CN1089631C - 合成尿素用二氧化碳原料气除氢催化剂及制备 - Google Patents

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Abstract

一种合成尿素用二氧化碳原料气除氢催化剂及制备。由P1、Pd双贵金属和Ce、La、Sm、Pr中至少一种稀土元素助剂及Al2O3-TiO2或Al2O3-ZrO复合载体组成,复合载体中TiO2含量为60~80%wt,ZrO含量为60%wt,Pt与Al原子比为4.0×10-4~4.0×10-2,Pt与Pd的原子比为1.0~30.0,Pt与稀土元素助剂的原子比为0.3~6.0。本发明的特点是催化剂中Pt含量比Pd高,加入了稀土金属元素,采用复合型氧化物Al2O3-TiO2或Al2O3-ZrO载体,催化剂制备采用浸渍法,水合联氨湿法常温还原,不用高温焙烧还原。应用表明该催化剂具有反应速度快,单位时间处理气量大,低温活性好,使用温度范围宽10~200℃,耐热、抗毒物H2S、CO等特点。

Description

合成尿素用二氧化碳原料气除氢催化剂及制备
本发明是关于合成尿素用CO2原料气的净化除氢催化剂及其制备方法。
目前国内大中型尿素生产中,为防止爆炸,保证安全生产而采用的CO2原料气除氢催化剂是中国科学院兰州化学物理研究所研制的DH-2型Pd-Pt/Al2O3催化剂及美国Engelhard公司的CN-101型Pd-Pt/Al2O3催化剂,这两种催化剂都属于负载型贵金属催化剂。DH-2型除氢催化剂中国专利申请号为:8810942.3,该催化剂以Al2O3或含Al2O3的氧化硅—氧化铝为载体,含Pd或Pt活性组分及Na、K、Mg、Ca、Ba、Fe、Co、Ni、Cu、Cr、V中一种或几种助剂元素,Pd的含量比Pt高,这种催化剂和CN-101型催化剂共同弱点是在工业反应条件下,对原料气中硫化物主要是硫化氢含量敏感,要求总硫小于等于2mg S/m3,使用中皆因积累性硫中毒而失活。1992年中国科学院兰州化学物理所提出了一种适合于合成尿素含硫的CO2原料气的除氢催化剂,名称为高抗硫性能除氢催化剂,代号为D-438,专利申请号为92125672.9,该催化剂以Pd和Fe作活性组份,至少加入一种碱金属作助剂,以γ-Al2O3为载体,其催化剂抗硫化物性能较强,但尚未工业化生产。这种催化剂和DH-2型除氢催化剂的制备均需要高温焙烧后于200~600℃氢还原,需要专用高温焙烧还原设备,制备工艺复杂。
本发明的目的是克服现有技术的不足,提供一种高抗硫,抗CO的除氢催化剂,以满足工业上合成尿素含硫CO2原料气的除氢要求。
本发明的另一个目的是提供一种高抗硫、抗CO除氢催化剂的制备方法。
本发明通过改进催化剂组成和制备方法来达到上述目的。
本发明的除氢催化剂以Pt和Pd作活性组分,选自La、Ce、Sm、Pr中至少一种稀土元素作活性助剂,用Al2O3-TiO2或Al2O3-ZrO复合型氧化物作载体,载体中TiO2含量为60~80%wt,ZrO含量为60%wt,上述活性组分、助剂元素、载体之间的比例关系是:Pt和Al的原子比为4.0×10-4~4.0×10-2,更好为Pt∶Al=1.0×10-3~1.0×10-2;Pt和Pd的原子比为1.0~30.0,更好为1.0-10.0;Pt和助剂元素的原子比为0.3-6,更好为0.5-2。
催化剂载体可以是球形或三叶草形的Al2O3-TiO2或Al2O3-ZrO。Pt和Pd可以来自不同的盐类或金属,如H2PtCl6H2O,PtCl4,PdCl2,H2PdCl4、Pt和Pd等。稀土元素La、Ce、Sm、Pr可来自稀土金属或盐。
催化剂的制备方法可以用络合离子交换法、浸渍法。络合离子交换法的制备过程是将Pt和Pd金属或盐溶解,配成要求的浓度,同时将选定的助剂元素的金属或盐溶解,配成要求的浓度。然后将选好的复合氧化物Al2O3-TiO2或Al2O3-ZrO载体小球(一般球径为φ2.5-3.2mm)于配好的含活性金属Pt、Pd及稀土元素助剂的溶液中其载体与浸渍液的比为1∶4体积比浸渍30分钟以上,然后加入化学计算量过量2-6倍的水合联氨(N2H4·H2O 50%),常温还原1小时以上,过滤去残液,用去离子水洗涤至无Cl-离子,于80-120℃烘干得色灰催化剂产品,不需用高温氢气处理。
本合成尿素用CO2原料气的除氢催化剂(代号TH-2型)与DH-2型脱氢催化剂及制备相比有如下特点:
1.本除氢催化剂中Pt含量大于Pd,而DH-2型中Pd含量大于Pt,本催化剂利用了Pt的催化氧化活性及耐毒物性能较Pd好的特点。
2.本除氢催化剂加入了稀土La、Ce、Sm、Pr中至少一种元素作活性助剂,大大提高了催化剂的耐硫抗毒能力,改善了催化剂的低温活性,减少了贵金属在催化剂中的含量。
3.由于本除氢催化剂采用了Al2O3-TiO2或Al2O3-ZrO复合氧化物载体,使催化剂抗CO毒性提高。许多实验证明TiO2与负载金属有强相互作用,能提高催化剂的抗毒能力,TiO2的不足之处是比表面相对较小,一般不大于100m2/g,活性的锐钛矿晶形在高温下不够稳定,易变成惰性的金红石结构。Al2O3-TiO2二元复合型氧化物载体,利用Al2O3的高表面积和高热稳定性来克服TiO2本身的缺陷。Al2O3-TiO2复合载体与负载金属相互作用强,热稳定性好,表面积合适,抗毒能力强。
4.本除氢催化剂的制备采用水合联氨还原剂湿法低温还原,方法简便,不需要高温焙烧和高温氢还原专用设备,操作安全,能耗低,不污染环境。
应用表明,本除氢催化剂具有反应速度快,单位时间处理气量大,低温活性好,使用温度10-200℃,抗CO、CH3OH、硫化物中毒能力强等优点。装填本除氢催化剂0.926m3的催化剂床,在合成尿素CO2原料气中含H20.9-1.0%(V),CO 0.06-0.15%(V),COS o.3-0.44mg/m3,总S 2.18-6.38mg/Nm3,CH3OH90-110mL/m3,空速31000h-1,压力14.3MPa,在入口温度120-150℃,操作温度高于140℃条件下,H2均可脱至小于2ppm,CO脱至小于10ppm,CH3OH脱至小于12ppm。
催化剂的活性和抗硫性能试验在φ21.5×600mm常压固定床反应器中进行,催化剂的粒度为φ2.5×3.2mm,催化剂装填量为6ml,活性试验的CO2原料气组成为H2-1.0%,O2-0.1%,CO-0.1%,其余为CO2,使反应尾气的残氢量小于10ppm所需的最低反应温度来表示催化剂的除氢活性。抗硫性能试验的CO2原料气组成在活性试验原料气中加入20-70ppm的H2S气体,在120℃空速30000h-1下进行反应,用尾气残氢量小于10ppm的累计反应时间来表示催化剂的抗硫性能。
实施例1
称取市售的含TiO280%的Al2O3-TiO2小球10克备用。在250ml的烧杯内加入100ml去离子水,加入浓度0.01克Pt/ml的H2PtCl4·6H2O溶液2ml,加入浓度为0.01克Pd/ml的PdCl2溶液1ml,再加入0.155克硝酸亚铈,搅拌均匀后倒入称好的Al2O3-TiO2小球浸渍之,搅拌30分钟后加入水合联氨(N2H4·H2O,50%)1ml,继续搅拌1小时,过滤去残液,用去离子水洗涤浸渍过的小球,然后在80-120℃烘干得到灰色催化剂产品,其Pt含量为0.2%(wt)Pd含量为0.1%(wt),Ce含量为0.5%(wt)。
将催化剂按前述试验条件测试条件测试其活性,其最低全转化温度为65℃。在上述CO2原料气中加入70ppm的H2S进行抗硫试验,在反应温度120℃,空速为30000h-1条件下,催化剂抗硫时间2.08小时。
实施例2
采用实施例1相同的方法,取100ml去离子水,加入含0.01克Pt/ml的H2PtCl6·6H2O溶液1.0ml,含0.01克Pd/ml的PdCl2溶液2ml,再加入0.155克硝酸亚铈,搅拌均匀后倒入φ2.5×3.2mm的Al2O3-TiO2小球10克浸渍30分钟后,加入水合联氨(N2H4·H2O)1毫升,继续搅拌还原1小时以上,过滤去残液,用去离子水洗涤干净,然后80-120℃烘干,制得催化剂成品。其Pt含量为0.1%(wt),Pd含量为0.2%(wt),Ce含量为0.5%(wt)。
用实施例1相同的反应条件进行催化剂评价试验,其氢的最低全转化温度为75℃。用含70ppmH2S的CO2原料气进行抗硫性能试验,在120℃温度下,催化剂抗硫时间为1.60小时。
实施例1.2催化剂与DH-2催化剂、D-438抗硫催化剂和CN-101催化剂的催化活性与抗硫性能比较如下:催化剂编号  H2最低全转化温度℃ 原料气中H2S浓度ppm 除H2反应温度℃ 累计反应时间hDH-2               125               45.2                260            0.75CN-10              130               38.1                260            0.6D-438              135               59.6                260            3.5实施例1            65                70                  120            2.08实施2              75                70                  120            1.60
注:实施例1、2以外的催化剂样品的数据来源于CN1069426A。
实施例3
采用不同的Pt、Pd配比,浸渍法制备了编号为A、B两个Pt、Pd/Al2O3-TiO2(载体中含TiO260%)催化剂样品,在浸渍液中加入硝酸亚铈,制得含助剂元素Ce的Pt-Pd/Al2O3-TiO2催化剂样品C,当空速为30000h-1时,用含CO2000ppm,H2-1.0%(v),O2 1.2%(v),CO2>96%的原料气(G-1)气源,进行催化剂的CO的氧化试验,用CO 100%转化所需的最低温度表示催化剂的氧化活性。然后再用含H2S 70ppm,H2-1.0%,O2-1.2%,CO2>96%(v)的原料气(G-2)气源进行H2S对催化性能的影响试验,反应温度为120℃,用尾气残氢量小于10ppm的累计反应时间来表示催化剂的抗硫性能试验结果列于表1。从表1数据可见,催化剂的含Pt量增加其催化氧化CO的活性提高,抗硫化物性能增强。样品C添加了稀土元素Ce,其耐硫抗毒能力明显优于A、B样品,累计反应时间C样品比A、B样品高2-4倍。
实施例4
复合载体Al2O3-TiO2中不同TiO2含量对CO氧化反应活性的影响试验。
浸渍法制备含活性组份Pt 0.75%,Pd 0.3%,Ce 2%,复合载体Al2O3-TiO2中含TiO20%、60%、70%、80%的四个催化剂样品,当空速为30000h-1时,用含CO2>96%(v)H2-1.0%(v), O2 1.2%(v),CO 2000ppm,H2S 70ppm的原料气进行催化剂对CO的氧化试验,用CO 100%转化所需的最低温度来表示催化剂的活性,试验结果列于表2中。
从表2中数据可见,Al2O3-TiO2复合载体催化剂中TiO2含量越高,CO氧化反应的活性越好,含Al2O320%,TiO280%的复合载体的催化剂CO 100%转化温度为65℃,单一Al2O3载体的催化剂的CO 100%转化温度为135℃。
实施例5
Pt-Pd除氢催化剂的载体Al2O3、Al2O3-TiO2、Al2O3-TiO2、Al2O3-ZrO对除氢催化剂的活性及抗硫性能的影响。
采用浸渍湿法还原制备Pt-Pd除氢催化剂。其活性组份及含量,制备工艺完全相同,催化剂含0.5%Pt,0.2%Pd,2.0%Ce,采用市售Al2O3、Al2O3-SiO2(含60%SiO2),Al2O3-TiO2(含60%TiO2),Al2O3-ZrO(含60%ZrO)四种载体制得催化剂样品D、E、F、G,用含H2-1%,O2-1.2%(v),CO-2000ppm,H2S-50ppm,CO2>96的原料气,空速30000h-1,使反应尾气的残氢量小于10ppm,所需的最低反应温度来表示催化剂的除氢活性用尾气残氢量小于10ppm的累计反应时间来表示催化剂的抗硫性能,实验结果见表3。
从表3的数据可见,以Al2O3-TiO2、Al2O3-ZrO为载体比以Al2O3、Al2O3-SiO2为载体的除氢催化剂的除氢活性及抗硫性能好,而以Al2O3-TiO2为载体的除氢催化剂的性能最优。
表1   Pt-Pd催化剂抗CO、H2S性能试验结果
  催化剂编  号     催化剂组成   CO全转化温度℃(G-1气源)   累计反应时间h(G-2气源)
A     Pt  0.5%Pd  0.2% 115 2.5
B     Pt  1.0%Pd  0.2% 80 5.6
C     Pt  1.0%Pd  0.2%Ce  1.5% 70 12.5
注:载体为含TiO2 60%的Al2O3-TiO2复合氧化物。
表2  Pt-Pd除氢催化剂的Al2O3-TiO2载体中不同含量的TiO2对CO氧化反应的影响
Figure C9912001400081
表3不同载体对Pt-Pd除氢催化剂的活性及抗硫性能的影响
 催化剂编  号 载体  氢最低全转化温度℃  通硫化氢时的反应温度℃  原料气硫化氢含量ppm  抗硫化氢反应时间h
   D   Al2O3     135     180     50     2.0
   E   Al2O3-SiO2     150     180     50     2.5
   F   Al2O3-TiO2     80     180     50     7.5
   G   Al2O3-ZiO     100     180     50     6.5

Claims (5)

1、一种合成尿素用二氧化碳原料气除氢催化剂,其特征是以Pt和Pd作活性组分,选自La、Ce、Sm、Pr中至少一种稀土元素助剂,用复合型氧化物Al2O3-TiO2或Al2O3-ZrO载体,载体中TiO2含量为60~80%wt,ZrO含量为60%wt,活性组分、助剂元素、载体之间的原子比例关系为:Pt∶Al=4.0×10-4~4.0×10-2,Pt∶Pd=1.0~30.0,Pt∶助剂元素=0.3~6.0。
2、按照权利要求1所述的催化剂,其特征是Pt∶Al原子比为1.0×10-3~1.0×10-2
3、按照权利要求1所述的催化剂,其特征是Pt∶Pd原子比为1.0~10.0。
4、按照权利要求1所述的催化剂,其特征是Pt∶助剂元素原子比为0.5~2。
5、权利要求1所述的催化剂的制备方法,其特征是步骤为:
(1)将Pt、Pd的盐类或金属溶解,将含Ce或/和La、Sm、Pr的盐或金属溶解,再配制成含Pt和Pd及Ce或/和La、Sm、Pr为要求浓度的混合水溶液;
(2)将复合氧化物Al2O3-TiO2或Al2O3-ZrO小球于上述混合液中按1∶4体积比浸渍30分钟以上,然后加入水合联氨N2H4H2O 50%,其量按化学计算量过量2~6倍,还原1小时以上;
(3)过滤去浸渍还原残液,用去离子水洗涤至无Cl-离子,然后于80~120℃烘干即得产品。
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