CN101108362A - 一种用于低碳烷烃催化脱氢的催化剂及以其为催化剂的链烷烃催化脱氢制丙烯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于低碳烷烃催化脱氢的催化剂及以其为催化剂的链烷烃催化脱氢制丙烯的方法。前低碳烷烃催化脱氢的催化剂,所述的烃每分子含有约2~8个碳原子,其特征在于该催化剂以分子筛为载体,在载体负载铂族金属为活性组分,以第IVA族金属元素和碱性金属元素作为助剂,以耐高温的无机氧化物为联结剂上述催化剂用于链烷烃催化脱氢制丙烯时的反应温度为500~700℃,压力为0~0.2MPa,质量空速为2~5h-1,催化剂再生温度为500~700℃,空气空速为100~1000h-1,压力为0~1.0MPa。采用本发明的丙烷脱氢制丙烯反应性能优异,平均转化率在30%,选择性95%以上可维持50天。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于低碳烷烃催化脱氢的催化剂及以其为催化剂的链烷烃催化脱氢制丙烯的方法。
背景技术
丙烷脱氢制丙烯是一个重要的石油化工过程,其产物丙烯是应用于聚丙烯、丙烯腈和环氧丙烷工业生产中重要的有机化工原料。近年来,随着聚丙烯等衍生物需求的迅速增长,对丙烯的要求也日益扩大。
丙烯的来源主要是烯烃裂解的副产物,但丙烯的得率很低。近年来,丙烷催化脱氢制丙烯的生产技术(以下称为PDH)以其高选择性日益受到关注。至今已有UOP公司的Oleflex工艺,Air Product&Chemical公司的Catofin工艺,Phillips工艺的Star工艺和Snamprogetti SPA公司的FBD-4和德国Linde工艺等几种技术实现了工业化。
丙烷催化脱氢反应受热力学平衡限制,须在高温、低压的苛刻条件下进行。过高的反应温度,使丙烷裂解反应及深度脱氢加剧,选择性下降;同时加快催化剂表面积炭,使催化剂迅速失活。由于较低的丙烷转化率以及苛刻反应条件下催化剂寿命的缩短,使PDH方法在工业应用时受到了限制。因此,开发性能优良的脱氢催化剂成为该技术的关键。低碳烷烃脱氢催化剂可分为含贵金属的临氢脱氢催化剂和非贵金属的氧化脱氢催化剂两类,其中含贵金属的临氢脱氢催化剂又分为两类。一类是以活性氧化铝为载体负载铂族金属元素为主活性组分,添加各种助剂制成;如USP 4,914,075为Pt-Sn-Cs/Al2O3催化剂用于丙烷脱氢;EP 98,622为Pt-Sn-Cs/Al2O3催化剂,USP 4,353,815的Pt-Re-Mn/AL2O3催化剂,USP4,420,649的Pt-Ru-Re/Al2O3催化剂用于异丁烷脱氢;EP 562,906为Pt-Sn-K/Al2O3催化剂,移动床反应器用于异丁烷脱氢。国内外关于Pt-Sn-Cs/Al2O3催化剂的丙烷脱氢研究已有大量报道,多集中在催化剂制备、碱金属调配等方面。由于以Al2O3为载体的催化剂高温下容易积炭而失活,所以需要用循环再生的办法实现连续生产。
另一类是分子筛为载体负载铂族金属元素为主活性组分,添加各种助剂制成。
与氧化铝载体相比,分子筛载体具有孔径小且均匀的特点,能有效地抑制大分子聚合物的形成,从而降低积炭量,延长催化剂的单程使用寿命。
美国Mobil公司专利USPat.5,192,728报道了以非酸性含Sn分子筛为载体的催化剂,用于短链烷烃脱氢以及脱氢环化。BP公司专利USPat.6,555,714(2002年)和CN 1395506A(2003年)报道了Pt、Zn、Mg等负载含硼分子筛用于丙烷脱氢,所述催化剂包括硼硅酸盐和碱金属载体上的铂族金属和锌,从烷烃的转化率、烯烃的选择性和烯烃的产率来看,该催化剂具有优异的脱氢性能,所述的烯烃产率高于现有技术中脱氢催化剂的烯烃产率,而且可长时间地保持这样优异的性能。该类型的催化剂目前处于研究阶段,未见工业化应用的报道。
发明内容
本发明所述的丙烷脱氢制丙烯催化剂以分子筛为载体,负载铂族金属为活性组分,以第IVA族金属元素和碱性金属元素作为助剂。同时催化剂中可还含有卤族元素作为改性剂,用氧化铝或硅铝酸等无机物为联结剂,通过挤条或滚球的方法成型。
前述铂族金属选自铂、钯、铱、铑、锇或铼中一种或几种元素,其中以金属铂为最佳。第IVA族金属元素为一种或几种元素,其中以Sn元素为最佳,碱性金属元素为IA和IIA中一种或几种元素,其中以Na和K为最佳。催化剂中的非金属卤族元素改性剂优选Cl。
本发明所述催化剂的制备方法是将作为催化剂各组分的可溶性溶液利用交换和浸渍技术负载到载体上,其过程如下:
首先将作为载体的氢型ZSM-5分子筛与含有碱性金属离子的溶液进行离子交换,使载体有碱金属离子。经50-200℃,优选80-150℃,干燥1-10小时,优选5-8小时;经400-600℃,优选450-550℃,焙烧1-10小时,优选5-8小时。
然后将含有碱金属元素的载体与含有铂族金属元素的溶液进行离子交换,使载体上负载有铂族金属离子。经50-200℃,优选80-150℃,干燥1-10小时,优选5-8小时;经400-600℃,优选450-550℃,焙烧1-10小时,优选5-8小时。
最后将含有第IVA族金属元素的溶液浸渍到含有碱金属元素、铂族金属元素的载体上,经50-200℃,优选80-150℃,干燥1-10小时,优选58小时;经400-600℃,优选450-550℃,焙烧1-10小时,优选5-8小时。
将通过以上步骤制成的催化剂粉末,添10-50%,特别是20-30%的无机物粘合剂,如氧化铝、硅酸铝,特别是氧化铝,通过挤条或滚球,优选挤条的方法成型。成型后的催化剂经50-200℃,优选80-150℃,干燥1-10小时,优选5-8小时;经400-600℃,优选450-550℃,焙烧1-10小时,优选5-8小时。
成品催化剂中除联结剂以外的各组分的重量含量为:铂族过渡金属:0.01-2%,优选的重量含量为0.01-1.0%;第IVA族金属元素:0.01-10%,优选的重量含量为0.2-5%;碱金属元素:0.1-3%,优选的重量含量为1-5%;卤族元素:0.1-15‰。
本发明所述的催化剂在用于丙烷脱氢反应前,需经过氢气还原,使得铂族过渡元素还原成金属态。还原温度为400-600℃,特别是450-550℃,时间1-8小时,特别是4-6小时。还原后的催化剂即可用于催化反应。
本发明所述的脱氢反应可采用流化床、移动床或固定床反应器,其中固定床反应器较为适宜,反应温度为500-700℃,优选550-650℃;反应压力为0-0.2MPa,优选0.1MPa;氢烃摩尔比为0.05-1.0,优选0.1-0.5;丙烷的质量空速为2-5Hr-1,优选3-4Hr-1;催化剂再生温度为500~700℃,优选600~650℃,空气空速为100~1000h-1,优选200h-1,压力为0~1.0MPa,优选0.2MPa。
本发明适用于低碳烷烃(C2~C8)尤其是丙烷催化脱氢制取烯烃的反应,前述低碳烷烃包括采用本发明的丙烷脱氢制丙烯反应性能优异,平均转化率在30%,选择性95%以上可维持50天。解决了目前国际上丙烷脱氢制丙烯的工业化装置采用氧化铝或铝酸锌尖晶石为载体,因高温下容易积炭而失活,所以需要连续再生的问题,开拓了脱氢工艺的新路线。可以缓解丙烯需求加剧的局面,优化利用炼厂气和油田伴生气,具有显著的社会效益和经济效益。
附图说明
图1是实施例1的丙烷转化率随时间变化的示意图。
图2是实施例2的丙烷转化率随时间变化的示意图。
图3是实施例3的丙烷转化率和选择性随时间变化的示意图。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明,而非对本发明的限制。
实施例1:
首先将载体硅铝比为120的HZSM-5分子筛与NaCl水溶液进行离子交换,80℃下磁力搅拌4h后,150℃烘干5h,使载体上负载有一定量的钠离子。然后将含有钠元素的载体与氯铂酸溶液进行交换,80℃下磁力搅拌4h,150℃烘干5h,然后500℃下焙烧6h。将四氯化锡溶液与两次交换后的载体进行浸渍,烘干与焙烧条件同前。将制成的催化剂粉末,添加20%的氧化铝挤条成型。成品催化剂含Pt0.5%,Sn2%,Na0.4%。
本发明所述的脱氢反应采用固定床反应器,反应温度初始为580℃,根据反应情况逐步提高,末期温度达到620℃,压力为0.1MPa,丙烷的质量气体空速为3h-1。结果见图1。从图1可以看出,当碱金属含量低时,催化剂的稳定性一般。
实施例2:
首先将载体硅铝比为120的HZSM-5分子筛与NaCl水溶液进行离子交换,100℃下磁力搅拌4h后,150℃烘干5h,使载体上负载有一定量的钠离子。然后将含有钠元素的载体与氯铂酸溶液进行交换,100℃下磁力搅拌4h,150℃烘干5h,然后500℃下焙烧6h。将四氯化锡溶液与两次交换后的载体进行浸渍,烘干与焙烧条件同前。将制成的催化剂粉末,添加20%的氧化铝挤条成型。成品催化剂含Pt0.5%,Sn2%,Na1.2%。
反应温度初始为590℃,根据反应情况逐步提高,末期温度达到620℃,压力为0.1MPa,气体空速为3.5h-1。结果转化率的平均值为30.1%,选择性平均值为98.43%,催化剂的寿命将近500h,稳定性较好(参见2图。)
实施例3:
作为另一个对比试验,使用硅铝比100的ZSM5作为载体,催化剂其它制备条件同上,反应条件同例1。载体分子筛的硅铝比对催化剂性能的影响是明显的。实验证实,过高或过低的硅铝比分子筛制备的催化剂,基本或完全失去了脱氢性能(参见图3)。
Claims (15)
1.一种低碳烷烃催化脱氢的催化剂,所述的烃每分子含有约2~8个碳原子,其特征在于该催化剂以分子筛为载体,在载体负载铂族金属为活性组分,以第IVA族金属元素和碱性金属元素作为助剂,以耐高温的无机氧化物为联结剂。
2.如权利要求1所述的低碳烷烃催化脱氢的催化剂,其特征在于载体为具有ZSM-5型结构的硅铝酸盐。
3.如权利要求1所述的低碳烷烃催化脱氢的催化剂,其特征在于铂族金属选自铂、钯、铱、铑、锇或铼中一种或几种元素,以金属铂为最佳;第IVA族金属元素为一种或几种元素,以Sn元素为最佳;碱性金属元素为I A和II A中一种或几种元素,以Na和K为最佳。
4.如权利要求1所述的低碳烷烃催化脱氢的催化剂,其特征在于基于催化剂总重量和以元素金属计算,铂族过渡金属的重量含量为:0.01-2%;第IVA族金属元素的重量含量为0.01-10%;碱性金属组分的重量含量为0.1-3%;
5.如权利要求4所述的低碳烷烃催化脱氢的催化剂,其特征在于铂族金属优选的重量含量为0.01-1.0%;第IVA族金属元素优选的重量含量为0.2-5%;碱金属元素优选的重量含量为1-5%。
6.如权利要求1所述的低碳烷烃催化脱氢的催化剂,其特征在于还含有卤族元素作为改性剂。
7.如权利要求6所述的低碳烷烃催化脱氢的催化剂,其特征在于基于催化剂总重量和以元素金属计算,卤族元素的重量含量为0.1-15‰。
8.如权利要求6所述的低碳烷烃催化脱氢的催化剂,其特征在于卤族元素改性剂优选C1。
9.如权利要求1或6所述的低碳烷烃催化脱氢的催化剂,其特征在于联结剂选自氧化铝、硅酸铝,其重量含量为组成催化剂的其它物质总量的10-50%。
10.如权利要求9所述的低碳烷烃催化脱氢的催化剂,其特征在于联结剂的优选重量含量为20-30%。
11.如权利要求9所述的低碳烷烃催化脱氢的催化剂,其特征在于联结剂为氧化铝时,联结剂中含有约0.01wt%~约2.0wt%碱性金属组分。
12.一种采用权利要求1至11所述的催化剂用于链烷烃催化脱氢制丙烯的方法,其特征在于反应温度为500~700℃,压力为0~0.2MPa,质量空速为2~5h-1,催化剂再生温度为500~700℃,空气空速为100~1000h-1,压力为0~1.0MPa。
13.如权利要求12所述的方法,其特征在于较佳工艺条件为:反应温度为550~650℃,压力为0.1MPa,质量空速为3.5h-1,催化剂再生温度为600~650℃,空气空速为200h-1,压力为0.2MPa。
14.按照权利要求12所述的方法,其特征在于原料链烷烃为C2~C8的脱氢反应,主要是丙烷。
15.按照权利要求12所述的方法,其特征在于链烷烃催化脱氢反应工艺可采用流化床、移动床或固定床反应器,其中固定床反应器较为适宜。
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