CN105110332B - 利用co2加氢脱除co原料气中h2的工艺方法及加氢催化剂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用CO2加氢脱除CO原料气中H2的工艺方法及所用的加氢催化剂。该工艺区别于现有工艺的特点在于,使用CO2代替O2作为氧化剂,通过CO2加氢反应脱除CO原料气中0.1~5%的H2杂质,获得可用于草酸酯或碳酸酯合成工艺的高纯CO原料气。本发明改进了现有的选择氧化脱氢工艺,用CO2代替O2,既消除了高温下O2和H2或CO同时存在可能出现的爆炸危险,又避免了CO被O2氧化所带来的原料损耗,有效解决了目前选择氧化脱氢工艺存在的问题和隐患。本发明提供的专用于该工艺的催化剂是Cu‑Au‑X/CeO2‑Al2O3,其中铜和金为活性组分,X为助剂,X为铟、锆、锌、钇、钡的氧化物中的一种或几种;CeO2‑Al2O3为复合载体。该催化剂具有CO2活化温度低、脱氢活性好等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种CO原料气中氧化脱氢工艺方法及加氢催化剂。具体涉及采用CO2代替O2作为氧化剂,通过CO2加氢反应脱除CO原料气中H2杂质。
背景技术
近年来,由于工业生产等原因造成CO2的大量产生和排放,带来全球变暖等一系列环境和社会问题,对于绿色化学的呼吁日渐高涨,关于CO2分子的活化以及有效利用的课题已受到广泛重视。一些研究工作表明CO2分子在某些金属表面可以被活化并参与催化反应,例如:CO2和CH4的重整,CO2加氢重整,CO2加氢合成甲醇、甲酸和二甲醚等低碳化学品。
高纯CO是重要的化工原料,广泛应用于碳一化学的多个领域。其中,利用煤碳经合成气制草酸酯或碳酸酯是碳一化学领域的重要技术,该技术的开发能产生巨大的经济效益。该技术路线需要使用大量高纯CO原料气,尤其对CO中H2杂质的含量有着特殊要求,因为H2杂质的存在会使该技术路线中所涉及的催化剂中毒失活,而如何实现CO原料气中H2杂质的有效脱除就成为该技术路线的关键所在。
目前,国内外普遍采用的脱氢工艺主要有:
(1)通过深冷分离或变压吸附分离等技术来除去H2杂质,最高可获得纯度达到99%的CO。由于技术水平的限制,利用深冷或变压吸附分离无法将H2杂质的浓度降至0~100ppm。
(2)通过选择氧化的方法来脱除CO原料气中的H2杂质。在目前的脱氢工艺中,选择氧化脱氢是较为有效的脱氢手段,例如:中国专利CN102649055A中,贵金属催化剂在3000h-1空速下可以在200℃将H2杂质完全脱除,O2和H2摩尔比为0.8,CO损失率为0.5%;中国专利CN102219213B中,助剂掺杂的贵金属催化剂在3000h-1的空速下可以在200℃将H2杂质脱除至8ppm,O2和H2摩尔比为1.5,CO损失率为0.8%。该工艺一般选择O2作为氧化剂,可以有效的将H2脱除。但是该工艺依然存在一些问题,例如:在脱氢反应的气氛中有O2、CO和H2三种气体共存,且反应需要在加热环境下进行。当O2和CO或H2的浓度达到一定比例,便会发生爆炸,因此该工艺在运行过程中便需要操作人员时刻关注反应入口和出口O2、CO、H2三种气体的比例变化,企业需要对装置和操作人员做好安全防护,并备好应急措施来处理可能发生的危险。另外,由于原料气中有用的CO可以被O2在同样的反应条件下氧化,而且待处理原料气中CO的含量远高于H2杂质,因此该反应存在选择 性不高的问题,大量有用的原料CO被氧化消耗,转化成难以利用的CO2温室气体排放至大气中,影响环境。因此,对现有的选择氧化脱氢工艺进行改良,探索出一种更安全、更高效、更绿色的脱氢工艺对于高效获得工业用高纯CO气体具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种将CO2加氢反应用于CO原料气氧化脱氢的工艺,本工艺使用CO2代替O2作为氧化剂,通过CO2的加氢反应除掉CO原料气中的H2杂质。本发明的目的还在于提供上述CO2加氢的催化剂,应用于CO2加氢的氧化脱氢工艺。
由于CO2和CO或H2以任意比例混合都不存在爆炸危险,且CO2不会氧化CO造成原料的无谓消耗,从而解决现有的氧化脱氢工艺中存在的爆炸隐患和CO被氧化等问题。
本发明所涉及到的CO2加氢反应,其反应方程式如下:
CO2+H2——CO+H2O△H=41.2KJ/mol
将CO2加氢反应用于CO原料气氧化脱氢的工艺,具体操作步骤如下:
A.将催化剂研磨成0.3~0.5mm装填入固定床反应器的恒温区。通入还原性气体,以2~3℃/min程序升温至150~400℃,恒温还原2~6h。所述还原性气体为H2-N2混合气,其中H2约占5~90%。
B.向固定床反应器中通入惰性气体,以4~5℃/min程序升温至300~700℃使催化剂活化1~5h。所述惰性气体为N2、Ar、He的其中之一。
C.在惰性气体保护下以2~3℃/min程序升温至500~800℃的目标反应温度,停止通入惰性气体,由质量流量计控制,分两路同时向反应床层通入待处理CO原料气和纯CO2气体进行反应;反应连续进行,反应压力为0.1~3MPa,反应过程中产生的H2O蒸汽用循环冷却装置除去。
所述待处理CO原料气中H2的含量为0.1~5%,CO的含量为95~99.9%,待处理原料气的空速为500~5000h-1;所述CO2气体的进气速率按照待处理CO原料气中H2含量确定,使CO2:H2浓度比为1~10:1,即CO2与待处理CO原料气的进气速率比为0.1~50:100。
对反应尾气取样,通过气相色谱对样品进行在线检测和分析。分析结果表明经过本工艺使CO原料气中的H2浓度降低至0~100ppm。
本发明提供的催化剂,其化学表达式为Cu-Au-X/CeO2-Al2O3,其中铜和金作为活性组分负载于复合载体CeO2-Al2O3上,铜占复合载体的质量百分比为1~20%,金和铜的摩尔比为 0.1~1:1。X是铟、锆、锌、钇、钡的氧化物中的一种或多种,作为助剂负载于复合载体CeO2-Al2O3上,X中的金属占复合载体的质量百分比为1~30%。复合载体CeO2-Al2O3中铈:铝的摩尔比为1~10:1。
本发明提供的催化剂的制备方法,具体步骤如下:
A.将铝盐和铈盐溶于去离子水中配制铈盐浓度为0.3~1.1mol/L、铝盐浓度为0.03~0.11mol/L的混合溶液,于30~70℃恒温搅拌1~8h;向其中加入浓度为0.3~2.1mol/L的硝酸,于30~70℃恒温搅拌0.5~4h得到澄清溶胶。所述铝盐是Al(C3H7O)3、Al(NO3)3其中之一;所述铈盐是Ce(NO3)3·6H2O、CeCl3其中之一;所述硝酸的加入量为铈盐摩尔数的3~50%。
B.将助剂金属盐配成总金属摩尔浓度为0.3~3.6mol/L的溶液,将其缓慢滴加入步骤A得到的溶胶中,使其中X金属和铈的摩尔比为1.5~83:100,于30~70℃恒温搅拌加热0.5~5h。所述的助剂金属盐为In(NO3)3、Zr(NO3)4·5H2O、Zn(CH3COO)2、Y(NO3)3·6H2O、Ba(NO3)2中的一种或几种。
C.将铜盐和氯金酸配成铜盐浓度为0.08~2.3mol/L、氯金酸浓度为0.08~0.23mol/L的混合溶液,使金和铜的摩尔比为0.1~1:1。将其缓慢滴加入步骤B得到的溶液中,使铜和铈的摩尔比为3.5~70:100,于30~70℃恒温搅拌0.5~5h,将温度升至70~90℃恒温4~12h得到凝胶。所述的铜盐为Cu(NO3)2、CuSO4·5H2O、(CuCl2)2·H2O、Cu(CH3COO)2·H2O的其中之一。
D.将步骤C得到的凝胶放入烘箱于100~120℃干燥12~60h,再放入马弗炉于300~800℃焙烧3~8h,冷却至室温,即得到Cu-Au-X/CeO2-Al2O3催化剂。
本发明改进了原有的氧化脱氢工艺,使用CO2代替O2作为氧化剂,利用CO2的加氢反应将CO原料气中的H2杂质脱除至0~100ppm,并制备得到相关催化剂,其有益之处体现在:
(1)与原有的氧化脱氢工艺相比,用CO2代替O2作为氧化剂,消除了O2与待处理原料气中的H2或CO混合后可能带来的爆炸隐患,对于工业化的安全生产具有重要意义。
(2)使用CO2作为氧化剂,只可以氧化待处理原料气中的H2杂质,而不会氧化CO,因此大大减少了原料CO不必要的损耗。而且CO2加氢反应还可以使CO2和H2重整为CO和H2O,额外得到CO原料。
(3)本发明制备得到专用于CO2加氢的氧化脱氢工艺的催化剂,该催化剂以铜和金为活性组分,以铟、锆、锌、钇、钡的氧化物的其中一种或多种作为助剂,负载于CeO2-Al2O3的复合载体上,具有制备方法简单、CO2活化温度低、脱氢活性好等特点。
具体实施方式
实施例1:
催化剂制备:
(1)称取300ml去离子水、4g异丙醇铝和42.5g硝酸铈配成混合溶液,置于500ml烧杯中。将烧杯置于集成加热式水浴锅中70℃搅拌反应3h,然后加入10ml浓度为1mol/L的硝酸,恒温搅拌反应0.5h,得到澄清溶胶。
(2)称取20ml去离子水和6.1g硝酸铟配成助剂盐溶液,使用滴液漏斗缓慢滴加入步骤1得到的溶胶中,70℃恒温搅拌加热0.5h。。
(3)称取50ml去离子水、17.5g硝酸铜和4.1g氯金酸配成活性组分盐溶液,使用滴液漏斗缓慢滴加入步骤2得到的溶液中,70℃恒温搅拌加热1h。将温度升至90℃恒温8h得到凝胶。
(4)将凝胶置于烘箱于120℃干燥24h后,再置入马弗炉中750℃焙烧3h自然冷却至室温得到催化剂Cu-Au-In2O3/CeO2-Al2O3。通过等离子体发射光谱测得催化剂中铜、金、铟、铈、铝五种组分的摩尔比为7:1:2:10:2。
氧化脱氢实验:
(1)将催化剂研磨成0.3~0.5mm,取10g装填入固定床反应器的恒温区中。通入含H2约约10%的H2-N2混合气,2℃/min程序升温至300℃还原2h。
(2)关闭H2阀门,通入N2以5℃/min程序升温至600℃活化2h。
(3)在N2保护下2℃/min程序升温至650℃,关闭N2阀门。两路进气分别通入H2含量约5%的待处理CO原料气和CO2。原料气和CO2的进气速率比为100:20,反应床层压力为0.5Mpa,待处理原料气的空速为1000h-1。反应过程中产生的H2O蒸汽用循环冷却装置除去。从尾气中取样,用气相色谱进行在线检测,结果见表1。
实施例2:
采用实施例1中的催化剂进行CO原料气氧化脱氢实验,同实施例1,不同之处在于氧化脱氢实验中待处理原料气中H2杂质的含量为3%,反应压力为1MPa,反应温度为650℃,结果见表1。
实施例3:
采用实施例1中的催化剂进行CO原料气氧化脱氢实验,同实施例1,不同之处在于氧化脱氢实验中待处理原料气中H2杂质的含量为1.5%,原料气和CO2的进气速率比为100:3.75,反应压力为1MPa,反应温度为680℃,结果见表1。
实施例4:
采用实施例1中的催化剂进行CO原料气氧化脱氢实验,同实施例1,不同之处在于氧化脱氢实验中待处理原料气中H2杂质的含量为0.5%,原料气和CO2的进气速率比为100:1.25,反应压力为1MPa,反应温度为720℃,结果见表1。
实施例5:
采用实施例1中的催化剂进行CO原料气氧化脱氢实验,同实施例1,不同之处在于氧化脱氢实验中待处理原料气中H2杂质的含量为1.5%,原料气和CO2的进气速率比为100:6,反应压力为1MPa,反应温度为740℃,待处理原料气的空速为3500h-1,结果见表1。
实施例6:
采用实施例1中的催化剂进行CO原料气氧化脱氢实验,同实施例1,不同之处在于氧化脱氢实验中待处理原料气中H2杂质的含量为1.5%,原料气和CO2的进气速率比为100:6,反应压力为2MPa,反应温度为760℃,待处理原料气的空速为5000h-1,结果见表1。
实施例7:
采用实施例1中的催化剂进行CO原料气氧化脱氢实验,同实施例1,不同之处在于氧化脱氢实验中待处理原料气中H2杂质的含量为1.5%,原料气和CO2的进气速率比为100:12,反应压力为2MPa,反应温度为760℃,待处理原料气的空速为5000h-1,结果见表1。
实施例8:
采用实施例1的方法制备铜、金、锆、铈、铝摩尔比为7:1:5:10:2的Cu-Au-ZrO2/CeO2-Al2O3催化剂。按照实施例1的方法进行CO原料气氧化脱氢实验,结果见表1。
实施例9:
采用实施例1的方法制备铜、金、钡、铈、铝的摩尔比为7:1:4:10:2的Cu-Au-BaO/CeO2-Al2O3催化剂。按照实施例1的方法进行CO原料气氧化脱氢实验,结果见表1。
实施例10:
采用实施例1的方法制备铜、金、钇、铈、铝的摩尔比为7:1:2:10:2的Cu-Au-Y2O3/CeO2-Al2O3催化剂。按照实施例1的方法进行CO原料气氧化脱氢实验,结果 见表1。
实施例11:
采用实施例1的方法制备铜、金、铟、钡、铈、铝的摩尔比为7:1:2:2:10:2的Cu-Au-In2O3-BaO/CeO2-Al2O3催化剂。按照实施例1的方法进行CO原料气氧化脱氢实验,结果见表1。
实施例12:
采用实施例1的方法制备铜、金、钇、钡、铈、铝的摩尔比为7:1:2::2:10:2的Cu-Au-Y2O3-BaO/CeO2-Al2O3催化剂。按照实施例1的方法进行CO原料气氧化脱氢实验,结果见表1。
实施例13:
采用实施例1的方法制备铜、金、锌、钡、铈、铝的摩尔比为7:1:6::2:10:2的Cu-Au-ZnO-BaO/CeO2-Al2O3催化剂。按照实施例1的方法进行CO原料气氧化脱氢实验,结果见表1。
实施例14:
采用实施例1的方法制备铜、金、铟、铈、铝的摩尔比为7:1:2:10:6的Cu-Au-In2O3/CeO2-Al2O3催化剂。按照实施例1的方法进行CO原料气氧化脱氢实验,结果见表1。
实施例15:
采用实施例1的方法制备铜、金、铟、铈、铝的摩尔比为7:1:2:5:12的Cu-Au-In2O3/CeO2-Al2O3催化剂。按照实施例1的方法进行CO原料气氧化脱氢实验,结果见表1。
实施例16:
采用实施例1的方法制备铜、金、铟、铈、铝的摩尔比为7:1:2:10:2的Cu-Au-In2O3/CeO2-Al2O3催化剂,不同处在于制备步骤1中硝酸的浓度为0.3mol/L,硝酸的加入量为33ml。按照实施例1的方法进行CO原料气氧化脱氢实验,结果见表1。
实施例17:
采用实施例1的方法制备铜、金、铟、铈、铝的摩尔比为7:1:2:10:2的Cu-Au-In2O3/CeO2-Al2O3催化剂,不同处在于制备步骤3中70℃恒温搅拌加热的时间为5h。按照实施例1的方法进行CO原料气氧化脱氢实验,结果见表1。
实施例18:
采用实施例1的方法制备铜、金、铟、铈、铝的摩尔比为7:1:2:10:2的Cu-Au-In2O3/CeO2-Al2O3催化剂,不同处在于制备步骤3中用23.3g硫酸铜代替17.5g硝酸铜。按照实施例1的方法进行CO原料气氧化脱氢实验,结果见表1。
实施例19:
采用实施例1的方法制备铜、金、铟、铈、铝的摩尔比为7:1:2:10:2的Cu-Au-In2O3/CeO2-Al2O3催化剂,不同处在于制备步骤3中用15.9g氯化铜代替17.5g硝酸铜。按照实施例1的方法进行CO原料气氧化脱氢实验,结果见表1。
实施例20:
采用实施例1的方法制备铜、金、铟、铈、铝的摩尔比为7:1:2:10:2的Cu-Au-In2O3/CeO2-Al2O3催化剂,不同处在于制备步骤3中用18.6g醋酸铜代替17.5g硝酸铜。按照实施例1的方法进行CO原料气氧化脱氢实验,结果见表1。
实施例21:
采用实施例1的方法制备铜、金、铟、铈、铝的摩尔比为7:1:2:10:2的Cu-Au-In2O3/CeO2-Al2O3催化剂,不同处在于制备步骤3中用24.1g氯化铈代替42.5g硝酸铈。按照实施例1的方法进行CO原料气氧化脱氢实验,结果见表1。
表1
反应温度(℃) | 反应压力(MPa) | 尾气中H2含量(ppm) | H2转化率(%) | |
实施例1 | 650 | 0.5 | 97 | 99.81 |
实施例2 | 650 | 1 | 10 | 99.93 |
实施例3 | 680 | 1 | 27 | 99.82 |
实施例4 | 720 | 1 | 54 | 98.92 |
实施例5 | 740 | 1 | 89 | 99.41 |
实施例6 | 760 | 2 | 89 | 99.41 |
实施例7 | 760 | 2 | 86 | 99.43 |
实施例8 | 650 | 0.5 | 66 | 99.87 |
实施例9 | 620 | 0.5 | 90 | 99.82 |
实施例10 | 620 | 0.5 | 30 | 99.94 |
实施例11 | 570 | 0.5 | 60 | 99.88 |
实施例12 | 540 | 0.5 | 60 | 99.88 |
实施例13 | 700 | 0.5 | 99 | 99.8 |
实施例14 | 680 | 0.5 | 88 | 99.82 |
实施例15 | 700 | 1 | 92 | 99.82 |
实施例16 | 650 | 0.5 | 90 | 99.82 |
实施例17 | 660 | 0.5 | 97 | 99.81 |
实施例18 | 650 | 0.5 | 72 | 99.86 |
实施例19 | 680 | 0.5 | 79 | 99.85 |
实施例20 | 640 | 0.5 | 60 | 99.88 |
实施例21 | 720 | 2 | 48 | 99.9 |
Claims (3)
1.一种CO2 加氢脱除CO原料气中H2用加氢催化剂,其化学表达式为 Cu-Au-X/CeO2-Al2O3,其中Cu-Au-X负载于复合载体 CeO2-Al2O3 上,铜和金作为活性组分,铜占复合载体的质量百分比为 1~20 %,金和铜的摩尔比为 0.1~1:1;X为助催化剂,X为铟、锆、锌、钇、钡的氧化物中的一种或多种,X中的金属占复合载体的质量百分比为 1~30%;复合载体 CeO2-Al2O3 中铈 :铝的摩尔比为 1~10 :1;
所述催化剂是采用下属方法制备的:
A.将铝盐和铈盐溶于去离子水中配制铈盐浓度为 0.3~1.1 mol/L、铝盐浓度为 0.03~0.11 mol/L 的混合溶液,于 30~70 ℃ 恒温搅拌 1~8 h;向其中加入浓度为 0.3~2.1mol/L 的硝酸,于 30~70 ℃ 恒温搅拌0.5~4 h 得到澄清溶胶;所述铝盐是 Al(C3H7O)3、Al(NO3)3 其中之一;所述铈盐是Ce(NO3)3·6H2O、CeCl3 其中之一;所述硝酸的加入量为铈盐摩尔数的 3~50 %;
B.将助剂金属盐配成总金属摩尔浓度为 0.3~3.6 mol/L 的溶液,将其缓慢滴加入步骤 A 得到的溶胶中,使其中 X 金属和铈的摩尔比为 1.5~83 :100,于 30~70℃ 恒温搅拌加热 0.5~5 h;所述的助剂金属盐为 In(NO3)3、Zr(NO3)4·5H2O、Zn(CH3COO)2、Y(NO3)3·6H2O、 Ba(NO3)2 中的一种或几种;
C.将铜盐和氯金酸配成铜盐浓度为 0.08~2.3 mol/L 、氯金酸浓度为 0.08~0.23mol/L 的混合溶液,使金和铜的摩尔比为 0.1~1:1;将其缓慢滴加入步骤 B 得到的溶液中,使铜和铈的摩尔比为 3.5~70 :100,于 30~70 ℃ 恒温搅拌 0.5~5 h,将温度升至 70~90 ℃ 恒温 4~12 h 得到凝胶;所述的铜盐为Cu(NO3)2、CuSO4·5H2O、(CuCl2)2·H2O、 Cu(CH3COO)2·H2O 的其中之一;
D.将步骤 C 得到的凝胶放入烘箱于100~120 ℃ 干燥 12~60h,再放入马弗炉于 300~800 ℃焙烧 3~8 h,冷却至室温,即得到 Cu-Au-X/CeO2-Al2O3 催化剂。
2.一种用CO2 加氢脱除CO原料气中H2的工艺方法,其特征是采用了权利要求1所述的Cu-Au-X/CeO2-Al2O3催化剂,其具体工艺步骤是:
A.将Cu-Au-X/CeO2-Al2O3催化剂研磨成 0.3~0.5 mm 装填入固定床反应器的恒温区,通入还原性气体,以 2~3℃/min 程序升温至 150~400 ℃,恒温还原 2~6 h;所述还原性气体为 H2 - N2 混合气,其中 H2占 5~90 %;
B.向固定床反应器中通入惰性气体,以 4~5 ℃/min 程序升温至 300~700 ℃ 使催化剂活化 1~5 h;所述惰性气体为 N2、Ar、He 的其中之一;
C.在惰性气体保护下以 2~3 ℃/min 程序升温至 500~800 ℃ 的目标反应温度,停止通入惰性气体,由质量流量计控制,分两路同时向反应床层通入待处理 CO 原料气和纯CO2 气体进行反应;反应连续进行,反应压力为 0.1~3 MPa,反应过程中产生的 H2O 蒸汽用循环冷却装置除去;
所述 CO2 气体的进气速率按照待处理CO 原料气中 H2 含量确定,使 CO2 :H2 浓度比为 1~10:1。
3. 根据权利要求2所述的用CO2 加氢脱除CO原料气中H2的工艺方法,其特征是步骤C所述待处理 CO 原料气中 H2 的含量为 0.1~5 %,CO 的含量为 95~99.9 %;待处理原料气的空速为 500~5000 h-1;CO2 与待处理CO原料气的进气速率比为 0.1~50 :100。
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