CN106582684B - 烷基芳烃脱氢的催化剂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及烷基芳烃脱氢的催化剂及其制备方法，主要解决以往技术中存在的低钾催化剂选择性低、副产甲苯高的问题。本发明通过采用烷基芳烃脱氢的催化剂，以重量百分比计包括以下组份：65～77％的Fe2O3；6～11％的K2O；6～10％的CeO2；0.5～5％的WO3；0.5～5％的SrO；0.5～5％的V2O5；0.5～5％的中稀土氧化物，所述中稀土氧化物选自Sm2O3、Eu2O3或Gd2O3的至少一种的技术方案，较好地解决了该问题，可用于烷基芳烃脱氢制备烷烯基芳烃的工业生产中。

Description

烷基芳烃脱氢的催化剂
技术领域
本发明涉及一种烷基芳烃脱氢的催化剂及其制备方法。
背景技术
工业上烷烯基芳烃主要是由烷基芳烃催化脱氢制得，该方法的关键之一是选择一种活性高、选择性高、稳定性好的脱氢催化剂。20世纪80年代初开发成功的Fe-K-Ce-Mo系列催化剂用Ce、Mo替代Cr，使得催化剂在维持原有稳定性的基础上，活性有较大幅度的提高，同时避免了Cr的氧化物污染环境，被世界各国苯乙烯生产厂家所采用，如已公开的美国专利5190906、4804799、世界专利09839278A1，但也存在苯乙烯选择性不高，等温床脱氢反应苯乙烯选择性普遍低于95.0％，反应产物中附加值较低的甲苯较多，含量普遍高于3.4％，物耗较高，给后续分离步骤带来困难。最终产品中甲苯含量高低是考核催化剂性能的一个重要指标，在其它相同的情况下，苯乙烯装置优先选用副产甲苯少、选择性好的催化剂。如已公开的美国专利6177602报道了含有贵金属的氧化铁系催化剂，使用该催化剂可以获得较高的选择性、副产甲苯较少，但该专利使用了贵金属，催化剂成本较高，难于实现工业应用。
就工业上乙苯脱氢生产苯乙烯而言，其年产量大都在10万吨/年以上，反应温度高，副产物多，能耗高，一直是困扰苯乙烯生产厂家的难题。因此，研制一种选择性高、副产少的脱氢催化剂，大幅度降低物耗，一直是研究人员感兴趣的课题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是以往技术中存在的低钾催化剂选择性低、副产高的问题，提供一种新的用于烷基芳烃脱氢制备烷烯基芳烃的催化剂。该催化剂用于烷基芳烃脱氢制备烷烯基芳烃具有很高的选择性，可以有效降低生产过程中副产物生成量，降低物耗。
本发明所要解决的技术问题之二是提供一种与解决技术问题之一相对应的用于制备烷基芳烃脱氢制备烷烯基芳烃的催化剂的制备方法。
为解决上述技术问题之一，本发明采用的技术方案如下：烷基芳烃脱氢的催化剂，以重量百分比计包括以下组份：
(a)65～77％的Fe2O3；
(b)6～11％的K2O；
(c)6～10％的CeO2；
(d)0.5～5％的WO3；
(e)0.5～5％的SrO；
(f)0.5～5％的V2O5；
(g)0.5～5％的中稀土氧化物，所述中稀土氧化物选自Sm2O3、Eu2O3或Gd2O3的至少一种。
上述所述(g)组份优选同时包括Sm2O3和Eu2O3、或Sm2O3和Gd2O3、或Eu2O3和Gd2O3，所述两种中稀土氧化物在低钾催化剂选择性提高方面具有二元协同作用；所述(g)组份优选同时包括Sm2O3、Eu2O3和Gd2O3，此时所述中稀土氧化物在低钾催化剂选择性提高方面具有三元协同作用。
上述技术方案中，SrO含量优选为1.5～4％。
上述技术方案中，V2O5含量优选为1.5～5％。
上述技术方案中，Ce优选以草酸铈或碳酸铈形式加入。
上述技术方案中，催化剂制备过程中不添加粘结剂。
为解决上述技术问题之二，本发明采用的技术方案如下：上述技术问题之一的技术方案中所述催化剂的制备方法，包括以下步骤：将按配比称量的Fe源、K源、Ce源、W源、Sr源、V源、中稀土氧化物以及制孔剂混合均匀后，加水捏合，经挤条、干燥和焙烧得到所述催化剂。
水的加入量没有特别限制，本领域技术人员为了挤出需要可以合理掌握干湿度，例如但不限于水的加入量占催化剂原料总重15～35％。
上述技术方案中，干燥温度没有特别限制，例如40～150℃，干燥时间可选0.55～8小时。
上述技术方案中，作为较优的选择，干燥逐步升温，例如但不限于40～70℃干燥2～4小时，然后80～150℃干燥0.5～4小时。
上述技术方案中，焙烧温度可选400～900℃，焙烧时间可选2～8小时。
上述技术方案中，作为较优的焙烧条件，焙烧温度逐步提高，例如但不限于400～650℃焙烧1～4小时，然后在800～900℃下焙烧1～4小时。
本发明涉及的催化剂组份所用的原料如下：
所用Fe2O3由氧化铁红形式加入；所用K以碳酸钾形式加入；所用W以它的盐或氧化物形式加入所用Sr以氧化物形式加入；所用V以它的盐或氧化物形式加入、其余的元素以它的盐或氧化物形式加入；在本发明的制备过程中，除催化剂主体成分外还应加入制孔剂，制孔剂可从石墨、聚苯乙烯微球、羧甲基纤维素钠中选择，其加入量为催化剂总重量的2～6％。
按上述方法制得的催化剂在等温式固定床中进行活性评价，对乙苯脱氢制苯乙烯催化剂活性评价而言，过程简述如下：
将脱离子水和乙苯分别经计量泵输入预热混合器，预热混合成气态后进入反应器，反应器采用电热丝加热，使之达到预定温度。反应器内径为1″的不锈钢管，内装填100毫升、粒径3毫米的催化剂。由反应器流出的反应物经水冷凝后用气相色谱仪分析其组成。
乙苯转化率、苯乙烯选择性按以下公式计算：
本发明通过在铁-钾-铈-钨-锶催化体系中添加钒和选自中稀土氧化物Sm、Eu或Gd的至少一种，惊奇地发现所制成的催化剂具有副产甲苯少、苯乙烯选择性高的突出优点。使用本发明制备的催化剂在等温式固定床进行活性评价，在常压、乙苯液体体积空速1.0小时－1、反应温度630℃，水比(重量)2.0条件下，苯乙烯选择性达到95.35％，甲苯含量低到3.24％，取得了较好的技术效果。
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】
将相当于70.62份Fe2O3的氧化铁红、相当于8.29份K2O的碳酸钾、相当于8.75份CeO2的草酸铈、相当于1.23份WO3的钨酸铵、相当于4.26份V2O5的偏钒酸铵、3.67份SrO、3.18份Sm2O3和5.2份石墨在捏合机中搅拌2小时，加入占催化剂原料总重22.3％的脱离子水，拌和0.8小时，取出挤条，挤成直径3毫米、长6毫米的颗粒，放入烘箱，65℃烘2.5小时，130℃烘3.0小时，然后置于马福炉中，于550℃焙烧3小时，890℃焙烧3小时得到成品催化剂，催化剂组成列于表1。
将100毫升催化剂装入反应器，在常压、乙苯液体液体空速1.0小时－1、630℃、水比(重量)2.0条件下进行活性评价，评价结果分别列于表2和表3。
【比较例1】
除了不加V2O5和Sm2O3外，催化剂制备方法和催化剂评价条件同实施例1，具体为：
将相当于76.30份Fe2O3的氧化铁红、相当于8.96份K2O的碳酸钾、相当于9.45份CeO2的草酸铈、相当于1.33份WO3的钨酸铵、3.96份SrO和5.2份石墨在捏合机中搅拌2小时，加入占催化剂原料总重22.3％的脱离子水，拌和0.8小时，取出挤条，挤成直径3毫米、长6毫米的颗粒，放入烘箱，65℃烘2.5小时，130℃烘3.0小时，然后置于马福炉中，于550℃焙烧3小时，890℃焙烧3小时得到成品催化剂，催化剂组成列于表1。评价结果分别列于表2和表3。
【比较例2】
除了不加Sm2O3外，催化剂制备方法和催化剂评价条件同实施例1，具体为：
将相当于72.94份Fe2O3的氧化铁红、相当于8.56份K2O的碳酸钾、相当于9.04份CeO2的草酸铈、相当于1.27份WO3的钨酸铵、相当于4.4份V2O5的偏钒酸铵、3.79份SrO和5.2份石墨在捏合机中搅拌2小时，加入占催化剂原料总重22.3％的脱离子水，拌和0.8小时，取出挤条，挤成直径3毫米、长6毫米的颗粒，放入烘箱，65℃烘2.5小时，130℃烘3.0小时，然后置于马福炉中，于550℃焙烧3小时，890℃焙烧3小时得到成品催化剂，催化剂组成列于表1。评价结果分别列于表2和表3。
【比较例3】
除了不加V2O5外，催化剂制备方法和催化剂评价条件同实施例1，具体为：
将相当于73.36份Fe2O3的氧化铁红、相当于8.66份K2O的碳酸钾、相当于9.14份CeO2的草酸铈、相当于1.28份WO3的钨酸铵、3.83份SrO、3.32份Sm2O3和5.2份石墨在捏合机中搅拌2小时，加入占催化剂原料总重22.3％的脱离子水，拌和0.8小时，取出挤条，挤成直径3毫米、长6毫米的颗粒，放入烘箱，65℃烘2.5小时，130℃烘3.0小时，然后置于马福炉中，于550℃焙烧3小时，890℃焙烧3小时得到成品催化剂，催化剂组成列于表1。评价结果分别列于表2和表3。
【实施例2】
除了用Eu2O3替换Sm2O3外，催化剂制备方法和催化剂评价条件同实施例1，具体为：
将相当于70.62份Fe2O3的氧化铁红、相当于8.29份K2O的碳酸钾、相当于8.75份CeO2的草酸铈、相当于1.23份WO3的钨酸铵、相当于4.26份V2O5的偏钒酸铵、3.67份SrO、3.18份Eu2O3和5.2份石墨在捏合机中搅拌2小时，加入占催化剂原料总重22.3％的脱离子水，拌和0.8小时，取出挤条，挤成直径3毫米、长6毫米的颗粒，放入烘箱，65℃烘2.5小时，130℃烘3.0小时，然后置于马福炉中，于550℃焙烧3小时，890℃焙烧3小时得到成品催化剂，催化剂组成列于表1。评价结果分别列于表2和表3。
【实施例3】
除了用Gd2O3替换Sm2O3外，催化剂制备方法和催化剂评价条件同实施例1，具体为：
将相当于70.62份Fe2O3的氧化铁红、相当于8.29份K2O的碳酸钾、相当于8.75份CeO2的草酸铈、相当于1.23份WO3的钨酸铵、相当于4.26份V2O5的偏钒酸铵、3.67份SrO、3.18份Gd2O3和5.2份石墨在捏合机中搅拌2小时，加入占催化剂原料总重22.3％的脱离子水，拌和0.8小时，取出挤条，挤成直径3毫米、长6毫米的颗粒，放入烘箱，65℃烘2.5小时，130℃烘3.0小时，然后置于马福炉中，于550℃焙烧3小时，890℃焙烧3小时得到成品催化剂，催化剂组成列于表1。评价结果分别列于表2和表3。
【实施例4】
按实施例1的方法制备催化剂和评价催化剂，所不同的是用1.59份Sm2O3和1.59份Eu2O3替换3.18份Sm2O3。
催化剂组成列于表1。评价结果分别列于表2和表3。
【实施例5】
按实施例1的方法制备催化剂和评价催化剂，所不同的是用1.59份Eu2O3和1.59份Gd2O3替换3.18份Sm2O3。
催化剂组成列于表1。评价结果分别列于表2和表3。
【实施例6】
按实施例1的方法制备催化剂和评价催化剂，所不同的是用1.59份Sm2O3和1.59份Gd2O3替换3.18份Sm2O3。
催化剂组成列于表1。评价结果分别列于表2和表3。
【实施例7】
按实施例1的方法制备催化剂和评价催化剂，所不同的是用1.06份Sm2O3、1.06份Gd2O3和1.06份Eu2O3替换3.18份Sm2O3。
催化剂组成列于表1。评价结果分别列于表2和表3。
【实施例8】
将相当于73.75份Fe2O3的氧化铁红、相当于8.66份K2O的碳酸钾、相当于9.14份CeO2的草酸铈、相当于1.28份WO3的钨酸铵、相当于2.21份V2O5的偏钒酸铵、3.83份SrO、1.13份Sm2O3和5.2份石墨在捏合机中搅拌2小时，加入占催化剂原料总重22.3％的脱离子水，拌和0.8小时，取出挤条，挤成直径3毫米、长6毫米的颗粒，放入烘箱，65℃烘2.5小时，130℃烘3.0小时，然后置于马福炉中，于550℃焙烧3小时，890℃焙烧3小时得到成品催化剂，催化剂组成列于表1。
将100毫升催化剂装入反应器，在常压、乙苯液体液体空速1.0小时－1、630℃、水比(重量)2.0条件下进行活性评价，评价结果分别列于表2和表3。
【实施例9】
将相当于65.24份Fe2O3的氧化铁红、相当于10.89份K2O的碳酸钾、相当于9.65份CeO2的草酸铈、相当于3.5份WO3的钨酸铵、相当于4.98份V2O5的偏钒酸铵、2.77份SrO、2.97份Sm2O3和5.2份石墨在捏合机中搅拌2小时，加入占催化剂原料总重22.3％的脱离子水，拌和0.8小时，取出挤条，挤成直径3毫米、长6毫米的颗粒，放入烘箱，65℃烘2.5小时，130℃烘3.0小时，然后置于马福炉中，于550℃焙烧3小时，890℃焙烧3小时得到成品催化剂，催化剂组成列于表1。
将100毫升催化剂装入反应器，在常压、乙苯液体液体空速1.0小时－1、630℃、水比(重量)2.0条件下进行活性评价，评价结果分别列于表2和表3。
【实施例10】
将相当于68.33份Fe2O3的氧化铁红、相当于7.01份K2O的碳酸钾、相当于5.0份CeO2的草酸铈、相当于3.68份CeO2的氢氧化铈、相当于4.5份WO3的钨酸铵、相当于3.46份V2O5的偏钒酸铵、4.68份SrO、3.34份Sm2O3和5.2份石墨在捏合机中搅拌2小时，加入占催化剂原料总重22.3％的脱离子水，拌和0.8小时，取出挤条，挤成直径3毫米、长6毫米的颗粒，放入烘箱，65℃烘2.5小时，130℃烘3.0小时，然后置于马福炉中，于550℃焙烧3小时，890℃焙烧3小时得到成品催化剂，催化剂组成列于表1。
将100毫升催化剂装入反应器，在常压、乙苯液体液体空速1.0小时－1、630℃、水比(重量)2.0条件下进行活性评价，评价结果分别列于表2和表3。
【实施例11】
将相当于72份Fe2O3的氧化铁红、相当于7.32份K2O的碳酸钾、相当于8.46份CeO2的草酸铈、相当于2.17份WO3的钨酸铵、相当于3.85份V2O5的偏钒酸铵、1.98份SrO、2.97份Sm2O3、1.25份水泥和5.2份石墨在捏合机中搅拌2小时，加入占催化剂原料总重22.3％的脱离子水，拌和0.8小时，取出挤条，挤成直径3毫米、长6毫米的颗粒，放入烘箱，65℃烘2.5小时，130℃烘3.0小时，然后置于马福炉中，于550℃焙烧3小时，890℃焙烧3小时得到成品催化剂，催化剂组成列于表1。
将100毫升催化剂装入反应器，在常压、乙苯液体液体空速1.0小时－1、630℃、水比(重量)2.0条件下进行活性评价，评价结果分别列于表2和表3。
【实施例12】
将相当于76.93份Fe2O3的氧化铁红、相当于9.06份K2O的碳酸钾、相当于6.0份CeO2的草酸铈、相当于0.6份WO3的钨酸铵、相当于1.95份V2O5的偏钒酸铵、0.5份SrO、4.96份Sm2O3和5.2份石墨在捏合机中搅拌2小时，加入占催化剂原料总重22.3％的脱离子水，拌和0.8小时，取出挤条，挤成直径3毫米、长6毫米的颗粒，放入烘箱，65℃烘2.5小时，130℃烘3.0小时，然后置于马福炉中，于550℃焙烧3小时，890℃焙烧3小时得到成品催化剂，催化剂组成列于表1。
将100毫升催化剂装入反应器，在常压、乙苯液体液体空速1.0小时－1、630℃、水比(重量)2.0条件下进行活性评价，评价结果分别列于表2和表3。
【实施例13】
将相当于71.0份Fe2O3的氧化铁红、相当于7.47份K2O的碳酸钾、相当于7.5份CeO2的草酸铈、相当于5份WO3的钨酸铵、相当于1.95份V2O5的偏钒酸铵、4份SrO、3.53份Sm2O3和5.2份石墨在捏合机中搅拌2小时，加入占催化剂原料总重22.3％的脱离子水，拌和0.8小时，取出挤条，挤成直径3毫米、长6毫米的颗粒，放入烘箱，65℃烘2.5小时，130℃烘3.0小时，然后置于马福炉中，于550℃焙烧3小时，890℃焙烧3小时得到成品催化剂，催化剂组成列于表1。
将100毫升催化剂装入反应器，在常压、乙苯液体液体空速1.0小时－1、630℃、水比(重量)2.0条件下进行活性评价，评价结果分别列于表2和表3。
【实施例14】
将相当于74.26份Fe2O3的氧化铁红、相当于6.88份K2O的碳酸钾、相当于8.01份CeO2的草酸铈、相当于2.87份WO3的钨酸铵、相当于2.89份V2O5的偏钒酸铵、2.33份SrO、1.76份Sm2O3、1.0份Nb2O5和5.2份石墨在捏合机中搅拌2小时，加入占催化剂原料总重22.3％的脱离子水，拌和0.8小时，取出挤条，挤成直径3毫米、长6毫米的颗粒，放入烘箱，65℃烘2.5小时，130℃烘3.0小时，然后置于马福炉中，于550℃焙烧3小时，890℃焙烧3小时得到成品催化剂，催化剂组成列于表1。
将100毫升催化剂装入反应器，在常压、乙苯液体液体空速1.0小时－1、630℃、水比(重量)2.0条件下进行活性评价，评价结果分别列于表2和表3。
以上实施例说明，在铁-钾-铈-钨-锶催化体系中添加钒和选自中稀土氧化物Sm、Eu或Gd的至少一种，所制成的催化剂具有选择性高、副产少的突出优点,有利于工厂提高目的产物产量，增加经济效益，符合烷基芳烃脱氢制备烷烯基芳烃节能降耗的发展方向，是一种适应市场需求的脱氢催化剂。
表1(待续)催化剂的重量百分组成
表1(续)催化剂的重量百分组成
表2催化剂性能对比
表3各催化剂的脱氢产物分布

Claims (8)

1.烷基芳烃脱氢的催化剂，以重量百分比计包括以下组份：
(a)65～77％的Fe2O3；
(b)6～11％的K2O；
(c)6～10％的CeO2；
(d)0.5～5％的WO3；
(e)0.5～5％的SrO；
(f)0.5～5％的V2O5；
(g)0.5～5％的中稀土氧化物，所述中稀土氧化物为Sm2O3和Gd2O3，或Sm2O3、Eu2O3和Gd2O3。
2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于SrO含量为1.5～4％。
3.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于V2O5的含量为1.5～5％。
4.权利要求1中所述催化剂的制备方法，包括以下步骤：将按配比称量的Fe源、K源、Ce源、W源、Sr源、V源、中稀土氧化物和制孔剂混合均匀后，加水捏合，经挤条、干燥和焙烧得到所述催化剂。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于干燥温度为50～150℃。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于焙烧温度为400～900℃。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于Ce以草酸铈或碳酸铈形式加入。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于催化剂制备过程中不添加粘结剂。
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