CN116606240B - 加氢反应的方法和连续式加氢反应方法 - Google Patents

加氢反应的方法和连续式加氢反应方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及储氢领域,公开了一种加氢反应的方法和连续式加氢反应方法,该方法包括:在催化剂的存在下,将有机储氢液体与氢气接触进行加氢反应,该加氢反应的方法包括:将有机储氢液体与氢气依次与非贵金属催化剂和贵金属催化剂接触反应。该方法降低了有机储氢液体在加氢反应中副产物的生成,有机液体加氢率高、储氢量大、催化剂成本低。

Description

加氢反应的方法和连续式加氢反应方法
技术领域
本发明涉及储氢领域,具体地涉及一种加氢反应的方法和连续式加氢反应方法。
背景技术
氢能是一种绿色清洁可再生能源,燃烧热值高,产物仅有水,同时具有可储、可输的特性,因此氢能是21世纪最为重要的绿色能源。
但氢气的储运限制它的普及,储氢材料是伴随着氢能的开发及环境保护而产成的新型功能材料。在众多储氢技术中有机液体储氢具有较高的储氢密度和储氢效率,其原理是利用有机液体与氢气发生可逆加氢、脱氢反应而实现。有机液体氢化物储氢技术具有储氢量大,储存、运输、维护、保养安全方便,便于利用现有储油和运输设备,可多次循环使用等优点。因而,未来的“氢经济时代”有机液体贮氢是大规模氢能贮存、远距离氢能输送和替代传统化石燃料的有效手段。
当前,有机储氢所用催化剂大都利用贵金属催化剂,但由于贵金属催化剂含量稀少且不可再生,导致贵金属催化剂的成本提高,除此之外,由于贵金属催化剂的活性较高,在对有机储氢液体加氢的过程中会不可避免的存在副产物的生成,导致催化剂的选择性降低,其分离提纯较为困难,另外,贵金属催化剂在加氢的过程中易团聚造成不可逆转的中毒,导致催化剂的失活。
有机储氢还可以使用非贵金属催化剂,而非贵金属催化剂的比表面积较小,催化活性较低难以满足工业的应用,此外,非贵金属催化剂在加氢工艺存在传质困难、反应热不易移除等特性,在反应过程中催化剂床层温升不可避免,过高温升必然导致副反应加剧,催化剂积碳,进而影响催化剂稳定性。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的单一采用非贵金属催化剂对有机储氢液体加氢率低或单一采用贵金属催化剂易团聚、成本高的问题,提供一种加氢反应的方法和连续式加氢反应方法,该方法将非贵金属催化剂与贵金属催化剂结合使用,将有机储氢液体与氢气依次与非贵金属催化剂和贵金属催化剂接触反应,在低成本的催化剂使用下,仍然能够具有较高的加氢率,加氢反应中副产物的生成少,储氢率高。
为了实现上述目的,本发明一方面提供一种加氢反应的方法,该方法包括:在催化剂的存在下,将有机储氢液体与氢气接触进行加氢反应,所述加氢反应的方法包括:将有机储氢液体与氢气依次与非贵金属催化剂和贵金属催化剂接触反应。
优选地,所述贵金属催化剂与所述非贵金属催化剂的体积比为1:1-10:1,所述有机储氢液体的体积空速为0.1-6h-1,所述氢气的体积空速为300-3000h-1
优选地,所述贵金属催化剂与所述非贵金属催化剂的体积比为2:1-4:1,所述有机储氢液体的体积空速为0.6-1h-1,所述氢气的体积空速为300-1000h-1
优选地,所述非贵金属催化剂包括载体和负载于所述载体上的非贵金属单质,所述非贵金属单质选自Co、Ni和Cu中的一种或多种;
以所述非贵金属催化剂的总重量为基准,所述非贵金属单质的负载量为5-50wt%,所述载体的含量为50-95wt%。
优选地,以所述非贵金属催化剂的总重量为基准,所述非贵金属单质的负载量为20-30wt%,所述载体的含量为70-80wt%。
优选地,所述贵金属催化剂包括载体和负载于所述载体上的贵金属单质,所述贵金属单质选自Pt、Pd、Ru、Rh、Os和Ir中的一种或多种;
以所述贵金属催化剂的总重量为基准,所述贵金属单质的负载量为0.01-10wt%,所述载体的含量为90-99.99wt%。
优选地,以所述贵金属催化剂的总重量为基准,所述贵金属单质的负载量为5-10wt%,所述载体的含量为90-95wt%。
优选地,所述非贵金属催化剂和贵金属催化剂的载体各自独立地选自多孔SiO2、Al2O3、ZrO2、分子筛、MOF和活性碳中的一种或多种。
优选地,所述加氢反应的条件包括:反应温度为150-250℃,反应压强为40-100Bar;氢气进气量为50-500mL/min,有机储氢液体与非贵金属催化剂接触反应的时间为10-600min;有机储氢液体与贵金属催化剂接触反应的时间为10-600min。
优选地,所述有机储氢液体选自咔唑和N-烷基咔唑中的一种或多种。
优选地,所述N-烷基咔唑选自N-甲基咔唑、N-乙基咔唑、N-丙基咔唑、N-异丙基咔唑和N-丁基咔唑中的一种或多种,更优选为N-乙基咔唑。
优选地,以连续的方式将有机储氢液体与氢气依次与非贵金属催化剂和贵金属催化剂接触反应。
本发明第二方面提供一种连续式加氢反应方法,所述连续式加氢反应方法在加氢反应器中进行,所述加氢反应器包括反应器主体;所述反应器主体的两端分别设置有进口端和出口端;
所述反应器主体中按照由进口端向出口端的延伸方向上依次设置有非贵金属催化剂层和贵金属催化剂层;
将有机储氢液体和氢气连续从所述进口端通入加氢反应器内,使其依次与非贵金属催化剂层和贵金属催化剂层接触反应。
优选地,所述贵金属催化剂层与所述非贵金属催化剂层的填充体积比为1:1-10:1,所述有机储氢液体的体积空速为0.1-6h-1,所述氢气的体积空速为300-3000h-1
优选地,所述贵金属催化剂层与所述非贵金属催化剂层的填充体积比为2:1-4:1,所述有机储氢液体的体积空速为0.1-0.6h-1,所述氢气的体积空速为300-1000h-1;加氢反应条件包括:反应温度为150-250℃,反应压强为40-100Bar;氢气进气量为50-500mL/min;有机储氢液体与非贵金属催化剂层接触反应的时间为10-600min;有机储氢液体与贵金属催化剂层接触反应的时间为10-600min。
优选地,所述进口端设置有气体入口和液体入口,将所述有机储氢液体和氢气分别从液体入口和气体入口通入加氢反应器内;
所述出口端设置有径向向外延伸的液体出口,将反应产物连续从液体出口引出所述加氢反应器。
优选地,所述气体入口与液体入口之间形成夹角,所述夹角的角度为45-135°。
优选地,所述气体入口沿加氢反应器的轴向延伸,所述液体入口沿所述加氢反应器的径向延伸。
优选地,在靠近所述进口端,在所述进口端与所述非贵金属催化剂层之间还设置有第一过滤层;和/或,在靠近所述出口端,在所述出口端与所述贵金属催化剂层之间还设置有第二过滤层。
通过上述技术方案,利用非贵金属与贵金属催化剂相结合的方式,第一方面:先通过非贵金属催化剂参与加氢反应形成非完全加氢产物,再通过贵金属催化剂参与加氢反应将非完全加氢产物进行完全加氢反应,最终得到加氢产物;第二方面:以本发明的方法可实现催化剂将有机储氢液体以高加氢率转化为加氢产物,在反应过程中尽可能避免副产物的生成及床层温升导致催化剂的失活,延长了催化剂的使用寿命,降低了催化剂的成本。以此来突破制约有机液体储氢的瓶颈。采用本发明提供的连续加氢方法,可实现有机液体加氢完全、储氢量大、催化剂成本降低。
附图说明
图1是加氢反应器的一种优选实施方式的结构示意图;
图2是包含有图1中加氢反应器的一种优选实施方式的总装配图。
附图标记说明
1-第一过滤层;2-非贵金属催化剂层;3-贵金属催化剂层;4-第二过滤层;5-反应器主体;6-原料罐;7-进料泵;8-气液分离器;9-干燥器;10-第二质量流量计;11-尾气收集装置;12-减压阀;13-第一质量流量计。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
在本发明中,在未作相反说明的情况下,“上下左右、前后内外”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位,或为本领域技术人员理解的俗称,而不应视为对该术语的限制。
参见图1和图2,本发明提供一种加氢反应的方法,该方法包括:在催化剂的存在下,将有机储氢液体与氢气接触进行加氢反应,所述加氢反应的方法包括:将有机储氢液体与氢气依次与非贵金属催化剂和贵金属催化剂接触反应。
通过上述技术方案的实施,利用非贵金属与贵金属催化剂相结合的方式,先通过非贵金属催化剂参与加氢反应形成非完全加氢产物,再通过贵金属催化剂参与加氢反应将非完全加氢产物进行完全加氢反应,最终得到加氢产物。以本发明的方法可实现催化剂将有机储氢液体完全转化为加氢产物,在反应过程中尽可能避免副产物的生成及床层温升导致催化剂的失活。以此来突破制约有机液体储氢的瓶颈。实现有机液体加氢完全、储氢大、催化剂成本降低。解决了非贵金属催化剂对有机储氢液体加氢困难及贵金属催化剂易团聚、成本高等难题,降低有机储氢液体在加氢反应中副产物的生成,达到有机储氢液体与加氢产物多次高效循环转化的目的,实现有机储氢液体储运氢能的工业化。
在该实施方式中,所述贵金属催化剂与所述非贵金属催化剂的体积比为1:1-10:1,所述有机储氢液体的体积空速为0.1-6h-1,所述氢气的体积空速为300-3000h-1;经实验研究表明,在其他条件不变的情况下,通过将贵金属催化剂与所述非贵金属催化剂的体积比设置在1:1-10:1范围时,加氢反应的加氢率较为理想,并且加氢率还受有机储氢液体的体积空速以及氢气的体积空速而影响,因此,将有机储氢液体的体积空速设置为0.1-6h-1,所述氢气的体积空速设置为300-3000h-1,其中,有机储氢液体的体积空速定义为有机储氢液体每小时经过单位体积的催化剂的体积量,氢气的体积空速定义为有氢气每小时经过单位体积的催化剂的体积量。
作为一种更优选的实施方式,所述贵金属催化剂与所述非贵金属催化剂的体积比为2:1-4:1,所述有机储氢液体的体积空速为0.1-0.6h-1,所述氢气的体积空速为300-1000h-1。经实验研究表明,在其他条件不变的情况下,通过将贵金属催化剂与所述非贵金属催化剂的体积比设置在2:1-4:1范围时,加氢反应的加氢率更为理想。并且将所述有机储氢液体的体积空速设置为0.1-0.6h-1,所述氢气的体积空速设置为300-1000h-1可以获得更好的加氢效果。
在该实施方式中,所述非贵金属催化剂包括载体和负载于所述载体上的非贵金属单质,所述非贵金属单质选自Co、Ni和Cu中的一种或多种;以所述非贵金属催化剂的总重量为基准,所述非贵金属单质的负载量为5-50wt%,所述载体的含量为50-95wt%;即非贵金属为Co、Ni或Cu中的一种,也可以是Co、Ni、Cu中的多种形成的混合物。为了获得较为理想的加氢率,将非贵金属单质的负载量设置为5-50wt%,所述载体的含量设置为50-95wt%。
作为一种更优选的实施方式,以所述非贵金属催化剂的总重量为基准,所述非贵金属单质的负载量为20-30wt%,所述载体的含量为70-80wt%。通过将非贵金属单质的负载量设置为20-30wt%,所述载体的含量设置为70-80wt%范围时,在保证理想的加氢反应的加氢率的同时,减少副反应以及催化剂积碳,并能够保证催化剂的稳定性。
在该实施方式中,所述贵金属催化剂包括载体和负载于所述载体上的贵金属单质,所述贵金属单质选自Pt、Pd、Ru、Rh、Os和Ir中的一种或多种;以所述贵金属催化剂的总重量为基准,所述贵金属单质的负载量为0.01-10wt%,所述载体的含量为90-99.99wt%;即贵金属为Pt、Pd、Ru、Rh、Os或Ir中的一种,也可以是Pt、Pd、Ru、Rh、Os或Ir中的多种形成的混合物。为了获得较为理想的加氢率并综合兼顾成本和反应条件的稳定性,将贵金属单质的负载量设置为0.01-10wt%,所述载体的含量设置为90-99.99wt%。
作为一种更优选的实施方式,以所述贵金属催化剂的总重量为基准,所述贵金属单质的负载量为5-10wt%,所述载体的含量为90-95wt%。通过这种设定范围时,加氢反应的加氢率更为理想。
在该实施方式中,所述非贵金属催化剂和贵金属催化剂的载体各自独立地选自多孔SiO2、Al2O3、ZrO2、分子筛、MOF和活性碳中的一种或多种。即载体为多孔的SiO2、Al2O3、ZrO2、分子筛、MOF或活性碳中的一种,也可以是多孔的SiO2、Al2O3、ZrO2、分子筛、MOF或活性碳中的多种形成的混合物。
非贵金属催化剂和贵金属催化剂的制备方法均可以采用本领域常规的制备方法,例如浸渍法。具体的制备方法为:将可溶性贵金属盐/可溶性非贵金属盐溶于水中,得到可溶性贵金属盐/可溶性非贵金属盐的水溶液,并分别与载体混合,使得所述可溶性贵金属盐/可溶性非贵金属盐的水溶液浸渍所述载体,然后干燥、并在还原性气氛下进行煅烧。其中,可溶性贵金属盐/可溶性非贵金属盐的用量只要满足得到的所述催化剂中贵金属单质/非贵金属单质的负责量即可。所述干燥和煅烧的条件可以采用本领域常规的制备条件。在催化剂使用前还包括将催化剂在还原性气氛下进行还原的步骤,所述还原的条件包括:所述还原性气氛优选为氢气,还原温度可以为50-500℃,还原压强可以为0Bar-10Bar,还原时间可以为0.5h-8h。
在该实施方式中,为了进一步增加加氢效果,所述加氢反应的条件包括:反应温度可以为150-250℃,反应压强可以为40-100Bar;氢气进气量为50-500mL/min,有机储氢液体与非贵金属催化剂接触反应的时间可以为10-600min;与贵金属催化剂接触反应的时间可以为10-600min;优选地,反应温度为170-230℃,反应压强为60Bar-80Bar,有机储氢液体与非贵金属催化剂接触反应的时间为50-500min;与贵金属催化剂接触反应的时间为50-500min。此处的接触反应时间为单位体积的催化剂与有机储氢液体以及氢气的接触反应时间,反应时间与有机储氢液体的体积空速成反比,有机储氢液体的体积空速越大,则接触反应时间越短。
在该实施方式中,所述有机储氢液体可以选自本领域常规的有机储氢液体,例如,可以选自咔唑和N-烷基咔唑中的一种或多种;也就是说,有机储氢液体可以为咔唑或N-烷基咔唑中的一种,也可以为咔唑或N-烷基咔唑中的两种混合物,也可以为咔唑或N-烷基咔唑中的多种混合物。
作为优选地,所述N-烷基咔唑选自N-甲基咔唑、N-乙基咔唑、N-丙基咔唑、N-异丙基咔唑和N-丁基咔唑中的一种或多种,更优选为N-乙基咔唑。
在本发明中,所述加氢反应的方法可以应用于连续式的加氢反应中,也可以应用于间歇式的加氢反应中,在该实施方式中,更优选地,所述加氢反应的方法以连续的方式将有机储氢液体与氢气依次与非贵金属催化剂和贵金属催化剂接触反应。通过这样的方式,以此实现有机液体连续加氢。
参见图1,本发明第二方面提供一种连续式加氢反应方法,所述连续式加氢反应方法在加氢反应器中进行,所述加氢反应器包括反应器主体5;所述反应器主体5的两端分别设置有进口端和出口端;所述反应器主体5中按照由进口端向出口端的延伸方向上依次设置有非贵金属催化剂层2和贵金属催化剂层3;将有机储氢液体和氢气连续从所述进口端通入加氢反应器内,使其依次与非贵金属催化剂层2和贵金属催化剂层3接触反应。
通过上述技术方案的实施,本发明具体提供了一种连续式加氢反应方法,在该连续式加氢反应方法中,非贵金属催化剂层2、贵金属催化剂层3填装在同一反应器主体5中,其中非贵金属催化剂在上层,贵金属催化剂在下层,所述有机储氢液体和氢气均从所述反应器主体5的上端加入。通过这样的设置,一方面减小设备的占地面积,不需要分别针对非贵金属与贵金属催化剂提供不同的反应器,使得经过非贵金属催化剂后的非完全加氢产物直接进入贵金属催化剂中进行完全加氢反应,连续性高。
本发明连续不断地向装有催化剂的反应器主体5中通入有机储氢液体,同时连续不断地向装有催化剂的反应器中通入氢气,使得氢气充分与有机储氢液体在非贵金属催化剂或贵金属催化剂下进行反应转化为加氢产物,连续不断地从反应器主体5中排出加氢产物。
在该实施方式中,非贵金属催化剂与贵金属催化剂按照一定的比例解决非贵金属催化剂对有机储氢液体加氢困难,以及贵金属催化剂易团聚、成本高等难题,降低有机储氢液体在加氢反应中副产物的生成,所述贵金属催化剂层3与所述非贵金属催化剂层2的填充体积比为1:1-10:1,另外,为了减小有机储氢液体的体积空速和氢气的体积空速对加氢率的影响,所述有机储氢液体的体积空速为0.1-6h-1,所述氢气的体积空速为300-3000h-1
作为优选地,为了进一步提高加氢效果,所述贵金属催化剂层3与所述非贵金属催化剂层2的填充体积比为2:1-4:1,所述有机储氢液体的体积空速为0.1-0.6h-1,所述氢气的体积空速为300-1000h-1;进一步的,为了使加氢反应更为顺利的进行,加氢反应条件包括:反应温度为150-250℃,反应压强为40-100Bar;氢气进气量为50-500mL/min;有机储氢液体与非贵金属催化剂层2接触反应的时间为10-600min;有机储氢液体与贵金属催化剂层3接触反应的时间为10-600min。其中,反应压强的维持可以是通过氢气加入至反应器主体5后产生,通过控制氢气的体积空速即可控制反应压强。
进一步的,参见图1和2所示,所述进口端设置有气体入口和液体入口,将所述有机储氢液体和氢气分别从液体入口和气体入口通入加氢反应器内;所述出口端设置有径向向外延伸的液体出口,将反应产物连续从液体出口引出所述加氢反应器;在使用过程中,将氢气从气体入口加入至反应器主体5中,同时将有机储氢液体从液体入口加入至反应器主体5中,氢气和有机储氢液体首先进入非贵金属催化剂层2中进行非完全加氢反应,然后非完全加氢反应的产物和氢气进一步进入贵金属催化剂层3中进行完全加氢反应。
优选地,所述气体入口与液体入口之间形成夹角,所述夹角的角度为45-135°,该夹角使得进入的氢气和有机储氢液体能够在出口位置相交,产生相互的交叉撞击,将液体和气体打散,使得氢气和有机储氢液体能够更加充分的接触。
当然,作为更加优选地,所述气体入口沿加氢反应器的轴向延伸,所述液体入口沿所述加氢反应器的径向延伸。即气体入口与液体入口之间形成一直角,使得氢气和有机储氢液体能够进一步更加充分的接触,并且还可以通过氢气的气流带动有机储氢液体快速向下流动。
当然,为了对加入的原料和排出产物进行进一步过滤,在靠近所述进口端,在所述进口端与所述非贵金属催化剂层2之间还设置有第一过滤层1;和/或,在靠近所述出口端,在所述出口端与所述贵金属催化剂层3之间还设置有第二过滤层4。在一种实施方式中,第一过滤层1和第二过滤层4可以为本领域常规的能够实现过滤功能的材料,例如采用填装石英砂的方式。
另外,为了更好的监控加氢温度,优选情况下,在非贵金属催化剂层2、贵金属催化剂层3以及两者之间的连接位置均设置有温度传感器用于采集对应位置的温度信息,以便更好的了解加氢反应情况。三处的温度分别对应图1中的TE1、TE2和TE3。
在所述的加氢反应器中,反应器主体5两端设置的进口端和出口端设置为与反应器主体5之间可拆卸密封连接,以便非贵金属催化剂、贵金属催化剂、第一过滤层1和第二过滤层4的填装。
当然,作为分隔和支撑的作用,在非贵金属催化剂层和贵金属催化剂层之间、第一过滤层1和非贵金属催化剂层之间、贵金属催化剂层和第二过滤层4之间还可以设置有分隔板,分隔板上还优选设置有透气透液孔,以便气体和液体向下移动,分隔板优选采用网状的结构。
如图2所示,是加氢反应器的一种优选实施方式的总装配图,作为与加氢反应器配套使用的,在液体入口前段还设置有原料罐6和进料泵7,通过进料泵7将原料罐6中的有机储氢液体打入至反应器主体5中;在气体入口入口前段沿着气流方向还依次设置有氢气源、减压阀12和第一质量流量计13,以控制氢气的加入;在液体出口设置有气液分离器8,气液分离器8的液相从底部排出并作为产物收集,气液分离器8气相从顶部排出并经过干燥剂干燥后利用尾气收集装置11进行收集气体,其中干燥器9和尾气收集装置11之间设置有第二质量流量计10。
加氢反应在该总装中的反应过程为:氢气从氢气源出来依次经过PCV阀、减压阀12、PI阀、第一质量流量计13、PI阀后从气体入口进入反应器主体5中,同时,有机储氢液体从原料罐6中依次经过进料泵7、调节阀后从液体入口进入反应器主体5中,氢气和有机储氢液体各自以一定的体积空速依次经过第一过滤层1、非贵金属催化剂层32、贵金属催化剂层3和第二过滤层4,经过催化反应后得到加氢产物,加氢产物从液体出口排出后依次经过气液分离器8、干燥器9、第二质量流量计10、尾气收集装置11进行收集尾气。
以下结合具体实施例和对比例对本发明进行进一步说明,其中在表1中的T1、T2、T3分别对应图1中TE1、TE2、TE3三个温度传感器位置温度。
加氢率测试方法是在气相色谱分析仪中进行的,取一定量的加氢产物利用气相色谱分析仪中对加氢液各个物质组分含量进行分析。
其中加氢液中加氢率计算公式为:产物加氢率(%)= 12H氮乙基咔唑×12/12+8H氮乙基咔唑×8/12+6H氮乙基咔唑×6/12+4H氮乙基咔唑×4/12。
加氢产物中的副产物主要包括加氢产物中咔唑环断裂或者氮元素与烷基之间断裂或者烷基本身断裂所产生的副产物,副产物含量(%)则为副产物总量与产物总量的比值。
实施例1
本实施例用于说明本发明提供的加氢反应的方法。
将石英砂、贵金属催化剂、非贵金属催化剂和石英砂依次填装在同一加氢反应器主体5中,从下到上依次为石英砂层、贵金属催化剂层、非贵金属催化剂层、石英砂层。其中,贵金属催化剂为Ru以单质的形式负载于SiO2上,Ru的负载量为5wt%,贵金属催化剂的用量为7.5mL;非贵金属催化剂为Ni以单质的形式负载于SiO2上,Ni的负载量为5wt%,非贵金属催化剂的用量为2.5mL。非贵金属催化剂上方添加5 mL石英砂,贵金属催化剂下方添加5 mL石英砂。
在催化剂使用前,对其进行还原,还原是在氢气氛围下,在350℃,压强为0.1 Bar,进行还原3 h。
将有机储氢液体N-乙基咔唑通过加氢反应器的液体入口送入加氢反应器中,将氢气从加氢反应器的气体入口送入加氢反应器中,使得氢气与有机储氢液体N-乙基咔唑依次与非贵金属催化剂和贵金属催化剂接触反应。加氢反应的反应温度为250℃,压强为60Bar,有机储氢液体的体积空速为0.6 h-1,氢气的体积空速为600 h-1,氢气进气量为100mL/min,反应时间为2 h(与非贵金属催化剂层接触的时间为0.5h,与贵金属催化剂层接触的时间为1.5h),最终得到加氢产物A。
加氢反应完成后测定N-乙基咔唑加氢反应产物的组成及各个测温点温度,测试结果见表1。
实施例2
本实施例用于说明本发明提供的加氢反应的方法。
如实施例1中利用有机储氢液体连续加氢反应的方法,所不同的是非贵金属催化剂中Ni的负载量为10wt%。最终得到加氢产物B。加氢反应完成后测定N-乙基咔唑加氢反应产物的组成及各个测温点温度,测试结果见表1。
实施例3
本实施例用于说明本发明提供的加氢反应的方法。
如实施例1中利用有机储氢液体连续加氢反应的方法,所不同的是非贵金属催化剂中Ni的负载量为15wt%。最终得到加氢产物C。加氢反应完成后测定N-乙基咔唑加氢反应产物的组成及各个测温点温度,测试结果见表1。
实施例4
本实施例用于说明本发明提供的加氢反应的方法。
如实施例1中利用有机储氢液体连续加氢反应的方法,所不同的是非贵金属催化剂中Ni的负载量为20wt%。最终得到加氢产物D。加氢反应完成后测定N-乙基咔唑加氢反应产物的组成及各个测温点温度,测试结果见表1。
实施例5
本实施例用于说明本发明提供的加氢反应的方法。
如实施例1中利用有机储氢液体连续加氢反应的方法,所不同的是非贵金属催化剂中Ni的负载量为30wt%。最终得到加氢产物E,加氢反应完成后测定N-乙基咔唑加氢反应产物的组成及各个测温点温度,测试结果见表1。
实施例6
本实施例用于说明本发明提供的加氢反应的方法。
如实施例1中利用有机储氢液体连续加氢反应的方法,所不同的是非贵金属催化剂中Ni的负载量为40wt%。最终得到加氢产物F,加氢反应完成后测定N-乙基咔唑加氢反应产物的组成及各个测温点温度,测试结果见表1。
实施例7
本实施例用于说明本发明提供的加氢反应的方法。
如实施例1中利用有机储氢液体连续加氢反应的方法,所不同的是非贵金属催化剂中Ni的负载量为50wt%,最终得到加氢产物G,加氢反应完成后测定N-乙基咔唑加氢反应产物的组成及各个测温点温度,测试结果见表1。
实施例8
本实施例用于说明本发明提供的加氢反应的方法。
如实施例1中利用有机储氢液体连续加氢反应的方法,所不同的是贵金属催化剂中Ru的负载量为0.01wt%,最终得到加氢产物H,加氢反应完成后测定N-乙基咔唑加氢反应产物的组成及各个测温点温度,测试结果见表1。
实施例9
本实施例用于说明本发明提供的加氢反应的方法。
如实施例1中利用有机储氢液体连续加氢反应的方法,所不同的是贵金属催化剂中Ru的负载量为1wt%,最终得到加氢产物I,加氢反应完成后测定N-乙基咔唑加氢反应产物的组成及各个测温点温度,测试结果见表1。
实施例10
本实施例用于说明本发明提供的加氢反应的方法。
如实施例1中利用有机储氢液体连续加氢反应的方法,所不同的是贵金属催化剂中Ru的负载量为10wt%,最终得到加氢产物J,加氢反应完成后测定N-乙基咔唑加氢反应产物的组成及各个测温点温度,测试结果见表1。
实施例11
本实施例用于说明本发明提供的加氢反应的方法。
如实施例4中利用有机储氢液体连续加氢反应的方法,所不同的是贵金属催化剂与非贵金属催化剂的体积比为2:1,最终得到加氢产物K,加氢反应完成后测定N-乙基咔唑加氢反应产物的组成及各个测温点温度,测试结果见表1。
实施例12
本实施例用于说明本发明提供的加氢反应的方法。
如实施例4中利用有机储氢液体连续加氢反应的方法,所不同的是贵金属催化剂与非贵金属催化剂的体积比为4:1,最终得到加氢产物L,加氢反应完成后测定N-乙基咔唑加氢反应产物的组成及各个测温点温度,测试结果见表1。
实施例13
本实施例用于说明本发明提供的加氢反应的方法。
如实施例4中利用有机储氢液体连续加氢反应的方法,所不同的是贵金属催化剂与非贵金属催化剂的体积比为5:1,最终得到加氢产物M,加氢反应完成后测定N-乙基咔唑加氢反应产物的组成及各个测温点温度,测试结果见表1。
实施例14
本实施例用于说明本发明提供的加氢反应的方法。
如实施例4中利用有机储氢液体连续加氢反应的方法,所不同的是贵金属催化剂与非贵金属催化剂的体积比为6:1,最终得到加氢产物N,加氢反应完成后测定N-乙基咔唑加氢反应产物的组成及各个测温点温度,测试结果见表1。
对比例1
本对比例用于说明本发明提供的加氢反应的方法。
如实施例1中利用有机储氢液体连续加氢反应的方法,所不同的是,催化剂仅使用贵金属催化剂,贵金属催化剂为Ru以单质的形式负载于SiO2上,Ru的负载量为0.01wt%,最终得到加氢产物O,加氢反应完成后测定N-乙基咔唑加氢反应产物的组成及各个测温点温度,测试结果见表1。
对比例2
本对比例用于说明本发明提供的加氢反应的方法。
如实施例1中利用有机储氢液体连续加氢反应的方法,所不同的是,催化剂仅使用贵金属催化剂,贵金属催化剂为Ru以单质的形式负载于SiO2上,Ru的负载量为1wt%,最终得到加氢产物P,加氢反应完成后测定N-乙基咔唑加氢反应产物的组成及各个测温点温度,测试结果见表1。
对比例3
本对比例用于说明本发明提供的加氢反应的方法。
如实施例1中利用有机储氢液体连续加氢反应的方法,所不同的是,催化剂仅使用贵金属催化剂,贵金属催化剂为Ru以单质的形式负载于SiO2上,Ru的负载量为5wt%,最终得到加氢产物Q,加氢反应完成后测定N-乙基咔唑加氢反应产物的组成及各个测温点温度,测试结果见表1。
对比例4
本对比例用于说明本发明提供的加氢反应的方法。
如实施例1中利用有机储氢液体连续加氢反应的方法,所不同的是,催化剂仅使用贵金属催化剂,贵金属催化剂为Ru以单质的形式负载于SiO2上,Ru的负载量为10wt%,最终得到加氢产物R,加氢反应完成后测定N-乙基咔唑加氢反应产物的组成及各个测温点温度,测试结果见表1。
对比例5
本对比例用于说明本发明提供的加氢反应的方法。
如实施例1中利用有机储氢液体连续加氢反应的方法,所不同的是,催化剂仅使用贵金属Pd催化剂,贵金属催化剂为Pd以单质的形式负载于SiO2上,Pd的负载量为5wt%,最终得到加氢产物S,加氢反应完成后测定N-乙基咔唑加氢反应产物的组成及各个测温点温度,测试结果见表1。
对比例6
本对比例用于说明本发明提供的加氢反应的方法。
如实施例1中利用有机储氢液体连续加氢反应的方法,所不同的是,催化剂仅使用贵金属Pt催化剂,贵金属催化剂为Pt以单质的形式负载于SiO2上,Pt的负载量为5wt%,最终得到加氢产物T,加氢反应完成后测定N-乙基咔唑加氢反应产物的组成及各个测温点温度,测试结果见表1。
对比例7
本对比例用于说明本发明提供的加氢反应的方法。
如实施例1中利用有机储氢液体连续加氢反应的方法,所不同的是,催化剂仅使用非贵金属催化剂,非贵金属催化剂为Ni以单质的形式负载于SiO2上,Ni的负载量为10wt%,最终得到加氢产物U,加氢反应完成后测定N-乙基咔唑加氢反应产物的组成及各个测温点温度,测试结果见表1。
对比例8
本对比例用于说明本发明提供的加氢反应的方法。
如实施例1中利用有机储氢液体连续加氢反应的方法,所不同的是,催化剂仅使用非贵金属催化剂,非贵金属催化剂为Ni以单质的形式负载于SiO2上,Ni的负载量为20wt%,最终得到加氢产物V,加氢反应完成后测定N-乙基咔唑加氢反应产物的组成及各个测温点温度,测试结果见表1。
对比例9
本对比例用于说明本发明提供的加氢反应的方法。
如实施例1中利用有机储氢液体连续加氢反应的方法,所不同的是,催化剂仅使用非贵金属催化剂,非贵金属催化剂为Ni以单质的形式负载于SiO2上,Ni的负载量为30wt%,最终得到加氢产物W,加氢反应完成后测定N-乙基咔唑加氢反应产物的组成及各个测温点温度,测试结果见表1。
对比例10
本对比例用于说明本发明提供的加氢反应的方法。
如实施例1中利用有机储氢液体连续加氢反应的方法,所不同的是,催化剂仅使用非贵金属催化剂,非贵金属催化剂为Ni以单质的形式负载于SiO2上,Ni的负载量为40wt%,最终得到加氢产物X,加氢反应完成后测定N-乙基咔唑加氢反应产物的组成及各个测温点温度,测试结果见表1。
对比例11
本对比例用于说明本发明提供的加氢反应的方法。
如实施例1中利用有机储氢液体连续加氢反应的方法,所不同的是,催化剂仅使用非贵金属催化剂,非贵金属催化剂为Ni以单质的形式负载于SiO2上,Ni的负载量为50wt%,最终得到加氢产物Y,加氢反应完成后测定N-乙基咔唑加氢反应产物的组成及各个测温点温度,测试结果见表1。
表1
根据上表分析可知:
在实施例1-实施例7中,随着非贵金属催化剂负载量的增加,加氢率呈上升趋势,但副产物含量也逐渐升高;其反应温度较为稳定的状态,但当非贵金属单质的负载量大于30wt%时,其温度过高。考虑到高温升导致副反应加剧,催化剂积碳,以及加氢率控制在94.8%以上,因此选取非贵金属单质的负载量为20-30wt%时最佳。
在实施例4、8、9、10中,随着贵金属催化剂负载量的增加,加氢率呈上升趋势,副产物含量呈上升趋势,但贵金属催化剂在加氢反应过程中所产生的副产物较少,且各床层的反应温度趋于稳定状态。因此,综合催化剂的成本及加氢效率控制在94.8%以上考虑,选取贵金属单质的负载量为5-10wt%时最佳。
在实施例4、11、12、13、14中,随着贵金属催化剂的占比增加,加氢率呈缓慢上升趋势,成本也随之升高,副产物含量呈下降趋势,副产物含量总体呈低于0.8的较低水平,反应温度呈缓慢上升趋势,因此,考虑到成本因素,以及反应温度的影响,选取贵金属催化剂与非贵金属催化剂的比值在2:1-4:1最佳。
对比例1-对比例4,为单采用贵金属催化剂作为加氢反应催化剂的情形,随着贵金属催化剂单体的负载量的增加加氢率呈明显上升趋势,反应温度也明显增加,并且副产物含量也随之增加,但其总体含量较低,虽然负载量高于5wt%加氢率达到94.8%以上,但是,由于反应温度所带来的影响尤为显著,过高温升必然导致副反应加剧,催化剂积碳,进而影响催化剂稳定性,并且催化剂成本也随之升高。因此,选择这种单一采用贵金属催化剂作为加氢反应催化剂,效果明显小于非贵金属催化剂和贵金属催化剂组合式的催化效果。
在对比例3、5、6中,为不同贵金属催化剂对加氢反应的影响,各个不同贵金属催化剂加氢率均达到95%及以上,且反应器中的各个温度变化不明显,副产物含量均较低,说明贵金属催化剂加氢效果明显高于非贵金属催化剂,但选择单一的贵金属催化剂成本要明显高于非贵金属催化剂和贵金属催化剂组合式的催化效果,不利于工业的投入生产。
对比例7-对比例11,为单采用非贵金属催化剂作为加氢反应催化剂的情形,随着贵金属催化剂单体的负载量的增加加氢率呈明显上升趋势,但是加氢率总体呈较低水平,低于80%,并且杂质含量较明显增加,反应温度也明显增加,因此,选择这种单一采用非贵金属催化剂作为加氢反应催化剂,效果明显小于非贵金属催化剂和贵金属催化剂组合式的催化效果。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合,为了避免不必要的重复,本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外,本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合,只要其不违背本发明的思想,其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (16)

1.一种加氢反应的方法,该方法包括:在催化剂的存在下,将有机储氢液体与氢气接触进行加氢反应,其特征在于,所述加氢反应的方法包括:将有机储氢液体与氢气依次与非贵金属催化剂和贵金属催化剂接触反应;先通过非贵金属催化剂参与加氢反应形成非完全加氢产物,再通过贵金属催化剂参与加氢反应将非完全加氢产物进行完全加氢反应,最终得到加氢产物;
所述非贵金属催化剂包括载体和负载于所述载体上的非贵金属单质,所述非贵金属单质选自Co、Ni和Cu中的一种或多种;
以所述非贵金属催化剂的总重量为基准,所述非贵金属单质的负载量为20-30wt%,所述非贵金属催化剂的载体的含量为70-80wt%;
所述贵金属催化剂包括载体和负载于所述载体上的贵金属单质,所述贵金属单质选自Pt、Pd、Ru、Rh、Os和Ir中的一种或多种;
以所述贵金属催化剂的总重量为基准,所述贵金属单质的负载量为5-10wt%,所述贵金属催化剂的载体的含量为90-95wt%;
所述贵金属催化剂与所述非贵金属催化剂的体积比为1:1-10:1。
2.根据权利要求1所述的加氢反应的方法,其特征在于,所述有机储氢液体的体积空速为0.1-6h-1,所述氢气的体积空速为300-3000h-1
3.根据权利要求2所述的加氢反应的方法,其特征在于,所述贵金属催化剂与所述非贵金属催化剂的体积比为2:1-4:1,所述有机储氢液体的体积空速为0.1-0.6h-1,所述氢气的体积空速为300-1000h-1
4.根据权利要求1所述的加氢反应的方法,其中,所述非贵金属催化剂和贵金属催化剂的载体各自独立地选自多孔SiO2、Al2O3、ZrO2、分子筛、MOF和活性碳中的一种或多种。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的加氢反应的方法,其中,加氢反应的条件包括:反应温度为150-250℃,反应压强为40-100Bar;氢气进气量为50-500mL/min;有机储氢液体与非贵金属催化剂接触反应的时间为10-600min;有机储氢液体与贵金属催化剂接触反应的时间为10-600min。
6.根据权利要求1-3中任意一项所述的加氢反应的方法,其中,所述有机储氢液体选自咔唑和N-烷基咔唑中的一种或多种。
7.根据权利要求6所述的加氢反应的方法,其中,所述N-烷基咔唑选自N-甲基咔唑、N-乙基咔唑、N-丙基咔唑、N-异丙基咔唑和N-丁基咔唑中的一种或多种。
8.根据权利要求7所述的加氢反应的方法,其中,所述N-烷基咔唑为N-乙基咔唑。
9.根据权利要求1-3中任意一项所述的加氢反应的方法,其中,以连续的方式将有机储氢液体与氢气依次与非贵金属催化剂和贵金属催化剂接触反应。
10.一种连续式加氢反应方法,其特征在于,所述连续式加氢反应方法在加氢反应器中进行,所述加氢反应器包括反应器主体(5);
所述反应器主体(5)的两端分别设置有进口端和出口端;
所述反应器主体中按照由进口端向出口端的延伸方向上依次设置有非贵金属催化剂层(2)和贵金属催化剂层(3);
将有机储氢液体和氢气连续从所述进口端通入加氢反应器内,使其依次与非贵金属催化剂层(2)和贵金属催化剂层(3)接触反应;氢气和有机储氢液体首先进入非贵金属催化剂层中进行非完全加氢反应,然后非完全加氢反应的产物和氢气进一步进入贵金属催化剂层中进行完全加氢反应;
非贵金属催化剂包括载体和负载于所述载体上的非贵金属单质,所述非贵金属单质的负载量为20-30wt%;贵金属催化剂包括载体和负载于所述载体上的贵金属单质,所述贵金属单质的负载量为5-10wt%;
所述贵金属催化剂层与所述非贵金属催化剂层的填充体积比为1:1-10:1。
11.根据权利要求10所述的连续式加氢反应方法,其中,所述有机储氢液体的体积空速为0.1-6h-1,所述氢气的体积空速为300-3000h-1
加氢反应条件包括:反应温度为150-250℃,反应压强为40-100Bar;氢气进气量为50-500mL/min;有机储氢液体与非贵金属催化剂层(2)接触反应的时间为10-600min;有机储氢液体与贵金属催化剂层(3)接触反应的时间为10-600min。
12.根据权利要求11所述的连续式加氢反应方法,其中,所述贵金属催化剂层(3)与所述非贵金属催化剂层(2)的填充体积比为2:1-4:1,所述有机储氢液体的体积空速为0.1-0.6h-1,所述氢气的体积空速为300-1000h-1
13.根据权利要求10-12中的任意一项所述的连续式加氢反应方法,其中,所述进口端设置有气体入口和液体入口,将所述有机储氢液体和氢气分别从液体入口和气体入口通入加氢反应器内;
所述出口端设置有径向向外延伸的液体出口,将反应产物连续从液体出口引出所述加氢反应器。
14.根据权利要求13所述的连续式加氢反应方法,其中,所述气体入口与液体入口之间形成夹角,所述夹角的角度为45-135°。
15.根据权利要求14所述的连续式加氢反应方法,其中,所述气体入口沿加氢反应器的轴向延伸,所述液体入口沿所述加氢反应器的径向延伸。
16.根据权利要求10-12中的任意一项所述的连续式加氢反应方法,其中,在靠近所述进口端,在所述进口端与所述非贵金属催化剂层(2)之间还设置有第一过滤层(1);和/或,在靠近所述出口端,在所述出口端与所述贵金属催化剂层(3)之间还设置有第二过滤层(4)。
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