catalysts, on xylene selectivity and catalytic activity were experimentally investigated.
Hydrogen Y zeolite was obtained by ion exchange of sodium Y zeolite that was synthesized with an aqueous sodium aluminosilicate mixture of the following oxide mole rations.
$Na_2O$/$SiO_2$ =0.3
$SiO_2$/$Al_2O_3$ = 9
$H_2O$/$Na_2O$ = 40
The X-ray diffraction pattern of synthetic Y zeolite showed high crystallinity.
At a relatively high temperature, the conversion was close to equilibrium conversion. The deactivation of the catalyst was severe at higher temperature, and not significant below the temperature of 408℃.
Increased hydrogen mole ratio in feed mixture resulted in the slow deactivation rate. Regenerated catalyst also showed slow deactivation rate. Deactivation tendency decreased with the repetition of catalyst regeneration.
The selectivity of xylene over benzene increased as the deactivation proceeded. The selectivity range between 0.6 and 2 were obtained above the temperature of 400℃ , and between 1.1 and 5 below the temperature of 380℃.
The reaction rates were measured within the range of negligible diffusion intrusion and under the isothermal piston flow assumption. The slow deactivating region of temperature was adoped. A reaction mechanism was assumed to be the second order Langmuir-Hinshelwood mechanism. The calculated values of the activation energy and the heat of adsorption were 5.1 and 5.5 Kcal/mole respectively in the temperature range of 356-400℃.
톨루엔에서 벤젠과 자일렌을 얻는 톨루엔의 불균화 반응을 수소형 Y 제올라이트를 촉매로 하여 행하였다. 고정층 반응기를 이용하여 촉매 활성과 온도, 수소 몰비의 영향, 재생 촉매의 활성, 자일렌 선택도에 대한 반응조건의 영향, 반응속도를 규명하고자 했다.
수소형 Y 제올라이트는 실험실에서 합성한 나트륨형 Y 제올라이트로부터 얻었다. 나트륨형 Y 제올라이트는 산화물 몰비로 다음과 같은 조성을 갖는 혼합물로 부터 얻었다.
$Na_2O / SiO_2 = 0.3$
$SiO_2 / Al_2O_3 = 9$
$H_2O / Na_2O = 40$
나트륨형 Y 제올라이트는 염화암모늄 수용액에 담가서 이온 교환하고, 반응시 가열하면 암모니아가 날라가서 수소형 Y로 된다. X 선 회절 실험결과 높은 결정성을 가진 Y 제올라이트가 생성되었음을 알 수 있었다.
상대적으로 고온에서는, 반응 초기의 전화율은 평형 전화율에 가까울 정도로 높으나 급격한 활성 저하를 보였다. 408℃ 이하에서는 활성 저하는 서서히 일어났다.
수소 몰비가 커지면 활성 저하는 서서히 일어났으며, 재생된 촉매는 활성 저하가 천천히 일어났다. 재생의 횟수가 거듭되면 고활성의 활성 저하가 느린 촉매를 얻을 수 있었다.
자일렌의 선택도는 활성 저하가 일어날 수록 점진적으로 증가하였다. 또한 380℃ 이하에서는 선택도는 1.1 에서 5까지 분산되었고, 400℃ 이상에서는 0.6 에서 2까지 분산되었다.
확산저항이 무시되고 등온 피스톤 유체 흐름의 가정 아래 불균화 반응속도를 측정하였다. 활성 저하가 심하지 않은 범위내에서 실험하기 위해서 356℃ 에서 400℃ 를 택하였다. 반응기구는 Langmuir - Hinshelwood 기구로 나타낼 수 있었으며 반응온도의 범위에서 5.5 Kcal/mol의 흡착열과 5.1 Kcal/mol 의 활성화 에너지를 구하였다.
