CN115672322B - 一种Cu系蛋壳型催化剂、制备方法及草酸二酯加氢的方法 - Google Patents

一种Cu系蛋壳型催化剂、制备方法及草酸二酯加氢的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于石油化工的技术领域,涉及一种用于草酸二酯加氢的Cu系蛋壳型的催化剂及其制备方法。所述Cu系蛋壳型的催化剂的活性组分Cu在载体上呈蛋壳型分布。通过浆态浸渍法使Cu在载体上呈蛋壳型分布制得所述Cu系蛋壳型的催化剂。本发明所述的Cu系蛋壳型催化剂具有良好的活性、选择性,实用又经济,乙二醇的收率达到85%‑90%,选择性达到了90%以上。本发明所述制备方法简单,步骤较少,用于制备催化剂的原材料易于获得。

Description

一种Cu系蛋壳型催化剂、制备方法及草酸二酯加氢的方法
技术领域
本发明属于石油化工的技术领域,涉及一种Cu系蛋壳型催化剂及其制备方法,尤其涉及一种用于草酸二酯加氢的Cu系蛋壳型催化剂及其制备方法。
背景技术
乙二醇(EG)是一种重要的有机化工原料,主要用于生产聚酯纤维、防冻剂、不饱和聚酯树脂、润滑剂、增塑剂、非离子表面活性剂以及炸药等,用途十分广泛。目前乙二醇大多以石油制品环氧乙烷为原料制得,该工艺流程长、设备多、能耗高,EG的生产成本高。我国能源具有石油资源匮乏、煤炭资源丰富的结构特点,在石油资源日益短缺的形势下,发展煤基合成气制乙二醇的工艺路线具有非常重要的战略意义,不仅可以降低对石油的依赖程度,同时还可以拓展煤化工路线,扩大对煤炭的清洁利用规模。
合成气制备乙二醇工艺路线分两步:第一步为合成气制草酸二甲酯(草酸二甲酯);第二步为草酸二甲酯加氢制乙二醇。其中第一步研究比较成熟;第二步草酸二甲酯加氢国内外研究较多,主要集中在以实验为主的工艺条件、催化剂制备和本征动力学等方面的研究。草酸二甲酯加氢是一个串联反应,首先草酸二甲酯加氢生成中间产物乙醇酸甲酯(MG),MG再加氢生成EG,EG过度加氢则生成副产物乙醇。
美国ARCO公司在20世纪80年代后期对草酸二酯加氢反应的铜基催化剂进行了大量研究,发现铜铬系催化剂具有较高的加氢活性和选择性,但Cr元素的毒性限制了其应用,故人们致力于开发无铬催化剂。目前人们开发的Cu系催化剂在选择性方面还不能满足生产的要求。
发明内容
有鉴于此,为了解决Cu系催化剂选择性低的问题,本发明提供一种Cu系蛋壳型催化剂及其制备方法。
为了实现上述发明目的,本发明所采用的技术方案如下:
本发明提供一种Cu系蛋壳型的催化剂,所述的催化剂的活性组分Cu在载体上呈蛋壳型分布。
在一些实施方案中,以催化剂的重量百分比计,所述催化剂的Cu含量为5~30%,95%以上的Cu可以调节其分布在载体表面至深度0.5mm范围内。
在一些实施方案中,所述载体选自活性炭、碳纤维、碳纳米管、多孔聚合物、Al2O3、MgO、ZnO、SiO2、SnO2、TiO2或ZrO2中的一种或几种。
本发明还提供了一种用于草酸二酯加氢的Cu系蛋壳型催化剂的制备方法,将载体放入铜盐悬浮液中,加入酸性物质调节pH值,浆态浸渍,将催化剂与浆液分离、干燥,马弗炉中焙烧即得。
进一步的,在一些实施方案中,所述制备方法,包括以下步骤:
(1)称取一定量的载体放入烧杯中,根据需要的负载量称取铜盐放入烧杯中,并加入适量去离子水;
(2)在(1)中的烧杯里加入酸性物质调节pH,在烧杯上罩上一层保鲜膜后置于水浴恒温振荡器里振荡以保证蛋壳层厚薄均匀,浆态浸渍;
(3)将经过步骤(2)处理的催化剂从浆液中取出干燥;
(4)将经过步骤(3)处理的催化剂放入马弗炉中焙烧即得。
在一些实施方案中,所述铜盐为碱式碳酸铜、草酸铜、氢氧化铜、环烷酸铜或碳酸铜。
在一些实施方案中,所述去离子水与铜盐的质量比为15~30。
在一些具体实施例中,所述去离子水与碱式碳酸铜的质量比为15∶1在一些具体实施例中,所述去离子水与氢氧化镍的质量比为30∶1;在一些具体实施例中,所述去离子水与草酸铜的质量比为20∶1。
在一些实施方案中,所述酸性物质为稀盐酸、稀硝酸、醋酸、甲酸、苯甲酸、草酸、丁二酸中的至少一种。
在一些实施方案中,调节pH至3-6范围内。
在一些具体实施例中,滴加醋酸调至pH为6。在一些具体实施例中,滴加苯甲酸调至pH为5。在一些具体实施例中,滴加草酸调至pH为3。
在一些实施方案中,所述浆液浸渍时的水浴温度为20-100℃,振荡的时间为5-420min。进一步的,所述浆液浸渍时的水浴温度为40-60℃,振荡的时间为180-360min。
在一些具体实施例中,所述水浴的温度为60℃,振荡的时间为360min;在一些具体实施例中,所述水浴的温度为40℃,振荡的时间为240min;在一些具体实施例中,所述水浴的温度为45℃,振荡的时间为180min。
在一些实施方案中,所述催化剂的干燥温度为100-150℃,干燥时间为1-6h。进一步的,所述催化剂的干燥温度为100-120℃,干燥时间为3-4h。
在一些具体实施例中,所述催化剂的干燥温度为100℃,干燥时间为3h。在一些具体实施例中,所述催化剂的干燥温度为100℃,干燥时间为4h。在一些具体实施例中,所述催化剂的干燥温度为120℃,干燥时间为3h。
在一些实施方案中,所述催化剂的焙烧温度为250-500℃,焙烧时间为2-8h。进一步的,所述催化剂的焙烧温度为300-400℃,焙烧时间为4-6h。
在一些具体实施例中,焙烧温度为300℃,焙烧时间为6h;在一些具体实施例中,焙烧温度为400℃,焙烧时间为4h;在一些具体实施例中,焙烧温度为350℃,焙烧时间为4h。
本发明还提供了一种草酸二酯加氢的方法,在固定床反应器中装填所述Cu系蛋壳型的催化剂,还原后进行草酸二甲酯加氢反应。
在一些实施方案中,所述催化剂的还原温度为350-600℃,还原压力0.2-4MPa,氢气流量1-200mL/min,还原时间为2-10h。进一步的,所述催化剂的还原温度为400-500℃,还原压力1-3MPa,氢气流量40-60mL/min,还原时间为3-4h。
在一些具体实施例中,还原温度为400℃,还原压力1MPa,氢气流量40mL/min,还原时间为3h;在一些具体实施例中,还原温度为500℃,还原压力2.5MPa,氢气流量60mL/min,还原时间为4h;在一些具体实施例中,还原温度为450℃,还原压力3MPa,氢气流量40mL/min,还原时间为4h。
在一些实施方案中,所述草酸二甲酯加氢的反应温度为160~220℃,反应压力1.0~2.5MPa,反应氢脂比为200~400,液体体积空速为1.5~3.0h-1,催化剂装填量为8mL。
在一些具体实施例中,所述草酸二甲酯加氢的反应温度为200℃,反应压力1.5MPa,反应氢酯比为300,液体体积空速为1.5h-1,催化剂装填量为8mL;在一些具体实施例中,所述草酸二甲酯加氢的反应温度为180℃,反应压力2.0MPa,反应氢酯比为300,液体体积空速为2.0h-1,催化剂装填量为8mL;在一些具体实施例中,所述草酸二甲酯加氢的反应温度为160℃,反应压力2.5MPa,反应氢酯比为200,液体体积空速为2.5h-1,催化剂装填量为8mL。
由上述技术方案可知,本发明提供了一种用于草酸二酯加氢的Cu系蛋壳型的催化剂及其制备方法。所述Cu系蛋壳型的催化剂的活性组分Cu在载体上呈蛋壳型分布。通过浆态浸渍法使Cu在载体上呈蛋壳型分布制得所述Cu系蛋壳型的催化剂。与现有技术相比,本发明所述的Cu系蛋壳型催化剂,具有以下突出的有益效果:
(1)具有良好的活性、选择性,乙二醇的收率达到85%-90%,选择性达到了90%以上;
(2)制备方法简单,步骤较少,用于制备催化剂的原材料易于获得。
附图说明
图1:实施例1制备的蛋壳型催化剂的金相显微镜表征,所述金相显微镜检测方法为采用德国徕卡显微镜公司生产的DM-2500M型金相显微镜观察催化剂颗粒剖面,放大倍数为50,与Getphase软件相结合,进行金相观察以及几何测量。其中,标尺长度为500μm。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明所述的催化剂及其制备方法做进一步的阐述,以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解;需要指出的是实施例中有关工艺流程以及参数等的描述都是示例性的,而并不是指对发明保护范围的限制。下面实施例所述试验方法,如无特殊说明,均为常规方法;所述仪器及材料,如无特殊说明,均可从商业途径获得。
其中,所述金相显微镜检测方法为所述金相显微镜检测方法为采用德国徕卡显微镜公司生产的DM-2500M型金相显微镜观察催化剂颗粒剖面,放大倍数为50,与Getphase软件相结合,进行金相观察以及几何测量。
实施例1
室温下,称取20g直径为2.5mm的氧化铝小球和3g碱式碳酸铜放入烧杯中,加入45mL去离子水后,滴加3mL醋酸,浆态浸渍液的pH为6,在烧杯上罩上一层保鲜膜后放入水浴恒温振荡器里,设置水浴温度为60℃,恒温震荡6h;将浸渍好的催化剂与浆液分离,送入100℃烘箱中干燥3h;将干燥好的催化剂从烘箱中取出,放入马弗炉中于300℃下焙烧6h,得到Cu系蛋壳型的催化剂。
利用金相显微镜对制得的催化剂进行表征,结果如图1所示,采用Varian电感耦合等离子光谱仪ICP-OES 720 ES对所制备的样品进行镍含量分析,所述催化剂的铜含量为20%,95%以上的铜可以调节其分布在载体表面至深度180μm范围内且活性组分边缘清晰。
实施例2
室温下,称取添加10g二氧化硅和2g氧化锆制备的3.0mm的小球载体和1.0g氢氧化铜放入烧杯中,加入30mL去离子水后,滴加2g苯甲酸,浆态浸渍液pH为5,在烧杯上罩上一层保鲜膜后放入水浴恒温振荡器里,设置水浴温度为40℃,恒温震荡4h;浸渍结束后将催化剂与浆液分离,送入100℃烘箱中干燥4h;将干燥好的催化剂从烘箱中取出,放入马弗炉中于400℃下焙烧4h,得到Cu系蛋壳型的催化剂。
利用金相显微镜对制得的催化剂进行表征,采用Varian电感耦合等离子光谱仪ICP-OES 720 ES对所制备的样品进行镍含量分析,所述催化剂的铜含量为15%,95%以上的铜可以调节其分布在载体表面至深度140μm范围内且活性组分边缘清晰。
实施例3
室温下,称取8g二氧化钛和1g草酸铜放入烧杯中,加入20mL去离子水后,滴加1.5mL草酸,浆态浸渍液的pH为3,在烧杯上罩上一层保鲜膜后放入水浴恒温振荡器里,设置水浴温度45℃,恒温振荡3h;浸渍结束后将催化剂与浆液分离,送入120℃烘箱中干燥3h;将干燥好的催化剂从烘箱中取出,放入马弗炉中于350℃下焙烧4h,即可得到Cu系蛋壳型的催化剂。
利用金相显微镜对制得的催化剂进行表征,所述催化剂的铜含量为6%,95%以上的铜可以调节其分布在载体表面至深度0.5mm范围内且活性组分边缘清晰。
试验例:催化性能测试
试验例1
采用固定床反应器,反应器内径40毫米,长度1600毫米,不锈钢材质。催化剂床层上下均填充石英砂起散热、气流分布和支撑作用,反应器内填充10mL实施例1制备得到的催化剂,通入氢气还原,催化剂还原条件:温度400℃,压力1.5MPa,氢气流量40mL/min,在此条件下还原3h。草酸二甲酯甲醇溶液与氢气混合后自上而下通过催化剂床层,进行草酸二甲酯加氢反应,生成乙二醇,反应条件为:反应温度为200℃,反应压力1.5MPa,反应氢酯比为300,液体体积空速为1.5h-1,催化剂装填量为8mL。
所述草酸二甲酯甲醇溶液中,草酸二甲酯质量分数为10%,其余为甲醇。采用本申请实施例1制备得到的催化剂催化,利用美国Agilent-7890气相色谱仪进行分析,乙二醇的收率达到85%,选择性达到了90%。
试验例2
采用固定床反应器,反应器内径20毫米,长度160毫米,不锈钢材质。催化剂床层上下均填充石英砂起散热、气流分布和支撑作用,反应器内填充8mL实施例2制备得到的催化剂,通入氢气还原,催化剂还原条件:温度450℃,压力3MPa,氢气流量40mL/min,在此条件下还原4h。草酸二甲酯甲醇溶液与氢气混合后自上而下通过催化剂床层,进行草酸二甲酯加氢反应,生成乙二醇,反应条件为:反应温度为180℃,反应压力2.0MPa,反应氢酯比为300,液体体积空速为2.0h-1,催化剂装填量为8mL。
所述的草酸二甲酯甲醇溶液中,草酸二甲酯质量分数为5%,其余为甲醇。采用本申请实施例2制备得到的催化剂催化,利用美国Agilent-7890气相色谱仪进行分析,乙二醇的收率达到90%,选择性达到了90%。
试验例3
采用固定床反应器,反应器内径20毫米,长度160毫米,不锈钢材质。催化剂床层上下均填充石英砂起散热、气流分布和支撑作用,反应器内填充8mL实施例3制备得到的催化剂,通入氢气还原,催化剂还原条件:温度500℃,压力2.5MPa,氢气流量60mL/min,在此条件下还原4h。草酸二甲酯甲醇溶液与氢气混合后自上而下通过催化剂床层,进行草酸二甲酯加氢反应,生成乙二醇,反应条件为:反应温度为160℃,反应压力2.5MPa,反应氢酯比为200,液体体积空速为2.5h-1,催化剂装填量为8mL。
所述草酸二甲酯甲醇溶液中,草酸二甲酯质量分数为15%,其余为甲醇。采用本申请实施例3制备得到的催化剂催化,利用美国Agilent-7890气相色谱仪进行分析,乙二醇的收率达到90%,选择性达到了95%。
对于本领域的普通技术人员而言,具体实施例只是对本发明进行了示例性描述,显然本发明具体实现并不受上述方式的限制,只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进,或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的,均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于草酸二甲酯加氢反应的Cu系蛋壳型的催化剂,其特征在于,所述的催化剂的活性组分Cu在载体上呈蛋壳型分布;以催化剂的重量百分比计,所述催化剂的Cu含量为5~30%,95%以上的Cu可以调节其分布在载体表面至深度0.5mm范围内;所述载体选自活性炭、碳纤维、碳纳米管、多孔聚合物、Al2O3、MgO、ZnO、SiO2、SnO2、TiO2或ZrO2中的一种或几种。
2.权利要求1所述的Cu系蛋壳型的催化剂的制备方法,其特征在于,将载体放入铜盐悬浮液中,加入酸性物质调节pH值,浆态浸渍,将催化剂与浆液分离、干燥,马弗炉中焙烧即得。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)称取一定量的载体放入烧杯中,根据需要的负载量称取铜盐放入烧杯中,并加入适量去离子水;
(2)在(1)中的烧杯里加入酸性物质调节pH,在烧杯上罩上一层保鲜膜后置于水浴恒温振荡器里振荡以保证蛋壳层厚薄均匀,浆态浸渍;
(3)将经过步骤(2)处理的催化剂从浆液中取出干燥;
(4)将经过步骤(3)处理的催化剂放入马弗炉中焙烧即得。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法,其特征在于,所述铜盐为碱式碳酸铜、草酸铜、氢氧化铜、环烷酸铜或碳酸铜;所述去离子水与铜盐的质量比为15~30。
5.根据权利要求2或3所述的制备方法,其特征在于,所述酸性物质为稀盐酸、稀硝酸、醋酸、甲酸、苯甲酸、草酸、丁二酸中的至少一种;所述调节pH至3~6范围内;所述浆态浸渍时的水浴温度为20-100℃,振荡的时间为5-420min。
6.根据权利要求2或3所述的制备方法,其特征在于,所述干燥温度为100-150℃,干燥时间为1-6h;所述焙烧温度为250-500℃,焙烧时间为2-8h。
7.一种草酸二酯加氢的方法,其特征在于,在固定床反应器中装填权利要求1所述Cu系蛋壳型的催化剂,还原后进行草酸二甲酯加氢反应。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述还原温度为350-600℃,还原压力0.2-4MPa,氢气流量1-200mL/min,还原时间为2-10h;所述草酸二
甲酯加氢反应温度为160~220℃,反应压力1.0~2.5MPa,反应氢脂比为200~400,
液体体积空速为1.5~3.0h-1,催化剂装填量为8mL。
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