CN107790145A - 制备烷烯基芳烃的催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制备烷烯基芳烃的低稀土催化剂及其制备方法，主要解决以往技术中低铈含量催化剂活性较低的问题。本发明通过采用用于制备烷烯基芳烃的低稀土催化剂，以重量百分比计包括以下组份：66～79％的Fe2O3；6～16％的K2O；3～8％的CeO2；0.6～4.5％的MoO3；0.6～4.5％的MgO；0.3～4.5％的Pr2O3；选自Ga2O3、Nb2O5或Sb2O5的至少一种或几种，其含量为0.6～4.5％；其中MoO3的前驱体来源于小颗粒的原料，催化剂制备过程中焙烧气氛及其流量可以调控的技术方案，较好地解决了上述技术问题，可用于烷基芳烃脱氢制备烷烯基芳烃的工业生产中。

Description

制备烷烯基芳烃的催化剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种制备烷烯基芳烃的催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
烷烯基芳烃的工业生产方法主要通过烷基芳烃脱氢而得，例如苯乙烯的工业生产方法主要是乙苯催化脱氢法，其生产能力约占苯乙烯总生产能力的90％。该方法的关键之一是脱氢用的催化剂。脱氢催化剂大都为Fe-K-Ce-Mo系催化剂，在此类催化剂体系中Ce是不可缺少的助剂，对催化活性起着重要的作用，因此其使用量不断提高以增加催化剂的活性和稳定性。如中国专利96116541.3(用于生产苯乙烯的脱氢工艺)发明了一种用于生产苯乙烯的脱氢工艺，该脱氢工艺所使用的催化剂具有高的活性与产物收率，又有较强的自再生能力，但其稀土元素的使用含量为2～15％。2010年，受我国限制稀土出口政策的影响，全球稀土价格出现暴涨，导致一段时间稀土的原料成本占乙苯脱氢催化剂原料成本的一半左右。因此在保持催化剂性能的前提下，有效降低催化剂的总稀土含量，催化剂的成本将有很大程度的降低，从而可以达到降低苯乙烯生产成本、节能降耗、更高效生产苯乙烯的目的。当然，稀土的价格受到政策、经济及市场等方方面面的影响，价格已经出现了波动乃至回落。但是，从长期来看，由于稀土在电子、石油化工、环境保护、航天等多个领域都有着广泛的应用，尤其是在高新技术和国防工业中的不可替代性，从保护稀土资源的角度，有效降低催化剂中的总稀土含量，有着非常重要的意义。
因此，如何有效降低烷基芳烃脱氢催化剂中稀土的含量，同时又确保催化剂的性能不受影响，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铈含量催化剂活性较低的问题，提供一种新的用于制备烷烯基芳烃的低稀土催化剂。该催化剂用于制备烷烯基芳烃时具有活性高的特点。
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烯基芳烃催化剂的制备方法。
本发明所要解决的技术问题之三是提供一种与解决技术问题之一相对应的用于制备烷烯基芳烃催化剂的应用方法，即制备烷烯基芳烃的方法。
为解决上述技术问题之一，本发明采用的技术方案如下：用于制备烷烯基芳烃的低稀土催化剂，以重量百分比计包括以下组份：
(a)66～79％的Fe2O3；
(b)6～16％的K2O；
(c)3～8％的CeO2；
(d)0.6～4.5％的MoO3；
(e)0.6～4.5％的MgO；
(f)0.3～4.5％的Pr2O3；
(g)选自Ga2O3、Nb2O5或Sb2O5的至少一种或几种，其含量为0.6～4.5％；
其中MoO3的前驱体来源于小颗粒的原料。
上述技术方案中，在促进催化剂的活性方面，所述助剂中Pr与(g)组分之间具有相互促进作用，例如但不限于Pr和Ga之间的促进作用。
上述技术方案中，所述(g)组份源优选同时包括Ga2O3和Nb2O5、或Ga2O3和Sb2O5、或Nb2O5和Sb2O5，所述两种氧化物在低铈催化剂活性提高方面具有二元协同作用；所述(g)组份优选同时包括Ga2O3、Nb2O5和Sb2O5，此时所述三种氧化物在低铈催化剂活性提高方面具有三元协同作用。
上述技术方案中，MoO3的前驱体原料颗粒粒径优选为25～150微米。
上述技术方案中，Pr2O3含量优选为1.0～3.0％。
上述技术方案中，(g)组份含量优选为1.0～3.0％。
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用于制备烷烯基芳烃的低稀土催化剂的制备方法，包括以下步骤：将所需量的铁源、钾源、铈源、钼源、钙源、锑源、(g)组份源以及制孔剂混合均匀，加入水，制成有粘性、适合挤条的面团状物，经挤条、成型、干燥后，采用气氛箱式炉，120～420℃下焙烧1～8小时，然后在680～950℃下焙烧3～16小时，制得所述用于制备烷烯基芳烃的低稀土催化剂。
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16～34％。
上述技术方案中，所述气氛箱式炉的焙烧气氛为空气；空气的流量为15～180毫升/分钟。
上述技术方案中，Fe2O3由氧化铁红和氧化铁黄形式加入；所用K以碳酸钾或氢氧化物形式加入；所用Ce以它的盐或氢氧化物形式加入；所用Mo以氧化钼、钼酸铵、钼酸钠或钼酸钙的形式加入；所用Mg以氧化物、盐或氢氧化物形式加入；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、田菁粉、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％。。
上述技术方案中，催化剂的干燥温度为60～120℃，干燥时间为3～24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50～80℃干燥2～4小时，然后80～130℃干燥1～8小时。
上述技术方案中，催化剂的焙烧优选为在200～350℃下焙烧3～6小时，然后在700～850℃下焙烧4～10小时。
为解决上述技术问题之三，本发明采用的技术方案如下：一种制备烷烯基芳烃的方法，采用上述解决技术问题之一的技术方案中任一所述的用于制备烷烯基芳烃的催化剂。
上述技术方案中，所述方法中采用催化剂的工艺条件并没有严格限制，本领域技术人员可以根据现有技术工艺加以应用。
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。烷基芳烃的原料可选择乙苯、甲乙苯、二乙苯及多烷基苯等，以乙苯为原料对催化剂进行活性评价，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-钼-镁催化体系中添加适量Pr的氧化物以及选自Ga2O3、Nb2O5或Sb2O5的至少一种或几种，发现所制成的制备烷烯基芳烃的低稀土催化剂具有活性好的特点，在温度为620℃、空速1.0h-1、水比2.0的条件下，乙苯转化率为77.28％，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2.74份MoO3的颗粒大小为75～106微米的钼酸铵、相当于53.74份Fe2O3的氧化铁红、相当于17.91份Fe2O3的氧化铁黄、相当于12.16份K2O的碳酸钾、相当于6.95份CeO2的草酸铈、1.98份MgO、相当于1.96份Pr2O3的硝酸镨、相当于2.56份Ga2O3的硝酸镓和4.8份甲基纤维素在捏合机中搅拌1.6小时，加入占催化剂原料总重25.5％的去离子水，拌和0.8小时，取出挤条，挤成直径3毫米、长5毫米的颗粒，放入烘箱，55℃烘2.5小时，110℃烘8.0小时，然后置于气氛箱式炉中，将焙烧的空气流量调节为75毫升/分钟，在350℃下焙烧4小时，然后在820℃下焙烧5小时得成品催化剂，催化剂组成列于表1。
将100毫升催化剂装入反应器，在常压、乙苯液体体积空速1.0小时－1、620℃、水比(重量)2.0条件下进行活性评价，评价结果列于表2。
【比较例1】
除了不加Pr2O3和Ga2O3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2.87份MoO3的颗粒大小为75～106微米的钼酸铵、相当于56.28份Fe2O3的氧化铁红、相当于18.76份Fe2O3的氧化铁黄、相当于12.74份K2O的碳酸钾、相当于7.28份CeO2的草酸铈、2.07份MgO和4.8份甲基纤维素在捏合机中搅拌1.6小时，加入占催化剂原料总重25.5％的去离子水，拌和0.8小时，取出挤条，挤成直径3毫米、长5毫米的颗粒，放入烘箱，55℃烘2.5小时，110℃烘8.0小时，然后置于气氛箱式炉中，将焙烧的空气流量调节为75毫升/分钟，在350℃下焙烧4小时，然后在820℃下焙烧5小时得成品催化剂，催化剂组成列于表1。
将100毫升催化剂装入反应器，在常压、乙苯液体体积空速1.0小时－1、620℃、水比(重量)2.0条件下进行活性评价，评价结果列于表2。
【比较例2】
除了不加Pr2O3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2.79份MoO3的颗粒大小为75～106微米的钼酸铵、相当于54.81份Fe2O3的氧化铁红、相当于18.27份Fe2O3的氧化铁黄、相当于12.40份K2O的碳酸钾、相当于7.09份CeO2的草酸铈、2.02份MgO、相当于2.61份Ga2O3的硝酸镓和4.8份甲基纤维素在捏合机中搅拌1.6小时，加入占催化剂原料总重25.5％的去离子水，拌和0.8小时，取出挤条，挤成直径3毫米、长5毫米的颗粒，放入烘箱，55℃烘2.5小时，110℃烘8.0小时，然后置于气氛箱式炉中，将焙烧的空气流量调节为75毫升/分钟，在350℃下焙烧4小时，然后在820℃下焙烧5小时得成品催化剂，催化剂组成列于表1。
将100毫升催化剂装入反应器，在常压、乙苯液体体积空速1.0小时－1、620℃、水比(重量)2.0条件下进行活性评价，评价结果列于表2。
【实施例2】
除了用Nb2O5替换Ga2O3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2.74份MoO3的颗粒大小为75～106微米的钼酸铵、相当于53.74份Fe2O3的氧化铁红、相当于17.91份Fe2O3的氧化铁黄、相当于12.16份K2O的碳酸钾、相当于3.95份CeO2的草酸铈、1.98份MgO、相当于1.96份Pr2O3的硝酸镨、相当于2.56份Nb2O5的铌酸和4.8份甲基纤维素在捏合机中搅拌1.6小时，加入占催化剂原料总重25.5％的去离子水，拌和0.8小时，取出挤条，挤成直径3毫米、长5毫米的颗粒，放入烘箱，55℃烘2.5小时，110℃烘8.0小时，然后置于气氛箱式炉中，将焙烧的空气流量调节为75毫升/分钟，在350℃下焙烧4小时，然后在820℃下焙烧5小时得成品催化剂，催化剂组成列于表1。
将100毫升催化剂装入反应器，在常压、乙苯液体体积空速1.0小时－1、620℃、水比(重量)2.0条件下进行活性评价，评价结果列于表2。
【实施例3】
除了用Sb2O5替换Ga2O3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2.74份MoO3的颗粒大小为75～106微米的钼酸铵、相当于53.74份Fe2O3的氧化铁红、相当于17.91份Fe2O3的氧化铁黄、相当于12.16份K2O的碳酸钾、相当于3.95份CeO2的草酸铈、1.98份MgO、相当于1.96份Pr2O3的硝酸镨、相当于2.56份Sb2O5的三氯化锑和4.8份甲基纤维素在捏合机中搅拌1.6小时，加入占催化剂原料总重25.5％的去离子水，拌和0.8小时，取出挤条，挤成直径3毫米、长5毫米的颗粒，放入烘箱，55℃烘2.5小时，110℃烘8.0小时，然后置于气氛箱式炉中，将焙烧的空气流量调节为75毫升/分钟，在350℃下焙烧4小时，然后在820℃下焙烧5小时得成品催化剂，催化剂组成列于表1。
将100毫升催化剂装入反应器，在常压、乙苯液体体积空速1.0小时－1、620℃、水比(重量)2.0条件下进行活性评价，评价结果列于表2。
【实施例4】
按实施例1的方法制备催化剂和评价催化剂，所不同的是用相当于1.28份Ga2O3的硝酸镓和相当于1.28份Nb2O5的铌酸替换相当于2.56份Ga2O3的硝酸镓。
催化剂组成列于表1，评价结果列于表2。
【实施例5】
按实施例1的方法制备催化剂和评价催化剂，所不同的是用相当于1.28份Ga2O3的硝酸镓和相当于1.28份Sb2O5的三氯化锑替换相当于2.56份Ga2O3的硝酸镓。
催化剂组成列于表1，评价结果列于表2。
【实施例6】
按实施例1的方法制备催化剂和评价催化剂，所不同的是用相当于1.28份Nb2O5的铌酸和相当于1.28份Sb2O5的三氯化锑替换相当于2.56份Ga2O3的硝酸镓。
催化剂组成列于表1，评价结果列于表2。
【实施例7】
按实施例1的方法制备催化剂和评价催化剂，所不同的是用相当于0.85份Ga2O3的硝酸镓、相当于0.85份Nb2O5的铌酸和相当于0.86份Sb2O5的三氯化锑替换相当于2.56份Ga2O3的硝酸镓。
催化剂组成列于表1，评价结果列于表2。
【实施例8】
将相当于4.38份MoO3的颗粒大小为25～75微米的钼酸钙、相当于44.23份Fe2O3的氧化铁红、相当于22.11份Fe2O3的氧化铁黄、相当于15.83份K2O的碳酸钾、相当于7.36份CeO2的草酸铈、1.83份MgO、相当于2.33份Pr2O3的硝酸镨、相当于1.25份Ga2O3的硝酸镓、相当于0.68份Nb2O5的铌酸和5.6份田菁粉在捏合机中搅拌2.2小时，加入占催化剂原料总重20.1％的去离子水，拌和0.6小时，取出挤条，挤成直径3毫米、长5毫米的颗粒，放入烘箱，70℃烘3小时，100℃烘8小时，然后置于气氛箱式炉中，将焙烧的空气流量调节为110毫升/分钟，在300℃下焙烧3小时，然后在830℃下焙烧6小时得成品催化剂，催化剂组成列于表1。
将100毫升催化剂装入反应器，在常压、乙苯液体体积空速1.0小时－1、620℃、水比(重量)2.0条件下进行活性评价，评价结果列于表2。
【实施例9】
将相当于0.71份MoO3的颗粒大小为106～150微米的钼酸铵、相当于52.57份Fe2O3的氧化铁红、相当于26.29份Fe2O3的氧化铁黄、相当于6.48份K2O的碳酸钾、相当于3.27份CeO2的草酸铈、1.28份MgO、相当于4.39份Pr2O3的硝酸镨、相当于4.26份Ga2O3的硝酸镓、0.75份TiO2和3.2份聚苯乙烯微球在捏合机中搅拌1.5小时，加入占催化剂原料总重18.6％的去离子水，拌和0.9小时，取出挤条，挤成直径3毫米、长5毫米的颗粒，放入烘箱，70℃烘2小时，110℃烘8小时，然后置于气氛箱式炉中，将焙烧的空气流量调节为190毫升/分钟，在350℃下焙烧4小时，然后在900℃下焙烧3小时得成品催化剂，催化剂组成列于表1
将100毫升催化剂装入反应器，在常压、乙苯液体体积空速1.0小时－1、620℃、水比(重量)2.0条件下进行活性评价，评价结果列于表2。
【实施例10】
将相当于1.29份MoO3的颗粒大小为90～120微米的钼酸铵、相当于59.10份Fe2O3的氧化铁红、相当于14.77份Fe2O3的氧化铁黄、相当于11.06份K2O的碳酸钾、相当于5.64份CeO2的草酸铈、4.35份MgO、相当于0.52份Pr2O3的硝酸镨、相当于1.24份Ga2O3的硝酸镓、相当于2.03份Sb2O5的三氯化锑和3.2份羧甲基纤维素钠在捏合机中搅拌1.5小时，加入占催化剂原料总重25.3％的去离子水，拌和0.9小时，取出挤条，挤成直径3毫米、长5毫米的颗粒，放入烘箱，60℃烘2小时，100℃烘10小时，然后置于气氛箱式炉中，将焙烧的空气流量调节为100毫升/分钟，在350℃下焙烧4小时，然后在850℃下焙烧5小时得成品催化剂，催化剂组成列于表1。
将100毫升催化剂装入反应器，在常压、乙苯液体体积空速1.0小时－1、620℃、水比(重量)2.0条件下进行活性评价，评价结果列于表2。
【实施例11】
将相当于2.13份MoO3的颗粒大小为96～125微米的钼酸钠、相当于56.42份Fe2O3的氧化铁红、相当于18.81份Fe2O3的氧化铁黄、相当于12.31份K2O的碳酸钾、相当于6.62份CeO2的草酸铈、0.71份MgO、相当于1.23份Pr2O3的硝酸镨、相当于0.77份Ga2O3的硝酸镓、相当于1.00份Nb2O5的铌酸和5.2份石墨在捏合机中搅拌1.5小时，加入占催化剂原料总重33.6％的去离子水，拌和0.9小时，取出挤条，挤成直径3毫米、长5毫米的颗粒，放入烘箱，80℃烘2小时，120℃烘2小时，然后置于气氛箱式炉中，将焙烧的空气流量调节为150毫升/分钟，在400℃下焙烧4小时，然后在800℃下焙烧6小时得成品催化剂，催化剂组成列于表1。
将100毫升催化剂装入反应器，在常压、乙苯液体体积空速1.0小时－1、620℃、水比(重量)2.0条件下进行活性评价，评价结果列于表2。
【比较例3】
按实施例1的方法制备催化剂和评价催化剂，所不同的是用颗粒大小为180～250微米的钼酸铵替换颗粒大小为75～106微米的钼酸铵。
催化剂评价结果列于表2。
【比较例4】
按实施例1的方法制备催化剂和评价催化剂，所不同的是催化剂采用静态马福炉进行焙烧。
催化剂评价结果列于表2。
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
催化剂 乙苯转化率％ 苯乙烯选择性％
实施例1 76.53 94.85
比较例1 73.14 96.73
比较例2 74.27 96.57
实施例2 76.08 95.53
实施例3 76.15 95.47
实施例4 76.78 95.28
实施例5 76.81 95.12
实施例6 76.56 95.29
实施例7 77.03 94.68
实施例8 75.35 96.06
实施例9 75.26 96.17
实施例10 75.23 96.19
实施例11 75.37 96.03
比较例3 73.98 96.26
比较例4 74.02 96.31
以上实施例说明，在铁-钾-铈-钼-镁催化体系中添加适量Pr的氧化物以及选自Ga2O3、Nb2O5或Sb2O5的至少一种或几种，现所制成的制备烷烯基芳烃的低稀土催化剂，具有活性好的特点。

Claims (10)

1.用于制备烷烯基芳烃的低稀土催化剂，以重量百分比计包括以下组份：
(a)66～79％的Fe2O3；
(b)6～16％的K2O；
(c)3～8％的CeO2；
(d)0.6～4.5％的MoO3；
(e)0.6～4.5％的MgO；
(f)0.3～4.5％的Pr2O3；
(g)选自Ga2O3、Nb2O5或Sb2O5的至少一种或几种，其含量为0.6～4.5％；
其中MoO3的前驱体来源于小颗粒的原料。
2.根据权利要求1所述用于制备烷烯基芳烃的低稀土催化剂，其特征在于MoO3的前驱体原料颗粒粒径为25～150微米。
3.根据权利要求1所述用于制备烷烯基芳烃的低稀土催化剂，其特征在于Pr2O3含量为1.0～3.0％。
4.根据权利要求1所述用于制备烷烯基芳烃的低稀土催化剂，其特征在于组分(g)的含量为1.0～3.0％。
5.权利要求1～4任一所述用于制备烷烯基芳烃的低稀土催化剂的制备方法，包括以下步骤：将所需量的铁源、钾源、铈源、钼源、钙源、锑源、(g)组份源以及制孔剂混合均匀，加入水，制成有粘性、适合挤条的面团状物，经挤条、成型、干燥后，采用气氛箱式炉，在120～420℃下焙烧1～8小时，然后在680～950℃下焙烧3～16小时，制得所述用于制备烷烯基芳烃的低稀土催化剂。
6.根据权利要求5所述用于制备烷烯基芳烃的低稀土催化剂的制备方法，其特征在于所述气氛箱式炉的焙烧气氛为空气。
7.根据权利要求6所述用于制备烷烯基芳烃的低稀土催化剂的制备方法，其特征在于所述空气的流量为15～180毫升/分钟。
8.根据权利要求5所述用于制备烷烯基芳烃的低稀土催化剂的制备方法，其特征在于催化剂的干燥温度为60～120℃，干燥时间为3～24小时。
9.根据权利要求5所述用于制备烷烯基芳烃的低稀土催化剂的制备方法，其特征在于催化剂的焙烧为在200～350℃下焙烧3～6小时，然后在700～850℃下焙烧4～10小时。
10.一种制备烷烯基芳烃的方法，其特征在于采用权利要求1～4任一所述的用于制备烷烯基芳烃的催化剂。
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