CN106512980B - 由二氧化硫氧化生产三氧化硫的催化剂 - Google Patents

由二氧化硫氧化生产三氧化硫的催化剂 Download PDF

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Abstract

本发明涉及由二氧化硫氧化生产三氧化硫的催化剂、其制备方法，以及三氧化硫的合成方法，主要解决现有技术中催化剂的二氧化硫转化率低的问题，本发明通过采用由二氧化硫氧化生产三氧化硫的催化剂，包括活性组分和助活性组分，所述活性组分包括选自RuO2和V2O5中的至少一种，所述助活性组分包括选自ZrO2、SnO2、TiO2、HfO2、MoO3、PbO2、CeO2、TeO2、ThO2、UO2和Bi2O3中的至少一种的技术方案，较好地解决了该技术问题，可用于三氧化硫的工业生产中。

Description

由二氧化硫氧化生产三氧化硫的催化剂
技术领域
本发明涉及用于由二氧化硫氧化生产三氧化硫的催化剂、其制备方法，以及三氧化硫的合成方法。
背景技术
低价的硫很容易通过氧化反应获得二氧化硫，但二氧化硫进一步氧化生成三氧化硫非常困难。工业生产中常采用以V2O5等为活性组分的催化剂催化剂下使二氧化硫与氧气反应得到三氧化硫。
由于二氧化硫是环境有害气体，为了将三氧化硫用于绿色环保化工原料，需要在二氧化硫氧化制三氧化硫的产品中除去二氧化硫，二氧化硫的转化率越高，从三氧化硫粗产品中除去二氧化硫的分离产能越低，越符合节能降耗的要求。为此，不断改进现有催化剂的性能提高二氧化硫的转化率或者通过不断改进现有催化剂的性能降低二氧化硫的残留有很重要的现实意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是现有技术的催化剂的二氧化硫转化率低的问题，提供一种新的由二氧化硫氧化生产三氧化硫的催化剂，该催化剂具有二氧化硫转化率高的优点。
本发明所要解决的技术问题之二是上述催化剂的制备方法。
本发明所要解决的技术问题之三是采用上述技术问题之一的三氧化硫的合成方法。
为解决上述技术问题之一，本发明的技术方案如下：
由二氧化硫氧化生产三氧化硫的催化剂，包括活性组分和助活性组分，所述活性组分包括选自RuO2和V2O5中的至少一种，所述助活性组分包括选自ZrO2、SnO2、TiO2、HfO2、MoO3、PbO2、CeO2、TeO2、ThO2、UO2和Bi2O3中的至少一种。
本发明的关键是活性组分和助活性组分的选择，不管采用或不采用载体只要采用本发明的活性组分和助活性组分即可用于催化由二氧化硫氧化合成三氧化硫的反应。但是本领域技术人员知道，将所述活性组分和助活性组分负载于耐酸载体以负载催化剂的形式使用更有利于活性组分和助活性组分效率的发挥。因此，上述技术方案中，较优选的是将活性组分和助活性组分负载于载体的形式的催化剂。
上述技术方案中，所述催化剂优选包括耐酸载体，所述活性组分和助活性组分负载于所述载体。
本领域技术人员知道常用的耐酸载体有哪些，对此没有特别限定，只要是本领域所知的那些耐酸载体均可以达到本发明的可比的技术效果，例如本发明可以选用的耐酸载体是但不限于是SiO2、TiO2、ZrO2、HfO2甚至陶瓷中的至少一种。
但作为载体的耐酸性能以及获得的经济性而言优选SiO2。
对载体为粉体或为颗粒没有特别限制，对颗粒载体的几何形状(例如但不限于球形、椭圆形、柱形、中空柱形、或者其他常见的异型例如但不限于三叶草形等)、尺寸大小没有特别限制，本领域技术人员可以根据所利用的反应器的形式以及各自对工程因素的考虑进行合理选择，均不影响本发明取得可比的技术效果。载体的比表面和孔容没有特别限制，哪怕载体基体没有空隙仅贡献外表面而没有内表面，但都可以得到可比的技术效果达到本发明的目的。但从活性组分和助活性组分分散效果考虑，以具有内表面的多孔载体为宜，对此本领域的技术人员可以根据实际情况合理选择。
例如但不限于载体的BET比表面为50～500m2/g，在此范围内进一步非限定性的例子是100m2/g、150m2/g、200m2/g、250m2/g、300m2/g、350m2/g、400m2/g、450m2/g等。
载体的孔容也没有特别限制，例如但不限于0.5～1.2cm3/g，在此范围内进一步非限定性的例子是0.6cm3/g、0.7cm3/g、0.8cm3/g、0.9cm3/g、1.0cm3/g、1.1cm3/g。
为了同比计，本发明具体实施方式中的实施例和比较例均采用直径为6.5mm的二氧化硅球形载体，BET比较面为187m2/g孔容为0.78cm3/g。
上述技术方案中，以重量计，助活性组分与活性组分在催化剂中的含量之比有选为大于0且为10以下；在此范围内非限制性的例子可以是0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.5、2、3、4、5、6、7、8或9等等。
上述技术方案中，活性组分在催化剂中的含量优选为1～60g/L。在此范围内非限制性的例子可以是5g/L、10g/L、15g/L、20g/L、25g/L、30g/L、35g/L、40g/L、45g/L、50g/L或55g/L。
上述技术方案中，作为所述活性组分为V2O5的技术方案，有三类较优选的是如下a、b或c：
a、所述助活性组份同时包括ZrO2和MoO3，两者在提高二氧化硫转化率方面具有协同作用；ZrO2与MoO3的质量比没有特别限制，例如可以是0.1～10，在此范围内非限制性的例子可以是0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.5、2、3、4、5、6、7、8或9等等。
b、所述助活性组份同时包括ZrO2和Bi2O3，两者在提高二氧化硫转化率方面具有协同作用；ZrO2与Bi2O3的质量比没有特别限制，例如可以是0.1～10，在此范围内非限制性的例子可以是0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.5、2、3、4、5、6、7、8或9等等。
c、所述助活性组份同时包括MoO3和Bi2O3，两者在提高二氧化硫转化率方面具有协同作用；MoO3与Bi2O3的质量比没有特别限制，例如可以是0.1～10，在此范围内非限制性的例子可以是0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.5、2、3、4、5、6、7、8或9等等。
上述技术方案中，作为所述活性组分为V2O5的技术方案，最优选的是所述助活性组份同时包括ZrO2、MoO3和Bi2O3，三者在提高二氧化硫转化率方面具有三元协同作用，此时以重量比计例如但不限于ZrO2:MoO3:Bi2O3＝1:(0.1～10)：(0.1～10)，进一步ZrO2:MoO3:Bi2O3＝1:(0.3～3):(0.3～3)。
为解决上述技术问题之二，本发明的技术方案如下：
上述技术问题之一的技术方案中任一项所述的催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)活性组分和助活性组分中的金属元素对应盐的溶液与载体混合得到混合物料I；
(2)通过焙烧将步骤(1)的所述金属元素对应的盐转化为所述的活性组分和助活性组分。
上述技术方案中，步骤(1)中只要能满足所述的盐能够溶解，对溶剂没有特别限制，但从安全和经济考虑本领域常用水。
上述技术方案中，步骤(1)的盐是那些只要焙烧产物仅为活性组分和助活性组分以及可挥发性组分就可以，焙烧的气氛为非还原性气氛，有些盐在惰性气氛下或氧化气氛下焙烧均可以达到上述目的，还有些盐类虽然在惰性气氛下焙烧无法实现但氧化性气氛能实现也可以，例如具有还原性的盐(例如多价金属的低价态盐，或者在盐中具有还原性的阴离子部分或还原性的结晶分子或还原性的络合分子)就需要在氧化气氛中焙烧。根据上述启示，本领域技术人员知道选择这样的盐类所遵循的原则，例如这些盐中允许带有的阴离子可以是但不限于硝酸根、OH根、羧酸根，这些盐中允许带有的阳离子可以是但不限于H离子、NH4离子，为了使活性组分或助活性组分对应的盐易溶解，还允许带有在焙烧可挥发的结晶或络合的分子，例如但不限于水分子、NH3分子、有机胺(诸如乙二胺)、醇胺类(诸如一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺)、氨羧络合剂。
上述技术方案中，虽然提及非还原气氛中焙烧有时既可以用惰性气氛焙烧达到目的也可以在氧化气氛中达到目的，而有时只能在氧化气氛中达到目的，从经济性角度和适应范围而言，空气气氛焙烧最合适。
根据上面的陈述，本领域技术人员能够合理选择步骤(2)的焙烧条件。作为非限定性举例，例如焙烧的温度为400～700℃(例如450℃、500℃、550℃、600℃或650℃)。作为非限定性举例，例如焙烧的时间为2～8小时(例如2.5小时、3小时、3.5小时、4小时、4.5小时、5小时、5.5小时、6.0小时、6.5小时、7小时、7.0小时或7.5小时)。
本领域技术人员知道，为了得到强度更好的催化剂，在进行步骤(2)的焙烧之前，最好通过干燥除去溶剂，干燥的温度和干燥的时间没有特别限制，本领域技术人员可以合理选择，原则是干燥的温度越高干燥时间越长催化剂的强度趋向于好。干燥的温度例如但不限于为60～90℃(例如65℃、70℃、75℃、80℃或85℃)。干燥的时间例如但不限于2～8小时(例如2.5小时、3小时、3.5小时、4小时、4.5小时、5小时、5.5小时、6小时、6.5小时、7小时或7.5小时)
下面给出作为更具体溶于水并符合上述要求的非限定性例子：
V的盐可以为偏钒酸铵；
Zr的盐可以为硝酸锆；
Mo的盐可以是钼酸铵、仲钼酸铵或偏钼酸铵；
Bi的盐可以为硝酸铋；
W的盐可以是钨酸铵、偏钨酸铵或仲钨酸铵。
B的盐可以是硼酸铵。
本发明具体实施方式中化合物的中文名称和分子式对应如下：偏钒酸铵分子式为NH4VO3；硝酸锆分子式为Zr(NO3)4·5H2O；钼酸铵分子式为(NH4)6Mo7O24·4H2O；硝酸铋分子式为Bi(NO3)3·5H2O；钨酸铵分子式为(NH4)6W7O24·6H2O；硼酸铵分子式为NH4HB4O7·3H2O。
为解决本发明技术问题之三，本发明的技术方案如下：
三氧化硫的合成方法，包括在上述技术问题之一的技术方案中任一项所述催化剂的存在下，二氧化硫与氧气反应生成三氧化硫。
本发明的技术关键是催化剂的活性组分和助活性组分的选择，对于二氧化硫氧化生成三氧化硫的其他工艺条件，本领域技术人员能够根据面对的实际情况进行合理的选择。
作为非限定性举例，反应温度可以为300～400℃，例如在此范围内可以具体是310℃、315℃、320℃、325℃、330℃、335℃、340℃、345℃、350℃、355℃、360℃、365℃、370℃、375℃、380℃、385℃或390℃。
作为非限定性举例，氧气与二氧化硫的摩尔比可以为1～30，例如5、10、15、20或25。
作为非限定性举例，氧气的来源可以为干燥的空气，可以是干燥的纯氧，也可以是氧气和空气的干燥混合气等等。
作为非限定性举例，当以干燥的空气作为氧源时，空气与二氧化硫的总体积空速例如但不限于为1～10hr-1，例如在此范围内可以具体是2hr-1、3hr-1、4hr-1、5hr-1、6hr-1、7hr-1、8hr-1、9hr-1等等。
为了同比，本发明具体实施方式中催化剂评价中，反应的温度均为340℃、空气和二氧化硫的总体积空速均为5hr-1，空气(以氧气计)与二氧化硫的摩尔比为10。
用于催化剂评价反应的反应器为100毫升固定床反应器，催化剂装填量为100毫升，用气相色谱检测反应器进出口SO2的量，以此计算SO2的转化率。
下面通过具体实施方式对本发明进一步进行说明：
具体实施方式
【比较例】
1、催化剂制备
将1L二氧化硅球形载体(直径为6.5mm、BET比较面为187m2/g、孔容为0.78cm3/g)与850ml偏钒酸铵水溶液(其中溶液中含偏钒酸铵以V2O5计为20g)混合，静置1小时，70℃干燥6小时，在空气氛500℃焙烧5小时，得催化剂，催化剂组成见表1。
2、催化剂评价
用于催化剂评价反应的反应器为100毫升固定床反应器，催化剂装填量为100毫升，反应的温度均为340℃、空气和二氧化硫的总体积空速均为5hr-1，空气(以氧气计)与二氧化硫的摩尔比为10。为便于比较，将反应结果列于表1。
【实施例1】
1、催化剂制备
将1L二氧化硅球形载体(直径为6.5mm、BET比较面为187m2/g、孔容为0.78cm3/g)与850ml偏钒酸铵-硝酸锆混合水溶液(其中混合水溶液中含偏钒酸铵以V2O5计为20g、硝酸锆以ZrO2计为6g)混合，静置1小时，70℃干燥6小时，在空气氛500℃焙烧5小时，得催化剂，催化剂组成见表1。
2、催化剂评价
用于催化剂评价反应的反应器为100毫升固定床反应器，催化剂装填量为100毫升，反应的温度均为340℃、空气和二氧化硫的总体积空速均为5hr-1，空气(以氧气计)与二氧化硫的摩尔比为10。为便于比较，将反应结果列于表1。
【实施例2】
1、催化剂制备
将1L二氧化硅球形载体(直径为6.5mm、BET比较面为187m2/g、孔容为0.78cm3/g)与850ml偏钒酸铵-硝酸铋混合水溶液(其中混合水溶液中含偏钒酸铵以V2O5计为20g、硝酸铋以Bi2O3计为6g)混合，静置1小时，70℃干燥6小时，在空气氛500℃焙烧5小时，得催化剂，催化剂组成见表1。
2、催化剂评价
用于催化剂评价反应的反应器为100毫升固定床反应器，催化剂装填量为100毫升，反应的温度均为340℃、空气和二氧化硫的总体积空速均为5hr-1，空气(以氧气计)与二氧化硫的摩尔比为10。为便于比较，将反应结果列于表1。
【实施例3】
1、催化剂制备
将1L二氧化硅球形载体(直径为6.5mm、BET比较面为187m2/g、孔容为0.78cm3/g)与850ml偏钒酸铵-钼酸铵混合水溶液(其中混合水溶液中含偏钒酸铵以V2O5计为20g、钼酸铵以MoO3计为6g)混合，静置1小时，70℃干燥6小时，在空气氛500℃焙烧5小时，得催化剂，催化剂组成见表1。
2、催化剂评价
用于催化剂评价反应的反应器为100毫升固定床反应器，催化剂装填量为100毫升，反应的温度均为340℃、空气和二氧化硫的总体积空速均为5hr-1，空气(以氧气计)与二氧化硫的摩尔比为10。为便于比较，将反应结果列于表1。
【实施例4】
1、催化剂制备
将1L二氧化硅球形载体(直径为6.5mm、BET比较面为187m2/g、孔容为0.78cm3/g)与850ml偏钒酸铵-硝酸锆-硝酸铋混合水溶液(其中混合水溶液中含偏钒酸铵以V2O5计为20g、硝酸锆以ZrO2计为2g、硝酸铋以Bi2O3计为4g)混合，静置1小时，70℃干燥6小时，在空气氛500℃焙烧5小时，得催化剂，催化剂组成见表1。
2、催化剂评价
用于催化剂评价反应的反应器为100毫升固定床反应器，催化剂装填量为100毫升，反应的温度均为340℃、空气和二氧化硫的总体积空速均为5hr-1，空气(以氧气计)与二氧化硫的摩尔比为10。为便于比较，将反应结果列于表1。
【实施例5】
1、催化剂制备
将1L二氧化硅球形载体(直径为6.5mm、BET比较面为187m2/g、孔容为0.78cm3/g)与850ml偏钒酸铵-硝酸锆-钼酸铵混合水溶液(其中混合水溶液中含偏钒酸铵以V2O5计为20g、硝酸锆以ZrO2计为2g、钼酸铵以MoO3计为4g)混合，静置1小时，70℃干燥6小时，在空气氛500℃焙烧5小时，得催化剂，催化剂组成见表1。
2、催化剂评价
用于催化剂评价反应的反应器为100毫升固定床反应器，催化剂装填量为100毫升，反应的温度均为340℃、空气和二氧化硫的总体积空速均为5hr-1，空气(以氧气计)与二氧化硫的摩尔比为10。为便于比较，将反应结果列于表1。
【实施例7】
1、催化剂制备
将1L二氧化硅球形载体(直径为6.5mm、BET比较面为187m2/g、孔容为0.78cm3/g)与850ml偏钒酸铵-硝酸锆-硝酸铋-钼酸铵混合水溶液(其中混合水溶液中含偏钒酸铵以V2O5计为20g、硝酸锆以ZrO2计为1g、硝酸铋以Bi2O3计为2.5g、钼酸铵以MoO3计为2.5g)混合，静置1小时，70℃干燥6小时，在空气氛500℃焙烧5小时，得催化剂，催化剂组成见表1。
2、催化剂评价
用于催化剂评价反应的反应器为100毫升固定床反应器，催化剂装填量为100毫升，反应的温度均为340℃、空气和二氧化硫的总体积空速均为5hr-1，空气(以氧气计)与二氧化硫的摩尔比为10。为便于比较，将反应结果列于表1。
表1
注：表中“--”表示无此项。

Claims (13)

1.由二氧化硫氧化生产三氧化硫的催化剂，包括活性组分和助活性组分，活性组分在催化剂中的含量为1~60g/L，助活性组分与活性组分在催化剂中的含量之比为大于0且为10以下，所述活性组分为V2O5；所述助活性组分包括ZrO2和MoO3 ，ZrO2与MoO3的质量比是0.1~10；或者所述助活性组分包括ZrO2和Bi2O3 ，ZrO2与Bi2O3的质量比是0.1~10。
2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征是活性组分在催化剂中的含量为10~30g/L。
3.根据权利要求1所述的催化剂，其特征是助活性组分与活性组分在催化剂中的质量比为0.1~0.5。
4.根据权利要求1所述的催化剂，其特征是ZrO2与MoO3的质量比是0.2~0.7。
5.根据权利要求1所述的催化剂，其特征是ZrO2与Bi2O3的质量比是0.2~0.7。
6.根据权利要求1所述的催化剂，其特征是所述助活性组分同时包括ZrO2、MoO3和Bi2O3 。
7.根据权利要求1所述的催化剂，其特征是所述催化剂包括耐酸载体，所述活性组分和助活性组分负载于所述载体。
8.根据权利要求7所述的催化剂，其特征是所述耐酸载体为二氧化硅。
9.根据权利要求7所述的催化剂，其特征是载体的BET比表面为50~500m2/g。
10.根据权利要求7所述的催化剂，其特征是载体的孔容为0.5~1.2cm3/g。
11.权利要求7~10中任一项所述的催化剂的制备方法，包括如下步骤：
（1）活性组分和助活性组分中的金属元素对应盐的溶液与载体混合得到混合物料I；
（2）通过焙烧将步骤（1）的所述金属元素对应的盐转化为所述的活性组分和助活性组分。
12.三氧化硫的合成方法，包括在权利要求1~10中任一项所述催化剂的存在下，二氧化硫与氧气反应生成三氧化硫。
13.根据权利要求12所述的合成方法，其特征是反应的温度为300~400℃。
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