CN115518661B - 耐硫变换催化剂及制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耐硫变换催化剂及制备方法和应用,属于催化剂技术领域。本发明所述的耐硫变换催化剂,由载体、活性组分和助剂制成,以氧化铝、氧化镁和氧化钛为载体;以钴钼氧化物和硫化物为活性组分,以稀土为助剂。本发明所述的耐硫变换催化剂,硫化温度低,含硫量高,催化效率高;本发明同时提供了一种耐硫变换催化剂的制备方法和应用,其简单易行,采用预硫化工艺,在催化剂内孔形成单质硫的保护膜,使活性组分硫化物能在空气中保持稳定,常温条件下能够在空气中稳定存在,便于运输和储藏,工业应用时不需进行专门硫化,可显著减少装置开工时间,具有良好的经济效益和应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐硫变换催化剂及制备方法和应用,属于催化剂技术领域。
背景技术
钴钼系耐硫宽温变换催化剂主要用于以重油、渣油、煤等重质原料制取原料气化工过程,比Fe系高温变换催化剂起活温度低,与Cu系低温变换催化剂相当,且其耐热性好,具有很宽的活性温区,几乎覆盖了Fe系高温变换催化剂和Cu系低温变换催化剂整个活性温区。此外,该类催化剂最突出的优点是耐硫和抗毒性能强,强度高和使用寿命长等。硫化是钴钼系耐硫变换催化剂必须经历的一个过程,该过程可将氧化态的钴钼活性组分转变成硫化态,使其具有变换活性,而耐硫变换催化剂硫化过程及效果的好坏,直接影响催化剂的使用性能。
催化剂硫化过程分为反应器内在线硫化过程和器外预硫化过程,器外预硫化技术由于可以提高硫化剂利用率、减少硫化剂用量、减轻环境污染、降低开工费用并缩短开工周期等优势,近年来受到越来越多应用。器外预硫化技术也可分为两大类,一类以元素硫、有机多硫化物、无机硫化物和硫化氢等硫化剂进行负载的器外预硫化技术。另一类则为催化剂经正常硫化后,经钝化或其它预处理,进而改善硫化态催化剂的稳定性和初期活性,方便催化剂存储和运输的技术。其中负载含硫化合物的预硫化方式因其硫化物种类多杂,在工业装置升温过程中易随气体流失,造成硫化程度较低,影响其变换活性和使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐硫变换催化剂,其硫化温度低,含硫量高,催化效率高;本发明同时提供了一种耐硫变换催化剂的制备方法和应用,其简单易行,采用预硫化工艺,在催化剂内孔形成单质硫的保护膜,使活性组分硫化物能在空气中保持稳定,常温条件下能够在空气中稳定存在,便于运输和储藏,工业应用时不需进行专门硫化,可显著减少装置开工时间,具有良好的经济效益和应用前景。
本发明所述的耐硫变换催化剂,由载体、活性组分和助剂制成,以氧化铝、氧化镁和氧化钛为载体;以钴钼氧化物和硫化物为活性组分,以稀土为助剂。
优选的,钴氧化物中钴金属含量与钼氧化物中钼金属质量含量比为1:1.5-4。
优选的,稀土为含镧的氧化物。
优选的,所述的耐硫变换催化剂,包括以下质量百分含量的组分:
Co金属含量1.0-5.0wt.%,
Mo金属含量4~10wt.%,
Mg金属含量3.0-12.0wt.%,
Al金属含量20.0-35.0wt.%,
Ti金属含量为5.0-15.0wt.%,
S含量为8.0-12.0wt.%,
稀土含量为0.1-0.5wt.%,
余量为氧。
所述的耐硫变换催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)将柠檬酸溶于去离子水中形成溶液A,然后分别将硝酸钴、稀土助剂和钼酸铵溶于去离子水中,先后倒入溶液A中,在35-45℃条件下边加边搅拌,并恒温一段时间;之后升温至60-80℃,继续搅拌老化,直至形成凝胶,在105-120℃条件下烘干,并粉碎至200-250目;
(2)将上述活性金属粉末与粉末状的含铝化合物、含镁化合物、含钛化合物混合,然后加入粘结剂和助挤剂,混合均匀,挤条成型、干燥、焙烧,得到氧化态催化剂;
(3)取硫代硫酸铵溶于水中,作为溶液B;取氧化态催化剂按照其吸水率进行等量浸渍,并在30-60℃下烘干;
(4)将硫磺溶于CS2溶液中,作为溶液C;将烘干后的催化剂放入溶液C中进行第二次等量浸渍;本步骤用含硫的CS2溶液浸渍后不需要烘干,直接进行催化剂预硫化处理;
(5)将浸渍完成的催化剂放入预硫化处理装置中,在含氢气的氮气环境中,先升温至120-140℃,恒温2-4h,再升温至170-190℃,恒温3-5h,将温度降至常温,得到含部分活性硫化物的预硫化催化剂。
优选的,步骤(1)中,柠檬酸与活性组分质量总量质量比为1:0.4-1.0。
优选的,含铝化合物为拟薄水铝石、氧化铝或铝胶,进一步优选为拟薄水铝石。
优选的,镁化合物为轻质氧化镁、碳酸镁或氢氧化镁,进一步优选为轻质氧化镁。
优选的,含钛化合物为偏钛酸或氧化钛,进一步优选为偏钛酸。
优选的,粘结剂为水、醋酸、柠檬酸、草酸或硝酸中的一种或多种,进一步优选为柠檬酸和/或草酸,制备过程中的重量添加量为1~5%,优选2~4%。粘结剂与主体催化剂组分配伍良好,确保催化剂具有较高的强度和良好的稳定性。
优选的,助挤剂为田菁粉、柠檬酸、淀粉或蔗糖,进一步优选为田菁粉,制备过程中的重量添加量为1~8%,优选3~6%。
优选的,硫代硫酸铵的用量为催化剂用量的10-30wt%、硫磺的用量为催化剂用量的8-18wt%。
优选的,步骤(3)中,烘干温度为50℃。
优选的,步骤(5)中,预硫化处理时,氢气体积含量为20-60%,进一步优选为40%,升温速率为30-40℃/h。
本发明制备的预硫化催化剂的比表面积为60m2/g~120m2/g,孔容不低于0.30mL/g。催化剂外观可为条形、三叶草、四叶草型或球形等。
将所述的耐硫变换催化剂应用于耐硫变换反应时,不需进行专门硫化。
本发明以氧化铝、氧化镁和氧化钛为载体主要结构,以钴钼氧化物和硫化物为活性组分,而活性组分以钙钛矿结构加入载体物料中,活性组分和助剂分散均匀,配伍适中,在活性组分和载体协同作用下,其硫化温度大大降低,使其更容易在低温条件下形成部分活性组分硫化物;本发明在预硫化处理时,可于低温条件下形成部分活性组分硫化物,催化剂硫化度高,在其催化剂内孔形成单质硫的保护膜,使活性组分硫化物能在空气中保持稳定。
本发明制备的催化剂在工业装置上使用时,在氮气升温过程中催化剂内孔硫保护膜稳定不流失,工艺气开工导气时,所形成的保护膜可与工艺气中氢气反应生成硫化氢,同时依靠变换反应热和硫化氢生成反应热短时间提高内孔温度,在孔道内部完成催化剂的活性组分原位高温深度硫化,强化催化剂硫化效果。该催化剂制备方法简单,安全,含硫量高,活性硫化物分散均匀,催化剂预硫化时间短,常温条件下能够在空气中稳定存在,便于运输和储藏,工业应用时不需进行专门硫化,可显著减少装置开工时间,具有良好的经济效益和应用前景。
本发明具有以下有益效果:
(1)所述的耐硫变换催化剂,硫化温度低,含硫量高,催化效率高;
(2)所述的耐硫变换催化剂的制备方法简单易行,采用预硫化工艺,在催化剂内孔形成单质硫的保护膜,使活性组分硫化物能在空气中保持稳定,常温条件下能够在空气中稳定存在,便于运输和储藏;
(3)将所述的耐硫变换催化剂应用工业时,不需进行专门硫化,可显著减少装置开工时间,具有良好的经济效益和应用前景。
附图说明
图1对本发明制备的催化剂进行加压评价时的装置示意图;
图中:1、原料气净化器;2、减压器;3、混合器;4、压力表;5、停工阀;6、加热炉;7、反应管;8、管内热偶管;9、冷凝器;10、分离器;11、排液器;12、湿式流量计;13、汽化器;14、水槽;15、水计量泵。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明,但其并不限制本发明的实施。
实施例1
将18g柠檬酸溶于60mL去离子水中形成溶液A,然后分别将12g硝酸钴溶于15mL去离子水中、0.3g硝酸镧溶于10mL去离子水中,8.5g七钼酸铵溶于25mL去离子水中,并先后缓慢倒入溶液A当中,在40℃条件下边加边搅拌,并恒温1h,之后升温至70℃,继续搅拌老化2h,直至形成凝胶,在120℃条件下烘干,并粉碎至220目。将上述活性金属粉末与60g拟薄水铝石粉末、14g轻质氧化镁粉末和15g偏钛酸粉末混合,加入6g田菁粉混合均匀,然后将3g柠檬酸和2g草酸溶于14mL去离子水中,加入到以上粉料中,捏合均匀,挤条成型、干燥、焙烧,得到氧化态催化剂。
取28g硫代硫酸铵溶于45mL去离子水中,作为溶液B;取100g氧化态钴钼系耐硫变换催化,按照其吸水率48%进行等量浸渍,并在50℃烘干。
将12g硫磺溶于40mL的CS2溶液中,作为溶液C;将烘干后的催化剂放入溶液B中进行第二次浸渍。
将浸渍完成的催化剂放入预硫化处理装置中,在含40%氢气的氮气环境中,按照升温速率30℃,升温至120℃,恒温2h,再升温至180℃,恒温3h,将温度降至常温,得到含部分活性硫化物的预硫化催化剂S1。
实施例2
将13g柠檬酸溶于55mL去离子水中形成溶液A,然后分别将25g硝酸钴溶于15mL去离子水中、0.6g硝酸镧溶于10mL去离子水中,13.8g七钼酸铵溶于30mL去离子水中,并先后缓慢倒入溶液A当中,在35℃条件下边加边搅拌,并恒温1h,之后升温至80℃,继续搅拌老化2h,直至形成凝胶,在110℃条件下烘干,并粉碎至220目。将上述活性金属粉末与81g拟薄水铝石粉末、14.0g碳酸镁粉末和21g偏钛酸粉末混合,加入6g淀粉混合均匀,然后将2g柠檬酸和3g草酸溶于15mL去离子水中,加入到以上粉料中,捏合均匀,挤条成型、干燥、焙烧,得到氧化态催化剂。
取12g硫代硫酸铵溶于45mL去离子水中,作为溶液B;取100g氧化态钴钼系耐硫变换催化剂,按照其吸水率47%进行等量浸渍,并在30℃烘干。
将15g硫磺溶于40mL的CS2溶液中,作为溶液C;将烘干后的催化剂放入溶液B中进行第二次浸渍。
将浸渍完成的催化剂放入预硫化处理装置中,在含60%氢气的氮气环境中,按照升温速率40℃,升温至100℃,恒温2h,再升温至190℃,恒温3h,将温度降至常温,得到含部分活性硫化物的预硫化催化剂S2。
实施例3
将18g柠檬酸溶于45mL去离子水中形成溶液A,然后分别将4.9g硝酸钴溶于12mL去离子水中、1.5g硝酸镧溶于15mL去离子水中,7.5g七钼酸铵溶于20mL去离子水中,并先后缓慢倒入溶液A当中,在35℃条件下边加边搅拌,并恒温1h,之后升温至60℃,继续搅拌老化2h,直至形成凝胶,在105℃条件下烘干,并粉碎至220目。将上述活性金属粉末与47g活性氧化铝粉末、17g轻质氧化镁粉末和22g氧化钛粉末混合,加入8g田菁粉和1g蔗糖混合均匀,然后将1g柠檬酸溶于5mL去离子水中,加入到以上粉料中,再加入5mL稀硝酸,捏合均匀,挤条成型、干燥、焙烧,得到氧化态催化剂。
取18g硫代硫酸铵溶于45mL去离子水中,作为溶液B;取100g氧化态钴钼系耐硫变换催化剂,按照其吸水率45%进行等量浸渍,并在30℃烘干。
将10g硫磺溶于40mL的CS2溶液中,作为溶液C;将烘干后的催化剂放入溶液B中进行第二次浸渍。
将浸渍完成的催化剂放入预硫化处理装置中,在含30%氢气的氮气环境中,按照升温速率35℃,升温至140℃,恒温2h,再升温至160℃,恒温3h,将温度降至常温,得到含部分活性硫化物的预硫化催化剂S3。
实施例4
将20g柠檬酸溶于60mL去离子水中形成溶液A,然后分别将12g硝酸钴溶于15mL去离子水中、0.3g硝酸镧溶于10mL去离子水中,8.5g七钼酸铵溶于25mL去离子水中,并先后缓慢倒入溶液A当中,在45℃条件下边加边搅拌,并恒温1h,之后升温至75℃,继续搅拌老化2h,直至形成凝胶,在120℃条件下烘干,并粉碎至220目。将上述活性金属粉末与84g铝胶粉末、14g氢氧化镁粉末和15g偏钛酸粉末混合,加入6g田菁粉和1g淀粉混合均匀,然后将3g柠檬酸和2mL醋酸溶于10mL去离子水中,加入到以上粉料中,捏合均匀,挤条成型、干燥、焙烧,得到氧化态催化剂。
取8g硫代硫酸铵溶于45mL去离子水中,作为溶液B;取100g氧化态钴钼系耐硫变换催化剂,按照其吸水率45%进行等量浸渍,并在30℃烘干。
将18g硫磺溶于40mL的CS2溶液中,作为溶液C;将烘干后的催化剂放入溶液B中进行第二次浸渍。
将浸渍完成的催化剂放入预硫化处理装置中,在含30%氢气的氮气环境中,按照升温速率35℃,升温至140℃,恒温2h,再升温至160℃,恒温3h,将温度降至常温,得到含部分活性硫化物的预硫化催化剂S4。
对比例1
取28g硫代硫酸铵溶于45mL去离子水中,作为溶液B;取100g科力公司生产的氧化态钴钼系耐硫变换催化剂QCS-03,按照其吸水率45%进行等量浸渍,并在50℃烘干。
将12g硫磺溶于40mL的CS2溶液中,作为溶液C;将烘干后的催化剂放入溶液B中进行第二次浸渍。
将浸渍完成的催化剂放入预硫化处理装置中,在含40%氢气的氮气环境中,按照升温速率30℃,升温至120℃,恒温2h,再升温至180℃,恒温3h,将温度降至常温,得到含部分活性硫化物的预硫化催化剂D1。
对比例2
将12g硝酸钴、0.3g硝酸镧和8.5g七钼酸铵溶于50mL浓氨水中形成溶液A,将60g拟薄水铝石粉末、14g轻质氧化镁粉末、15g偏钛酸粉末和6g田菁粉混合均匀,加入溶液A捏合均匀,后将3g柠檬酸和2g草酸溶于10mL去离子水中,加入到以上物料中,继续捏合均匀,挤条成型、干燥、焙烧,得到氧化态催化剂。
取28g硫代硫酸铵溶于45mL去离子水中,作为溶液B;取100g氧化态钴钼系耐硫变换催化剂,按照其吸水率45%进行等量浸渍,并在50℃烘干。
将12g硫磺溶于40mL的CS2溶液中,作为溶液C;将烘干后的催化剂放入溶液B中进行第二次浸渍。
将浸渍完成的催化剂放入预硫化处理装置中,在含40%氢气的氮气环境中,按照升温速率30℃,升温至120℃,恒温2h,再升温至180℃,恒温3h,将温度降至常温,得到含部分活性硫化物的预硫化催化剂D2。
对比例3
将30g柠檬酸溶于80mL去离子水中形成溶液A,然后分别将12g硝酸钴溶于15mL去离子水中、0.3g硝酸镧溶于10mL去离子水中,8.5g七钼酸铵溶于25mL去离子水中,并先后缓慢倒入溶液A当中,在40℃条件下边加边搅拌,并恒温1h,之后升温至70℃,继续搅拌老化2h,直至形成凝胶,在120℃条件下烘干,并粉碎至220目。将上述活性金属粉末与60g拟薄水铝石粉末、14g轻质氧化镁粉末和15g偏钛酸粉末混合,加入6g田菁粉混合均匀,然后将3g柠檬酸和2g草酸溶于14mL去离子水中,加入到以上粉料中,捏合均匀,挤条成型、干燥、焙烧,得到氧化态催化剂。
取28g硫代硫酸铵溶于45mL去离子水中,作为溶液B;取100g氧化态钴钼系耐硫变换催化剂,按照其吸水率45%进行等量浸渍,并在60℃烘干。
将12g硫磺溶于40mL的CS2溶液中,作为溶液C;将烘干后的催化剂放入溶液B中进行第二次浸渍。
将浸渍完成的催化剂放入预硫化处理装置中,在含40%氢气的氮气环境中,按照升温速率30℃,升温至120℃,恒温2h,再升温至180℃,恒温3h,将温度降至常温,得到含部分活性硫化物的预硫化催化剂D3。
对比例4
将20g柠檬酸溶于60mL去离子水中形成溶液A,然后分别将12g硝酸钴溶于15mL去离子水中、0.3g硝酸镧溶于10mL去离子水中,8.5g七钼酸铵溶于25mL去离子水中,并先后缓慢倒入溶液A当中,在40℃条件下边加边搅拌,并恒温1h,之后升温至70℃,继续搅拌老化2h,直至形成凝胶,在120℃条件下烘干,并粉碎至220目。将上述活性金属粉末与60g拟薄水铝石粉末和14g轻质氧化镁粉末混合,加入6g田菁粉混合均匀,然后将3g柠檬酸和2g草酸溶于14mL去离子水中,加入到以上粉料中,捏合均匀,挤条成型、干燥、焙烧,得到氧化态催化剂。
取28g硫代硫酸铵溶于45mL去离子水中,作为溶液B;取100g氧化态钴钼系耐硫变换催化剂,按照其吸水率45%进行等量浸渍,并在60℃烘干。
将12g硫磺溶于40mL的CS2溶液中,作为溶液C;将烘干后的催化剂放入溶液B中进行第二次浸渍。
将浸渍完成的催化剂放入预硫化处理装置中,在含40%氢气的氮气环境中,按照升温速率30℃,升温至120℃,恒温2h,再升温至180℃,恒温3h,将温度降至常温,得到含部分活性硫化物的预硫化催化剂D4。
采用加压评价装置测试本发明实施例及对比例中催化剂的物化性能及300℃时的CO变换率结果见表1。
其中原料气组成:
CO含量:50.0%;
CO2含量:3.0%;
H2S含量:>0.2%;
余量:H2。
催化剂装填量:50mL;
升温过程:采用氮气升温至220℃时开始切换工艺气并进水测试。
催化剂加压评价条件:
入口温度:300℃;压力:4.0MPa;水/气:1.2;
干气空速:3000h-1;H2S含量:0.2%~0.3%;时间:40h。
表1催化剂加压活性及硫含量
实施例 | 催化剂编号 | 300℃时CO变换率,% | 催化剂中硫含量,% |
1 | S1 | 93.5 | 11.2 |
2 | S2 | 93.3 | 12.0 |
3 | S3 | 93.2 | 10.8 |
4 | S4 | 93.4 | 11.6 |
5 | D1 | 93.0 | 10.2 |
6 | D2 | 92.9 | 9.4 |
7 | D3 | 92.2 | 11.2 |
8 | D4 | 91.4 | 11.0 |
从表1的评价结果可以看出,本申请催化剂的综合物化性能及300℃时CO变换率及硫含量等综合效果要明显好于对比例。
Claims (5)
1.一种耐硫变换催化剂,由载体、活性组分和助剂制成,其特征在于:以氧化铝、氧化镁和氧化钛为载体;以钴钼氧化物和硫化物为活性组分,以稀土为助剂;
钴氧化物中钴金属含量与钼氧化物中钼金属质量含量比为1:1.5-4;
稀土为含镧的氧化物;
所述的耐硫变换催化剂,包括以下质量百分含量的组分:
Co金属含量1.0-5.0wt.%,
Mo金属含量4~10wt.%,
Mg金属含量3.0-12.0wt.%,
Al金属含量20.0-35.0wt.%,
Ti金属含量为5.0-15.0wt.%,
S含量为8.0-12.0wt.%,
稀土含量为0.1-0.5wt.%,
余量为氧;
所述的耐硫变换催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)将柠檬酸溶于去离子水中形成溶液A,然后分别将硝酸钴、稀土助剂和钼酸铵溶于去离子水中,先后倒入溶液A中,在35-45℃条件下边加边搅拌,并恒温一段时间;之后升温至60-80℃,继续搅拌老化,直至形成凝胶,在105-120℃条件下烘干,并粉碎至200-250目;
(2)将步骤(1)得到的粉末与粉末状的含铝化合物、含镁化合物、含钛化合物混合,然后加入粘结剂和助挤剂,混合均匀,挤条成型、干燥、焙烧,得到氧化态催化剂;
(3)取硫代硫酸铵溶于水中,作为溶液B;取氧化态催化剂按照其吸水率进行等量浸渍,并在30-60℃下烘干;
(4)将硫磺溶于CS2溶液中,作为溶液C;将烘干后的催化剂放入溶液C中进行第二次等量浸渍;
(5)将浸渍完成的催化剂放入预硫化处理装置中,在含氢气的氮气环境中,先升温至120-140℃,恒温2-4h,再升温至170-190℃,恒温3-5h,将温度降至常温,得到含部分活性硫化物的所述耐硫变换催化剂;
步骤(1)中,柠檬酸与活性组分质量总量的质量之比为1:0.4-1.0。
2.根据权利要求1所述的耐硫变换催化剂,其特征在于:含铝化合物为拟薄水铝石、氧化铝或铝胶;含镁化合物为轻质氧化镁、碳酸镁或氢氧化镁;含钛化合物为偏钛酸或氧化钛;粘结剂为水、醋酸、柠檬酸、草酸或硝酸中的一种或多种;助挤剂为田菁粉、柠檬酸、淀粉或蔗糖。
3.根据权利要求1所述的耐硫变换催化剂,其特征在于:硫代硫酸铵的用量为催化剂用量的10-30wt%、硫磺的用量为催化剂用量的8-18wt%。
4.根据权利要求1所述的耐硫变换催化剂,其特征在于:步骤(5)中,预硫化处理时,氢气体积含量为20-60%,升温速率为30-40℃/h。
5.一种权利要求1所述的耐硫变换催化剂的应用,其特征在于:将所述的耐硫变换催化剂直接应用于耐硫变换反应。
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