CN105728035B - 一种液相环己酮氨肟化工艺失活催化剂再生方法 - Google Patents

一种液相环己酮氨肟化工艺失活催化剂再生方法 Download PDF

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Abstract

本发明创造提供一种液相环己酮氨肟化工艺失活催化剂再生方法，包括将失活催化剂在低温下通入水蒸气和氧气进行低温焙烧的步骤，以及低温焙烧后将催化剂使用含有金属盐的酸液进行水热处理的步骤。本发明创造能够清除催化剂孔道内堵塞的杂质并修复骨架结构，通过简单的工艺和成本控制即可使失活催化剂活性恢复到新鲜剂水平，寿命也可达到新鲜催化剂一半以上的水平。

Description

一种液相环己酮氨肟化工艺失活催化剂再生方法
技术领域
本发明创造属于失活催化剂的再生技术领域，特别涉及一种用于液相环己酮氨肟化工艺的失活钛硅催化剂的再生方法。
背景技术
环己酮肟是生产己内酰胺的关键中间体，传统的环己酮肟工业生产采用羟胺法，是通过环己酮与羟胺盐进行反应生产环己酮肟，但是羟胺盐法工艺复杂、中间步骤多、所用原料腐蚀设备严重、三废排放量大。
20世纪80年代，由意大利Enichem公司开发的新型催化剂——钛硅分子筛的催化作用下，以环己酮、双氧水、氨气为原料，一步直接高选择性地制备环己酮肟，该工艺简化了工艺流程，降低了设备投资，降低三废排放。钛硅沸石成功的应用于催化工业，是上世纪八十年代在沸石催化中具有里程碑意义的创新，钛硅分子筛的诞生掀起了有机物非均相选择性催化氧化的一场革命，为研究高选择性的烃类氧化反应和开发绿色工艺奠定了基础。
钛硅分子筛催化剂使氧化反应具有如下显著优点：①反应条件温和，可在常压、低温(20～100℃)下进行；②氧化目的产物收率高，选择性好；③工艺过程简单；④由于使用低浓度过氧化氢作为氧化剂，氧化源安全易得；⑤还原产物为H2O，反应体系没有引入杂质，不会造成环境污染。
以钛硅沸石作为催化剂的环己酮液相氨肟化工业运行过程，除了产物的选择性和反应活性，工艺运行的稳定性同样引起高度重视。虽然存在众多的因素影响氨肟化过程稳定运行，但是催化剂作为催化反应的核心，其失活行为引起稳定性的下降需优先、重点考虑。催化剂失活主要有以下几点原因：①由于沸石分子筛在氨肟化体系将不可逆和程序性地吸附有机副产物，从而引起积炭沉积并堵塞微孔或直接覆盖Ti活性中心位点，两者均导致孔道内Ti活性中心可接近性下降；②在实际运行的氨肟化环境下，碱性溶液使得分子筛骨架发生溶解，即失活之后的催化剂由于骨架碱性脱硅，出现了结构塌陷，使骨架硅溶出，生成无定型SiO2等杂质，这些杂质具有很强的酸性，促使双氧水无效分解；③由于催化剂在淤浆床反应器中长时间反应，而反应器及上游来反应原料含有金属离子杂质，催化剂孔道内长期积累大量了杂质离子同样导致催化剂中毒失活。
CN201010213617公开了“一种失活的钛硅分子筛的再生方法”，以该专利为代表的再生方法是以有机碱作为模板剂进行二次晶化及焙烧，这种方法的问题一方面在于有机碱碱性过强，处理结果更倾向于生成晶体内中空结构，然而无定型的Ti-O-Si并不能被除去，另一方面，该方法实则为以合成新鲜钛硅催化剂的原料进行再次合成，仅是在原料中混入了一部分失活催化剂，该方法称为再生并不恰当，使得所谓“再生”成本与生产新鲜钛硅催化剂无异，成本过高，并不实用。CN200710179422同样公开了一种“一种氧化反应失活钛硅分子筛催化剂的再生方法”，以该类专利为代表的再生方法如下，先用酸或双氧水洗涤失活催化剂，再进行高温焙烧，问题在于，失活催化剂孔道被积碳堵塞，酸液或双氧水溶液并不能进入催化剂孔道内部，只能接触到外表面，再生不够充分，另外，骨架硅的结构也没有无法得到有效的修复，酸性杂质使洗涤用酸或双氧水消耗过多又无法达到良好的再生效果。
发明内容
本发明创造为解决现有技术中的问题，提供了一种液相环己酮氨肟化工艺失活催化剂再生方法，能够清除催化剂孔道内堵塞的杂质并修复骨架结构，通过简单的工艺和成本控制即可使失活催化剂活性恢复到新鲜剂水平，寿命也可达到新鲜催化剂一半以上的水平。
本发明创造提供的一种液相环己酮氨肟化工艺失活催化剂再生方法，包括：
S2：将失活催化剂在低温下通入水蒸气和氧气进行低温焙烧；
以及
S3：低温焙烧后将催化剂使用含有金属盐的酸液进行水热处理。
进一步，本发明创造的方法中，还包括步骤S2前的
S1：将失活催化剂过滤分离并洗涤、干燥；
以及步骤S3后的
S4：水热处理后将催化剂进行洗涤、干燥、高温焙烧；
S5：高温焙烧后将催化剂磨碎处理。
其中，本发明创造中所述的催化剂最适用的为钛硅催化剂，优选为TS-1、TS-2、Ti-Beta、Ti-MOR、Ti-MCM-41或Ti-MWW分子筛。
其中，所述步骤S1中用于洗涤的溶剂为有机醇类，优选为C1—C4饱和脂肪醇，洗涤过程能够除去表面附着的一些反应物和产物大分子。步骤S1中洗涤后的催化剂宜在低温下进行干燥处理，干燥温度为20～150℃、干燥时间为1～24h，优选90℃、12h。
其中，所述步骤S2的低温焙烧可以在管式炉或回转窑中进行，能够使堵塞在催化剂孔道内的低聚物分解，充分暴露出孔道结构，为下一步溶液水热处理提供进出路径，为了避免出现分子筛孔道崩塌，需要严格控制温度、水蒸气和氧气流量等低温焙烧条件。优选的，低温焙烧温度为150℃～450℃，295℃最佳；水蒸气体积空速为2～50h-1，氧气体积空速为1～100h-1。
其中，所述步骤S3的水热处理是使催化剂获得再生和重建的关键步骤之一，能够达到①去除无定型Ti-O-Si；②去除杂质金属，例如Fe、Al、Mn等；③负载上金属离子的目的。所述金属盐非限定性的例子包括金属硝酸盐、金属醋酸盐、金属铵盐中的一种或多种的混合物；所述酸非限定性的例子包括盐酸、硝酸、硫酸、磷酸、氢氟酸、草酸等无机有机酸中的一种或几种。水热处理中，催化剂与金属盐的质量比为1:(0.01～5)、与酸的质量比1:(0.01～5)，与水的质量比为1:(1～100)。水热处理温度优选为40～200℃，处理时间为1～96h，在密闭容器中水热处理，压力自生。
其中，所述步骤S4的高温焙烧使催化剂结晶度明显提升，再次负载上的金属离子与催化剂牢固结合到一起，重建骨架结构稳定化，催化剂在含氨的碱液内更耐腐蚀。高温焙烧以在450～600℃下贫氧焙烧不低于6h为宜。高温焙烧前的洗涤、干燥过程优选为将水热处理后的催化剂使用脱盐水洗涤至中性，然后在60-120℃下进行干燥的条件。
其中，所述步骤S5中磨碎处理优选为将高温焙烧后的再生催化剂破碎至1微米以下，破碎后即可使用。
本发明创造采用简单的药剂、通过两段焙烧工艺并结合两段焙烧工艺中间的水热处理过程，以低成本的工艺操作对液相环己酮氨肟化工艺失活催化剂进行再生，清理孔道积碳以及负载金属离子并进行骨架重建，使失活催化剂活性恢复到新鲜剂水平，杂质离子得到彻底去除，催化剂寿命能够达到新鲜催化剂一半以上的水平，可以完全应用到工业生产之中。
具体实施方式
下面通过结合具体实施例对本发明创造进行进一步说明，但不限定本发明的保护范围。
实施例1
失活的催化剂来自于环己酮氨肟化工业装置
第一步：含反应原料及产物的催化剂浆液离心分离，分离后的催化剂用甲醇洗涤，然后110℃烘干4h。
第二步：烘干后的催化剂放入管式炉内，温度300℃，水蒸汽体积空速30h-1，氧气体积空速为40h-1。
第三步：按照催化剂：硝酸钠：盐酸：水质量比＝1:0.3:0.5:30配制混合溶液，60℃反应72h。
第四步：离心上述混合溶液，水洗，80℃干燥15h，600℃焙烧15h，得到再生催化剂。
第五步：破碎焙烧后得到可投入使用的再生催化剂。
实施例2
失活的催化剂来自于环己酮氨肟化工业装置
第一步：含反应原料及产物的催化剂浆液离心分离，分离后的催化剂用甲醇洗涤，然后110℃烘干4h。
第二步：烘干后的催化剂放入管式炉内，温度300℃，水蒸汽体积空速30h-1，氧气体积空速为40h-1。
第三步：按照催化剂：硝酸镍：盐酸：水质量比＝1:0.3:0.5:30配制混合溶液，90℃反应36h。
第四步：离心上述混合溶液，水洗，80℃干燥15h，550℃焙烧15h，得到再生催化剂。
第五步：破碎焙烧后得到可投入使用的再生催化剂。
实施例3
失活的催化剂来自于环己酮氨肟化工业装置
第一步：含反应原料及产物的催化剂浆液离心分离，分离后的催化剂用甲醇洗涤，然后110℃烘干4h。
第二步：烘干后的催化剂放入管式炉内，温度260℃，水蒸汽体积空速10h-1，氧气体积空速为50h-1。
第三步：按照催化剂：硝酸钴：盐酸：水质量比＝1:0.3:0.5:30配制混合溶液，90℃反应36h。
第四步：离心上述混合溶液，水洗，110℃干燥12h，550℃焙烧15h，得到再生催化剂。
第五步：破碎焙烧后得到可投入使用的再生催化剂。
实施例4
失活的催化剂来自于环己酮氨肟化工业装置
第一步：含反应原料及产物的催化剂浆液离心分离，分离后的催化剂用甲醇洗涤，然后110℃烘干4h。
第二步：烘干后的催化剂放入管式炉内，温度300℃，水蒸汽体积空速30h-1，氧气体积空速为40h-1。
第三步：按照催化剂：醋酸钠：氢氟酸：水质量比＝1:0.3:0.5:30配制混合溶液，90℃反应36h。
第四步：离心上述混合溶液，水洗，80℃干燥15h，550℃焙烧15h，得到再生催化剂。
第五步：破碎焙烧后得到可投入使用的再生催化剂。
对比例1
同一批次新鲜催化剂。
对比例2
同一批次失活催化剂。
对比例3
“CN200710179422”中实施例1所提供方法，5g失活催化剂采用50g甲酸与50g过氧化氢(30wt％)90℃常压混合洗涤8h，接着洗涤、过滤、干燥。经干燥后的再生剂接着采用300℃水蒸气和氧气1∶1混合焙烧6h。
将上述各实施例和对比例获得的钛硅分子筛用于环己酮氨肟化反应，比较催化剂性能，具体方法如下：
环己酮氨肟化反应在175ml连续淤浆反应釜中连续进行。用微量进样泵分别将环己酮、叔丁醇、脱盐水混合液和H2O2溶液连续通入反应釜中，反应产物经过滤装置连续溢出，经收集后分析其中各组分含量。反应条件如下：氨气/环己酮摩尔比为1.9，H2O2/环己酮摩尔比为1.02，溶剂为叔丁醇，环己酮进料质量空速为6.48h-1，反应温度80℃。
其中，环己酮转化率＝(加入的环己酮的量—剩余的环己酮的量)/加入的环己酮的量×100％；
环己酮肟选择性＝转化成环己酮肟所消耗的环己酮量/转化的环己酮的量×100％。
催化剂寿命以转化率≥95％、以及选择性≥99％计算。
具体分析结果见下表1。
表1
反应寿命h
对比例1 120
对比例2 6
对比例3 23
实施例1 71
实施例2 78
实施例3 85
实施例4 80

Claims (12)

1.一种液相环己酮氨肟化工艺失活催化剂再生方法，包括：
S2：将失活催化剂在低温下通入水蒸气和氧气进行低温焙烧；
以及
S3：低温焙烧后将催化剂使用含有金属盐的酸液进行水热处理；
S4：水热处理后的催化剂进行高温焙烧的步骤。
2.根据权利要求1所述的一种液相环己酮氨肟化工艺失活催化剂再生方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1：将失活催化剂过滤分离并洗涤、干燥；
S2：将失活催化剂在低温下通入水蒸气和氧气进行低温焙烧；
S3：低温焙烧后将催化剂使用含有金属盐的酸液进行水热处理；
S4：水热处理后将催化剂进行洗涤、干燥、高温焙烧；
S5：高温焙烧后将催化剂磨碎处理。
3.根据权利要求2所述的一种液相环己酮氨肟化工艺失活催化剂再生方法，其特征在于，所述的催化剂为钛硅催化剂。
4.根据权利要求2所述的一种液相环己酮氨肟化工艺失活催化剂再生方法，其特征在于，所述步骤S1中用于洗涤的溶剂为有机醇类。
5.根据权利要求2所述的一种液相环己酮氨肟化工艺失活催化剂再生方法，其特征在于，所述步骤S1中用于洗涤的溶剂为C1—C4饱和脂肪醇。
6.根据权利要求2所述的一种液相环己酮氨肟化工艺失活催化剂再生方法，其特征在于，所述步骤S1中干燥温度为20～150℃、干燥时间为1～24h。
7.根据权利要求2所述的一种液相环己酮氨肟化工艺失活催化剂再生方法，其特征在于，所述步骤S1中干燥温度为90℃、干燥时间为12h。
8.根据权利要求2所述的一种液相环己酮氨肟化工艺失活催化剂再生方法，其特征在于，所述步骤S2中低温焙烧温度为150℃～450℃；水蒸气体积空速为2～50h-1，氧气体积空速为1～100h-1。
9.根据权利要求2所述的一种液相环己酮氨肟化工艺失活催化剂再生方法，其特征在于，所述步骤S3中催化剂与金属盐的质量比为1:(0.01～5)、与酸的质量比1:(0.01～5)，与水的质量比为1:(1～100)。
10.根据权利要求2所述的一种液相环己酮氨肟化工艺失活催化剂再生方法，其特征在于，所述步骤S3中水热处理温度为40～200℃，处理时间为1～96h，在密闭状态下水热处理，压力自生。
11.根据权利要求2所述的一种液相环己酮氨肟化工艺失活催化剂再生方法，其特征在于，所述步骤S4中高温焙烧以在450～600℃下贫氧焙烧不低于6h为宜。
12.根据权利要求2所述的一种液相环己酮氨肟化工艺失活催化剂再生方法，其特征在于，所述步骤S4中高温焙烧前的洗涤、干燥过程采用将水热处理后的催化剂使用脱盐水洗涤至中性，然后在60-120℃下进行干燥的条件。
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