CN105688926A - 多产低碳烯烃的费托铁基催化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多产低碳烯烃的费托铁基催化剂,其中,该催化剂包括活性金属组分,其特征在于,所述活性金属组分含有铁、锰、铜以及碱金属和/或碱土金属,相对于100重量份的Fe2O3,锰的含量为0.1-20重量份,铜的含量为0.1-30重量份,碱金属和/或碱土金属的含量为0.1-30重量份。同时也提供了该催化剂的制备方法。本发明提供的费托铁基催化剂能够在较高一氧化碳转化率(大于30mol%)的情况下,获取较高的低碳烯烃选择性,并较好地抑制甲烷的生成;同时所述费托铁基催化剂的制备方法能够简单、精确的控制催化剂中各组分的含量且各组分的分布均匀。

Description

多产低碳烯烃的费托铁基催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种多产低碳烯烃的费托铁基催化剂,以及该费托铁基催化剂的制备方法。
背景技术
低碳烯烃,例如乙烯、丙烯和丁烯,是重要的化工原料,目前主要来自烃类物质如石脑油、或低分子烃类等的蒸汽裂解工艺过程,但是从技术经济角度来看,利用费托合成反应直接制取低碳烯烃具有广阔的前景。目前,费托合成反应直接制取低碳烯烃技术的关键因素在于催化剂的研发,目前使用的催化剂存在的主要问题是:(1)产物分布较宽,低碳烯烃选择性较低;(2)高低碳烯烃选择性通常在一氧化碳转化率较低(小于15mol%)的情况下获得,低碳烯烃产率低;(3)产物中甲烷选择性过高,因此,迫切需要开发一种催化剂,以能够在较高一氧化碳转化率的情况下,获取较高的低碳烯烃选择性,并较好地抑制甲烷的生成。
发明内容
本发明的目的是克服现有用于低碳烯烃的催化剂存在的只有在较低一氧化碳转化率下才能够获得低碳烯烃,且低碳烯烃的选择性也较低,而甲烷的选择性过高的问题,提供一种能够在较高一氧化碳转化率的情况下,获取较高的低碳烯烃选择性,并较好地抑制甲烷生成的多产低碳烯烃的费托铁基催化剂及其制备方法。
为了实现上述目的,本发明提供了一种多产低碳烯烃的费托铁基催化剂,该催化剂包括活性金属组分,其中,所述活性金属组分含有铁、锰、铜以及碱金属和/或碱土金属,相对于100重量份的Fe2O3,锰的含量为0.1-20重量份,铜的含量为0.1-30重量份,碱金属和/或碱土金属的含量为0.1-30重量份。
本发明还提供了所述费托铁基催化剂的制备方法,该方法包括:
(1)将铁盐与锰盐溶于软化水,形成混合盐溶液;
(2)在混合盐溶液中加入氨水沉淀剂进行沉淀;过滤、洗涤得到沉淀滤饼;
(3)在沉淀滤饼中加入软化水打浆,得到固含量为10-30重量%的浆液;然后将含有碱金属离子和/或碱土金属离子、铜离子的盐溶液加入到浆液中进行浸渍,得到浸渍浆料;
(4)将浸渍浆料干燥、焙烧,得到费托铁基催化剂。
本发明的另一方面还涉及了本发明的费托铁基催化剂在费托合成反应中的应用,特别是在高温费托合成反应中的应用。
本发明提供的费托铁基催化剂能够在较高一氧化碳转化率(大于30mol%)的情况下,获取较高的低碳烯烃选择性,并较好地抑制甲烷的生成;同时所述费托铁基催化剂的制备方法能够简单、精确的控制催化剂中各组分的含量且各组分的分布均匀。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
本发明第一方面提供了一种多产低碳烯烃的费托铁基催化剂,其中,该催化剂包括活性金属组分,其中,所述活性金属组分含有铁、锰、铜以及碱金属和/或碱土金属,相对于100重量份的Fe2O3,锰的含量为0.1-20重量份,铜的含量为0.1-30重量份,碱金属和/或碱土金属的含量为0.1-30重量份。优选情况下,相对于100重量份的Fe2O3,锰的含量为2-10重量份,铜的含量为3-15重量份,碱金属和/或碱土金属的含量为2-15重量份。本发明的发明人经过多年对费托合成催化剂的研究,意外地发现,当催化剂含有以上组成及比例的活性金属组分时,能够在较高一氧化碳转化率转化率(大于30mol%)的情况下,获取较高的低碳烯烃选择性,并较好地抑制甲烷的生成。
根据本发明,所述碱金属可以为各种能够用于制备费托合成催化剂的碱金属,优选情况下为钾和/或钠。所述碱土金属可以为各种能够用于制备费托合成催化剂的碱土金属,优选为钙和/或镁。
所述费托铁基催化剂的比表面积可以为20-200米2/克,孔容可以为0.1-1毫升/克。
在优选实施方式中,本发明提供的费托铁基催化剂还可以含有惰性粘结剂,相对于100重量份的Fe2O3,所述惰性粘结剂的含量可以为0.1-30重量份,优选为2-20重量份。所述惰性粘结剂可以为氧化硅和/或氧化铝。
本发明第二方面还提供了所述费托铁基催化剂的制备方法,该方法包括:
(1)将铁盐与锰盐溶于软化水,形成混合盐溶液;
(2)在混合盐溶液中加入氨水沉淀剂进行沉淀;过滤、洗涤得到沉淀滤饼;
(3)在沉淀滤饼中加入软化水打浆,得到固含量为10-30重量%的浆液;然后将含有碱金属离子和/或碱土金属离子、铜离子的盐溶液加入到浆液中进行浸渍,得到浸渍浆料;
(4)将浸渍浆料干燥、焙烧,得到费托铁基催化剂。
根据本发明,所述铁盐可以为硝酸铁、硫酸铁和氯化铁中的至少一种,优选为硝酸铁。所述锰盐可以为硝酸锰、硫酸锰和碳酸锰中的至少一种,优选为硝酸锰。
所述氨水沉淀剂的浓度为2-25重量%,所述氨水沉淀剂可以为碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸钠和氢氧化钠等碱性物质溶液。
本发明中步骤(2)中,所述沉淀的条件包括:沉淀温度为20-85℃,沉淀时间为5-40℃,pH值为4-10。步骤(3)中,所述浸渍的条件包括:浸渍温度为20-70℃,浸渍时间为0.5-5小时。
本发明中,所述含有活性金属组分的浆料的制备方法还可以包括:在步骤(3)的浸渍浆料中加入惰性粘结剂前体,该惰性粘结剂的加入量使得到的费托铁基催化剂中,相对于100重量份的Fe2O3,所述惰性粘结剂的含量为0.1-30重量份。惰性粘结剂的加入,能够使最终制得的催化剂具有更好的强度和耐磨损性能。所述惰性粘结剂前体可以为硅溶胶溶液和/或拟薄水铝石溶胶溶液,所述硅溶胶和/或拟薄水铝石溶胶的粒径为5-35nm,相应地,在制成的催化剂中,所述硅溶胶和拟薄水铝石溶胶分别以氧化硅和氧化铝形式存在。
根据本发明,步骤(4)中,所述干燥优选进行喷雾干燥;所述焙烧的条件包括:焙烧温度为300-700℃,焙烧时间为1-10小时。
本发明提供的多产低碳烯烃的费托铁基催化剂在使用前可经过还原,因此,优选情况下,本发明提供的所述费托铁基催化剂的制备方法还包括对得到的费托铁基催化剂进行还原。
对所述费托铁基催化剂进行还原可以使用H2或CO作为还原气对催化剂进行还原反应,优选使用H2作为还原气。所述还原反应的温度为200-800℃,优选为350-500℃;所述还原的时间可以为8-30小时,优选为16-30小时;所述还原的压力可以为1.0-3.0MPa,优选为1.6-2.7MPa。
本发明第三方面还提供了所述费托铁基催化剂在费托合成反应中的应用,特别是在高温费托合成反应中的应用。
所述费托合成反应可使用H2和碳氧化物作为原料气,而H2和碳氧化物得摩尔比可选1-5:1,所述还原反应的温度为230-460℃,优选为270-350℃;压力可以为0.5-6.0MPa,优选为2.0-3.0MPa。其中,费托合成反应器可为固定床、浆态床或流化床。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合,为了避免不必要的重复,本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外,本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合,只要其不违背本发明的思想,其同样应当视为本发明所公开的内容。
实施例1
将303克Fe(NO3)3·9H2O固体和30克50重量%的Mn(NO3)2溶液加入到750ml去离子水中充分溶解,得到混合盐溶液;将装有上述混合溶液的容器放置在电加热盘上预热至70℃,利用蠕动泵将5重量%氨水溶液滴加入到混合盐溶液中,形成沉淀浆料,沉淀终点pH值为6,反应温度30℃,沉淀时间为35分钟;将沉淀浆料过滤、洗涤得到沉淀滤饼;将滤饼移至打浆罐中,加入去离子水使浆液总重400克,然后快速搅拌使其形成均匀催化剂浆料;称取10gCa(NO3)2·4H2O、3.3gCu(NO3)2·3H2O、1.2gKNO3和1.5gNaNO3加入去离子水中,配置浸渍液;将上述浸渍液加入到催化剂浆料中,55℃下浸渍30分钟;将浸渍浆料在120℃条件下干燥12小时后,在600℃条件下焙烧3小时,破碎过筛,选取粒径53-150微米颗粒作为成品催化剂(比表面积为35米2/克,孔容为0.15毫升/克),该催化剂命名为催化剂1。
实施例2
按照实施例1步骤得到均匀催化剂浆料,称取9.7gCa(NO3)2·4H2O、2.3gCu(NO3)2·3H2O、0.7gKNO3,1.1gNaNO3和5.6g浓度为30重量%硅溶胶加入去离子水中,配置浸渍液;将上述浸渍液加入到催化剂浆料中,40℃下浸渍2小时;将浸渍浆料在120℃条件下干燥12小时后,在450℃条件下焙烧8小时,破碎过筛,选取粒径53-150微米颗粒作为成品催化剂(比表面积为32米2/克,孔容为0.13毫升/克),该催化剂命名为催化剂2。
实施例3
按照实施例1步骤得到均匀催化剂浆料,称取12.3gMg(NO3)2·6H2O、3.3gCu(NO3)2·3H2O、1.7gKNO3,0.6gNaNO3和3g浓度为30重量%硅溶胶加入去离子水中,配置浸渍液;将上述浸渍液加入到催化剂浆料中,22℃下浸渍1小时;将浸渍浆料在120℃条件下干燥12小时后,在500℃条件下焙烧6h,破碎过筛,选取粒径53-150微米颗粒作为成品催化剂(比表面积为38米2/克,孔容为0.2毫升/克),该催化剂命名为催化剂3。
实施例4
将303g固体Fe(NO3)3·9H2O和60g浓度为50重量%的Mn(NO3)2溶液加入750ml去离子水中充分溶解,得到混合盐溶液;将装有上述混合溶液的容器放置在电加热盘上预热至70℃,利用蠕动泵将5重量%的氨水溶液滴加入Fe(NO3)3混合溶液中形成沉淀浆料,沉淀终点pH值为8,反应温度70℃,沉淀时间为12分钟;将沉淀浆料过滤、洗涤得到沉淀滤饼;将滤饼移置打浆罐中,加入去离子水使浆液总重400g,然后快速搅拌使其形成均匀催化剂浆料;称取9.7gCa(NO3)2.4H2O、2.3gCu(NO3)2.3H2O、0.7gKNO3,1.1gNaNO3和2.8g30重量%硅溶胶加入去离子水中,配置浸渍液;将上述浸渍液加入到催化剂浆料中,35℃下浸渍1.5小时;将浸渍浆料在120℃条件下干燥12小时后,在500℃条件下焙烧6小时,破碎过筛,选取粒径53-150微米颗粒作为成品催化剂(比表面积为30米2/克,孔容为0.12毫升/克),该催化剂命名为催化剂4。
实施例5
按照实施例4步骤得到均匀催化剂浆料,称取15.8gMg(NO3)2·6H2O、3.3gCu(NO3)2·3H2O、0.7gKNO3,1.1gNaNO3和2.8g浓度为30重量%硅溶胶加入去离子水中,配置浸渍液;将上述浸渍液加入到催化剂浆料中,35℃下浸渍1.5小时;将浸渍浆料在120℃条件下干燥12小时后,在500℃条件下焙烧6小时,破碎过筛,选取粒径53-150微米颗粒作为成品催化剂(比表面积为35米2/克,孔容为0.15毫升/克),该催化剂命名为催化剂5。
对比例1
将303克Fe(NO3)3·9H2O固体加入到750ml去离子水中充分溶解,得到混合盐溶液;将装有上述混合溶液的容器放置在电加热盘上预热至70℃,利用蠕动泵将5重量%氨水溶液滴加入到混合盐溶液中,形成沉淀浆料,沉淀终点pH值为6,反应温度30℃,沉淀时间为35分钟;将沉淀浆料过滤、洗涤得到沉淀滤饼;将滤饼移至打浆罐中,加入去离子水使浆液总重400克,然后快速搅拌使其形成均匀催化剂浆料;称取10gCa(NO3)2·4H2O、3.3gCu(NO3)2·3H2O、1.2gKNO3和1.5gNaNO3加入去离子水中,配置浸渍液;将上述浸渍液加入到催化剂浆料中,55℃下浸渍30分钟;将浸渍浆料在120℃条件下干燥12小时后,在600℃条件下焙烧3小时,破碎过筛,选取粒径53-150微米颗粒作为成品催化剂(比表面积为38米2/克,孔容为0.18毫升/克),该催化剂命名为催化剂6。
对比例2
将303克Fe(NO3)3·9H2O固体和50克50重量%的Mn(NO3)2溶液加入到750ml去离子水中充分溶解,得到混合盐溶液;将装有上述混合溶液的容器放置在电加热盘上预热至70℃,利用蠕动泵将5重量%氨水溶液滴加入到混合盐溶液中,形成沉淀浆料,沉淀终点pH值为6,反应温度30℃,沉淀时间为35分钟;将沉淀浆料过滤、洗涤得到沉淀滤饼;将滤饼移至打浆罐中,加入去离子水使浆液总重400克,然后快速搅拌使其形成均匀催化剂浆料;称取10gCa(NO3)2·4H2O、1.2gKNO3和1.5gNaNO3加入去离子水中,配置浸渍液;将上述浸渍液加入到催化剂浆料中,55℃下浸渍30分钟;将浸渍浆料在120℃条件下干燥12小时后,在600℃条件下焙烧3小时,破碎过筛,选取粒径53-150微米颗粒作为成品催化剂(比表面积为42米2/克,孔容为0.21毫升/克),该催化剂命名为催化剂7。
测试实施例1-5
分别使用实施例1-5中制得的催化剂1-5,在固定床反应器上进行高温费托合成反应,原料气配比为H2/CO为1.5,反应温度270℃,反应空速6000ml/g-cat./h,反应压力2.3Mpa,评价结果列于下表1中。
对比测试实施例1-2
分别使用对比例1-2中制得的催化剂6-7,在固定床反应器上进行高温费托合成反应,原料气配比为H2/CO为1.5,反应温度270℃,反应空速6000ml/g-cat./h,反应压力2.3Mpa,评价结果列于下表1中。
表1
从上表1的数据可以看出,本发明提供的费托铁基催化剂能够在本发明提供的费托铁基催化剂能够在较高一氧化碳转化率(大于30mol%)的情况下,获取较高的低碳烯烃选择性,并较好地抑制甲烷的生成(选择性达到5.5mol%以下)。

Claims (15)

1.一种多产低碳烯烃的费托铁基催化剂,其中,该催化剂包括活性金属组分,其特征在于,所述活性金属组分含有铁、锰、铜以及碱金属和/或碱土金属,相对于100重量份的Fe2O3,锰的含量为0.1-20重量份,铜的含量为0.1-30重量份,碱金属和/或碱土金属的含量为0.1-30重量份。
2.根据权利要求1所述的费托铁基催化剂,其中,所述碱金属为钾和/或钠,所述碱土金属为钙和/或镁。
3.根据权利要求1所述的费托铁基催化剂,其中,该费托铁基催化剂还含有惰性粘结剂,相对于100重量份的Fe2O3,所述惰性粘结剂的含量为0.1-30重量份。
4.根据权利要求3所述的费托铁基催化剂,其中,所述惰性粘结剂为氧化硅和/或氧化铝。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的费托铁基催化剂,其中,该费托铁基催化剂的比表面积为20-200米2/克,孔容为0.1-1毫升/克。
6.权利要求1-5中任一项所述的费托铁基催化剂的制备方法,其中,该方法包括:
(1)将铁盐与锰盐溶于软化水,形成混合盐溶液;
(2)在混合盐溶液中加入氨水沉淀剂进行沉淀;过滤、洗涤得到沉淀滤饼;
(3)在沉淀滤饼中加入软化水打浆,得到固含量为10-30重量%的浆液;然后将含有碱金属离子和/或碱土金属离子、铜离子的盐溶液加入到浆液中进行浸渍,得到浸渍浆料;
(4)将浸渍浆料干燥、焙烧,得到费托铁基催化剂。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其中,所述铁盐为硝酸铁、硫酸铁和氯化铁中的至少一种,所述锰盐为硝酸锰、硫酸锰和碳酸锰中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的制备方法,其中,步骤(2)中,所述沉淀的条件包括:沉淀温度为20-85℃,沉淀时间为5-40℃,pH值为4-10。
9.根据权利要求6所述的制备方法,其中,步骤(3)中,所述浸渍的条件包括:浸渍温度为20-70℃,浸渍时间为0.5-5小时。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的制备方法,其中,所述含有活性金属组分的浆料的制备方法还包括:在步骤(3)的浸渍浆料中加入惰性粘结剂前体,该惰性粘结剂的加入量使得到的费托铁基催化剂中,相对于100重量份的Fe2O3,所述惰性粘结剂的含量为0.1-30重量份。
11.根据权利要求10所述的制备方法,其中,所述惰性粘结剂前体为硅溶胶溶液和/或拟薄水铝石溶胶溶液,所述硅溶胶和/或拟薄水铝石溶胶的粒径为5-35nm。
12.根据权利要求6所述的制备方法,其中,步骤(4)中,所述焙烧的条件包括:焙烧温度为300-700℃,焙烧时间为1-10小时。
13.根据权利要求6-12中任一项所述的制备方法,其中,该方法还包括对得到的费托铁基催化剂进行还原。
14.根据权利要求13所述的制备方法,其中,对所述费托铁基催化剂进行还原使用H2或CO作为还原气对催化剂进行还原反应,所述还原反应的温度为200-800℃,还原的时间为8-30小时,还原的压力为1.0-3.0MPa。
15.权利要求1-5中任一项所述的费托铁基催化剂在费托合成反应中的应用。
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