对二甲苯是重要的基础化工原料之一,其市场需求量日益增加。催化合成对二甲苯是石油化工领域非常重要的生产技术。随着石油资源的日益匮乏,对二甲苯的传统生产方法受到了巨大的挑战。本课题组提出以催化技术实现天然气在常压下通过溴甲烷中间体甲基化甲苯以制备对二甲苯的构想,并取得了一定的研究成果。设计、制备转化溴甲烷和甲苯为对二甲苯的高效催化剂是研究的关键。HZSM-5分子筛因其具有可调变的骨架结构、大比表面积、可控的表面酸性和高热稳定性等特征,常被应用于甲苯烷基化反应。而HZSM-5分子筛的孔道结构、颗粒尺寸和表面酸性等理化性质都能影响其催化性能。因此,可通过HZSM-5分子筛的可控合成、改性来调控材料的理化性质,从而获得性能优异的催化剂材料。本文通过后处理改性或改变合成条件的方法对HZSM-5分子筛的晶粒尺寸、孔道结构和表面酸性等性质进行调变,从而改善HZSM-5分子筛对溴甲烷甲苯烷基化反应制备对二甲苯的催化性能。采用XRD、XRF、NH₃-TPD、SEM等多种表征手段对合成的催化剂进行表征,考察了催化剂的孔道结构、晶粒尺寸、晶相结构、表面酸性等物理化学性质,关联了催化剂的结构和表面性质与催化性能之间的关系。并对溴甲烷甲苯烷基化反应制备对二甲苯的反应热力学进行了研究。此外,从工艺流程、车间布置、“三废”和噪声的治理等方面对甲烷经溴甲烷路线生产对二甲苯工艺进行了工业生产设计。主要的研究内容与结果如下:（1）从热力学的基本定律出发,对溴甲烷甲苯烷基化体系中各平衡反应进行了详细的热力学研究。研究表明:CH₃Br自身转化反应和甲苯歧化反应是吸热反应,而其他烷基化反应均为放热反应;CH₃Br自身转化反应和苯（或甲苯、二甲苯）甲基化反应能自发进行,而甲苯歧化反应不能自发进行,且高温不利于苯乙（或丙）基化反应和甲苯乙基化反应的自发进行;甲苯歧化反应的平衡常数K_p值较小,为可逆反应。高温有利于抑制苯乙（或丙）基化反应和甲苯乙基化反应的发生,而其他反应的K_p值较大,均为不可逆反应。此外,甲苯更易甲基化生成间二甲苯。因此,溴甲烷与甲苯烷基化生成对二甲苯的反应在热力学上是可行的。（2）采用碱处理脱硅的方法对HZSM-5分子筛进行改性,并对改性前后的催化剂在溴甲烷甲苯烷基化反应中的催化性能进行考察。碱处理改性后,催化剂的中强酸和强酸位点增加,甲苯的转化率升高。此外,碱处理改性还脱除分子筛一部分骨架中的硅物种,产生了一定的介孔结构,改善了产物分子在分子筛孔道内的扩散,因而具有更高的稳定性。（3）以TPAOH和/或TEA作为模板剂直接合成不同颗粒尺寸的HZSM-5分子筛,合成的分子筛材料对溴甲烷甲苯烷基化反应都具有较高的催化活性和对二甲苯选择性。其中,HZSM-5（30,10）分子筛表现出最好的催化性能（甲苯转化率为44.8%,对二甲苯选择性为48.5%）。甲苯转化率和催化剂的表面酸含量具有正相关性;而对二甲苯选择性主要与催化剂的强酸含量有关,减少催化剂的强酸量可有效提高对二甲苯的选择性。此外,催化剂表现出较高的选择性还与较大的晶粒尺寸有关。（4）以TPAOH和/或MeEt₃N⁺I^–作为模板剂合成一系列HZSM-5分子筛催化剂。在分子筛合成液中引入MeEt₃N⁺I^–模板剂会影响了晶体的生长,并对催化剂的表面酸性有着明显的影响。随着MeEt₃N⁺I^–模板剂用量的增加,催化剂的中强酸量和强酸量之和逐渐减小,并且外表面酸量也逐渐减小。这些催化剂对溴甲烷甲苯烷基化反应具有较好的催化性能。其中,HZ-40/0催化剂表现出最好的催化活性（对二甲苯的选择性为66.2%,对二甲苯的收率可高达21.2%）。催化剂的酸量越丰富越有利于甲苯的转化;而较高的对位选择性主要归因于催化剂具有较少的外表面酸量。（5）甲烷经溴甲烷路线生产对二甲苯的工艺设计严格遵守国家及行业的相关法律法规、政策要求和标准规范。设计了主要的生产工艺流程,绘制了工艺流程图,并对反应进行了物料衡算。该工艺操作流程简单,设备投资少,原料利用率高,未反应完全的甲烷、甲苯、溴甲烷和烷基化反应生成的溴化氢均可回收再利用,产物分离提纯较为简单,能得到高纯度的对二甲苯产品。提出了比较符合实际的“三废”和噪声的治理措施。