CN106669695A

CN106669695A - 一种铜铋硅催化剂的制备方法

Info

Publication number: CN106669695A
Application number: CN201510751180.1A
Authority: CN
Inventors: 包洪洲; 张艳侠; 段日; 付秋红; 关月明; 张宝国; 霍稳周; 乔凯
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
Priority date: 2015-11-09
Filing date: 2015-11-09
Publication date: 2017-05-17

Abstract

本发明公开一种铜铋硅催化剂的制备方法，包括如下步骤：（1）配制铜铋硅混合溶液、铜溶液、沉淀剂溶液Ⅰ和沉淀剂溶液Ⅱ；（2）往反应釜中加入底水，升温加热至反应温度；将铜铋硅混合溶液和沉淀剂溶液Ⅰ并流滴加共沉淀，反应结束老化；（3）向铜铋硅沉淀液中并流滴加铜溶液和沉淀剂溶液Ⅱ，反应结束后老化；（4）将物料过滤，洗涤后加入适量蒸馏水；（5）浆液采用喷雾干燥、焙烧、得到生产1,4-丁炔二醇的催化剂。该催化剂用于甲醛和乙炔在浆态床中合成1,4-丁炔二醇活性好、耐磨性好、催化剂颗粒均匀、使用过程中不易流失的炔化催化剂，且催化剂的制备方法简单、易行、重复性好。

Description

一种铜铋硅催化剂的制备方法

技术领域

本发明涉及一种铜铋硅催化剂的制备方法，具体地说涉及一种生产1,4-丁炔二醇催化剂的制备方法，属于化工催化剂技术领域。

背景技术

1,4-丁炔二醇（BD）是一种重要的有机化工中间体，其加氢产物1,4-丁二醇（BDO），可用于生产γ-丁内酯（GBL）、四氢呋喃（THF），聚二苯二甲酸丁二醇酯（PBT）等。近年来因PBT等衍生物的需求骤增，我国对BDO的需求量大幅度增长。工业上，1,4-丁炔二醇的生产主要采用煤化工生产的甲醛、乙炔化合而成，我国有丰富的煤炭资源，使得以煤化工路线乙炔为原料生产1,4-丁炔二醇具有得天独厚的条件和优势。

20世纪40年代，Reppe发明了以甲醛和乙炔为原料合成1,4-丁炔二醇的工艺。该工艺采用炔铜催化剂，在反应压力下增加了乙炔与炔铜的操作危险性。70年代后，又开发了新型合成1,4-丁炔二醇催化剂，使Reppe工艺得以改良。该工艺使用的催化剂为孔雀石，颗粒小，活性好，在淤浆床中反应，改善了操作压力，降低了爆炸的危险性。但这种催化剂不耐磨损，容易流失。如专利US4110249 、US4584418以及CN1118342A。针对孔雀石催化剂不耐磨、易流失的现象，后来出现了以二氧化硅、沸石、硅藻土等为载体的炔化催化剂，如专利US4288641和US3920759，分别公开了以分子筛和硅酸镁为载体的炔化催化剂；专利CN102125856A采用特别制备的高岭土制备了甲醛和乙炔反应制备1,4-丁炔二醇含载体催化剂；但该类催化剂存在以下不足：（1）载体硅酸镁不稳定，在反应体系中会发生溶解，寿命短；（2）催化剂用量多，金属氧化铜含量较高，易发生团聚，不能充分发挥每个活性中心的催化效果，造成铜资源的浪费。

CN201210157882.3 公开了一种铜铋催化剂及制备方法，其步骤如下：采用有机硅源的醇溶液滴加到含有铜盐、铋盐、镁盐和分散剂的混合液中，用碱溶液调节混合溶液的pH值得到混合沉淀物，经进一步老化、采用分散剂为介质进行沉淀物的洗涤，并采用惰性气氛进行焙烧。该催化剂的活性较高，但是成本较高、机械强度差，难于实现工业化。

CN201210397161.X公开了用于1,4-丁炔二醇生产的催化剂及其制备方法，该方法采用纳米二氧化硅为载体，以沉淀沉积的方法，将铜和铋吸附在载体上。此方法制备的催化剂具有较好的活性和选择性，但是由于采用尿素为沉淀剂，反应过程较慢，会产生大量的氨气，造成环境污染，而且制备的催化剂颗粒较小，不好过滤。

CN103170342A公开了一种合成1,4-丁炔二醇的纳米CuO-Bi₂O₃催化剂，其特征在于，将适量表面活性剂和氢氧化钠溶液分别加入铜铋酸性水溶液中，在一定温度下热解制备纳米催化剂。所制备的催化剂颗粒大小10~80nm。该催化剂反应活性较高，但由于催化剂的颗粒小，用于淤浆床或者悬浮床，颗粒小，难过滤。而且纳米CuO-Bi₂O₃活性中心暴露多，容易失活。

CN103157500A公开了一种负载型催化剂的制备方法，该方法采用介孔分子筛为载体，利用浸渍法把可溶性的铜盐和铋盐负载到载体上，制备的催化剂颗粒大小为10~80 nm，该催化剂活性较高，但催化剂颗粒太小，难过滤。

CN103480382A公开了一种生产1,4-丁炔二醇的催化剂及其制备方法，该方法采用酸化后的纳米二氧化硅为载体，以浸渍和沉积沉淀方法使铜和铋吸附在在载体上，然后干燥、焙烧得催化剂成品。该方法制备的催化剂活性较好，强度较高。但是此方法制备的催化剂粉末的粒度均匀性不好，小颗粒较多，不利于催化剂的工业运转。

综上所述，现有技术中生产1,4-丁炔二醇的催化剂普遍存在着以下不足：催化剂颗粒度不适中、催化剂的耐磨性及稳定性差、活性组分容易流失且采用的载体制备工艺复杂相对费用高等技术问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的缺陷，提供一种用于甲醛和乙炔在浆态床中合成1,4-丁炔二醇的活性好、耐磨性好、催化剂颗粒均匀、使用过程中不易流失的炔化催化剂，且催化剂的制备方法简单、易行、重复性好。

本发明采用的技术方案是：一种生产1,4-丁炔二醇催化剂的制备方法，其包括如下制备步骤：

（1）配制铜铋硅混合溶液、铜溶液、沉淀剂溶液Ⅰ和沉淀剂溶液Ⅱ；

（2）往反应釜中加入底水，升温加热至反应温度；在反应温度为50℃~80℃，优选60℃~70℃，将铜铋硅混合溶液和沉淀剂溶液Ⅰ并流滴加共沉淀，保持沉淀体系pH值为4~8，优选5~7，所用铜用量为催化剂中铜总用量的30%~70%，优选40%~60%；反应结束后将反应pH值调至7.5~9.0进行老化；

（3）向铜铋硅沉淀液中并流滴加铜溶液和沉淀剂溶液Ⅱ，所用铜用量为剩余含量，相比步骤（2）的沉淀条件，共沉淀反应温度降低5℃~30℃，优选10℃~20℃，共沉淀反应pH值提高0.2~1.5，优选0.5~1.2；反应结束后老化；

（4）将物料过滤，洗涤后按固含量10%-40%，优选20%~30%计，加入适量蒸馏水；

（5）浆液采用喷雾干燥，干燥的温度为100~200℃，优选120~180℃，而后在350℃~650℃焙烧1~5h，优选400℃~600℃焙烧2~4h，得到生产1,4-丁炔二醇的催化剂。

本发明方法步骤（1）中，所述铜选自硫酸铜、硝酸铜或氯化铜中的一种或几种，优选为硝酸铜。铋选自硝酸铋、硫酸铋或氯化铋中的一种或几种，优选为硝酸铋。所述硅为水玻璃，硅溶胶，硅酸钾，正硅酸乙酯中的一种或几种的混合物，优选为硅溶胶。

本发明方法步骤（1）中，铜铋硅混合溶液中铜的摩尔浓度控制在0.6~3.0 mol/L，优选为1.0~2.5 mol/L。以二氧化硅计，硅的摩尔浓度控制为0.2~2.5 mol/L，优选0.8~2.0 mol/L。铋的摩尔浓度控制在0.01~0.05 mol/L，优选为0.02~0.04 mol/L。在铜溶液中，铜的摩尔浓度控制在0.6~2.5 mol/L，优选为1.0~2.0 mol/L。

本发明方法步骤（1）中，沉淀剂溶液Ⅰ选自氢氧化钠、碳酸钠、氢氧化钾、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸铵或氨水中的一种或几种，沉淀剂溶液Ⅰ的摩尔浓度为0.1~3.0 mol/L，优选为0.5~2.0 mol/L。沉淀剂溶液Ⅱ选自碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾或碳酸氢钾中的一种或几种，优选为氨水，沉淀剂溶液Ⅱ的百分含量为1~20%，优选为5~15%。

本发明方法步骤（2）中，底水加入量为反应釜总体积的1/6~2/3，优选为1/3~1/2。

本发明方法步骤（2）中，老化时间控制在10~70 min，优选为20~50 min。

本发明方法步骤（3）中，老化条件与该步骤的反应条件一致，老化时间控制在10～70min，优选为20~50min。

本发明方法步骤（4）中，所述洗涤至Na₂O质量含量小于0.5%。

采用上述方法制备的生产1,4-丁炔二醇的催化剂，该催化剂以氧化硅为载体，以铜铋化合物为活性组分，其组成按质量百分比计，氧化铜为30%~60%，优选40%~55%，氧化铋为2%~5%，优选3%~4%，氧化硅为余量；所述催化剂10~40 μm颗粒直径至少在80%以上，优选为85%以上，比表面积为20~50 m²/g，孔容为0.1~0.5 cm³·g^-1 ，孔径分布在10nm~50nm 之间的占85%以上，优选为80%~95%，堆积密度为1.0~1.8 g·mL^-1，优选1.2~1.6 g·mL^-1。

上述催化剂，用于甲醛和乙炔合成1,4-丁炔二醇的浆态床反应，甲醛质量百分比浓度为10%~45%的水溶液，催化剂与甲醛溶液的质量比为1:20到1:2，乙炔分压为0.1-0.5 MPa。

本发明催化剂制备方法首先将铜铋硅溶液和沉淀剂溶液Ⅰ进行共沉反应，得到含有铜铋硅沉淀物的浆液，这样可以使先沉淀下来的铜铋在催化剂内部形成较为稳定均一的物种，在具有一定催化活性的同时，又保证了催化剂的耐磨性。

本发明催化剂制备方法在铜铋硅溶液和沉淀剂溶液Ⅰ进行共沉反应后，提高pH值进行老化，有利于晶体的适度长大和活性相的增加，提高了催化剂的活性。

本发明催化剂制备方法在铜溶液与沉淀剂溶液Ⅱ共沉反应时，由于沉淀体系有着适宜的pH，以及体系内的静电引力和络合作用，使得活性组分铜均匀沉积在铜铬硅沉淀物的表面，提高了催化剂的活性。

本发明催化剂制备方法制得的催化剂活性好、易分离、催化剂颗粒均匀，分布集中，其中粒度在10-40微米的颗粒占80%以上，催化剂使用过程中不易流失，且催化剂的制备方法简单、易行、重复性好。本发明的催化剂具有适合的比表面积和孔体积，提高了催化剂的反应活性和选择性以及稳定性。

具体实施方式

下面通过实施例和比较例进一步说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不受实施例的限制。本发明中催化剂的耐磨性能采用超声破碎装置进行超声处理后再采用丹东百特的BT-9300ST激光粒度仪分析，超声处理时间为30min，超声频率为20KHz。催化剂采用间歇搅拌反应釜进行评价。采用甲醛和乙炔反应体系，反应温度为90℃，反应压力为常压，乙炔流速为80mL/min，催化剂用量为35mL，浓度37wt％的甲醛加入量为250ml。实施例及比较例中的%如无特殊说明，均为质量百分比。

实施例1

（1）称取96.64g Cu(NO₃)₂.3H₂O、10.24g Bi(NO₃)₃.5H₂O和229.6g 30%的硅溶胶，配制400ml铜铋硅混合溶液，用硝酸调节溶液的pH为2，使铋盐充分溶解；称取144.96g Cu(NO₃)₂.3H₂O，配制600ml硝酸铜溶液；配制1mol/L的Na₂CO₃溶液和10%的氨水溶液备用。

（2）往5L反应釜中加入2L的底水，升温加热至60℃，将400ml步骤（1）中配制的铜铋硅混合溶液和1mol/L的Na₂CO₃溶液并流滴加共沉淀，保持沉淀体系pH值为6.5。反应结束后，将反应pH值调至8.0后，老化30min。

（3）将600ml硝酸铜溶液在体系温度50℃，pH值为8.5的条件下，与10%的氨水溶液并流滴加入步骤（2）的铜铋硅沉淀物浆液中，反应结束后，维持反应温度和pH，继续搅拌30min。

（4）将物料过滤，洗涤至Na₂O含量小于0.5%，按固含量20%计，加入适量蒸馏水。

（5）浆液采用喷雾干燥，干燥的温度为130℃，而后在500℃焙烧3h，得到生产1,4-丁炔二醇的催化剂样品。

实施例2

（1）称取120.8g Cu(NO₃)₂.3H₂O、12.49g Bi(NO₃)₃.5H₂O和348.8g 30%的硅溶胶，配制500ml铜铋硅混合溶液，用硝酸调节溶液的pH为2，使铋盐充分溶解；称取120.8g Cu(NO₃)₂.3H₂O，配制500ml硝酸铜溶液；配制1.2mol/L的Na₂CO₃溶液和10%的氨水溶液备用。

（2）往5L反应釜中加入1.8L的底水，升温加热至65℃，将500ml步骤（1）中配制的铜铋硅混合溶液和1.2mol/L的Na₂CO₃溶液并流滴加共沉淀，保持沉淀体系pH值为5.5。反应结束后，将反应pH值调至8.0后，老化30min。

（3）将500ml硝酸铜溶液在体系温度55℃，pH值为8.5的条件下，与10%的氨水溶液并流滴加入步骤（2）的铜铋硅沉淀物浆液中，反应结束后，维持反应温度和pH，继续搅拌30min。

（5）浆液采用喷雾干燥，干燥的温度为120℃，而后在450℃焙烧3h，得到生产1,4-丁炔二醇的催化剂样品。

实施例3

（1）称取144.96g Cu(NO₃)₂.3H₂O、13.71g Bi(NO₃)₃.5H₂O和304.7g 30%的硅溶胶，配制600ml铜铋硅混合溶液，用硝酸调节溶液的pH为2，使铋盐充分溶解；称取96.64g Cu(NO₃)₂.3H₂O，配制400ml硝酸铜溶液；配制1.5mol/L的Na₂CO₃溶液和15%的氨水溶液备用。

（2）往5L反应釜中加入2.2L的底水，升温加热至70℃，将600ml步骤（1）中配制的铜铋硅混合溶液和1.5mol/L的Na₂CO₃溶液并流滴加共沉淀，保持沉淀体系pH值为6.0。反应结束后，将反应pH值调至8.0后，老化30min。

（3）将400ml硝酸铜溶液在体系温度60℃，pH值为8.5的条件下，与15%的氨水溶液并流滴加入步骤（2）的铜铋硅沉淀物浆液中，反应结束后，维持反应温度和pH，继续搅拌30min。

实施例4

（1）称取120.8g Cu(NO₃)₂.3H₂O、12.24g Bi(NO₃)₃.5H₂O和273.7g 30%的硅溶胶，配制500ml铜铋硅混合溶液，用硝酸调节溶液的pH为2，使铋盐充分溶解；称取120.8 Cu(NO₃)₂.3H₂O，配制500ml硝酸铜溶液；配制1mol/L的Na₂CO₃溶液和15%的氨水溶液备用。

（2）往5L反应釜中加入2L的底水，升温加热至60℃，将500ml步骤（1）中配制的铜铋硅混合溶液和1mol/L的Na₂CO₃溶液并流滴加共沉淀，保持沉淀体系pH值为6.0。反应结束后，将反应pH值调至8.0后，老化30min。

（3）将500ml硝酸铜溶液在体系温度50℃，pH值为9.0的条件下，与15%的氨水溶液并流滴加入步骤（2）的铜铋硅沉淀物浆液中，反应结束后，维持反应温度和pH，继续搅拌30min。

对比例1

同实施例1不同之处在于步骤（2）的老化条件与该步骤的反应条件一致。

对比例2

同实施例1不同之处在于步骤（3）中，采用1mol/L的Na₂CO₃溶液与硝酸铜溶液进行共沉反应

对比例3

按CN201210397161.X实施例1的技术方案制备同实施例3具有相同组成的催化剂。

上述比较例及实施例制备的催化剂的活性评价结果及物化性质（或粒度分布）分别见表1、表2。

表1催化剂的评价结果

表2催化剂的物化性质及颗粒分布

Claims

1.一种铜铋硅催化剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

（2）往反应釜中加入底水，升温加热至反应温度；在反应温度为50℃~80℃，将铜铋硅混合溶液和沉淀剂溶液Ⅰ并流滴加共沉淀，保持沉淀体系pH值为4~8，所用铜用量为催化剂中铜总用量的30%~70%；反应结束后将反应pH值调至7.5~9.0进行老化；

（3）向铜铋硅沉淀液中并流滴加铜溶液和沉淀剂溶液Ⅱ，所用铜用量为剩余含量，相比步骤（2）的沉淀条件，共沉淀反应温度降低5℃~30℃，共沉淀反应pH值提高0.2~1.5；反应结束后老化；

（4）将物料过滤，洗涤后按固含量10%~40%计，加入适量蒸馏水；

（5）浆液采用喷雾干燥，干燥的温度为100℃~200℃，而后在350℃~650℃焙烧1~5h，得到生产1,4-丁炔二醇的催化剂。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）中，所述铜选自硫酸铜、硝酸铜或氯化铜中的一种或几种，铋选自硝酸铋、硫酸铋或氯化铋中的一种或几种，所述硅为水玻璃，硅溶胶，硅酸钾，正硅酸乙酯中的一种或几种。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述铜为硝酸铜，铋为硝酸铋，硅为硅溶胶。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）中，铜铋硅混合溶液中铜的摩尔浓度控制在0.6~3.0 mol/L，以二氧化硅计，硅的摩尔浓度控制为0.2~2.5 mol/L，铋的摩尔浓度控制在0.01~0.05 mol/L，铜溶液中，铜的摩尔浓度控制在0.6~2.5 mol/L。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：铜铋硅混合溶液中铜的摩尔浓度控制为1.0~2.5 mol/L，以二氧化硅计，硅的摩尔浓度控制为0.8~2.0 mol/L，铋的摩尔浓度控制为0.02~0.04 mol/L，铜溶液中，铜的摩尔浓度控制为1.0~2.0 mol/L。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）中，沉淀剂溶液Ⅰ选自氢氧化钠、碳酸钠、氢氧化钾、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸铵或氨水中的一种或几种，沉淀剂溶液Ⅰ的摩尔浓度为0.5~2.0 mol/L。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）中，沉淀剂溶液Ⅱ选自碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾或碳酸氢钾中的一种或几种，沉淀剂溶液Ⅱ的百分含量为5%~15%。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）中，反应温度为60℃~70℃，保持沉淀体系pH值为5~7，所用铜用量为催化剂中铜总用量的40%~60%。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）中，底水加入量为反应釜总体积的1/6~2/3。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）中，老化时间控制在10~70 min。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）中，共沉淀反应温度降低10℃~20℃，共沉淀反应pH值提高0.5~1.2。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）中，老化条件与该步骤的反应条件一致，老化时间控制在10~70 min。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（4）中，所述洗涤至Na₂O质量含量小于0.5%。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（4）中，干燥的温度为120℃~180℃，而后在400℃~600℃焙烧2~4h。

15.一种采用权利要求1至14任一方法制备的催化剂，其特征在于：该催化剂以氧化硅为载体，以铜铋化合物为活性组分，其组成按质量百分比计，氧化铜为30%~60%，氧化铋为2%~5%，氧化硅为余量；所述催化剂10~40 μm颗粒直径至少在80%以上，比表面积为20~50 m²/g，孔容为0.1~0.5 cm³·g^-1 ，孔径分布在10nm~50nm 之间的占85%以上，堆积密度为1.0~1.8 g·mL^-1。

16.根据权利要求16所述的催化剂，其特征在于：氧化铜为40%~55%，氧化铋为3%~4%；所述催化剂10~40 μm颗粒直径至少在85%以上，孔径分布在10nm~50nm 之间的占80%~95%，堆积密度为1.2~1.6 g·mL^-1。

17.权利要求15所述催化剂用于甲醛和乙炔合成1,4-丁炔二醇的浆态床反应，其特征在于：甲醛质量百分比浓度为10%~45%的水溶液，催化剂与甲醛溶液的质量比为1:20到1:2，乙炔分压为0.1-0.5 MPa。