CN106807368A

CN106807368A - 一种活性炭负载的铱基催化剂及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN106807368A
Application number: CN201510870316.0A
Authority: CN
Inventors: 宋宪根; 丁云杰; 冯四全; 陈维苗
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2017-06-09

Abstract

本发明涉及一种活性炭负载的铱基催化剂及其制备方法和应用。一种用于碘单质和甲醇经羰基化制乙酸甲酯和碘甲烷的催化剂及其制备方法。由主活性组分和载体两部分组成，主活性组分为Ir和金属助剂，其含量为催化剂重量的0.01～5.0％和0.1～30％；载体为椰壳炭和杏壳炭，椰壳炭的比表面积为500～1100m²/g，平均孔径为1～200nm；杏壳炭的比表面积为600～1200m²/g,平均孔径为1～200nm。按本发明提供一种碳基材料负载的Ir基催化剂。在固定床反应器中，在一定的温度和压力以及本催化剂作用下，CH₃OH/CO/H₂/I₂可高活性、高选择性地转化为乙酸甲酯和碘甲烷。

Description

一种活性炭负载的铱基催化剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于化工催化剂技术领域，具体涉及一种碳基材料负载的铱基催化剂及其制备方法和在甲醇经羰基化制乙酸甲酯和碘甲烷反应中的应用。

背景技术

乙酸甲酯在国际上逐渐代替丙酮、丁酮、乙酸乙酯、环戊烷等。因为它不属于限制使用的有机污染物排放，可以达到涂料、油墨、树脂、胶粘剂厂新的环保标准。乙酸甲酯加氢合成乙醇也是目前煤制乙醇的主要途径之一。其制备方法主要有(1)醋酸与甲醇以硫酸为催化剂直接进行酯化反应生成醋酸甲酯粗制品，再用氯化钙脱水，碳酸钠中和，分馏得到醋酸甲酯成品。(2)二甲醚在H-MOR分子筛催化剂上经羰基化合成，但分子筛积碳失活严重，且时空收率较低。(3)甲醇羰基化制备乙酸时，乙酸甲酯作为副产物存在，但选择性较低，分离成本高。所以目前工业可行的乙酸甲酯合成路线绝大部分要经过乙酸这一中间步骤。

目前，乙酸的工业化生产中甲醇羰基化工艺占主导地位，目前采用该工艺的乙酸生产装置的生产能力已占乙酸总生产能力的94％。在过去50年里，甲醇羰基化生产乙酸的工业化过程大致经历了三个发展阶段：

第一阶段：BSAF公司1960年利用钴催化剂在较高的反应温度和压力下(250℃，60MPa)首先实现了用甲醇羰基化法生产乙酸的工业化生产。该方法生产的乙酸纯度不高，主要副产物是高级醇、高级醛和高级羧酸，产物分离成本较高。第二阶段：Monsanto公司开发了活性和选择性更高的铑-碘化物(RhI₃)催化体系。反应的温度和压力也比较低(175℃左右，3.0MPa)，乙酸以甲醇为基准的选择率在99％以上，以CO为基准的选择率也达到了90％以上。装置耐腐蚀要求很高，需要全锆合金反应釜。第三阶段：Ir催化剂的工业化是甲醇羰基化法生产乙酸。该工艺大大提高了催化剂的稳定性，反应在水含量较低的条件下进行，并减少了液体副产物的生成，提高了CO的转化率。Celanese化学公司通过添加高浓度的无机碘化物(主要是碘化锂)，提高了Rh催化剂的稳定性，加入碘化锂与碘甲烷助剂后，可使反应器中水含量显著降低(约4％～5％)，同时又可维持较高的羰基化速率，使新工艺的分离成本显著降低。

日本千代田(Chiyoda)公司和UOP公司联合开发了Acetica工艺，该工艺基于一种多相Rh催化剂，其中活性Rh络合物以化学方法固定在聚乙烯基吡啶树脂上。中国科学院化学研究所袁国卿研究组合成的强弱配位键螯合性高分子催化剂也形成了自主知识产权体系，该催化剂体系具有高稳定性、高活性等特点，能提高CO的选择性。

虽然均相Rh基和Ir基催化体系取得了很好的工业应用，取得了相当高的催化活性和选择性，乙酸的选择性大于99％。但是均相催化剂体系从其诞生起，就呈现出了一定的缺点，比如，贵金属催化剂易流失、产物与催化剂分离困难、催化剂循环及回收复杂等。

针对上述均相反应催化体系不足，一部分研究者则把目光投向了负载型非均相催化体系。与均相催化体系相比，非均相催化体系有着天然的优势，比如，催化剂与产物分离方便，催化剂浓度不受溶解度限制，可以通过增加催化剂浓度来提高产能等。负载型非均相催化体系按照载体不同可以大致分为聚合物载体、活性炭载体、无机氧化物载体等体系，但负载型催化剂体系存在着活性比均相催化体系的低、活性成分易脱除、对载体要求较高等问题。

因此，目前甲醇羰基化合成乙酸的可挖掘潜力有限。甲醇经羰基化高选择性的制乙酸甲酯直接跳过乙酸合成路线，即避免了使用昂贵的锆材，又缩减了酯化工艺，节省大量生产成本。

碘甲烷是一种重要的煤化工下游产品，主要用于制造医药和农药的中间体，也是多种甲基化反应的前体，还可作为熏蒸剂以防治果树和贮存谷物的害虫，在市场上正在迅速的替代溴甲烷，具有广阔的市场前景。国内外的碘甲烷制备工艺主要有：卤原子交换法、甲醇-碘单质法、乙酸-碘单质法、甲醇-氢碘酸法和硫酸二甲酯法等。目前国内企业生产大多使用甲醇-氢碘酸法和硫酸二甲酯法，但甲醇氢碘酸法收率较低，通常为40％，硫酸二甲酯法收率虽较高，但由于硫酸二甲酯剧毒，不符合当今化工生产的技术发展趋势，故两种工艺的应用收到了极大地限制。

由于煤制甲醇工艺的大发展，甲醇已作为基础化工原料应用于生产各种高附加值化工产品。本工艺以碘单质和甲醇为原料，在羰基化过程中高选择性的合成乙酸甲酯的同时，完全将碘转化成碘甲烷。该方法的生产工艺具有流程简单，条件温和，易于控制，产品分离容易等优点，具有很大的市场推广价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种活性炭负载的铱基催化剂及其在甲醇经羰基化制乙酸甲酯和碘甲烷反应中的应用，得到的主要产物为乙酸甲酯和碘甲烷。

本发明的技术方案为：

一种用于甲醇经羰基化制乙酸甲酯和碘甲烷的催化剂及其制备方法，该催化剂由主活性组分和载体两部分组成，主活性组分为Ir和金属助剂；载体为椰壳炭、杏壳炭。椰壳炭的比表面积为500～1100m²/g，平均孔径为1～200nm；杏壳炭的比表面积为600～1200m²/g,平均孔径为1～200nm。

Ir占催化剂总质量的0.01～5.0wt％。

其中所述助剂金属为Li、Na、K、Mg、Al、Zn、Cu、La、Ce、Zr，含量为催化剂重量的0.1～30.0％。

椰壳炭的优选比表面积为550～900m²/g，椰壳炭的优选平均孔径为5～100nm；杏壳炭的优选比表面积为650～1000m²/g，杏壳炭的优选平均孔径为5～100nm。

在盐酸或者硝酸存在的条件下，将Ir金属前驱体和助剂金属前驱体在水或乙醇中溶解,得到的溶液浸渍于载体上，60～80℃水浴蒸干溶剂，烘箱中100～120℃烘干8～24h，N₂保护下250～400℃焙烧4～12h。

CO/H₂和泵入的甲醇/I₂等反应物进入到装有本发明的颗粒状催化剂的固定床反应器中，进行甲醇羰基化反应，主要产物为乙酸甲酯和碘甲烷。

羰基化反应的温度在180～280℃，0.5～3.5MPa，液体体积空速在0.1～15h^-1。

反应物还包括碘单质，其为甲醇重量的2～35.0％。

反应气中氢气和CO的体积比例在0.1～4。

采用的反应系统的材质为哈氏合金。

装填在固定床中的催化剂和活性炭或者石英砂的体积比例在0.5～5。

所述的一种用于甲醇经羰基化制乙酸甲酯和碘甲烷的催化剂用于以甲醇/CO/H₂/I₂为原料转化为乙酸甲酯和碘甲烷反应中。

本发明的有益效果为：

与现有的技术相比，本发明的多相催化剂在产物分离方面相对简单，乙酸甲酯和碘甲烷选择性极高。同时，反应副产物只有工艺水，以及无腐蚀性的乙酸甲酯和碘甲烷，只有反应装置的核心部分的材质才需要哈氏合金，具有投资低效益高的优势。同时反应温度和压力较低，合成气不需要纯化分离，装置运行成本低。

具体实施方式

下述实施例说明但不限制本发明要保护的内容。

实施例1

称取4mL 38wt％浓HCl加入6mL去离子水，0.25克IrCl₃、0.24克LaCl₃在上述10mL盐酸溶液中溶解，然后浸渍10.0克椰壳炭。80℃水浴蒸发溶剂，120℃烘箱烘干8h，300℃氮气保护焙烧4h，得到椰壳炭负载的铱基催化剂。

实施例2

称取4mL 38wt％浓HCl加入6mL去离子水，0.25克IrCl₃、0.05克LiCl在上述10mL盐酸溶液中溶解，然后浸渍10.0克杏壳炭。80℃水浴蒸发溶剂，120℃烘箱烘干8h，300℃氮气保护焙烧4h，得到杏壳炭负载的铱基催化剂。

实施例3

称取4mL 38wt％浓HCl加入6mL去离子水，0.25克IrCl₃、0.08克NaCl在上述10mL盐酸溶液中溶解，然后浸渍10.0克椰壳炭。80℃水浴蒸发溶剂，120℃烘箱烘干8h，300℃氮气保护焙烧4h，得到椰壳炭负载的铱基催化剂。

实施例4

称取4mL 69wt％浓HNO₃加入6mL去离子水，0.25克IrCl₃、0.1克KCl在上述10mL硝酸溶液中溶解，然后浸渍10.0克椰壳炭。80℃水浴蒸发溶剂，120℃烘箱烘干8h，300℃氮气保护焙烧4h，得到椰壳炭负载的铱基催化剂。

实施例5

称取4mL 69wt％浓HNO₃加入6mL去离子水，0.25克IrCl₃、0.12克MgCl₂在上述10mL硝酸溶液中溶解，然后浸渍10.0克杏壳炭。80℃水浴蒸发溶剂，120℃烘箱烘干8h，300℃氮气保护焙烧4h，得到杏壳炭负载的铱基催化剂。

实施例6

称取4mL 69wt％浓HNO₃加入6mL去离子水，0.25克IrCl₃、0.14克AlCl₃在上述10mL硝酸溶液中溶解，然后浸渍10.0克杏壳炭。80℃水浴蒸发溶剂，120℃烘箱烘干8h，300℃氮气保护焙烧4h，得到杏壳炭负载的铱基催化剂。

实施例7

称取4mL 69wt％浓HNO₃加入6mL去离子水，0.30克H₂IrCl₆、0.16克Zn(NO₃)₂.6H₂O在上述10mL硝酸溶液中溶解，然后浸渍10.0克椰壳炭。80℃水浴蒸发溶剂，120℃烘箱烘干8h，300℃氮气保护焙烧4h，得到椰壳炭负载的铱基催化剂。

实施例8

称取4mL 69wt％浓HNO₃加入6mL去离子水，0.30克H₂IrCl₆、0.18克Cu(NO₃)₂在上述10mL硝酸溶液中溶解，然后浸渍10.0克椰壳炭。80℃水浴蒸发溶剂，120℃烘箱烘干8h，300℃氮气保护焙烧4h，得到椰壳炭负载的铱基催化剂。

实施例9

称取4mL 69wt％浓HNO₃加入6mL去离子水，0.30克H₂IrCl₆、0.28克Ce(NO₃)₃.6H₂O在上述10mL硝酸溶液中溶解，然后浸渍10.0克椰壳炭。80℃水浴蒸发溶剂，120℃烘箱烘干8h，300℃氮气保护焙烧4h，得到椰壳炭负载的铱基催化剂。

实施例10

称取4mL 38wt％浓HCl加入6mL去离子水，0.25克IrCl₃、0.24克ZrO₂在上述10mL盐酸溶液中溶解，然后浸渍10.0克椰壳炭。80℃水浴蒸发溶剂，120℃烘箱烘干8h，300℃氮气保护焙烧4h，得到椰壳炭负载的铱基催化剂。

实施例11

称取4mL 38wt％浓HCl加入6mL去离子水，0.25克IrCl₃、0.20克La₂O₃在上述10mL盐酸溶液中溶解，然后浸渍10.0克椰壳炭。80℃水浴蒸发溶剂，120℃烘箱烘干8h，300℃氮气保护焙烧4h，得到椰壳炭负载的铱基催化剂。

实施例12

称取4mL 38wt％浓HCl加入6mL乙醇中，0.25克IrCl₃、0.20克La2O₃在上述10mL盐酸溶液中溶解，然后浸渍10.0克椰壳炭。80℃水浴蒸发溶剂，120℃烘箱烘干8h，300℃氮气保护焙烧4h，得到椰壳炭负载的铱基催化剂。

应用例制备的催化剂在以甲醇/CO为原料制备乙酸甲酯反应中的应用催化剂的活化：在催化剂使用前，在反应器中CO/H₂＝4(GHSV＝5000h^-1)流中进行原位还原活化，条件为：常压，5℃/min从室温升温至240℃，保持1小时，得到活化后的铱基催化剂。

CO/H₂和泵入的甲醇/I₂等反应物进入到装有本发明的颗粒状催化剂的固定床反应器中，进行甲醇羰基化反应。条件为：230℃，2.4Mpa，CH₃OH/CO/H₂/I₂＝40/40/10/1(摩尔比)，甲醇LHSV＝10h^-1。反应尾气经冷阱冷却后，气相产物进行在线分析，色谱仪器为安捷伦7890A GC，PQ填充柱，TCD检测器。液相产物离线分析，FFAP毛细管色谱柱，FID检测器。内标法分析，异丁醇为内标物。

使用实施例1～12制备得到的铱基催化剂，按照上述操作制备乙酸甲酯，甲醇的转化率以及乙酸甲酯的选择性如表1。

表1

*以转化的甲醇计，包括生成乙酸甲酯中的甲醇。

**以100％计，其它产物主要为乙酸。

Claims

1.一种活性炭负载的铱基催化剂，其特征在于：所述的铱基催化剂由主活性组分和载体两部分组成，主活性组分Ir和助剂，载体为活性炭；所述的助剂金属为Li、Na、K、Mg、Al、Zn、Cu、La、Ce、Zr中的一种或二种以上。

2.根据权利要求1所述的铱基催化剂，其特征在于：所述的活性炭为椰壳炭或杏壳炭中的一种或二种；

椰壳炭的比表面积为500～1100m²/g，椰壳炭的优选比表面积为550～900m²/g，椰壳炭的平均孔径为1～200nm，椰壳炭的优选平均孔径为5～100nm；

杏壳炭的比表面积为600～1200m²/g，杏壳炭的优选比表面积为650～1000m²/g，杏壳炭的平均孔径为1～200nm，杏壳炭的优选平均孔径为5～100nm。

3.根据权利要求1所述的铱基催化剂，其特征在于：

Ir占催化剂总质量的0.01～5.0wt％，Ir优选占催化剂总质量的0.1～5.0wt％，Ir最佳占催化剂总质量的0.5～4.0wt％；

助剂为催化剂总质量的0.1～30.0wt％，助剂优选为催化剂总质量的范围0.5～25.0wt％，助剂最佳为催化剂总质量的范围0.5～20.0wt％。

4.一种权利要求1-3任一所述的铱基催化剂的制备方法，其特征在于：

在盐酸或者硝酸存在的条件下，将Ir金属前驱体和助剂金属前驱体在水和/或乙醇中溶解，得到的溶液浸渍于载体上，60～80℃水浴蒸干溶剂，烘箱中100～120℃烘干8～24h，N₂保护下250～400℃焙烧4～12h。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述酸为浓度为37wt％的盐酸或69wt％的硝酸；所述Ir金属前驱体为IrCl₃·3H₂O和H₂IrCl₆中的一种或二种以上；助剂前驱体为助剂金属的氯化物、硝酸盐和氧化物中的一种或二种以上。

6.一种权利要求1～3任一所述的铱基催化剂在甲醇羰基化制备乙酸甲酯和碘甲烷反应中的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：其特征在于：碘的甲醇溶液通过恒流泵泵入气液混合器后和CO/H₂混合，反应温度为180～280℃，反应压力0.5～3.5MPa；

铱基催化剂在使用前，进行活化或者不进行活化，活化的条件为：反应器中体积比CO/H₂＝0.5～4，常压，1～10℃/min从室温升温至180～280℃，保持0.5～5h，得到活化后的铱基催化剂。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：反应液体体积空速为0.1～15h^-1，CO和甲醇的摩尔比为0.5～3，H₂和CO的体积比为0.1～4，碘单质浓度为甲醇的2～35.0wt％。

9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：采用的反应系统材质为哈氏合金。

10.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：装填在固定床中的催化剂和活性炭或者石英砂的体积比例在0.5～5。