CN111068644A - 一种均四甲苯氧化制均酐催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种以均四甲苯氧化制均酐催化剂及其制备方法。该催化剂活性组分由活性组元、助剂和复合氧化物载体组成,组成为:V‑Ma‑Ox/Ti‑Mb‑Ox。其中,V为活性组元,其在活性组分中含量为10~30wt%,Ma为助剂,选自Mo、W、P、Sb、Nb的一种或多种,助剂Ma与活性组元V的摩尔比为0.01~0.5;复合氧化物载体为Ti‑Mb‑Ox,Mb为Ce、Zr、Sn的一种或多种,Mb与Ti的摩尔比为0.1~0.8;通过共沉淀或溶胶凝胶法制得具有较高活化与传递氧物种能力的固溶体复合氧化物,然后与活性组元溶液混合得到活性组分浆料,再经喷涂在球形或环形催化剂载体上、干燥、焙烧制得催化剂。
Description
技术领域
本发明涉及催化剂技术领域,为一种以均四甲苯为原料生产均苯四甲酸二酐(简称均酐)的催化剂及其使用方法。
背景技术
均酐是合成聚酰亚胺的主要单体材料。聚酰亚胺具有较高的介电常数,优良的耐高温和耐低温性能,其使用温度范围达-269~500℃。聚酰亚胺具有良好的可加工性能,其制成品在航空、航天、微电子、纳米、液晶、分离膜、激光、柔性显示屏等重要领域均具有不可或缺的地位。随着国民经济的不断发展,均酐的需求和产能也在不断增加。
均酐主要采用均四甲苯氧化法生产,根据反应时原料物相的不同,氧化工艺可分为液相法和气相法。其中气相法可实现均四甲苯到均酐的一步转换,且无废溶剂产生,是目前主流的均酐生产方法。气相氧化催化剂一般均为负载于载体之上的V2O5-TiO2催化剂,其中V2O5提供活性位,TiO2作为V2O5的载体对钒物种起到分散的作用。均四甲苯氧化制均酐的理论质量收率达163wt%,然而由于催化剂性能水平的不足,在应用中装置中仅能达到理论收率的50~70%。
专利US 20170008866 A1及专利CN 106540679 A中,明确提及活性组元所使用的锐钛矿TiO2载体比表面积应在20m2/g左右。专利CN 1232033 A则提及较低比表面积的TiO2具有较少的微孔,有利于防止因微孔不易扩散导致的过度氧化反应。然而低比表面积TiO2载体的使用,必然影响活性组分活化传递氧物种的能力,制约催化剂活性的提高。
专利CN 1232033 A在制备中间层催化剂时,通过在活性组分浆液中添加Ce的方式在一定程度上改善了催化剂的性能。专利CN 108686686 A通过向悬浮喷涂液中加入SnCl4的方式制得含溶解态Sn的浆液,喷涂成型制得V-B-Sn-Na氧化物催化剂,催化剂对均酐的质量收率达到90wt%以上。专利CN 109158119A将Zr掺入活性组分,使催化剂的性能得到一定程度的提升。这些方法都在活性组分中加入这些助剂元素,在一定程度上提升了催化剂的性能,但助剂元素的使用会不可避免地覆盖活性位,且与TiO2接触也无法形成体相固溶体,限制了催化剂性能水平的进一步提高。
美国专利US 4665200中采用单一前驱物高温焙烧法制得了多种氧化物如TiO2、ZrO2及SnO2,并将这些氧化物单独或混合添加到活性组分浆液中用作活性组元的载体,并添加包括Ce在内的稀土元素,以提升催化剂反应性能。但单纯机械混合仅能在宏观角度体现载体效应,难以发挥各元素的协同效应,对催化剂性能的提升效果有限。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的在于开发一种具有较高均酐收率的均四甲苯氧化制均酐催化剂。
本发明均四甲苯氧化制均酐催化剂的制备原理是采用共沉淀、溶胶凝胶等方法生成含钛和铈、锆或锡的复合氧化物前驱体,通过焙烧的方式使其发生固相反应,促进铈、锆或锡等助剂与钛达到晶格级混溶,形成掺杂型固溶体复合氧化物结构。将固溶体复合氧化物与草酸氧钒、七钼酸铵、偏钨酸铵、磷酸二氢铵、醋酸锑和草酸铌铵等物料的溶液在高速搅拌下达到良好分散,形成稳定悬浊液。将该悬浊液在催化剂载体表面干燥或干燥后涂覆于载体表面得到最终具有涂层结构的催化剂。
本发明提供了一种均四甲苯氧化制均酐催化剂,该催化剂为由活性组分负载于球形或环形载体上而形成的涂层式结构;
其中催化剂活性组分由活性组元、助剂和复合氧化物载体组成,组成结构式子为:V-Ma-Ox/Ti-Mb-Ox,活性组分在催化剂中的负载量为5~20wt%;
活性组分中,V为催化剂的活性组元,其在活性组分中含量为10~30wt%,Ma为助剂,选自Mo、W、P、Sb、Nb的一种或多种,助剂Ma与活性组元V的摩尔比为0.01~0.5;复合氧化物载体为Ti-Mb-Ox,Mb为Ce、Zr、Sn的一种或多种,Mb与Ti的摩尔比为0.1~0.8,其中Mb达到晶格级混溶形成固溶体复合氧化物;V-Ma-Ox与Ti-Mb-Ox质量比为0.1:1~0.5:1;
催化剂载体采用α-Al2O3、Si-Al、SiC等惰性无孔材质,形状为直径为5~8mm的球形或外径×长度×内径为6~7mm×6~7mm×3~5mm的拉西环形。
本发明还提供了上述催化剂的一种制备方法,该方法包含如下步骤:
(1)复合氧化物载体的制备:将一定比例的硫酸氧钛和硝酸铈、硝酸氧锆或氯化亚锡溶于水形成混合溶液,在40~70℃下将沉淀剂缓慢加入到混合溶液中直至pH到8~10;将沉淀物过滤、洗涤、干燥后进行焙烧得到最终复合氧化物固溶体;
(2)活性组分浆液的制备:搅拌下将草酸溶于60~80℃的去离子水中,缓慢加入偏钒酸铵生成草酸氧钒铵水溶液,草酸、去离子水和钒元素的摩尔比为1:20~40:0.4~0.5。按照化学计量比将七钼酸铵、偏钨酸铵、磷酸二氢铵、三氧化二锑和草酸铌依次加入到溶液中并使之完全溶解;按照化学计量比向溶液中加入Ti-Mb-Ox复合氧化物,研磨并搅拌均匀得到活性组分浆液;
(3)催化剂的制备:在糖衣机中放入催化剂载体,开启加热并将载体预热至200~300℃,采用喷枪将活性组分浆液喷到载体上,干燥后得到催化剂前驱体,最后将该前驱体焙烧后得最终催化剂。
上述催化剂制备方法中,所述的沉淀剂优选选自氨水、碳酸钠或氢氧化钠的一种或多种。
所述的复合氧化物焙烧温度为550~700℃,焙烧时间2~6h。
催化剂焙烧温度为450~550℃,焙烧时间1~6h。
本发明催化剂均四甲苯氧化制均酐催化剂,与现有技术相比,其使用固溶体复合氧化物作为活性组元的载体,通过将Ce、Zr等载体助剂掺杂到二氧化钛晶格中形成固溶体型复合氧化物,大大提高了载体活化传递氧物种的能力,进而提升了活性中心的反应活性,保证了均四甲苯到均酐的完全转化催化剂的反应性能大大提高。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明技术方案做进一步说明。
实施例1
将241g硫酸氧钛加入到1.5L去离子水中搅拌使之溶解,再将65.1g硝酸铈加入到溶液中形成混合溶液,再将混合溶液加热到50℃并保温。将25%的浓氨水滴加到上述混合溶液中,直至pH为9。将上述沉淀过滤、洗涤至滤液pH呈中性。滤饼在120℃烘干5h后放入马弗炉中600℃焙烧4h即得到Ti-Ce-Ox复合氧化物。
将500mL去离子水加热至80℃,加入128g草酸并搅拌使之溶解,然后缓慢加入46.8g偏钒酸铵,搅拌反应30min后,依次加入1.15g磷酸二氢铵、7.04g七钼酸铵、0.58g三氧化二锑和4.3g草酸铌并搅拌使之溶解。向溶液中加入120g制备好的Ti-Ce-Ox复合氧化物载体,放入球磨机中研磨后得到均一悬浊液。
称取500g外径×长度×内径为6mm×6mm×5mm的拉西环形催化剂载体放入成型机中,开启加热将载体预热至240℃后,向成型机内喷入活性组分悬浊液,待载体增重12%后停止喷涂得到催化剂前驱体。最后将前驱体放入马弗炉中在500℃下焙烧4h得到最终涂层催化剂。
将50mL该催化剂装入内径为25mm的反应管中,通入反应气体开始反应。反应条件为:反应温度400℃,均四甲苯浓度20g/m3,反应空速=5000h-1。反应结束后测得均酐质量收率为105.1%。
实施例2
将224g硫酸氧钛加入到1.5L去离子水中搅拌使之溶解,再将86.8g硝酸铈和34.9g硝酸氧锆加入到溶液中形成混合溶液,再将混合溶液加热到50℃并保温。将25%的浓氨水滴加到上述混合溶液中,直至pH为9。将上述沉淀过滤、洗涤至滤液pH呈中性。滤饼在120℃烘干5h后放入马弗炉中600℃焙烧4h即得到Ti-Ce-Zr-Ox复合氧化物。
将500mL去离子水加热至80℃,加入120g草酸并搅拌使之溶解,然后缓慢加入49.1g偏钒酸铵,搅拌反应30min后,依次加入3.45g磷酸二氢铵、8.51g七钼酸铵、0.88g三氧化二锑和5.38g草酸铌并搅拌使之溶解。向溶液中加入125g制备好的Ti-Ce-Zr-Ox复合氧化物载体,放入球磨机中研磨后得到均一悬浊液。
称取500g外径×长度×内径为6mm×6mm×5mm的拉西环形催化剂载体放入成型机中,开启加热将载体预热至240℃后,向成型机内喷入活性组分悬浊液,待载体增重12%后停止喷涂得到催化剂前驱体。最后将前驱体放入马弗炉中在500℃下焙烧4h得到最终涂层催化剂。
将50mL该催化剂装入内径为25mm的反应管中,通入反应气体开始反应。反应条件为:反应温度400℃,均四甲苯浓度20g/m3,反应空速=5000h-1。反应结束后测得均酐质量收率为112.5%。
实施例3
将224g硫酸氧钛加入到1.5L去离子水中搅拌使之溶解,再将112.5g氯化亚锡加入到溶液中形成混合溶液,再将混合溶液加热到40℃并保温。将1mol/L的氢氧化钠水溶液滴加到上述混合溶液中,直至pH为10。将上述沉淀过滤、洗涤至滤液中检测不到氯离子。滤饼在120℃烘干5h后放入马弗炉中650℃焙烧4h即得到Ti-Sn-Ox复合氧化物。
将500mL去离子水加热至80℃,加入128g草酸并搅拌使之溶解,然后缓慢加入58.5g偏钒酸铵,搅拌反应30min后,依次加入8.05g磷酸二氢铵、5.28g七钼酸铵、4.96g偏钨酸铵和5.38g草酸铌并搅拌使之溶解。向溶液中加入140g制备好的Ti-Sn-Ox复合氧化物载体,放入球磨机中研磨后得到均一悬浊液。
称取500g尺寸为外径×长度×内径为7mm×7mm×5mm的拉西环形催化剂载体放入成型机中,开启加热将载体预热至240℃后,向成型机内喷入活性组分悬浊液,待载体增重13%后停止喷涂得到催化剂前驱体。最后将前驱体放入马弗炉中在500℃下焙烧4h得到最终涂层催化剂。
将50mL该催化剂装入内径为25mm的反应管中,通入反应气体开始反应。反应条件为:反应温度400℃,均四甲苯浓度20g/m3,反应空速=5000h-1。反应结束后测得均酐质量收率为103.8%。
实施例4
将192g硫酸氧钛加入到1.5L去离子水中搅拌使之溶解,再将74.7g硝酸氧锆加入到溶液中形成混合溶液,再将混合溶液加热到55℃并保温。将25%的浓氨水滴加到上述混合溶液中,直至pH为9。将上述沉淀过滤、洗涤至滤液pH呈中性。滤饼在120℃烘干5h后放入马弗炉中700℃焙烧4h即得到Ti-Zr-Ox复合氧化物。
将500mL去离子水加热至80℃,加入115g草酸并搅拌使之溶解,然后缓慢加入46.8g偏钒酸铵,搅拌反应30min后,依次加入6.9g磷酸二氢铵和7.04g七钼酸铵。向溶液中加入115g制备好的Ti-Zr-Ox复合氧化物载体,放入球磨机中研磨后得到均一悬浊液。
称取500g尺寸为外径×长度×内径为6mm×6mm×4mm的拉西环形催化剂载体放入成型机中,开启加热将载体预热至240℃后,向成型机内喷入活性组分悬浊液,待载体增重11%后停止喷涂得到催化剂前驱体。最后将前驱体放入马弗炉中在500℃下焙烧4h得到最终涂层催化剂。
将50mL该催化剂装入内径为25mm的反应管中,通入反应气体开始反应。反应条件为:反应温度400℃,均四甲苯浓度20g/m3,反应空速=5000h-1。反应结束后测得均酐质量收率为108.7%。
对比例1
将500mL去离子水加热至80℃,加入128g草酸并搅拌使之溶解,然后缓慢加入46.8g偏钒酸铵,搅拌反应30min后,依次加入1.15g磷酸二氢铵、7.04g七钼酸铵、0.58g三氧化二锑、4.3g草酸铌和65.1g硝酸铈并搅拌使之溶解。向溶液中加入100g锐钛矿二氧化钛载体,放入球磨机中研磨后得到均一悬浊液。
称取500g尺寸为外径×长度×内径为6mm×6mm×5mm的拉西环形催化剂载体放入成型机中,开启加热将载体预热至240℃后,向成型机内喷入活性组分悬浊液,待载体增重12%后停止喷涂得到催化剂前驱体。最后将前驱体放入马弗炉中在500℃下焙烧4h得到最终涂层催化剂。
将50mL该催化剂装入内径为25mm的反应管中,通入反应气体开始反应。反应条件为:反应温度400℃,均四甲苯浓度20g/m3,反应空速=5000h-1。反应结束后测得均酐质量收率为95.2%。
Claims (5)
1.一种均四甲苯氧化制均酐催化剂,其特征在于:由活性组分负载于球形或环形载体上而形成的涂层式结构,
活性组分由活性组元、助剂和复合氧化物载体组成,组成结构式为:V-Ma-Ox/Ti-Mb-Ox,活性组分负载量为5~20wt%;
其中,V为催化剂的活性组元,其在活性组分中含量为10~30wt%,Ma为助剂,选自Mo、W、P、Sb、Nb的一种或多种,助剂Ma与活性组元V的摩尔比为0.01~0.5;复合氧化物载体为Ti-Mb-Ox,Mb为Ce、Zr、Sn的一种或多种,Mb与Ti的摩尔比为0.1~0.8,其中Mb达到晶格级混溶形成固溶体复合氧化物;V-Ma-Ox与Ti-Mb-Ox质量比为0.1:1~0.5:1;
催化剂载体采用α-Al2O3、Si-Al、SiC惰性无孔材质,形状为直径5~8mm的球形或外径×长度×内径为6~7mm×6~7mm×3~5mm的拉西环形。
2.一种权利要求1所述均酐催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)复合氧化物载体的制备:将一定比例的硫酸氧钛和硝酸铈、硝酸氧锆或氯化亚锡溶于水形成混合溶液,在20~60℃下将沉淀剂缓慢加入到混合溶液中直至pH到8~10;将沉淀物过滤、洗涤、干燥后进行焙烧得到最终复合氧化物固溶体。
(2)活性组分浆液的制备:搅拌下将草酸溶于60~80℃的去离子水中,缓慢加入偏钒酸铵生成草酸氧钒铵水溶液,草酸、去离子水和钒元素的摩尔比为1:20~40:0.4~0.5;按照化学计量比将七钼酸铵、偏钨酸铵、磷酸二氢铵、三氧化二锑和草酸铌依次加入到溶液中并使之完全溶解;按照化学计量比向溶液中加入Ti-Mb-Ox复合氧化物,搅拌均匀得到活性组分浆液;
(3)催化剂的制备:在糖衣机中放入催化剂载体,开启加热并将载体预热至200~300℃,采用喷枪将活性组分浆液喷到载体上,干燥后得到催化剂前驱体,最后将该前驱体焙烧后得最终催化剂。
3.按照权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述的沉淀剂选自氨水、碳酸钠或氢氧化钠的一种或多种。
4.按照权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述的复合氧化物焙烧温度为550~700℃,焙烧时间2~6h。
5.按照权利要求2所述的制备方法,其特征在于,催化剂焙烧温度为450~550℃,焙烧时间1~6h。
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