CN107790169B - 异丁烷氧化脱氢催化剂、制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种异丁烷氧化脱氢催化剂、制备方法及应用,主要解决现有技术中以铬为活性组分的催化剂烯烃选择性较低的问题。本发明通过以介孔分子筛HMS和MSU中的至少一种为载体,以铬为活性组分,以稀土金属为助剂的催化剂的技术方案,催化剂不采用贵金属,成本低廉,较好地解决了该问题;该催化剂应用于异丁烷二氧化碳氧化脱氢制异丁烯时具有较高的异丁烷转化率和烯烃选择性,可用于异丁烷二氧化碳氧化脱氢制异丁烯的工业化生产中。
Description
技术领域
本发明涉及一种异丁烷氧化脱氢催化剂、制备方法及其应用。
背景技术
异丁烯是一种非常重要的化工原料,在化工生产中,异丁烯的用途非常广泛,可以用来合成甲基叔丁基醚(MTBE)、乙基叔丁基醚(ETBE)、丁基橡胶、ABS树脂等等。随着异丁烯下游产品生产规模的扩大,异丁烯的需求量也不断增长。传统方法得到的异丁烯量已不能满足市场的需求。另外,我国的C4资源非常丰富,但与欧美国家相比我国的C4资源利用率比较低不足40%,只有欧美国家的一半左右,而且主要集中在烯烃的利用上,大多的烷烃用做燃料,带来极大的资源浪费。将价格相对低廉的异丁烷脱氢生产高附加值的异丁烯既能解决异丁烯的短缺又能产生更大的经济效益。
异丁烷脱氢制异丁烯主要分为催化脱氢、氧气氧化脱氢和二氧化碳气氛脱氢三种方法。异丁烷催化脱氢目前已实现工业化,但该反应受热力学平衡的限制,且能耗比较大。异丁烷氧气氧化脱氢会带来深度氧化,产物分布不受控制,导致选择性低等问题。二氧化碳气氛下异丁烷脱氢制异丁烯结合了催化脱氢和氧气氧化脱氢的优点,是一种具有潜在竞争能力的新方法。二氧化碳可以与脱氢产生的氢气发生逆水煤气反应,从而打破热力学平衡限制,使脱氢反应向产物移动;或者二氧化碳可以直接与异丁烷发生氧化脱氢反应。上述两种机理均可以提高异丁烷的平衡转化率。此外,二氧化碳作为主要的温室气体,在反应过程中转变为更为活泼和工业上更容易利用的一氧化碳,既减少了温室排放又充分利用了碳资源,具有一定的社会价值。
二氧化碳气氛异丁烷脱氢制异丁烯已广泛受到重视,例如,Shimada等人采用活性炭负载的氧化铁催化剂,反应温度为600℃条件下异丁烷的转化率约为23%,选择性约为80%,且催化剂失活快,反应3小时后异丁烷转化率降至13%(Applied Catalysis A:General,1998年168卷第243~250页)。Ogonowski课题组用VMgO催化剂,在反应温度为600℃时,转化率为13%,选择性为80%(Catalysis Communications,2009年11卷第132~136页)。综合而言,研制转化率高和稳定性好且成本低廉的催化剂仍是关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是现有技术中以铬为活性组分的异丁烷氧化脱氢催化剂选择性较低的问题,提供一种新的异丁烷氧化脱氢催化剂。该催化剂具有较高转化率和较高烯烃选择性的特点。
本发明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催化剂制备方法。
本发明要解决的技术问题之三是提供一种解决技术问题之一的催化剂的应用。
为解决上述技术问题之一,本发明采用的技术方案如下:异丁烷氧化脱氢催化剂,以介孔分子筛HMS和MSU中的至少一种为载体,以铬为活性组分,以稀土金属的一种或两种以上为助剂。
以上技术方案中,所述铬优选自硝酸铬、氯化铬钒和硫酸铬的一种,助剂优选为La、Ce和Pr的一种或两种以上。
上述技术方案中,以占载体/催化剂总的质量百分含量计,所述铬的质量百分含量优选为0.5~15%;所述助剂的质量百分含量优选为0.5~10%。
为解决上述技术问题之二,本发明采用的技术方案如下:一种异丁烷氧化脱氢催化剂的制备方法,包括以下步骤:
1)称取介孔分子筛HMS或MSU载体于容器中,以铬和稀土金属的质量分数计算,确定铬和稀土的负载量;
2)将所需量的铬用适量的去离子水在容器中进行溶解,得到含铬的水溶液;
3)将所需量的稀土加入步骤2)中的含铬水溶液中,搅拌溶解,得含铬和助剂的水溶液;
4)将步骤3)的含铬和助剂水溶液加入到步骤1)的容器中浸渍介孔分子筛HMS或MSU载体,静置;
5)将步骤4)的容器加入磁力搅拌子后,放入磁力搅拌恒温水浴锅中进行蒸干;
6)将步骤5)的物质进行烘干;
7)将步骤6)的物质转入坩埚中进行焙烧,得到所述异丁烷氧化脱氢催化剂。
以上技术方案中,步骤4)中的静置时间优选为4~24小时;步骤5)中的蒸干温度优选为60~90℃;步骤6)中的烘干温度优选为80~150℃,干燥时间优选为24~36小时;步骤7)中的焙烧温度优选为500~800℃,焙烧时间优选为2~8小时;进一步优选,步骤7)中的焙烧温度优选600~700℃,焙烧时间优选为4~6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:上述催化剂应用于二氧化碳氧化异丁烷脱氢制异丁烯的反应中。
上述应用方法,本领域技术人员可以根据现有技术中的工艺技术加以应用。
按上述方法制得的催化剂在等温固定床微型反应器中进行活性评价,对异丁烷氧化脱氢制异丁烯体系评价而言,简述过程如下:
将二氧化碳和异丁烷通过质量流量计调节流量,其摩尔比为5.0,进入分布器进行预混合,然后进入反应区,反应器采用电热丝加热,使之达到预定温度,反应器的内径为8毫米的不锈钢管,长约400毫米。反应后的气体通过冷凝罐后,进入气相色谱分析其组成。
等温式固定床反应器中催化剂评价条件如下:将0.5克20-40目催化剂装入反应器中,反应压力为常压,反应温度为570℃,空速为1.0小时-1。
异丁烷转化率、异丁烯选择性按以下公式计算:
通过上述方法制得的催化剂,所述活性组分、助剂与载体间具有良好的协同增效作用,在常压、空速1.0小时-1、温度570℃、二氧化碳/异丁烷(摩尔比)5.0的条件下,异丁烷的转化率为40.0%,同时具有较高的异丁烯的选择性为92.0%,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]
在容器中称量2.0克HMS载体,用移液管移入0.01003克/毫升的硝酸铬溶液1.0毫升,再用移液管移入0.01007克/毫升的硝酸铈溶液1.0毫升,再加入去离子水到40毫升,搅拌均匀后,在室温下静置4小时,然后加入磁力搅拌子后放入60℃磁力搅拌恒温水浴锅中进行蒸干,再放入100℃烘箱中干燥24小时,最后于600℃马福炉中焙烧4小时,制得所需催化剂。将二氧化碳和异丁烷通过质量流量计调节流量,其摩尔比为5.0,进入分布器进行预混合,然后进入反应区,反应器采用电热丝加热,使之达到预定温度,反应器的内径为8毫米的不锈钢管,长约400毫米。反应后的气体通过冷凝罐后,进入气相色谱分析其组成。
等温式固定床反应器中催化剂评价条件如下:将0.5克20-40目催化剂装入反应器中,反应压力为常压,反应温度为570℃,空速为1.0小时-1。结果如下:该过程中异丁烷转化率为21.5%,异丁烯选择性为93.4%。
[实施例2]
在容器中称量2.0克HMS载体,用移液管移入0.02308克/毫升的硝酸铬溶液12.6毫升,再用移液管移入0.01603克/毫升的硝酸铈溶液3.1毫升,再加入去离子水到40毫升,搅拌均匀后,在室温下静置24小时,然后加入磁力搅拌子后放入85℃磁力搅拌恒温水浴锅中进行蒸干,再放入120℃烘箱中干燥28小时,最后于650℃马福炉中焙烧4小时,制得所需催化剂。考评条件同[实施例1],结果如下:该过程中异丁烷转化率为40.0%,异丁烯选择性为92.0%。
[实施例3]
在容器中称量2.0克HMS载体,用移液管移入0.02308克/毫升的硝酸铬溶液34.2毫升,再用移液管移入0.01603克/毫升的硝酸铈溶液25.0毫升,搅拌均匀后,在室温下静置8小时,然后加入磁力搅拌子后放入90℃磁力搅拌恒温水浴锅中进行蒸干,再放入150℃烘箱中干燥36小时,最后于800℃马福炉中焙烧2小时,制得所需催化剂。考评条件同[实施例1],结果如下:该过程中异丁烷转化率为35.3%,异丁烯选择性为92.2%。
[实施例4]
在容器中称量2.0克HMS载体,用移液管移入0.02308克/毫升的硝酸铬溶液14.1毫升,再用移液管移入0.01603克/毫升的硝酸铈溶液30.9毫升,搅拌均匀后,在室温下静置20小时,然后加入磁力搅拌子后放入90℃磁力搅拌恒温水浴锅中进行蒸干,再放入80℃烘箱中干燥36小时,最后于700℃马福炉中焙烧6小时,制得所需催化剂。考评条件同[实施例1],结果如下:该过程中异丁烷转化率为35.8%,异丁烯选择性为92.1%。[实施例5]
在容器中称量2.0克HMS载体,用移液管移入0.02308克/毫升的硝酸铬溶液12.9毫升,再用移液管移入0.011966克/毫升的硝酸镧溶液12.7毫升,再加入去离子水到40毫升,搅拌均匀后,在室温下静置30小时,然后加入磁力搅拌子后放入85℃磁力搅拌恒温水浴锅中进行蒸干,再放入110℃烘箱中干燥30小时,最后于550℃马福炉中焙烧10小时,制得所需催化剂。考评条件同[实施例1],结果如下:该过程中异丁烷转化率为35.6%,异丁烯选择性为92.3%。
[实施例6]
在容器中称量2.0克HMS载体,用移液管移入0.02336克/毫升的氯化铬溶液27.4毫升,再用移液管移入0.01603克/毫升的硝酸铈溶液3.4毫升,再加入去离子水到40毫升,搅拌均匀后,在室温下静置24小时,然后加入磁力搅拌子后放入85℃磁力搅拌恒温水浴锅中进行蒸干,再放入120℃烘箱中干燥28小时,最后于650℃马福炉中焙烧6小时,制得所需催化剂。考评条件同[实施例1],结果如下:该过程中异丁烷转化率为37.2%,异丁烯选择性为92.9%。
[实施例7]
在容器中称量1.0克HMS载体,用移液管移入0.02308克/毫升的硝酸铬溶液26.8毫升,再用移液管移入0.01007克/毫升的硝酸铈溶液5.7毫升,再加入去离子水到40毫升,搅拌均匀后,在室温下静置24小时,然后加入磁力搅拌子后放入85℃磁力搅拌恒温水浴锅中进行蒸干,再放入120℃烘箱中干燥26小时,最后于600℃马福炉中焙烧4小时,制得所需催化剂。考评条件同[实施例1],结果如下:该过程中异丁烷转化率为37.3%,异丁烯选择性为92.8%。
[实施例8]
在容器中称量1.0克MSU-1载体,用移液管移入0.02308克/毫升的硝酸铬溶液37.8毫升,再用移液管移入0.01007克/毫升的硝酸铈溶液5.7毫升,搅拌均匀后,在室温下静置24小时,然后加入磁力搅拌子后放入85℃磁力搅拌恒温水浴锅中进行蒸干,再放入120℃烘箱中干燥24小时,最后于650℃马福炉中焙烧5小时,制得所需催化剂。考评条件同[实施例1],结果如下:该过程中异丁烷转化率为34.7%,异丁烯选择性为91.3%。
[比较例1]
在容器中称量2.0克ZSM-5载体,用移液管移入0.01003克/毫升的硝酸铬溶液1.0毫升,再用移液管移入0.01007克/毫升的硝酸铈溶液1.0毫升,再加入去离子水到40毫升,搅拌均匀后,在室温下静置4小时,然后加入磁力搅拌子后放入60℃磁力搅拌恒温水浴锅中进行蒸干,再放入100℃烘箱中干燥24小时,最后于600℃马福炉中焙烧4小时,制得所需催化剂。考评条件同[实施例1],结果如下:该过程中异丁烷转化率为52.8%,异丁烯选择性为68.3%。
Claims (8)
1.一种催化二氧化碳氧化异丁烷脱氢制异丁烯的催化剂,其特征在于:所述的催化剂以介孔分子筛HMS为载体,以铬为活性组分,以La或Ce为助剂,其中,以载体的质量百分含量计,所述铬的质量百分含量为0.5~15%,所述助剂的质量百分含量为0.5~10%。
2.根据权利要求1所述的异丁烷氧化脱氢催化剂,其特征在于所述铬由选自硝酸铬、氯化铬和硫酸铬的一种提供。
3.权利要求1所述的异丁烷氧化脱氢催化剂的制备方法,包括以下步骤:
1)称取介孔分子筛HMS载体于容器中,以铬和稀土金属的质量分数计算,确定铬和稀土金属的负载量;
2)将所需量的铬用适量的去离子水在容器中进行溶解,得到含铬的水溶液;
3)将所需量的稀土金属加入步骤2)中的含铬的水溶液中,搅拌溶解,得含铬和助剂的水溶液;
4)将步骤3)的含铬和助剂水溶液加入到步骤1)的容器中浸渍介孔分子筛HMS,静置4~24小时;
5)经步骤4)容器静置后,在搅拌条件下恒温进行蒸干;
6)将步骤5)经蒸干得到的物质进行烘干;
7)将步骤6)经烘干得到的物质进行焙烧,得到所述异丁烷氧化脱氢催化剂。
4.根据权利要求3所述的异丁烷氧化脱氢催化剂的制备方法,其特征在于步骤5)中的蒸干温度为60~90℃。
5.根据权利要求3所述的异丁烷氧化脱氢催化剂的制备方法,其特征在于步骤6)中的烘干温度为80~150℃,干燥时间为24~36小时。
6.根据权利要求3所述的异丁烷氧化脱氢催化剂的制备方法,其特征在于步骤7)中的焙烧温度为500~800℃,焙烧时间为2~10小时。
7.根据权利要求6所述的异丁烷氧化脱氢催化剂的制备方法,其特征在于催化剂的焙烧温度为600~700℃,焙烧时间为4~6小时。
8.权利要求1或2所述的异丁烷氧化脱氢催化剂在二氧化碳氧化异丁烷脱氢制异丁烯反应中的应用。
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