CN107537577A - 铁钼催化剂前驱体、铁钼催化剂及其应用 - Google Patents
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Abstract
铁钼催化剂前驱体、铁钼催化剂及其应用,所述前驱体包括Fe、Mo和Cr的金属络合物和Cr2O3,Mo/(Fe+Cr)原子比为1.51~1.9,其粒度分布以体积分数计为:粒径小于20μm的颗粒占20%以下,粒径为20~60μm的颗粒占60%~85%,粒径大于60μm的颗粒占25%以下。前驱体采用特定的反应器,以钼酸铵溶液、Cr3+溶液、含硝酸铁的饱和气体为原料,并通过反应器的叶轮将原料打碎成细小液滴和气泡,使制备的催化剂前驱体粒度分布均匀且集中,有利于改善催化剂的综合性能;所述催化剂由前驱体焙烧制备,将此催化剂应用于甲醇氧化制甲醛过程中,具有较高的活性、选择性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种铁钼催化剂前驱体,由其制备的催化剂及应用,属于加氢催化剂领域。
背景技术
甲醛是一种重要的有机化工原料甲醇最主要的衍生物之一,用途广泛。主要用于脲醛胶、酚醛胶、三聚氰胺甲醛胶、二苯基甲烷二异氰酸酯、季戊四醇和聚甲醛的生产,也是合成燃料、农药、精细与专用化学品的重要原料。工业上主要通过甲醇氧化法生产。以甲醇和空气为原料生产甲醛的工艺按催化剂的不同分为银法和铁钼法。其中铁钼法具有反应温度低、催化剂活性和选择性高、寿命长、对毒物不敏感、单耗低、产品浓度高等特点,在现代甲醛生产中被广泛应用。
USP4420421公开了一种钼铁催化剂的制备方法,其中活性金属钼源由氢氧化钠水溶液与含三氧化钼的废催化剂制备的钼酸钠提供,在催化剂制备过程中,由于引入的钠离子很难完全除去,进而在催化剂应用过程中影响催化剂的活性和选择性。CN201110106337.7公开了一种铁钼法甲醇氧化制甲醛催化剂的无污染制备方法,该方法是将多元醇、水和钼酸配制成混合溶液为底液,在搅拌条件下,向反应罐中通入羰基氧化铁饱和空气;CN93117583.6公开了一种用于甲醇氧化制甲醛的催化剂,该方法是将金属硝酸盐水溶液加入到已采用氢氧化铵调整pH值的七钼酸铵水溶液中进行沉淀反应,以上两种方法在反应过程中不能同时沉淀,易导致催化剂前驱物晶粒大小不均一、易导致催化剂孔径分布不集中,进而影响催化剂选择性。
发明内容
为克服现有技术中甲醇氧化制甲醛的催化剂的颗粒大小及活性组分分散度对催化性能的负面影响,本发明拟提供一种粒度分布均匀且集中的甲醇氧化制甲醛催化剂前驱体及由其合成的催化剂,此催化剂可用于甲醇氧化制甲醛中,具有较好的加氢活性、选择性和稳定性。
本发明的技术目的通过以下技术方案实现:
第一方面,本发明提供一种铁钼催化剂前驱体,其成分包括Fe、Mo和Cr的金属络合物和Cr2O3,所述Fe、Mo和Cr的金属络合物为FeCr2O4、Fe2(Cr2O7)3和Fe2Mo3O12的混合物,所述催化剂前驱体中,Mo/(Fe+Cr)原子比为1.51~1.9,其粒度分布以体积分数计为:粒径小于20μm的颗粒占20%以下,粒径为20~60μm的颗粒占60%~85%,粒径大于60μm的颗粒占25%以下。
在上述催化剂前驱体中,作为优选,其粒度分布以体积分数计为:粒径小于20μm的颗粒占15%以下,粒径为20~60μm的颗粒占65%~80%,粒径大于60μm的颗粒占20%以下。
第二方面,本发明提供了一种铁钼催化剂前驱体的制备方法,以钼酸铵溶液、Cr3+溶液、含硝酸铁的饱和气体为原料,在下述反应器中进行反应后,经洗涤、干燥得到所述前驱体:所述反应器包括反应器本体,反应器内下部设置可旋转的叶轮,叶轮上方设有半开放式叶轮罩,即叶轮罩下部开放,叶轮罩上至少开有三个孔,其中两个孔分别作为含硝酸铁的饱和气体进料口和液体原料进料口,另一个孔作为循环物料的出口,叶轮罩外部设置有循环管,循环管一端开口于叶轮罩作为循环物料出口,另一端开口于反应器底部作为循环物料入口,反应器本体顶部设置有溢流口。
在上述制备方法中,所述含硝酸铁的饱和气体为将气体通过硝酸铁溶液的储罐后得到。
在上述制备方法中,所采用的反应器中,液体原料进料口设置有雾化喷嘴,喷嘴压力为0.2~0.5MPa,喷嘴直径为20~60μm。叶轮罩上的孔可以均匀设置在叶轮罩上。叶轮罩上的孔可以设置三个以上的进料口,并均匀设置在叶轮罩上,以使含硝酸铁饱和气体与液体原料均匀喷到旋转的叶轮上。循环管上可以设置有助剂入口。溢流口离反应器底部的距离与叶轮离反应器底部的距离之比为2~3:1。叶轮罩最好为半球形,罩在叶轮顶部和外侧。
在上述催化剂前驱体的制备方法中,具体包括如下过程:将钼酸铵溶液和Cr3+溶液混合,与含硝酸铁的饱和气体分别从叶轮罩上设置的进料口连续喷入高速旋转的叶轮上,反应生成浆液由叶轮四周落入反应器中,部分浆液经由循环管入口进入循环管,从循环管上的助剂入口加入氨水调节浆液pH值,再从叶轮罩上设置的循环物料出口喷入高速旋转的叶轮上,反应生成的浆液从反应器顶部的溢流口连续排出,排出的浆液经过滤,洗涤,干燥,得到催化剂前驱体,其中,控制反应温度40~90℃,停留时间为10~25min,控制溢流口浆液的pH值为1.0~3.5,浆液的循环量与钼酸铵溶液和Cr3+溶液的混合溶液进料量体积比为1:1~3:1。
在上述制备方法中,所述混合溶液中Mo和Cr的总离子浓度为0.5~1.5mol/L,优选为0.7~1.2mol/L。
在上述制备方法中,所述含硝酸铁的饱和气体中的气体为空气、氮气或惰性气体。
在上述制备方法中,所述的停留时间的计算方法:停留时间=反应器的容积÷(液相原料进料速率+生成浆液循环速率)。
在上述制备方法中,所述干燥温度为100~150℃,优选为110~130℃,干燥时间为2~9小时,优选为4~7小时。
第三方面,本发明提供一种铁钼催化剂的制备方法,由上述制备方法制备的催化剂前驱体经成型、焙烧后制备。
在上述催化剂中,焙烧温度为350~550℃,优选为400~500℃,焙烧时间为2~8小时,优选为3~6小时。
第四方面,本发明提供了由上述制备方法制备的催化剂,所述催化剂性质如下:孔容为0.4~0.6mL/g,比表面积为5~10m2/g,孔分布如下:孔直径<10nm的孔的孔容占总孔容的10%以下,孔直径为10~20nm的孔的孔容占总孔容的60%~80%,孔直径>20nm的孔的孔容占总孔容的15%~25%。
第五方面,本发明还提供了所述催化剂的应用,其可应用于甲醇氧化制甲醛反应中。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
本发明催化剂前躯物的粒度分布均匀且集中,有利于改善催化剂的综合性能,将其应用于甲醇氧化制甲醛过程中,催化剂具有较高的催化活性、选择性和稳定性。
本发明方法采用特定的反应器,使金属Mo和Cr混合溶液和含硝酸铁饱和空气被高速旋转的叶轮打碎成细小液滴和气泡,气体在细小液滴表面进行反应,而且,通过叶轮的高速旋转,在叶轮和罩子间形成真空环境,使生成的部分浆液再循环到高速旋转的叶轮上并被打碎成细小浆液液滴,为两种原料反应提供了更大的场所,物料混合更加均匀,从而使生成的活性金属晶粒更加均匀。
本发明方法制备工艺简单,实现了气液反应的连续进行,而且不需要老化,反应时间短,有效防止金属离子的聚集,进一步提高活性金属分散性,让催化剂中活性金属充分发挥作用,使催化剂在较低Mo/Fe原子比条件下,具有较好的催化剂活性、选择性和稳定性。
附图说明
图1为本发明所用反应器的示意图;
1.反应器本体,2.叶轮,3.叶轮罩,4.气体原料进料口,5.液体原料进料口,6.循环物料的出口,7.循环管线,8.溢流口,9.助剂入口。
具体实施方式
本发明所用反应器见图1。该反应器包括反应器本体1,本体1内的下部设置可旋转的叶轮2,叶轮2上方设有半开放式叶轮罩3,即叶轮罩3下部开放,叶轮罩3上至少开有三个孔,其中两个孔4和5分别作为氨气进料口和金属酸性混合溶液进料口,另一个孔6作为循环物料的出口,叶轮罩3外部设有循环管7,循环管7一端开口于叶轮罩作为循环物料出口,另一端开口于反应器底部作为循环物料入口,反应器本体上部设置有溢流口8,循环管上可以设有助剂入口9。
本发明中,粒度采用激光粒度仪测定的。本发明中,孔容、孔分布和比表面积是采用低温液氮吸附法测定的。
以下通过实施例进一步说明本发明的技术方案,但不局限于以下实施例。实施例1
称取485g(NH4)6Mo7O24·4H2O和12.9g氧化铬配制成离子浓度0.8mol/L混合溶液;称取85.9g九水硝酸铁配制成离子浓度1.0mol/L溶液,置于储罐中,向罐中通入空气,直至饱和,将硝酸铁饱和气体和金属混合水溶液分别从叶轮罩上设置的进料口4和5连续喷入高速旋转的叶轮2上,反应生成浆液由叶轮2四周落入反应器中,生成的部分浆液经由循环管入口6进入循环管7,循环物料从叶轮罩3上设置的循环物料出口6进入高速旋转的叶轮2上,反应生成的浆液从反应器顶部的溢流口8连续排出,排出的浆液经过滤,洗涤,干燥,得到催化剂前躯体。其中液相进料口的雾化喷嘴,其喷嘴压力为0.30MPa,喷嘴直径为40μm,控制反应温度70℃,停留时间为15min,当溢流口排出浆液的pH值为1.5时,氨水从助剂口9进入反应器内,调节反应所需的pH值至沉淀结束为止。浆液的循环量与酸性混合溶液进料量体积比为2:1。分别在反应1h和反应6h取过滤后的样品,在干燥温度为120℃下干燥5小时,成型后经450℃焙烧4小时,分别得到加氢催化剂前躯物a1-1和a1-5以及加氢催化剂A1-1和A1-5。
实施例2
其它条件同实施例1,只是改变喷嘴直径为30μm、浆液的循环量与酸性混合溶液进料量体积比为3:1,控制反应温度为65℃,取反应1h时的样品,得到催化剂前驱体a2和催化剂A2。
实施例3
其它条件同实施例1,只是把通入硝酸铁溶液灌中的空气改为氮气,取反应1h时的样品,得到催化剂前驱体a3和催化剂A3。
实施例4
称取521.5g(NH4)6Mo7O24·4H2O和11.2g氧化铬配制成离子浓度0.9mol/L混合溶液;称取83.6g九水硝酸铁配制成离子浓度0.9mol/L溶液,置于储罐中,向罐中通入空气,直至饱和,将硝酸铁饱和气体和金属混合水溶液分别从叶轮罩上设置的进料口4和5连续喷入高速旋转的叶轮2上,反应生成浆液由叶轮2四周落入反应器中,生成的部分浆液经由循环管入口6进入循环管7,循环物料从叶轮罩3上设置的循环物料出口6喷入高速旋转的叶轮2上,反应生成的浆液从反应器顶部的溢流口8连续排出,排出的浆液经过滤,洗涤,干燥,得到催化剂前躯体a4,其中液相进料口的雾化喷嘴,其喷嘴压力为0.35MPa,喷嘴直径为45μm,控制反应温度75℃,停留时间为15min,当溢流口排出浆液的pH值为1.6时,氨水从助剂口9进入反应器内,调节反应所需的pH值至沉淀结束为止。浆液的循环量与酸性混合溶液进料量体积比为1.8:1。取反应1h时的样品,在干燥温度为120℃干燥5小时,经成型,450℃焙烧5小时即得到催化剂A4。
实施例5
称取463.1g(NH4)6Mo7O24·4H2O和13.2g氧化铬配制成离子浓度0.8mol/L混合溶液;称取91.2g九水硝酸铁配制成离子浓度0.8mol/L溶液,置于储罐中,向罐中通入空气,直至饱和,将硝酸铁饱和气体和金属混合水溶液分别从叶轮罩上设置的进料口4和5连续喷入高速旋转的叶轮2上,反应生成浆液由叶轮2四周落入反应器中,生成的部分浆液经由循环管入口6进入循环管7,循环物料从叶轮罩3上设置的循环物料出口6喷入高速旋转的叶轮2上,反应生成的浆液从反应器顶部的溢流口8连续排出,排出的浆液经过滤,洗涤,干燥,得到催化剂前躯体,其中液相进料口的雾化喷嘴,其喷嘴压力为0.43MPa,喷嘴直径为25μm,控制反应温度60℃,停留时间为18min,当溢流口排出浆液的pH值为1.6时,氨水从助剂口9进入反应器内,调节反应所需的pH值至沉淀结束为止。浆液的循环量与酸性混合溶液进料量体积比为2.5:1。取反应1h时的样品,在干燥温度为120℃干燥5小时,经成型,450℃焙烧5小时即得到催化剂A5。比较例1
称取485g(NH4)6Mo7O24·4H2O和12.9g氧化铬配制成离子浓度0.8mol/L混合溶液;称取85.9g九水硝酸铁配制成离子浓度1.0mol/L溶液,置于储罐中,向罐中通入空气,直至饱和,将硝酸铁饱和气体和金属混合水溶液分别从叶轮罩上设置的进料口4和5连续喷入高速旋转的叶轮2上,反应生成浆液由叶轮2四周落入反应器中,反应生成的浆液从反应器顶部的溢流口8连续排出,排出的浆液经过滤,洗涤,干燥,得到催化剂前躯体,其前驱物经成型、焙烧得到催化剂。其中进料口的雾化喷嘴,其喷嘴压力为0.30MPa,喷嘴直径为15μm,控制反应温度70℃,停留时间为15min,当溢流口排出浆液的pH值为1.5时,氨水从助剂口9进入反应器内,调节反应所需的pH值至沉淀结束为止。取反应1h时的样品,在干燥温度为120℃下干燥5小时,成型后经450℃焙烧4小时,分别得到催化剂前驱物b1和催化剂B1。
比较例2
称取485g(NH4)6Mo7O24·4H2O和12.9g氧化铬配制成离子浓度0.8mol/L混合溶液;称取85.9g九水硝酸铁配制成离子浓度1.0mol/L溶液,置于储罐中,向罐中通入空气,直至饱和,将硝酸铁饱和气体和金属混合水溶液分别从叶轮罩上设置的进料口4和5连续喷入高速旋转的叶轮2上,反应生成浆液由叶轮2四周落入反应器中,生成的部分浆液经由循环管入口6进入循环管7,循环物料从叶轮罩3上设置的循环物料出口6喷入高速旋转的叶轮2上,反应生成的浆液从反应器顶部的溢流口8连续排出,得到催化剂前驱物,其前驱物经成型、焙烧得到催化剂。其中进料口的雾化喷嘴其喷嘴压力为0.30MPa,喷嘴直径为15μm,控制反应温度70℃,停留时间为15min,当溢流口排出浆液的pH值为1.5时,氨水从助剂口9进入反应器内,调节反应所需的pH值至沉淀结束为止。取反应1h时的样品,在干燥温度为120℃下干燥5小时,成型后经450℃焙烧4小时,分别得到催化剂前驱物b2和催化剂B2。
将上面所得到的催化剂前驱体和催化剂物化性质列于表1和表2。以甲醇为原料对本发明实施例和比较例所得的催化剂在反应温度270℃,空速为8000h-1条件下,进行活性评价,评价结果见表3。
表1催化剂前驱体的性质
表2催化剂的理化性质
表3催化剂的活性评价结果
催化剂编号 | A1-1 | A1-5 | A2 | A3 | A4 | A5 | B1 | B2 |
甲醇转化率,% | 99.86 | 99.12 | 98.89 | 98.65 | 99.21 | 98.78 | 91.23 | 89.91 |
甲醛选择性,% | 94.12 | 93.65 | 94.01 | 93.45 | 94.10 | 93.89 | 81.23 | 80.69 |
甲醛收率,% | 94.56 | 95.01 | 94.76 | 94.35 | 94.15 | 94.52 | 83.25 | 79.36 |
Claims (12)
1.铁钼催化剂前驱体,其成分包括Fe、Mo和Cr的金属络合物和Cr2O3,所述Fe、Mo和Cr的金属络合物为FeCr2O4、Fe2(Cr2O7)3和Fe2Mo3O12的混合物,所述催化剂前驱体中,Mo/(Fe+Cr)原子比为1.51~1.9,其粒度分布以体积分数计为:粒径小于20μm的颗粒占20%以下,粒径为20~60μm的颗粒占60%~85%,粒径大于60μm的颗粒占25%以下。
2.根据权利要求1所述的催化剂前驱体,其特征在于,所述催化剂前驱体的粒度分布以体积分数计为:粒径小于20μm的颗粒占15%以下,粒径为20~60μm的颗粒占65%~80%,粒径大于60μm的颗粒占20%以下。
3.权利要求1或2所述的催化剂前驱体的制备方法,以钼酸铵溶液、Cr3+溶液、含硝酸铁的饱和气体为原料,在下述反应器中进行反应后,经洗涤、干燥得到所述前驱体:所述反应器包括反应器本体,反应器内下部设置可旋转的叶轮,叶轮上方设有半开放式叶轮罩,即叶轮罩下部开放,叶轮罩上至少开有三个孔,其中两个孔分别作为含硝酸铁的饱和气体进料口和液体原料进料口,另一个孔作为循环物料的出口,叶轮罩外部设置有循环管,循环管一端开口于叶轮罩作为循环物料出口,另一端开口于反应器底部作为循环物料入口,反应器本体顶部设置有溢流口。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述含硝酸铁的饱和气体为将气体通过硝酸铁溶液的储罐后得到。
5.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述反应器中,液相进料口设置有雾化喷嘴,喷嘴压力为0.2~0.5MPa,喷嘴直径为20~60μm。
6.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述反应器中,溢流口离反应器底部的距离与叶轮离反应器底部的距离之比为2~3:1。
7.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,催化剂前驱体的制备方法中,具体包括如下过程:将钼酸铵溶液和Cr3+溶液混合,与含硝酸铁的饱和气体分别从叶轮罩上设置的进料口连续喷入高速旋转的叶轮上,反应生成浆液由叶轮四周落入反应器中,部分浆液经由循环管入口进入循环管,从循环管上的助剂入口加入氨水调节浆液pH值,再从叶轮罩上设置的循环物料出口喷入高速旋转的叶轮上,反应生成的浆液从反应器顶部的溢流口连续排出,排出的浆液经过滤,洗涤,干燥,得到催化剂前驱体,其中,控制反应温度40~90℃,停留时间为10~25min,控制溢流口浆液的pH值为1.0~3.5,浆液的循环量与钼酸铵溶液和Cr3+溶液的混合溶液进料量体积比为1:1~3:1。
8.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,所述混合溶液中Mo和Cr的总离子浓度为0.5~1.5mol/L。
9.铁钼催化剂的制备方法,由权利要求3~8任意一项制备方法所制备的铁钼催化剂前驱体经成型、焙烧后制备。
10.权利要求9所述的方法制备的铁钼催化剂。
11.根据权利要求10所述的铁钼催化剂,其特征在于,所述催化剂性质如下:孔容为0.4~0.6mL/g,比表面积为5~10m2/g,孔分布如下:孔直径<10nm的孔的孔容占总孔容的10%以下,孔直径为10~20nm的孔的孔容占总孔容的60%~80%,孔直径>20nm的孔的孔容占总孔容的15%~25%。
12.权利要求10所述的催化剂在甲醇氧化制甲醛反应中的应用。
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