CN110560113B - 用于偏三甲苯催化氧化的催化剂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于偏三甲苯催化氧化的催化剂，主要解决现有技术中偏三甲苯催化氧化反应，催化剂性能较差，导致偏酐收率较低的问题。本发明采用负载型催化剂，所述催化剂的活性组分包括钒元素、钛元素、碱金属元素，以及VIB族元素和非金属元素中的至少一种，载体为惰性的碳化硅、α‑氧化铝或瓷环的至少一种的技术方案。该方案提高了偏三甲苯催化氧化催化剂的性能，有效提高了偏酐收率。

Description

用于偏三甲苯催化氧化的催化剂
技术领域
本发明涉及一种用于偏三甲苯催化氧化的催化剂及其制备方法，以及偏酐的合成方法。
技术背景
偏苯三酸酐(TMA)简称偏酐，又名1，2，4-苯三甲酸酐，是一种重要的化工原料和高附加值中间体，广泛应用于耐高温增塑剂、聚酯树脂、聚酯环氧粉末涂料、绝缘漆、水溶性醇酸树脂、润滑油、油墨、胶黏剂等生产行业。由于所制成的树脂材料具有优异的点绝缘性能、耐高温性能和机械性能，被广泛应用在电子、航天航空、机电等工业领域。
目前世界上偏酐生产主要以美国和日本为代表的偏三甲苯液相氧化技术为主，占世界上总产量的70％左右。该工艺是以偏三甲苯为原料，在醋酸介质中，以Co-Mn-Br为催化剂，用空气氧化制成偏酐。此工艺偏酐收率高，但反应流程长，设备腐蚀严重、投资较大，会对生产成本带来压力。气相氧化法是以偏三甲苯为原料，在催化剂作用下用空气进行一步氧化直接生成偏酐的方法。相对于液相氧化法，避免了的问题，生产成本低，是生产偏酐最理想的方法。
目前气相氧化法引起国际上的高度关注，纷纷开展此方法的研究工作。德国GE1518613研究了V-Mo-Cu催化剂用于偏三甲苯气相氧化反应，取得了不错的催化效果。CN105498817A研究了V-Ti-Mn-Co金属氧化物与杂多酸复合催化剂，摩尔收率可以达到56.2％。国内现在技术与国外相比尚不完善，开工率很低，无法满足国内偏酐市场需求。因此，通过改变催化剂的制备方法来提高催化剂对偏酐的选择性是十分必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是现有技术中偏酐收率低的问题，提供一种用于偏三甲苯催化氧化的催化剂，该催化剂具有偏酐收率高的特点。
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偏酐催化氧化的方法。
为解决上述技术问题之一，本发明所公开的技术方案为：一种用于偏三甲苯合成偏酐的催化剂，其特征在于，所述催化剂为以钒、钛元素为主催化元素的负载型催化剂，其活性组分包括钒元素、钛元素，碱金属元素，以及VIB族元素和非金属元素中的至少一种；催化剂的载体为惰性的碳化硅、α-氧化铝或瓷环
优选所述活性组分同时包括钒元素、钛元素、碱金属元素、选自VIB族元素的至少一种元素和选自非金属元素中的至少一种元素。此时五种元素之间在提高偏酐收率方面具有协同作用。
上述技术方案中，所述碱金属元素选自Li、Na、K和Rb、Cs中的至少一种。更优选Na和Rb。
上述技术方案中，所述VIB族元素选自Cr、Mo和W中的至少一种。更优选Cr和Mo。
上述技术方案中，所述非金属元素选自B、Si、As和Te中的至少一种。更优选B和Si。
上述技术方案中，作为最优选的技术方案，所述活性组分同时包括钒元素、钛元素、碱金属元素、VIB族元素和非金属元素；例如所述活性组份包括V、Ti、Na、Cr和B，或者V、Ti、Na、Cr、B和Si，或者V、Ti、Na、Cr、Mo、B和Si。
上述技术方案中，所述催化剂中钒元素、钛元素与碱金属元素的摩尔比例为1：(1-15)：(0.1-5)；
所述催化剂中钒元素与VIB族元素和非金属元素总和的摩尔比例为1：(0.01-1)，更优选为1：(0.05-0.8)。
为解决上述技术问题之二，本发明技术方案如下：上述技术问题之一的技术方案中所述的用于偏三甲苯催化氧化的催化剂的制备方法，其包括几个步骤：
(1)将草酸溶解在蒸馏水中，得到草酸溶液；将钒源加入到草酸溶液中，得到混合溶液；将碱金属元素、VIB族元素、非金属元素化合物加入反应体系；
(2)将钛源加水研磨后缓慢滴加进入反应体系，充分搅拌后制成浆状液，得到前驱体；
(3)将前驱体喷涂到载体上，前驱体与载体的摩尔比为1:(1-10)，焙烧后得到催化剂。
上述技术方案中，步骤(1)所述钒源优选自氧化钒、偏钒酸盐、正钒酸盐和氯化钒的至少一种。步骤(2)所述钛源优选自二氧化钛、四氯化钛的至少一种。步骤(1)所述碱金属元素的化合物优选自硝酸钠、硫酸钠、醋酸钠、硝酸铷、硫酸铷、醋酸铷等盐类中的至少一种。更优选为硝酸钠和硝酸铷。步骤(1)所述VIB族元素的化合物优选自氧化铬、氯化铬、铬盐、铬酸盐、氧化钼、氯化钼、钼盐、钼酸盐中的至少一种。更优选氯化铬和钼酸铵。步骤(1)所述非金属元素的化合物优选自氧化硅、硅酸盐、硅酸、氯硅烷、硼酸盐、硼酸中的至少一种。更优选硼酸和三氯硅烷。
上述技术方案中，所述的用于偏三甲苯催化氧化的催化剂的制备方法，其特征在于，将催化剂的前驱体装入喷涂机中，在140-330℃下加热后均匀的喷涂在载体上。
上述技术方案中，所述的用于偏三甲苯催化氧化的催化剂的制备方法，其特征在于，将喷涂有催化剂前驱体的载体在马弗炉中焙烧，焙烧温度为420-630℃温度，焙烧时间为2-13h。
为解决上述技术问题之三，本发明的技术方案如下：偏酐催化氧化的方法，以均四甲苯、水蒸汽、空气为原料，采用固定床反应器，在催化剂存在下合成偏酐。
上述技术方案中反应工艺条件如下：偏三甲苯与水蒸汽进料体积比为1：1-30，其反应工艺条件：空速为1000～10000hr-1、反应温度为300～600℃，反应压力为常压。
与现有技术相比，本发明的关键是催化剂的活性组分中包括一定量的钒元素、钛元素、碱金属元素和选自VIB族元素和非金属元素中的至少一种元素，有利于改善催化剂性能，从而提高了偏酐的收率。
实验结果表明，本发明所制备偏酐的摩尔收率达66.9％，取得了较好的技术效果，尤其是催化剂中活性组分同时包括钒元素、钛元素、碱金属元素、选自VIB族元素中的至少一种元素和选自非金属元素中的至少一种元素时，取得了更加突出的技术效果，可以用于偏酐的合成中。下面通过实施例对本发明作进一步阐述。
具体实施方式
【实施例1】
称取56g草酸和192ml蒸馏水于烧瓶中，搅拌升温至86℃，待草酸全部溶解后，配成草酸溶液。将1摩尔份数偏钒酸铵加入到配制好的草酸溶液中继续搅拌，得到草酸氧钒铵溶液。用将3摩尔分数硝酸钾和0.4摩尔份数氯化铬加入溶液中，60℃下继续反应1h。将5摩尔份数二氧化钛加31ml蒸馏水研磨后加入反应体系，充分搅拌后制成浆状液，得到前驱体。将催化剂前驱体装入喷涂机中，均匀的喷涂在惰性载体碳化硅上。在马弗炉中570℃焙烧，自然冷却后得到催化剂。催化剂在反应温度400℃、空速3000h-1下，偏三甲苯：水蒸汽＝0.05，在固定床反应器中考评，测得偏酐摩尔收率为65.3％，其考评结果详见表1。
【实施例2】
称取56g草酸和192ml蒸馏水于烧瓶中，搅拌升温至86℃，待草酸全部溶解后，配成草酸溶液。将1摩尔份数偏钒酸铵加入到配制好的草酸溶液中继续搅拌，得到草酸氧钒铵溶液。用将3摩尔分数硝酸钾和0.4摩尔份数硼酸加入溶液中，60℃下继续反应1h。将5摩尔份数二氧化钛加31ml蒸馏水研磨后加入反应体系，充分搅拌后制成浆状液，得到前驱体。将催化剂前驱体装入喷涂机中，均匀的喷涂在惰性载体碳化硅上。在马弗炉中570℃焙烧，自然冷却后得到催化剂。催化剂在反应温度400℃、空速3000h-1下，偏三甲苯：水蒸汽＝0.05，在固定床反应器中考评，测得偏酐摩尔收率为65.1％，其考评结果详见表1。
【对比例1】
称取56g草酸和192ml蒸馏水于烧瓶中，搅拌升温至86℃，待草酸全部溶解后，配成草酸溶液。将1摩尔份数偏钒酸铵加入到配制好的草酸溶液中继续搅拌，得到草酸氧钒铵溶液。用将3摩尔分数硝酸钾加入溶液中，60℃下继续反应1h。将5摩尔份数二氧化钛加31ml蒸馏水研磨后加入反应体系，充分搅拌后制成浆状液，得到前驱体。将催化剂前驱体装入喷涂机中，均匀的喷涂在惰性载体碳化硅上。在马弗炉中570℃焙烧，自然冷却后得到催化剂。催化剂在反应温度400℃、空速3000h-1下，偏三甲苯：水蒸汽＝0.05，在固定床反应器中考评，测得偏酐摩尔收率为62.3％，其考评结果详见表1。
通过与实施例1～2相比可以看出，本发明采用的催化剂，使用同时含V、Ti、Na和Cr活性组分、同时含V、Ti、Na和B活性组分的催化剂性能比只含V、Ti、Na活性组分催化剂的性能要更优，偏酐的收率更高。
【实施例3】
称取56g草酸和192ml蒸馏水于烧瓶中，搅拌升温至86℃，待草酸全部溶解后，配成草酸溶液。将1摩尔份数五氧化二钒加入到配制好的草酸溶液中继续搅拌，得到草酸氧钒铵溶液。用将3摩尔分数硝酸铷和0.4摩尔份数硝酸铬加入溶液中，60℃下继续反应1h。将5摩尔份数四氯化钛加31ml蒸馏水研磨后加入反应体系，充分搅拌后制成浆状液，得到前驱体。将催化剂前驱体装入喷涂机中，均匀的喷涂在惰性载体碳化硅上。在马弗炉中570℃焙烧，自然冷却后得到催化剂。催化剂在反应温度400℃、空速3000h-1下，偏三甲苯：水蒸汽＝0.05，在固定床反应器中考评，测得偏酐摩尔收率为65.2％，其考评结果详见表1。
【实施例4】
称取56g草酸和192ml蒸馏水于烧瓶中，搅拌升温至86℃，待草酸全部溶解后，配成草酸溶液。将1摩尔份数五氧化二钒加入到配制好的草酸溶液中继续搅拌，得到草酸氧钒铵溶液。用将3摩尔分数硝酸铷和0.4摩尔份数氯化钼加入溶液中，60℃下继续反应1h。将5摩尔份数二氧化钛加31ml蒸馏水研磨后加入反应体系，充分搅拌后制成浆状液，得到前驱体。将催化剂前驱体装入喷涂机中，均匀的喷涂在惰性载体碳化硅上。在马弗炉中570℃焙烧，自然冷却后得到催化剂。催化剂在反应温度400℃、空速3000h-1下，偏三甲苯：水蒸汽＝0.05，在固定床反应器中考评，测得偏酐摩尔收率为65.3％，其考评结果详见表1。
【实施例5】
称取56g草酸和192ml蒸馏水于烧瓶中，搅拌升温至86℃，待草酸全部溶解后，配成草酸溶液。将1摩尔份数偏钒酸铵加入到配制好的草酸溶液中继续搅拌，得到草酸氧钒铵溶液。用将3摩尔分数醋酸钠和0.4摩尔份数钼酸铵加入溶液中，60℃下继续反应1h。将5摩尔份数四氯化钛加31ml蒸馏水研磨后加入反应体系，充分搅拌后制成浆状液，得到前驱体。将催化剂前驱体装入喷涂机中，均匀的喷涂在惰性载体碳化硅上。在马弗炉中570℃焙烧，自然冷却后得到催化剂。催化剂在反应温度400℃、空速3000h-1下，偏三甲苯：水蒸汽＝0.05，在固定床反应器中考评，测得偏酐摩尔收率为65.0％，其考评结果详见表1。
【实施例6】
称取56g草酸和192ml蒸馏水于烧瓶中，搅拌升温至86℃，待草酸全部溶解后，配成草酸溶液。将1摩尔份数五氧化二钒加入到配制好的草酸溶液中继续搅拌，得到草酸氧钒铵溶液。用将3摩尔分数硝酸铷和0.4摩尔份数硼酸铵加入溶液中，60℃下继续反应1h。将5摩尔份数四氯化钛加31ml蒸馏水研磨后加入反应体系，充分搅拌后制成浆状液，得到前驱体。将催化剂前驱体装入喷涂机中，均匀的喷涂在惰性载体碳化硅上。在马弗炉中570℃焙烧，自然冷却后得到催化剂。催化剂在反应温度400℃、空速3000h-1下，偏三甲苯：水蒸汽＝0.05，在固定床反应器中考评，测得偏酐摩尔收率为65.1％，其考评结果详见表1。
【实施例7】
称取56g草酸和192ml蒸馏水于烧瓶中，搅拌升温至86℃，待草酸全部溶解后，配成草酸溶液。将1摩尔份数五氧化二钒加入到配制好的草酸溶液中继续搅拌，得到草酸氧钒铵溶液。用将3摩尔分数醋酸铷和0.4摩尔份数氯化硅加入溶液中，60℃下继续反应1h。将5摩尔份数二氧化钛加31ml蒸馏水研磨后加入反应体系，充分搅拌后制成浆状液，得到前驱体。将催化剂前驱体装入喷涂机中，均匀的喷涂在惰性载体碳化硅上。在马弗炉中570℃焙烧，自然冷却后得到催化剂。催化剂在反应温度400℃、空速3000h-1下，偏三甲苯：水蒸汽＝0.05，在固定床反应器中考评，测得偏酐摩尔收率为65.3％，其考评结果详见表1。
【实施例8】
称取56g草酸和192ml蒸馏水于烧瓶中，搅拌升温至86℃，待草酸全部溶解后，配成草酸溶液。将1摩尔份数偏钒酸铵加入到配制好的草酸溶液中继续搅拌，得到草酸氧钒铵溶液。用将3摩尔分数醋酸钠和0.4摩尔份数三氯硅烷加入溶液中，60℃下继续反应1h。将5摩尔份数四氯化钛加31ml蒸馏水研磨后加入反应体系，充分搅拌后制成浆状液，得到前驱体。将催化剂前驱体装入喷涂机中，均匀的喷涂在惰性载体碳化硅上。在马弗炉中570℃焙烧，自然冷却后得到催化剂。催化剂在反应温度400℃、空速3000h-1下，偏三甲苯：水蒸汽＝0.05，在固定床反应器中考评，测得偏酐摩尔收率为65.2％，其考评结果详见表1。
【实施例9】
称取56g草酸和192ml蒸馏水于烧瓶中，搅拌升温至86℃，待草酸全部溶解后，配成草酸溶液。将1摩尔份数偏钒酸铵加入到配制好的草酸溶液中继续搅拌，得到草酸氧钒铵溶液。用将3摩尔分数硝酸钠、0.2摩尔份数氯化铬和0.2摩尔份数硼酸加入溶液中，60℃下继续反应1h。将5摩尔份数二氧化钛加31ml蒸馏水研磨后加入反应体系，充分搅拌后制成浆状液，得到前驱体。将催化剂前驱体装入喷涂机中，均匀的喷涂在惰性载体碳化硅上。在马弗炉中570℃焙烧，自然冷却后得到催化剂。催化剂在反应温度400℃、空速3000h-1下，偏三甲苯：水蒸汽＝0.05，在固定床反应器中考评，测得偏酐摩尔收率为65.7％，其考评结果详见表1。
本实施例与实施例1～2相比可以看出，VIB族Cr元素和非金属B元素在提高偏酐收率具有较好的协同作用。
【实施例10】
称取56g草酸和192ml蒸馏水于烧瓶中，搅拌升温至86℃，待草酸全部溶解后，配成草酸溶液。将1摩尔份数偏钒酸铵加入到配制好的草酸溶液中继续搅拌，得到草酸氧钒铵溶液。用将3摩尔分数硝酸钠、0.1摩尔份数氯化铬、0.1摩尔份数钼酸铵和0.2摩尔份数硼酸加入溶液中，60℃下继续反应1h。将5摩尔份数二氧化钛加31ml蒸馏水研磨后加入反应体系，充分搅拌后制成浆状液，得到前驱体。将催化剂前驱体装入喷涂机中，均匀的喷涂在惰性载体碳化硅上。在马弗炉中570℃焙烧，自然冷却后得到催化剂。催化剂在反应温度400℃、空速3000h-1下，偏三甲苯：水蒸汽＝0.05，在固定床反应器中考评，测得偏酐摩尔收率为66.3％，其考评结果详见表1。
本实施例与实施例9相比可以看出，VIB族Cr和Mo元素与本发明其他的活性组分在提高偏酐收率具有较好的协同作用。
【实施例11】
称取56g草酸和192ml蒸馏水于烧瓶中，搅拌升温至86℃，待草酸全部溶解后，配成草酸溶液。将1摩尔份数偏钒酸铵加入到配制好的草酸溶液中继续搅拌，得到草酸氧钒铵溶液。用将3摩尔分数硝酸钠、0.2摩尔份数氯化铬、0.1摩尔份数硼酸和0.1摩尔份数三氯硅烷加入溶液中，60℃下继续反应1h。将5摩尔份数二氧化钛加31ml蒸馏水研磨后加入反应体系，充分搅拌后制成浆状液，得到前驱体。将催化剂前驱体装入喷涂机中，均匀的喷涂在惰性载体碳化硅上。在马弗炉中570℃焙烧，自然冷却后得到催化剂。催化剂在反应温度400℃、空速3000h-1下，偏三甲苯：水蒸汽＝0.05，在固定床反应器中考评，测得偏酐摩尔收率为66.1％，其考评结果详见表1。
本实施例与实施例9相比可以看出，非金属元素B和Si元素与本发明其他的活性组分在提高偏酐收率具有较好的协同作用。
【实施例12】
称取56g草酸和192ml蒸馏水于烧瓶中，搅拌升温至86℃，待草酸全部溶解后，配成草酸溶液。将1摩尔份数偏钒酸铵加入到配制好的草酸溶液中继续搅拌，得到草酸氧钒铵溶液。用将3摩尔分数硝酸钠、0.2摩尔份数钼酸铵、0.1摩尔份数硼酸和0.1摩尔份数三氯硅烷加入溶液中，60℃下继续反应1h。将5摩尔份数二氧化钛加31ml蒸馏水研磨后加入反应体系，充分搅拌后制成浆状液，得到前驱体。将催化剂前驱体装入喷涂机中，均匀的喷涂在惰性载体碳化硅上。在马弗炉中570℃焙烧，自然冷却后得到催化剂。催化剂在反应温度400℃、空速3000h-1下，偏三甲苯：水蒸汽＝0.05，在固定床反应器中考评，测得偏酐摩尔收率为66.2％，其考评结果详见表1。
【实施例13】
称取56g草酸和192ml蒸馏水于烧瓶中，搅拌升温至86℃，待草酸全部溶解后，配成草酸溶液。将1摩尔份数偏钒酸铵加入到配制好的草酸溶液中继续搅拌，得到草酸氧钒铵溶液。用将3摩尔分数硝酸钠、0.1摩尔份数氯化铬、0.1摩尔份数、0.1摩尔份数硼酸和0.1摩尔份数三氯硅烷加入溶液中，60℃下继续反应1h。将5摩尔份数二氧化钛加31ml蒸馏水研磨后加入反应体系，充分搅拌后制成浆状液，得到前驱体。将催化剂前驱体装入喷涂机中，均匀的喷涂在惰性载体碳化硅上。在马弗炉中570℃焙烧，自然冷却后得到催化剂。催化剂在反应温度400℃、空速3000h-1下，偏三甲苯：水蒸汽＝0.05，在固定床反应器中考评，测得偏酐摩尔收率为66.9％，其考评结果详见表1。
本实施例与实施例10、实施例11相比可以看出，V、Ti、碱金属Na、VIB族Cr和Mo元素、非金属B和Si元素在提高偏酐收率具有非常好的协同作用。
【对比例2】
称取56g草酸和192ml蒸馏水于烧瓶中，搅拌升温至86℃，待草酸全部溶解后，配成草酸溶液。将1摩尔份数偏钒酸铵加入到配制好的草酸溶液中继续搅拌，得到草酸氧钒铵溶液。用将0.2摩尔份数硝酸锰和0.2摩尔份数硝酸钴加入溶液中，60℃下继续反应1h。将5摩尔份数二氧化钛加31ml蒸馏水研磨后加入反应体系，充分搅拌后制成浆状液，得到前驱体。将催化剂前驱体装入喷涂机中，均匀的喷涂在惰性载体碳化硅上。在马弗炉中570℃焙烧，自然冷却后得到催化剂。催化剂在反应温度400℃、空速3000h-1下，偏三甲苯：水蒸汽＝0.05，在固定床反应器中考评，测得偏酐摩尔收率为63.4％，其考评结果详见表1。
表1
Figure BDA0001684722230000091
Figure BDA0001684722230000101

Claims (6)

1.一种用于偏三甲苯催化氧化的催化剂，其特征在于，所述催化剂为以钒、钛元素为主催化元素的负载型催化剂，其活性组分包括钒元素，钛元素，碱金属元素，以及VIB族元素和非金属元素；催化剂的载体为惰性的碳化硅、α-氧化铝或瓷环；其中，所述非金属元素选自B、Si、As和Te中的至少一种，所述VIB族元素选自Cr、Mo和W中的至少一种；所述催化剂中钒元素、钛元素与碱金属元素的摩尔比例为1：（1-15）：（0.1-5），所述催化剂中钒元素与VIB族元素和非金属元素总和的摩尔比例为1：（0.01-1）。
2.如权利要求1所述用于偏三甲苯催化氧化的催化剂，其特征在于，所述碱金属元素选自Li、Na、K和Rb、Cs中的至少一种。
3.权利要求1-2中任一所述用于偏三甲苯催化氧化的催化剂的制备方法，包括几个步骤：
（1）将草酸溶解在蒸馏水中，得到草酸溶液；将钒源加入到草酸溶液中，得到混合溶液；将碱金属元素、VIB族元素、非金属元素化合物加入反应体系；
（2）将钛源加水研磨后缓慢滴加进入反应体系，充分搅拌后制成浆状液，得到催化剂前驱体；
（3）将催化剂前驱体喷涂到载体上，催化剂前驱体与载体的摩尔比为1:(1-10)，焙烧后得到催化剂。
4.如权利要求3所述用于偏三甲苯催化氧化的催化剂的制备方法，其特征在于，将催化剂前驱体装入喷涂机中，在140-330℃下加热后均匀的喷涂在载体上。
5.如权利要求3所述用于偏三甲苯催化氧化的催化剂的制备方法，其特征在于，将喷涂有催化剂前驱体的载体在马弗炉中焙烧，焙烧温度为420-630℃温度，焙烧时间为2-13h。
6.一种用于偏三甲苯催化氧化的方法，其特征在于，在权利要求1-2任一所述用于偏三甲苯催化氧化的催化剂存在下，以偏三甲苯、水蒸汽、空气为原料合成偏酐，采用固定床反应器，偏三甲苯与水蒸汽进料体积比为1：1-30，其反应工艺条件：空速为1000～10000 hr-1、反应温度为300～600 ℃，反应压力为常压。
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