CN102133529A - 新型镍基lpg水蒸气重整催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型镍基LPG水蒸气重整催化剂及其制备方法,属于催化剂制备工艺技术领域。本发明为由镍、镁、铝的氧化物组成的LPG水蒸气重整催化剂。其特征在于其中镍含量为5~20wt%,镁与铝的摩尔比为0.5~2:1。其制备方法为用碱液滴定可溶的硝酸镁、硝酸铝得到沉淀物;该沉淀物经过抽滤、洗涤、干燥、焙烧后得到镁铝复合氧化物载体。然后通过浸渍法将所得到的载体负载一定量的镍并再次干燥、焙烧后得到成品催化剂。本发明制备的催化剂具有催化活性高、使用温度宽、催化稳定性好、机械强度高、生产成本低等优点。本发明中优选的15wt%Ni/Mg1.25(Al)催化剂,经寿命实验结果表明,该催化剂是一种很有潜力的LPG水蒸气重整催化剂。
Description
技术领域
本发明公开了一种新型镍基LPG水蒸气重整催化剂及其制备方法,属于催化剂制备工艺技术领域。
背景技术
LPG、汽油、柴油具有燃烧热值高、能量密度大、市场来源稳定、储存运输方便、有成熟的商业化配送网络等优点,用于开发燃料电池汽车车载制氢,具有巨大的潜在商业价值。烃类水蒸气重整制氢法是目前应用最广的制氢方法,水蒸气重整反应是慢速反应,为保持较高的生产速率,工业生产中压力通常高于3.0 MPa。积炭对催化剂的活性、寿命、机械强度都有不良影响,为防止积炭,需通入过量的水蒸气(S/C = 3~5)。提高水蒸气用量意味着能耗的增加,设备庞大,占地面积大,投资和操作费用昂贵。
一个有效的解决方法是采用预转换工艺。预转化工艺就是在转化炉前增加一台绝热反应器,使原料中的烃类在低温,低水碳比,高空速等条件下蒸汽转化为CH4和H2等小分子气体。然后再经700 ℃以上高温将CH4重整生成H2,CO和CO2。
烃类预转化制取富甲烷气的过程一般在400~550 ℃范围内进行,采用高活性镍催化剂,保证高碳烃在较低温度下裂解、蒸汽转化、加氢和变换反应,最终达到甲烷化和CO变换平衡。裂解、转化等吸热反应与甲烷化,变换等放热反应形成耦合,互供热量,减少与外界的热交换。预转化反应与传统反应不同的是,传统转化主要以烃和蒸汽转化制氢为主,需在较高温度下进行;而预转化要求裂解和加氢反应同时进行,通过工艺参数调整,使整体热效应较小,实现在绝热反应器中进行。预转化催化剂不同于转化催化剂,它应具有以下特性:(1)高的低温活性;(2) 高抗积炭性;(3) 良好的热稳定性。因此,既要保证催化剂有较高的活性,又要延长使用寿命。
Ni/Al2O3催化剂由于其高活性及价格低廉而被认为是一种很有前途的烃类水蒸气重整催化剂(Appl Catal
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水滑石类阴离子粘土是一种重要的层柱状新型无机材料,主要包括水滑石(Hydrotaleite,简称HT)及类水滑石(Hydrotaleite—like compounds,简称HTlc)。由于独特的结构特点、组成、孔结构的可调变性和优良的催化性能,使其在催化、工业和医药等方面展示了广阔的应用前景,已引起广泛关注。国内外相关文献报道由类水滑石衍生得到的镁铝复合氧化物载镍催化剂在甲烷水蒸气重整(J Catal. 250(2007):299)、甲烷部分氧化重整(J Catal.
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J Hydrogen Energy. 33(2009):3489)具有高活性、高稳定性和强抗积碳性能。日本专利11-276893报道了一种以水滑石为前驱体的含少量贵金属(Ru,Rh,Pd)的镍基催化剂,并把它用在甲烷的二氧化碳重整中。然而,虽然添加了贵金属,这种催化剂只有在温度超过800oC才能发挥较好的催化性能。600oC反应条件下,只有当催化剂中Rh含量超过5%时,甲烷转换率才能超过50%。
发明内容
本发明的目的在于提供一种催化活性高、使用温度宽、催化稳定性好、机械强度高、生产成本低的LPG水蒸气重整催化剂。
本发明的新型镍基LPG水蒸气重整催化剂,其特征在于由镍、铝、镁的氧化物组成,其中镍含量为5−20wt%,镁与铝的摩尔比为0.5~2:1;本发明催化剂的制备工艺采用共沉淀法与浸渍法,主要包含以下步骤:
a)
按催化剂的元素组成,配置一定量的Mg(NO3)2•6H2O和Al(NO3)3•9H2O的混合水溶液,使金属离子摩尔浓度为0.35 mol/L;同时配置沉淀剂水溶液,沉淀剂水溶液为1 M Na2CO3和2 M NaOH的混合溶液;
b)
将上述碱性沉淀剂水溶液缓慢滴入带搅拌装置的金属阳离子混合水溶液的烧杯内进行反应;搅拌速度为160转/分,沉淀反应在室温60℃下进行,沉淀反应结束后保持混合液的pH值在9.5左右并在保持60℃下搅拌陈化2h,将所得沉淀物经多次洗涤,过滤后在110oC干燥箱中隔夜干燥;然后研磨成细粉,在800℃的马弗炉中焙烧20小时后得镁铝复合氧化物载体;
c)
将上述制备得到的镁铝复合氧化物载体浸渍于适量Ni(NO3)2溶液中,室温静置2 h后在80oC下蒸干,隔夜干燥,并在800 oC下焙烧20 h,将焙烧后的粉体在25~35 kN的压力下于模中挤压成型;随后经破碎、过筛,得到粒径为35~45目的颗粒,即为Ni/Mgx(Al)催化剂成品。
附图说明
图1是本发明实施例1,实施例2和对比例1中不同Mg/Al摩尔比催化剂的催化评价结果。
图2为实施例2中不同镍含量催化剂的催化评价结果。
图3为实施例2中制得的15wt%Ni/Mg1.25(Al)和对比例2中的通过共沉淀一步法制备的催化剂的催化性能评价结果的比较。
图4为15wt%Ni/Mg1.25(Al)在固定空速(57892 mLh-1g-1)和反应温度(400oC)下,LPG转化率和产物选择性跟反应温度的关系(虚线为理论平衡值)。
图5为15wt%Ni/Mg1.25(Al)催化剂寿命实验结果。
具体实施方式
通过以下实施例对本发明进行进一步说明,但本发明并不仅限于这些实施例。
实施例
1
按摩尔比n(Mg):n(Al) =0.5:1,称取87.5 g Al(NO3)3•9H2O和29.9 g Mg(NO3)2•6H2O溶于120mL去离子水中。同时,配制Na2CO3(1 M)和NaOH(2 M)的混合溶液作为沉淀剂。将上述碱性沉淀剂水溶液缓慢滴入带搅拌装置的装有金属阳离子混合水溶液的烧杯内进行反应;搅拌速度为160转/分,沉淀反应在室温60℃下进行,沉淀反应结束后保持混合液的pH值在9.5左右并在保持60℃下搅拌陈化2h,将所得沉淀物经多次洗涤,过滤后在110oC干燥箱中隔夜干燥;然后研磨成细粉,在800℃的马弗炉中焙烧20小时后得到镁铝复合氧化物载体。称取4.5g镁铝复合氧化物载体浸渍于含2.48 g Ni(NO3)2.6H2O溶液中,室温静置2 h后在80oC下蒸干,隔夜干燥,并在800 oC下焙烧20 h,将焙烧后的粉体经成型、破碎、过筛,得到粒径为35~45目的催化剂颗粒,即为10wt%Ni/Mg0.5Al催化剂成品。
实施例
2
。
按照实施例1中的方法,通过加入不同质量的Mg(NO3)2•6H2O和Al(NO3)3•9H2O制备出不同Mg/Al摩尔比的Ni/Mgx(Al)催化剂(见表 1)。同时为了考察不同镍含量对催化剂催化性能的影响,在固定Mg/Al为1.25下,制备了一系列不同镍含量的Ni/Mg1.25(Al)催化剂(见表 1)。同时表 1也列出了不同催化剂的比表面、孔容、孔径及实际镁铝比。
催化剂 | Mg(NO3)2 | Al(NO3)3 | Ni(NO3)2 | 实际 | 比表面 | |
•6H2O(g) | •9H2O(g) | •6H2O(g) | Mg/Ala | (m2 g–1) | ||
2-1 | 10wt%Ni/Mg1Al | 44.9 | 65.6 | 2.48 | 1.00 | 107 |
2-2 | 10wt%Ni/Mg1.25Al | 49.9 | 58.4 | 2.48 | 1.30 | 126 |
2-3 | 10wt%Ni/Mg1.5Al | 53.8 | 52.5 | 2.48 | 1.57 | 129 |
2-4 | 10wt%Ni/Mg2Al | 59.8 | 43.8 | 2.48 | 2.05 | 164 |
2-5 | 5wt%Ni/Mg1.25Al | 49.9 | 58.4 | 1.17 | 1.30 | 153 |
2-6 | 15wt%Ni/Mg1.25Al | 49.9 | 58.4 | 3.94 | 1.30 | 113 |
2-7 | 20wt%Ni/Mg1.25Al | 49.9 | 58.4 | 5.58 | 1.30 | 39 |
a通过SEM测得。
对比例
1
按摩尔比n(Mg):n(Al) =0:1,称取131.3 g Al(NO3)3•9H2O溶于120mL去离子水中。同时,配置Na2CO3(1 M)和NaOH(2 M)的混合溶液作为沉淀剂。将上述碱性沉淀剂水溶液缓慢滴入带搅拌装置的装有金属阳离子混合水溶液的烧杯内进行反应;搅拌速度为160转/分,沉淀反应在室温60℃下进行,沉淀反应结束后保持混合液的pH值在9.5左右并在保持60℃下搅拌陈化2h,将所得沉淀物经多次洗涤,过滤后在110oC干燥箱中隔夜干燥;然后研磨成细粉,在800℃的马弗炉中焙烧20小时后得氧化铝载体。称取4.5g氧化铝载体然后浸渍于含2.48 g Ni(NO3)2.6H2O溶液中,室温静置2 h后在80oC下蒸干,隔夜干燥,并在800 oC下焙烧20 h,将焙烧后的粉体经成型、破碎、过筛,得到粒径为35~45目的催化剂颗粒,即为10%Ni/γ-Al2O3催化剂成品。
对比例
2
按摩尔比n(Mg):n(Al) =1.25:1,称取36.8 g Al(NO3)3•9H2O、31.4g Mg(NO3)2•6H2O和8.7g Ni(NO3)2.6H2O溶于120mL去离子水中。将NaOH、Na2CO3混合溶液(总浓度为3M,nNaOH:nNa2CO3=2:1)滴到上述Mg(NO3)2、Al(NO3)3和Ni(NO3)2.6H2O的混合溶液中并保持混合溶液的温度为60℃,同时不断搅拌,搅拌速度为160转/分。沉淀反应结束后保持混合液的pH值在9.5左右并在60℃下搅拌陈化2h,将所得沉淀物经多次洗涤,过滤后在110oC干燥箱中隔夜干燥;然后研磨成细粉,在800℃的马弗炉中焙烧20小时。将焙烧后的粉体经成型、破碎、过筛,得到粒径为35~45目的催化剂颗粒,即为C-15wt%Ni/Mg1.25(Al)催化剂成品。
评估实验
催化剂的活性评估在传统的常压固定床反应器内进行,催化剂用量0.1 g,反应的空速为28937mlgcat -1h-1,水碳比S/C=2,温度为400oC。评价反应之前,催化剂应在氢气混合气体即20 vol.% H2/N2中(流量为30 ml min-1)以及温度为800℃下还原4h;然后在400~500℃之间测其活性,活性用LPG转化率表示。8h反应后的实验结果如图1所示。图中LPG转化率和产物转化率通过下面几个公式计算。
式中,XLPG为LPG的转化率,Si,SH2分别为产物的选择性,N表示摩尔流量,i为CO、CO2、CH4。
图1为实施例1,实施例2和对比例1中不同Mg/Al摩尔比催化剂的催化评价结果。从图中可以看出,镁铝比对催化剂的催化性能有显著影响。不含Mg的10%Ni/γ−Al2O3催化剂,LPG转化率很低,只有2.4%。随Mg/Al摩尔比增加,LPG转化率急剧增加,当Mg/Al摩尔比增加到1.25时,LPG转化率最大,为98.7%。CO,CO2,CH4和H2选择性达到理论平衡值。Ni/Mg(Al)O催化剂也表现出非常好的稳定性和抗积炭能力。
图2为实施例2中不同镍含量催化剂的催化评价结果。从图中可以看出,当镍含量只有5wt%时,催化剂的催化活性很低且其稳定性也比较差。随着镍含量增加到10wt%,LPG转化率迅速增加,当镍含量增加到15 wt%时,LPG转化率最大且催化剂最稳定。所以催化剂中的最佳镍含量为15 wt%。
图3为实施例2中制得的15wt%Ni/Mg1.25(Al)和对比例2中的通过共沉淀一步法制备的催化剂的催化性能评价结果的比较。从图中我们不难发现通过对比例2制备得到的催化剂对LPG水蒸气重整反应的催化性明显比通过实施例2制得的催化剂的催化活性低。通过实施例2中制得的15wt%Ni/Mg1.25(Al)催化剂在实验开始的8h反应时间内,LPG基本完全转化且没有下降趋势。
图4为实施例2中制得的15wt%Ni/Mg1.25(Al)在固定空速(57892 mLh-1gcat -1)和反应温度(400oC)下,LPG转化率和产物选择性跟反应温度的关系(虚线为理论平衡值)。可以看出催化剂在400oC-500oC温度范围内有很好的催化性能,同时产物组成也接近平衡值,且温度越高催化活性越好。
图5为实施例2中制得的15wt%Ni/Mg1.25(Al)催化剂寿命实验结果,实验条件:空速:36000,反应温度:400oC,水碳比S/C为2。图中可以15wt%Ni/Mg1.25(Al)催化剂在运行72小时后,LPG转化率仍然维持在96%以上,并且产物的选择性基本不变,并接近理论平衡值,这说明15wt%Ni/Mg1.25(Al)催化剂具有高活性、高的抗中毒能力、高稳定性等特点。
Claims (2)
1.一种新型镍基LPG水蒸气重整催化剂,其特征在于由镍、铝、镁的氧化物组成,其中镍含量为5−20wt%,镁与铝的摩尔比为0.5~2:1。
2.一种新型镍基LPG水蒸气重整催化剂的制备方法,其特征在于制备工艺采用共沉淀法与浸渍法,主要包含以下步骤:
a). 按催化剂的元素组成,配置一定量的Mg(NO3)2•6H2O和Al(NO3)3•9H2O的混合水溶液,使金属离子摩尔浓度为0.35 mol/L;同时配置沉淀剂水溶液,沉淀剂水溶液为1 M Na2CO3和2 M NaOH的混合溶液;
b). 将上述碱性沉淀剂水溶液缓慢滴入带搅拌装置的金属阳离子混合水溶液的烧杯内进行反应;搅拌速度为160转/分,沉淀反应在室温60℃下进行,沉淀反应结束后保持混合液的pH值在9.5左右并在保持60℃下搅拌陈化2h,将所得沉淀物经多次洗涤,过滤后在110oC干燥箱中隔夜干燥;然后研磨成细粉,在800℃的马弗炉中焙烧20小时后得镁铝复合氧化物载体;
c). 将上述制备得到的镁铝复合氧化物载体浸渍于适量Ni(NO3)2溶液中,室温静置2 h后在80oC下蒸干,隔夜干燥,并在800 oC下焙烧20 h,将焙烧后的粉体在25~35
kN的压力下于模中挤压成型;随后经破碎、过筛,得到粒径为35~45目的颗粒,即为Ni/Mgx(Al)催化剂成品;在使用之前,催化剂应在20 vol.% H2/N2
(30 ml min-1)气氛中温度为800℃下还原4h。
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