CN114369005B - 一种环烷烃氧化脱氢制环己烯和苯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种环烷烃氧化脱氢制环己烯和苯的方法,以NiX水滑石为前驱体制备的NiX复合金属氧化物(NiX‑MO)为催化剂,Ni∶X的比例在1‑6之间可调控。其中NiX‑LDH是通过尿素水热法或沉淀法制备,NiX‑MO是通过焙烧该水滑石所得,焙烧温度为200‑700℃。本发明以N2O为氧化剂,可以有效控制制备硝酸和己二酸的过程中会有大量的N2O废气产生和排放,减少对臭氧层的破坏。本发明基于水滑石改进的镍基催化剂,连续运行300h催化剂无明显失活,环己烷转化率可达85%,选择性达到90%,减少产物分离成本,具有很好的工业应用前景。
Description
技术领域
本发明属于催化领域,具体涉及一种环己烷氧化脱氢制环己烯和苯的方法。
技术背景
N2O是一种温室效应气体,温室效应是CO2的300倍。在无人为因素影响下,可在自然界中存在约120年,对臭氧层的破坏极大。当前N2O的排放量以每年4.7~7百万吨的速度增长,其中60~70%是由人类活动产生的,尤其是在制备硝酸和己二酸的过程中会有大量的N2O废气产生和排放。目前N2O消除的方式包含热分解、催化分解、催化还原等方法。而将N2O作为一种弱的氧化剂用于反应中,既有利于N2O的消除,同时也有利于反应的进行,因此引起人们的关注和研究。
环己烯是一种重要的有机化工原料,广泛应用于医药、农药、燃料、洗涤剂、炸药、饲料添加剂、尼龙、聚酰胺、聚酯和其它精细化学品的生产。在诸多环己烯制备工艺中,苯选择加氢工艺是一种以廉价苯为原料选择加氢制备环己烯的方法,具有原子利用率高、节约氢源、副反应少、环境友好等特点,与传统环己烷制环己酮法相比具有明显优势。目前国内新建的环己烯装置都为苯部分加氢工艺。但在苯部分加氢过程中,会不可避免地产生环己烷。经过苯部分加氢催化剂不断优化,目前国内市场上环己烯的选择性基本维持在80%左右,也即20%苯转化为副产物环己烷。如将环己烷经过脱氢反应重新生成苯,可以有效提高原料的利用率。
但是,目前环烷烃脱氢催化剂存在的主要问题是,环烷烃分子量大,在常温下是液体,其催化剂在低温下活性差,而在高温下催化剂表面容易积炭造成催化剂失活较快,催化剂的活性、稳定性较差。
发明内容
针对以上问题,本发明旨在提出一种环己烷氧化脱氢制环己烯和苯的方法,以提高苯选择加氢制环己烯工艺中原料苯的利用率,降低生成成本。
为达到上述目的,本发明的技术方案具体如下:
一种环烷烃氧化脱氢制环己烯和苯的方法,以环烷烃为原料,以N2O为氧化剂,在催化剂的作用下,通过氧化脱氢反应得到环己烯和苯;所述催化剂是由NiO和助剂X组成的复合氧化物,表示为NiX-MO;其中,MO表示氧化物,助剂X为Al、Mg、Fe中的一种或一种以上的氧化物;Ni:X的摩尔比为1~6;所述催化剂NiX-MO是通过将水滑石NiX-LDH于200-700℃下焙烧1-6h后得到。
基于上述方案,优选地,焙烧气氛为空气。
基于上述方案,优选地,所述水滑石NiX-LDH采用尿素水热法制备,包括如下步骤:
1)将Ni的可溶性金属盐和X的可溶性金属盐按所需摩尔比溶于水中,得金属盐溶液;
2)将尿素溶于所述金属盐溶液中,搅拌均匀,得混合溶液;
3)将所述混合溶液于70-180℃的温度下晶化6-72h,过滤、洗涤、干燥,得到水滑石NiX-LDH。
基于上述方案,优选地,所述水滑石NiX-LDH采用共沉淀法制备,包括如下步骤:
1)将Ni的可溶性金属盐和X的可溶性金属盐按所需摩尔比溶于水中,得金属盐溶液;
2)将NaOH和Na2CO3溶液溶于水中,得碱溶液;
3)将所述金属盐溶液和碱溶液同时滴入容器中,控制滴定速度,使溶液pH保持在7-10.5,滴加完毕后搅拌1-5h,然后于70-180℃的温度下晶化6-72h,过滤、洗涤、干燥,得到水滑石前驱体NiX-LDH。
基于上述方案,优选地,步骤1)中,所述Ni的可溶性金属盐为硝酸镍或醋酸镍,所述X的可溶性金属盐为X的硝酸盐或醋酸盐。
基于上述方案,优选地,尿素与镍的摩尔比为1-100。
基于上述方案,优选地,所述环烷烃为环己烷。
基于上述方案,优选地,所述反应为连续固定床反应,原料N2O和环己烷流速比200-2000,通入固定床反应器中的气体总压力为微正压,反应温度300-600℃,产物选择性可调节,以气体总空速6000-36000h-1通过装有催化剂的固定床反应器。
有益效果
1.本发明以N2O作为氧化剂,相对于O2,N2O为氧化剂时选择性更高,主要可归结为以下两个原因:其一是N2O弱的氧化性在氧化过程中促进低价态的金属氧化物生成,有利于提高产物选择性;其二是N2O在金属氧化物表面分解倾向于形成单个或孤立的氧物种,可进一步提高产物选择性。
2.镍基水滑石前驱体的复合金属氧化物具有高比表面积、高分散性、良好的热稳定性。本发明所制备的催化剂中,NiO是P型半导体,本身具有较多的Ni空位会导致亲电氧物种的生成,这些亲电氧物种有利于C-H键的活化。以水滑石为前驱体制备的NiO基催化剂不仅有利于NiO的分散,同时也有利于弱氧化剂如N2O的分解。
3.本发明提供的环烷烃脱氢催化剂具有适当的酸性,在催化剂表面抑制积炭的大量产生,并且能够提高活性组分在载体表面的分散性,促进催化剂表面生成更多的活性相,提高催化剂的高温活性与稳定性。
4.本发明催化剂制备过程简单,可重复,具有较高的环己烷脱氢活性(大于85%)和产物选择性(大于90%)。同时催化剂具有非常好的稳定性,可以连续使用200h以上,而活性没有明显降低。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细说明,但这些实施例并不对本发明的内容构成限制。
实施例1
2NiAl-MO催化剂制备:将11.64g的Ni(NO3)2·6H2O和7.50g的Al(NO3)3·9H2O一起溶于500mL超纯水中,再将30g尿素一起溶于上述500mL的超纯水中。将溶液不断搅拌一段时间后,将盐溶液转移至带有聚四氟内衬水热釜中于90℃,晶化12h,降至室温后过滤、洗涤、干燥,得到的2NiAl-LDH水滑石前驱体,然后于500℃焙烧4h得到2NiAl-MO催化剂。
环己烷氧化实验在内径为6mm的石英管反应器中进行,催化剂为2NiAl-MO,其装填量为0.5ml,环己烷流量为0.1ml/min,N2O流速为90ml/min,反应温度为350℃。反应前环己烷经过180℃的预热炉进行预热后经过反应器。反应后利用气相色谱进行产物定性与定量分析。
实施例2
3NiAl-MO催化剂制备:将17.46g的Ni(NO3)2·6H2O和7.50g的Al(NO3)3·9H2O一起溶于500mL超纯水中,再将30g尿素一起溶于上述500mL的超纯水中。将溶液不断搅拌一段时间后,将盐溶液转移至带有聚四氟内衬水热釜中于90℃,晶化12h,降至室温后过滤、洗涤、干燥,得到的3NiAl-LDH水滑石前驱体,然后于500℃焙烧4h得到3NiAl-MO催化剂。
环己烷氧化实验在内径为6mm的石英管反应器中进行,催化剂为3NiAl-MO,其装填量为0.5ml,环己烷流量为0.1ml/min,N2O流速为90ml/min,反应温度为350℃。反应前环己烷经过180℃的预热炉进行预热后经过反应器。反应后利用气相色谱进行产物定性与定量分析。
实施例3
4NiAl-MO催化剂制备:将23.28g的Ni(NO3)2·6H2O和7.50g的Al(NO3)3·9H2O一起溶于500mL超纯水中,再将36g尿素一起溶于上述500mL的超纯水中。将溶液不断搅拌一段时间后,将盐溶液转移至带有聚四氟内衬水热釜中于90℃,晶化12h,降至室温后过滤、洗涤、干燥,得到的4NiAl-LDH水滑石前驱体,然后于500℃焙烧4h得到4NiAl-MO催化剂。
环己烷氧化实验在内径为6mm的石英管反应器中进行,催化剂为4NiAl-MO,其装填量为0.5ml,环己烷流量为0.1ml/min,N2O流速为90ml/min,反应温度为350℃。反应前环己烷经过180℃的预热炉进行预热后经过反应器。反应后利用气相色谱进行产物定性与定量分析。
实施例4
4NiA1-MO催化剂制备:将23.28g的Ni(NO3)2·6H2O和7.50g的Al(NO3)3·9H2O一起溶于500mL超纯水中,再将36g尿素一起溶于上述500mL的超纯水中。将溶液不断搅拌一段时间后,将盐溶液转移至带有聚四氟内衬水热釜中于90℃,晶化12h,降至室温后过滤、洗涤、干燥,得到的4NiAl-LDH水滑石前驱体,然后于500℃焙烧4h得到4NiAl-MO催化剂。
环己烷氧化实验在内径为6mm的石英管反应器中进行,催化剂为4NiAl-MO,其装填量为0.5ml,环己烷流量为0.1ml/min,N2O流速为60ml/min,反应温度为380℃。反应前环己烷经过180℃的预热炉进行预热后经过反应器。反应后利用气相色谱进行产物定性与定量分析。
实施例5
3NiMgAl-MO催化剂制备:将17.46g的Ni(NO3)2·6H2O,2.56g的Mg(NO3)2·6H2O和7.50g的Al(NO3)3·9H2O一起溶于500mL超纯水中,再将36g尿素一起溶于上述500mL的超纯水中。将溶液不断搅拌一段时间后,将盐溶液转移至带有聚四氟内衬水热釜中于90℃,晶化12h,降至室温后过滤、洗涤、干燥,得到的3NiMgAl-LDH水滑石前驱体,然后于500℃焙烧4h得到3NiMgAl-MO催化剂。
环己烷氧化实验在内径为6mm的石英管反应器中进行,催化剂为3NiMgAl-MO,其装填量为0.5ml,环己烷流量为0.1ml/min,N2O流速为90ml/min,反应温度为350℃。反应前环己烷经过180℃的预热炉进行预热后经过反应器。反应后利用气相色谱进行产物定性与定量分析。
实施例6
3NiFe-MO催化剂制备:将17.46g的Ni(NO3)2·6H2O和8.08g的Fe(NO3)3·9H2O一起溶于500mL超纯水中,再将36g尿素一起溶于上述500mL的超纯水中。将溶液不断搅拌一段时间后,将盐溶液转移至带有聚四氟内衬水热釜中于90℃,晶化12h,降至室温后过滤、洗涤、干燥,得到的3NiFe-LDH水滑石前驱体,然后于500℃焙烧4h得到3NiFe-MO催化剂。
环己烷氧化实验在内径为6mm的石英管反应器中进行,催化剂为3NiFe-MO,其装填量为0.5ml,环己烷流量为0.1ml/min,N2O流速为90ml/min,反应温度为350℃。反应前环己烷经过180℃的预热炉进行预热后经过反应器。反应后利用气相色谱进行产物定性与定量分析。
实施例7
3NiAl-MO催化剂共沉淀制备:将17.46g的Ni(NO3)2·6H2O和7.50g的Al(NO3)3·9H2O一起溶于500mL超纯水中,记为溶液A,将12.0g NaOH和2.0g Na2CO3溶于200ml纯水中,记为溶液B。采用共沉淀方法,同时滴加AB两种溶液,控制A的滴加速度为1.0ml/min,B的滴加速度为0.5ml/min,控制pH在9-10,滴加结束后继续搅拌2h。并于90℃,老化12h,降至室温后过滤、洗涤、干燥,得到的3NiAl-LDH水滑石前驱体,然后于500℃焙烧4h得到3NiA1-MO催化剂。
环己烷氧化实验在内径为6mm的石英管反应器中进行,催化剂为3NiAl-MO,其装填量为0.5ml,环己烷流量为0.1ml/min,N2O流速为90ml/min,反应温度为350℃。反应前环己烷经过180℃的预热炉进行预热后经过反应器。反应后利用气相色谱进行产物定性与定量分析。
实施例8
3NiAl-MO催化剂共沉淀制备:将17.46g的Ni(NO3)2·6H2O和7.50g的Al(NO3)3·9H2O一起溶于500mL超纯水中,记为溶液A,将12.0g NaOH和2.0g Na2CO3溶于200ml纯水中,记为溶液B。采用共沉淀方法,同时滴加AB两种溶液,控制A的滴加速度为1.0ml/min,B的滴加速度为0.5ml/min,控制pH在9-10,滴加结束后继续搅拌2h。并于90℃,老化12h,降至室温后过滤、洗涤、干燥,得到的3NiAl-LDH水滑石前驱体,然后于500℃焙烧4h得到3NiAl-MO催化剂。
环己烷氧化实验在内径为6mm的石英管反应器中进行,催化剂为3NiAl-MO,其装填量为0.5ml,环己烷流量为0.1ml/min,N2O流速为90ml/min,反应温度为350℃。反应前环己烷经过180℃的预热炉进行预热后经过反应器。反应300h后利用气相色谱进行产物定性与定量分析。
对比例1
3NiAl-MO催化剂机械混合研磨制备:将17.46g的Ni(NO3)2·6H2O和7.50g的Al(NO3)3·9H2O直接混合,研磨、干燥,得到的3NiAlOx复合氧化物前驱体,然后于500℃焙烧4h得到3NiAlOx催化剂。
环己烷氧化实验在内径为6mm的石英管反应器中进行,催化剂为3NiAlOx,其装填量为0.5ml,环己烷流量为0.1ml/min,N2O流速为90ml/min,反应温度为350℃。反应前环己烷经过180℃的预热炉进行预热后经过反应器。反应后利用气相色谱进行产物定性与定量分析。
表1.不同催化剂的反应性能
反应条件:300-500℃,GHSV=6000-30000h-1
Claims (4)
1.一种环烷烃氧化脱氢制环己烯和苯的方法,其特征在于:以环烷烃为原料,以N2O为氧化剂,在催化剂的作用下,通过氧化脱氢反应得到环己烯和苯;
所述环烷烃为环己烷;
所述反应为连续固定床反应,N2O和环己烷流速比为900,通入固定床反应器中的气体总压力为微正压,反应温度为350℃,气体总空速为6000-36000h-1;
所述催化剂是由Ni和助剂X组成的复合氧化物,表示为NiX-MO;其中,MO表示氧化物,助剂X为Al、Mg、Fe中的一种以上的金属;Ni:X的摩尔比为1~6;所述催化剂NiX-MO是通过将水滑石NiX-LDH于200-700℃下焙烧1-6h后得到;
所述水滑石NiX-LDH采用尿素水热法制备,包括如下步骤:
1)将Ni的可溶性金属盐和X的可溶性金属盐按所需摩尔比溶于水中,得金属盐溶液;
2)将尿素溶于所述金属盐溶液中,搅拌均匀,得混合溶液;
3)将所述混合溶液于70-180℃的温度下晶化6-72h,过滤、洗涤、干燥,得到水滑石NiX-LDH;
或者所述水滑石NiX-LDH采用共沉淀法制备,包括如下步骤:
1)将Ni的可溶性金属盐和X的可溶性金属盐按所需摩尔比溶于水中,得金属盐溶液;
2)将NaOH和Na2CO3溶液溶于水中,得碱溶液;
3)将所述金属盐溶液和碱溶液同时滴入容器中,控制滴定速度,使溶液pH保持在7-10.5,滴加完毕后搅拌1-5h,然后于70-180℃的温度下晶化6-72h,过滤、洗涤、干燥,得到水滑石前驱体NiX-LDH。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,焙烧气氛为空气。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤1)中,所述Ni的可溶性金属盐为硝酸镍或醋酸镍,所述X的可溶性金属盐为X的硝酸盐或醋酸盐。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:尿素与镍的摩尔比为1-100。
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GR01 | Patent grant | ||
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