CN102188981B - 丙烯腈流化床催化剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种丙烯腈流化床催化剂的制备方法，主要解决现有技术制得的丙烯腈催化剂在流化床中流化效果差从而使得丙烯腈收率较低，同时易造成催化剂结块，影响催化剂的稳定性的问题。本发明通过采用包括如下步骤：1)将Mo的盐或氧化物制成溶液(I)；2)将碱金属盐或氧化物制成溶液(II)；3)将过渡金属盐或氧化物制成溶液(III)；4)将溶液(II)加入溶液(I)中，再加入载体后，再加入溶液(III)，制得催化剂浆料，在喷雾干燥前用球磨机、胶体磨等对浆料进行磨细，浆料平均粒径小于20μm，然后再进行喷雾干燥和焙烧，改善催化剂的流动性能的技术方案较好地解决了该问题，可用于丙烯腈流化床催化剂的工业生产中。

Description

丙烯腈流化床催化剂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种丙烯腈流化床催化剂的制备方法。
背景技术
丙烯腈是重要的有机化工原料，它是通过丙烯氨氧化反应生产的。为获得高活性、高选择性的流化床催化剂，人们经过不断探索，进行了一系列改进。这些改进大都涉及催化剂活性组成，注重催化剂活性组份之间的搭配，来提高催化剂的活性与选择性，从而达到丙烯腈单程收率的提高，以及生产负荷的提高。
氨氧化法生产丙烯腈经过40多年的发展，工厂的生产能力与市场需求已接近平衡。目前丙烯腈生产的主要发展趋势，已由注重建设新装置转向原有工厂的技术改造，以进一步降低原料消耗和增加生产能力。通过对原有工厂的改造，更换高效催化剂和消除生产工艺中的瓶颈，丙烯腈的生产能力有可能提高50～80％，而所需的投资仅为新建装置的20～30％，经济效益十分巨大。
原有丙烯腈装置扩能时要求催化剂的装载量不能太多，为此要求换用的催化剂在较高的丙烯负荷下，保持高的丙烯腈收率。当反应器尺寸和生产能力确定后，反应器装填催化剂多少和催化剂能够承受负荷有关，即WWH。其定义是每吨催化剂，每小时可以处理丙烯的吨数。当反应器进料量增加，如果催化剂的负荷不变，则催化剂装载量也要相应增加。但原设计的流化床反应器中冷却水管高度不够，因此反应器中催化剂的流化高度有可能超过冷却水管的高度。另外，由于反应器进料量增大，所以操作线速也显著提高。这两项变化的综合影响有可能使反应器稀相温度上升，造成二氧化碳生成量增大，丙烯腈选择性下降，因此较高WWH的催化剂可以防止出现上述问题。
从理论上来说提高催化剂的WWH应当增加催化剂对丙烯的吸附活化能力，但目前尚无催化剂中某种元素可以提高对丙烯吸附活化能力的报导。文献US5093299和US5212137中介绍了一种使用钼、铋、铁、镍、镁、钾和铯体系的催化剂进行丙烯氨氧化制备丙烯腈的催化剂。该专利中介绍，其催化剂能在通常略低的反应温度下操作，其具有较高的催化活性及优良的氧化还原稳定性，因而可适用于较低的空气/丙烯比条件操作。但应该注意的是，上述专利实施例的考察条件为固定床，430℃反应温度，没有提及实验操作中具体的反应压力与操作负荷情况数据，更没有涉及高负荷下催化剂反应性能。
文献平8-27089中介绍了一种丙烯腈的制造方法，其采用钼、铋、铁、镁和钨体系的催化剂进行丙烯氨氧化反应，该文献实施例中的考察条件为常压。
就反应初期的丙烯腈收率而言，上述专利文件中公开的催化剂已有了较大的改进，但上述所有专利中不仅没有涉及催化剂在较高的丙烯负荷和较高的反应压力下丙烯腈收率数据，更没有涉及催化剂在较高的丙烯负荷和较高的反应压力下，长周期运行后丙烯腈收率数据。
文献JP9401312和CN1121321A中公开了一种含钼、铋、铈、铁、镍、镁或锌中至少一种、钾或铯或铷中至少一种的丙烯氨氧化制备丙烯腈的催化剂。该专利中介绍，其催化剂在延长反应时间的情况下能有效地防止丙烯腈收率降低，但其催化剂评价是在相当低的反应压力和低的操作负荷条件下进行。目前还没有文献报道浆料粒径对丙烯腈流化床催化剂性能的影响。
本发明不同于以往丙烯腈流化床催化剂的制备方法的地方在于：本发明提供一种新的生产丙烯腈流化床催化剂的制备方法，所制得的催化剂在流化床内具有良好的流动性能，从而提高催化剂的丙烯腈收率，尤其是提高催化剂的稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在丙烯腈催化剂在流化床中流化效果差从而使得丙烯腈收率较低，同时易造成催化剂结块，影响催化剂的稳定性问题，提供一种新的丙烯腈流化床催化剂的制备方法。该制备方法制得的催化剂在流化床内具有良好的流动性能，从而提高催化剂的丙烯腈收率，尤其是能够提高催化剂的稳定性。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种丙烯腈流化床催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)将所需量Mo相应的盐或氧化物溶于水中制成溶液(I)；
2)将所需量选自Li、Na、K、Rb和Cs中的至少一种相应的盐或氧化物溶于水中制成溶液(II)；
3)将所需量Fe、Ni和选自Ca、Mn、Co、Mg、Ba、Cr、W、Sb、P、Ge、Nb、Ta、La、Ce、Pr、Sm、Eu、Tb和Nd相应的盐或氧化物溶于水中制成溶液(III)；
4)在搅拌下将溶液(II)加入到溶液(I)中，再加入所需量选自二氧化硅、氧化铝或其混合物的载体，然后将溶液(III)加入到其中，制得催化剂的浆料，通过研磨使浆料平均粒径小于20μm，将浆料在喷雾干燥器中进行微球粒成型，最后在焙烧炉空气气氛中500～700℃下焙烧0.5～8小时，得丙烯腈流化床催化剂。
上述技术方案中浆料的平均粒径为0.01～15μm，优选平均粒径为1～12μm，更优选平均粒径为5～10μm；焙烧炉空气气氛中焙烧时间优选为0.5～5小时，更优选为0.5～3小时，最优选为1～3小时。
浆料的配制最好按CN1005248C方法进行。
制造本发明催化剂的原料为：
催化剂中的钼组份用氧化钼或钼酸铵。
其余各组分最好用其硝酸盐、草酸盐、氢氧化物、氧化物或可分解为氧化物的盐类。
作为载体二氧化硅的原料可用硅溶胶、硅凝胶或两者的混合物。如果用硅溶胶，其质量要符合CN1005248C的要求。
配制好的浆料加热浓缩到固含量为47～55％、研磨后喷雾干燥。喷雾干燥器可用压力式，两流式或离心转盘式，但以离心式较好，能保证制成的催化剂有良好的粒度分布。
催化剂的焙烧可分为两个阶段进行：催化剂中各元素盐类的分解和高温焙烧。分解阶段温度最好为200～300℃，时间为0.5～2小时。焙烧温度为500～700℃，最好为550～700℃；焙烧时间为20分钟到8小时。上述分解和焙烧在两个焙烧炉内分别进行，也可在一个炉内分为两个区域，也可在连续式旋转焙烧炉内同时完成分解和焙烧。在催化剂分解和焙烧过程中要通入适量空气，以生成催化活性相，并防止催化剂被过度还原。
采用本发明催化剂制造丙烯腈所需的丙烯、氨和分子氧的规格与使用其它氨氧化催化剂相同。虽然原料丙烯中的低分子饱和烃含量对反应并无影响，但从经济观点考虑丙烯浓度最好大于85％(摩尔)。氨可用肥料级液氨。反应所需分子氧从技术角度可用纯氧，富氧和空气，但从经济和安全考虑最好用空气。
进入流化床反应器的氨与丙烯的摩尔比为0.8～1.5之间，最好为1.0～1.3。空气与丙烯的摩尔比为8～10.5，最好为8.8～9.8。如果由于某些操作上的原因须用较高空气比时，可以增大到11，对反应没有重大影响。但从安全考虑，反应气体中的过量氧不能大于7％(体积)，最好不大于4％。
采用本发明制得的催化剂用于流化床反应器时，反应温度为410～470℃，最好为420～450℃。本发明制得的催化剂是一种适用于较高压力、高负荷的催化剂，因此在生产装置中反应压力可在0.08MPa以上，例如，0.08～0.18MPa。如果反应压力低于0.08MPa也不会有任何不利影响，丙烯腈收率可进一步提高。
采用本发明制得的催化剂的丙烯负荷(WWH)为0.045～0.15小时-1，最好为0.06～0.13小时-1。负荷过低不仅浪费催化剂，也会使二氧化碳生成量增加，选择性下降，是不利的。负荷过高没有实际意义，因为催化剂加入量过少，会使催化剂层内冷却水管的传热面积小于移去反应热所需的面积，造成反应温度无法控制。
用本发明制得催化剂制造丙烯腈的产品回收精制工艺，可用已有的生产工艺，不需做任何改造。即流化床反应器的流出气体经中和塔除去未反应氨，再用低温水将全部有机产物吸收。吸收液经萃取蒸馏，脱氢氰酸和脱水处理后得高纯度丙烯腈产品。
根据选择氧化反应活性位隔离和相间协同效应，采用在喷雾干燥前用磨机将浆料磨细到一定程度，使得组分间混合更加均匀，所制得催化剂在流化床内具有良好的流动性，使丙烯向生成丙烯腈方向转化，从而极大地降低深度氧化副产物。使用本发明制得的催化剂进行丙烯氨氧化反应，能够在较高的丙烯负荷和较高的反应压力下获得良好的流动性能，丙烯腈收率达到80％以上，而且能在1200小时运行后丙烯腈收率基本保持不变，保持在80％左右，取得了较好的技术效果。
本发明制得催化剂的活性考评是在内径为38毫米的流化床反应器中进行的。催化剂装填量400克，反应温度430℃，反应压力0.14MPa，原料配比(摩尔)为丙烯∶氨∶空气＝1∶1.25∶9.5，催化剂的丙烯负荷(WWH)为0.085小时-1。
在本发明中丙烯转化率、丙烯腈选择性和单程收率的定义如下：
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述。
具体实施方式
【实施例1】
1.6克氢氧化钠和4.1克氢氧化钾和加水11克并加热后溶解，得到物料(A)；将850.0克钼酸铵溶于800克60～90℃热水中，得物料(B)；将157.5克硝酸铋、286.8克硝酸锰、594.5克硝酸镍、330.4克硝酸铁混合，加水340克，加热溶解后作为物料(C)，称取26.6克硝酸镨和24.8克硝酸铬，加水15克，得物料(D)。
将物料(A)与2475克重量浓度为40％的硅溶胶混合，在搅拌下依次加入物料(B)、(C)和(D)，经充分搅拌后得浆料，用胶体磨将浆料的平均粒径磨到8μm，然后将制成的浆料在喷雾干燥器中进行微球粒成型，最后在内径为89毫米，长度为1700毫米(89×1700毫米)的旋转焙烧炉中于600℃焙烧2.0小时，制成组成为：
50％K0.15Na0.1Mn2.0Cr0.6Pr0.4Fe2.0Ni5.0Bi0.85Mo12.0Ox+50％SiO2。
【比较例1】
1.6克氢氧化钠和4.1克氢氧化钾和加水11克并加热后溶解，得到物料(A)；将850.0克钼酸铵溶于800克60～90℃热水中，得物料(B)；将157.5克硝酸铋、286.8克硝酸锰、594.5克硝酸镍、330.4克硝酸铁混合，加水340克，加热溶解后作为物料(C)，称取26.6克硝酸镨和24.8克硝酸铬，加水15克，得物料(D)。
将物料(A)与2475克重量浓度为40％的硅溶胶混合，在搅拌下依次加入物料(B)、(C)和(D)，经充分搅拌后得浆料，然后直接将制成的浆料在喷雾干燥器中进行微球粒成型，最后在内径为89毫米，长度为1700毫米(89×1700毫米)的旋转焙烧炉中于600℃焙烧2.0小时，制成组成为：
50％K0.15Na0.1Mn2.0Cr0.6Pr0.4Fe2.0Ni5.0Bi0.85Mo12.0Ox+50％SiO2。
【实施例2～5及比较例2～4】
采用与实施例1基本相同的方法制备具有下表中不同组成的催化剂，并用所制得的催化剂在下述的反应条件下进行丙烯氨氧化生成丙烯腈的反应，具体改变和结果见表1。
上述实施例与比较例的反应条件为：
38毫米流化床反应器
反应温度430℃
反应压力0.14MPa
催化剂装填量400克
催化剂丙烯负荷(WWH)0.085小时-1
原料配比(摩尔)C3 ＝/NH3/空气＝1/1.25/9.5
反应开始后4小时、400小时、800小时和1200小时分别计算反应结果。

Claims (1)

1.一种丙烯腈流化床催化剂的制备方法，步骤如下：
1.6克氢氧化钠和4.1克氢氧化钾和加水11克并加热后溶解，得到物料A；将850.0克钼酸铵溶于800克60～90℃热水中，得物料B；将157.5克硝酸铋、286.8克硝酸锰、594.5克硝酸镍、330.4克硝酸铁混合，加水340克，加热溶解后作为物料C，称取26.6克硝酸镨和24.8克硝酸铬，加水15克，得物料D；
将物料A与2475克重量浓度为40％的硅溶胶混合，在搅拌下依次加入物料B、物料C和物料D，经充分搅拌后得浆料，用胶体磨将浆料的平均粒径磨到8μm，然后将制成的浆料在喷雾干燥器中进行微球粒成型，最后在内径为89毫米，长度为1700毫米的旋转焙烧炉中于600℃焙烧2.0小时，制成组成如下的催化剂：
50％K0.15Na0.1Mn2.0Cr0.6Pr0.4Fe2.0Ni5.0Bi0.85Mo12.0Ox+50％SiO2。
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