CN1193655A - 脱氢催化剂 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有抗炭性能的脱氢催化剂,它是一种新型覆炭载体脱氢催化剂,该催化剂不仅具有良好的抗结焦性能,而且其脱氢活性亦比单纯性的γ-Al2O3载体催化剂有明显的提高(提高约7—8%)还能延长催化剂使用寿命,本发明从新型覆炭载体制备,催化剂制备以及对催化剂的评价提供了整套实施过程,对烃类脱氢加工过程起到了革新的作用。
Description
本发明属于石油化工领域,尤其涉及到烃类脱氢加工过程中所用的脱氢催化剂,其国际专利号为C10G47/00。
众所周知,在炼油及化工生产过程中,所用的催化剂,其结焦是影响催化剂寿命的一个重要因素。以往,人们从研究催化剂的活性组份及助催化剂的选配来克服结焦问题,例如加入碱及碱土金属元素来降低结焦速率,但上述做法还存在诸多问题,如碱及碱土金属元素在反应过程中的流失,使得催化剂稳定性差,为此,人们改变技术思路,从载体入手解决催化剂的结焦问题成为国内外颇受关注的课题,1985年,Steven-L.Butterworth和AlanW.Scaronic首先提出了从载体入手解决催化剂的结焦问题,他们采用蒽和丙烯在γ-Al2O3上覆盖炭,并采用覆炭载体制备了Mo-Co/CCA催化剂,将此催化剂用在加氢脱硫时,发现其活性优于以γ-Al2O3作为载体的催化剂的活性,抗炭性能较好。随后,J,P.R.Vissevs等人的工作也证实了上述看法。1992年,P.M.Boorman等人对覆炭载体催化剂进行了研究,比较了活性炭载体、覆炭载体及γ-Al2O3载体三个系列催化剂加氢脱硫活性结果发现其活性变化顺序是:γ-Al2O3载体催化剂>覆炭载体催化剂>活性炭载体催化剂。这一研究结果与上面Steven和L.Butterworth的报导不尽一致,关于载体覆炭的制备方法,目前有两种:一是S.L.Butterworth等人采用不锈钢反应器,以N2为载体用蒽在γ-Al2O3上覆炭,该方法由于使用快速升温,3分钟内使反应温度升至873K,难以控制温度,重复性差,另一种方法采用Youtey制造半导体碳膜材料的专利技术,使用垂直石英管的反应器内放置γ-Al2O3等难熔氧化物,从上部通入可覆炭的有机物如苯,乙烯等烃化物,由于底层压力降的原因使载体的上部与下部覆炭不均匀,上述两种方法对进入覆炭装置的烃类裂解原料均不完善,国内外对脱氢催化剂载体覆炭技术未见报导。而目前覆炭载体γ-Al2O3主要用于色谱分析柱中,而用于催化剂载体只局限于加氢催化剂,对覆炭载体催化剂负载活性组份的技术内容尚无报导。
本发明的目的是针对烃加工过程中脱氢催化剂的载体进行覆炭,制备出覆炭载体脱氢催化剂,改善脱氢催化剂的抗结焦性能,降低脱氢催化剂的结焦速率对烃加工过程有重要的实际意义;提供一套完整的覆炭装置,并提供载体覆炭规律以及制备脱氢催化剂的工艺条件。
本发明是一种具有抗炭性能的脱氢催化剂,先将脱氢催化剂的载体γ-Al2O3在覆炭装置内使烃类在γ-Al2O3载体上进行裂解反应,使裂解反应产物炭覆在γ-Al2O3载体上而得到γ-Al2O3覆炭载体,再将γ-Al2O3覆炭载体浸渍活性组分铂、钴、镍等就制备出具有抗炭性能的催化剂。
本发明提供的覆炭装置是由氮气罐(1),减压阀(2),流量调节阀(3和3A),干燥塔(4和4A),流量计(5和5A),气化器(6)和烃类裂解反应器(7)所组成,在γ-Al2O3载体上覆炭的过程是这样进行的,将γ-Al2O3载体置入烃类裂解反应器(7)中,将烃类送入汽化器(6)中,氮气罐(1)中的氮气流经流量调节阀(3)进入汽化器(6)中将烃类带入反应器(7)中使烃类通过γ-Al2O3载体时在高温(600-800℃)下发生烃类裂解反应,裂解反应的产物-炭即覆盖于γ-Al2O3载体上,反应尾气(8)排入大气。γ-Al2O3载体上的覆炭量可用元素分析仪进行测定,通过改变工艺条件,即能制备出覆炭量不同的载体。
覆炭装置中汽化器(6)中有计量仪,能计量进入反应器(7)内的烃类原料量。制备覆炭载体的原料为烃类物质在氮气流保护下,高温下因裂解反应产生的炭覆盖于γ-Al2O3载体上,从而形成覆炭载体(CCA)。在覆炭载体γ-Al2O3制备活性组分镍(Ni)催化剂,根据覆炭载体γ-Al2O3吸水量把Ni(No3)2·6H2O配成水溶液,用一次浸渍的方法将活性组分负载至复合材料载体上,然后进行烘干,在氮气气氛下,在573K焙烧10小时,用H2还原19小时,在573K下老化1小时,即可制成镍/复合材料载体催化剂,采用一次浸渍法制备Ni/CCA新型催化剂,共制备了其Ni含量在3%至17%五个不同含量、六个不同炭含量体系的催化剂,其组成见表1。
用环己烷脱氢反应来评价催化剂的活性,反应在微反-色谱联合装置上进行,其流程如图6所示。试验条件:压力0.2MPa,温度325℃,环己烷液相进料1ml/hr,空速3.6hr-1,催化剂用量约0.2g。产物由SP-3420气相色谱进行在线分析,采用已反应的环己烷摩尔数/进料中环己烷的摩尔数(即环己烷的转化率)表示催化剂活性。
表1:Ni/CCA催化剂组成
体系 | 含炭量% | 镍含量 % |
Al2O3CCA2CCA3CCA4CCA5CCA6 | 0.011.9915.3019.2525.2729.25 | 3.2 6.43 10.20 12.99 17.213.13 6.46 9.85 13.46 16.163.10 6.96 8.10 13.06 17.303.18 6.10 9.54 12.30 15.983.09 6.31 9.53 12.70 15.933.07 6.16 9.28 13.89 15.48 |
催化剂抗结焦性能的评价,催化剂抗结焦能力的考察是在一台动态热重装置上进行,其流程如图7所示。用氮气将挥发器内环己烷带入热天平反应器内,气态烃在样品上进行裂解积炭,热天平能显示出覆炭量及覆炭时间,将单位时间、单位质量试样覆炭的克数定义为覆炭速率,由覆炭速率初步判断试样的抗结炭能力。其操作条件为:保护氮气流量为20ml/min,携带烃类气体的流量为30ml/min,烃类分压为50.66KPa,反应温度为400℃。
制备覆炭(CCA)载体的工艺条件,通过正交试验,对诸多的覆炭的因素进行了考察,结果表明温度及时间对覆炭影响最显著。图2为温度-C(m%)关系曲线,由图看出在400~650℃随温度增加,载体的覆炭量增加,进入650~700℃后,覆炭量随温度的升高有所减缓,呈S形曲线,实验表明500~600℃为最适宜的反应温度。
图3(A,B)为反应时间对覆炭量的影响,图3A覆炭条件为:温度650℃,N2;流量40ml/min,三氧化二铝为40~80目。采用最小二乘法回归出的关联式为:
C(m%)=0.574737+4.922631τ 式中τ为反应时间
图3B覆炭条件:温度600℃,N2流量20ml/min,三氧化二铝为φ3-4mm的球体。回归出方程为:
C(m%)=0.08252+1.49828τ 式中τ为反应时间
根据上述关系式,改变覆炭时间,可制备出不同覆炭量的CCA载体。
覆炭载体催化剂活性评价
本项研究从两方面考察了Ni/CCA催化剂的活性,首先考察了Al2O3载体与CCA载体对催化剂活性的影响,其次测定不同含炭量的CCA载体对催化剂活性的影响。
图4的5条线分别表示四个系列的Ni/CCA催化剂及Ni/Al2O3催化剂活性的变化。从图中可看出四个系列Ni/CCA催化剂活性均高于Ni/Al2O3催化剂活性,平均高出约8%。这可能是由于γ-Al2O3覆炭后部分微孔堵塞,使载体孔径趋于一致,同时由于炭层像外套一样包围Al2O3载体,降低了Ni与γ-Al2O3之间的相互作用,从而有利于环己烷脱氢反应进行,这一结果在工业生产上有一定实际意义。
图中曲线表明不同覆炭量对活性影响是不同的。四个系列Ni/CCA催化剂含炭量变化范围为11.99%至29.25%,以C%(m)为25.25%及19.25%系列催化活性最高。含炭25.25%活性曲线处于中间,这可能是由于包围γ-Al2O3载体的炭层屏蔽作用趋于平衡,因此催化活性不再随炭含量增加而增加。
CCA载体催化剂的抗结焦性能,抗结焦能力从两方面考察,首先考察CCA载体(没有活性组分)的抗结焦能力。图5A曲线表明随着覆炭量增加,积炭速率减少。覆炭量为14%CCA载体的积炭速率为γ-Al2O3积炭速率10%,说明覆炭载体的抗结焦性能良好。其次考察了Ni/CCA催化剂的抗结焦能力。用测定活性的四个系列Ni/CCA催化剂与Ni/Al2O3催化剂进行抗结焦能力的试验,结果如图5B所示。四个系列的Ni/CCA曲线积炭速率都比Ni/Al2O3系列低,说明Ni/CCA催化剂的抗结焦性能良好,从图中还看出Ni/CCA催化剂抗结焦能力变化与活性变化相一致,即抗结焦性能愈好,其催化活性愈高,这显示了Ni/CCA催化剂的优点,即新型载体既可改善催化剂抗结焦性能,延长寿命,又能提高催化剂活性,一举多得。
Ni/CCA催化剂结构的分析,对Ni/CCA催化剂结构从电镜、电子衍射及比表面测定三个方面进行分析。
用扫描电镜对炭含量为29.25%的CCA载体和积炭的Pt/Al2O3催化剂(Pt/Al2O3的炭是由于脱氢反应产生的积炭)进行测试,目的是考察CCA载体上的覆炭与催化剂上的积炭是否相同,结果表明,CCA载体上炭有导电性,用扫描电镜能观察出炭均匀分布在Al2O3载体上,而Pt/Al2O3催化剂上的积炭由于没有导电性,因此用场发射电镜未能测出结果,初步判定CCA载体上覆炭与催化剂上覆炭有所不同。为进一步考察CCA载体上炭的形态,用电子衍射对Al2O3载体与CCA载体进行分析,其结果所示,初步分析认为二者衍射环之间没有区别,只有强度差别,在CCA照片上没有出现碳的衍射峰,可以认为碳是以非结晶形式均匀覆盖在Al2O3上。
采用ST-03型比表面测定仪对催化剂Ni/CCA与Ni/Al2O3的比表面进行测定,结果表示,随Ni含量增加,Ni/Al2O3比表面下降,而Ni/CCA比表面略有上升的趋势,出现这一现象原因初步认为是由于Ni把Al2O3部分微孔堵塞了,因此Ni/Al2O3比表面呈下降趋势,而Ni/CCA催化剂由于覆炭已把部分微孔堵塞,Al2O3载体上已盖上一层炭膜,Ni负载在炭膜上,Ni与炭膜相互作用可能形成新的催化表面,因此随Ni含量增加,Ni/CCA催化剂比表面略有增加。由比表面结构的分析结果,再次说明了新型覆炭载体能提高催化活性原因,是由于炭膜所起的作用。
本发明所达到的效果是提供了一种具有抗炭性能的脱氢催化剂,是一种新型覆炭载体脱氢催化剂不仅具有良好的抗结焦性能,而且其脱氢活性亦较单纯的γ-Al2O3载体催化剂有明显提高(提高约7-8%),能延长催化剂的寿命,对烃类脱氢反应能起到积极革新作用。
实施例1
1.覆炭载体的制备
参见附图1,把γ-Al2O3载体置于反应器(7)内,并将覆炭原料烃类置于汽化器中,氮气罐的氮气经干燥后进入汽化系统,在汽化系统内氮气流与烃类原料充分接触使之饱和并将烃类物带入反应系统,在反应器(7)内600-800℃高温下发生覆炭反应,使裂解产物炭类物质覆盖于γ-Al2O3载体上,反应后尾气排入大气。经过2-8小时,即可得到覆炭量为10%-40%的γ-Al2O3覆炭载体,测定覆炭载体的吸水量,根据吸水量及催化剂所需负载活性组份的多少,例如催化剂的含镍量的多少,把Ni(No3)2·6H2O配制成水溶液,用浸渍法负载于覆炭载体上,制备出镍含量为3%-17%共得五种不同含镍量的催化剂,然后进行烘干,在氮气氛下于300℃焙烧10小时,再用氢气在500℃下还原19个小时,再在氮气氛下,于600℃老化1小时,即可制得镍含量为3%-17%的五种覆炭载体催化剂,将所制备的新型覆炭催化剂用于环己烷脱氢反应,催化剂活性评价条件:压力0.2MPa,温度325℃,空速3.6h-1,评价是在附图6所示的微反-色谱联合装置内进行的,对以γ-Al2O3为载体的镍催化剂和两个系列的覆炭载体催化剂在不同镍含量时环己烷脱氢的活性,结果表明镍含量增加时,三个系列催化剂活性都呈上升趋势,并且本发明的覆炭载体催化剂的活性明显高于γ-Al2O3载体催化剂的活性,见附图4,并评价了镍含量为12.1%和9.5%的两种催化剂,但载体覆炭量不同时,两个系列新型覆炭催化剂的脱氢活性,评价结果表明:随含炭量增加,脱氢活性增加,含炭量达到19%左右时,曲线增幅趋于平缓,见附图4。
实施例2 Ni/CCA催化剂
1.覆炭载体的制备
把γ-Al2O3置于反应器内,把烃类放入汽化系统内,用N2把烃类带至反应器内,在600℃发生裂解覆炭5小时,即得到含碳量在20~25%的覆炭载体。
2.催化剂制备
用上述载体浸渍在Ni(No3)2·6H2O水溶液中,Ni含量按12.8%配制,在N2气保护下,焙烧8小时,氢气还原19小时,在N2保护下于600℃老化1小时,即得到Ni含量12.8%覆碳含量为25.3%Al2O3载体催化剂。
3.活性评价
用评价装置按评价条件压力0.2MPa,温度325℃,空速3.6h-1环己烷脱氢活性为38%比没有覆炭的Ni/Al2O3活性高出15%。
4.抗碳性评价
用热重仪装置把Ni/CCA催化剂与Ni/Al2O3催化剂进行覆炭,考察其积炭速率其结果为Ni/CCA催化剂积炭速率为0.2mgc/分·克催化剂,而Ni/Al2O3积炭速率为3.2mgc/分·克催化剂。说明新型覆炭催化剂积炭速率比Al2O3载体催化剂低,因此新型覆炭催化剂抗结焦能力好。
实施例3 Co/CCA催化剂
1.覆炭载体的制备
把γ-Al2O3置于反应器内,烃类关入汽化系统内,用N2把烃类带至反应器内,在610℃裂解覆炭4小时,即得到含炭量在19.2%的覆炭载体。
2.催化剂制备
用上述载体浸渍在Co(No3)2水溶液中,Co含量按9.5%配制溶液,在N2气保护下,焙烧8小时,氢气还原19小时,在N2气保护下于580℃老化1小时,即得到Co含量9.5%覆炭量为19.2%Al2O3载体催化剂。
3.活性评价
用活性评价装置按评价条件压力0.2MPa,温度335℃,空速3.5-1,环己烷脱氢活性:Co/Al2O3为17%,而Co/CCA为29%。
4.抗碳性评价
用热重仪装置把Co/CCA催化剂与Co/Al2O3催化剂进行覆炭考察其积炭速率,其结果为Co/CCA催化剂积炭速率为1.1mg·c/分·克催化剂,而Co/Al2O3催化剂积炭速率为3.8mg·c/分·克催化剂,说明新型覆炭催化剂积炭速率比Al2O3载体催化剂低,因此新型覆炭催化剂抗结焦能力好。
实施例4 Pt/CCA催化剂
1.覆炭载体的制备
把γ-Al2O3置于反应器内,把烃类送入汽化系统内,用N2把烃类带至反应器内,在610℃发生裂解覆炭6小时,即得到含碳量29%的覆炭载体。
2.催化剂制备
用上述载体浸渍在Pt(No3)2水溶液中Pt含量按0.5.%配制,在N2气保护下,焙烧10小时,氢气还原6小时,在N2气保护下于550℃老化2小时,即得到Pt含量0.5%覆炭含量29%Al2O3载体催化剂。
3.活性评价
用评价装置评价条件为压力0.2MPa,温度300℃,空速3.5h-1,用环己烷脱氢反应,活性为40%,比没有覆炭的Pt/Al2O3活性高出10%。
4.抗碳性评价
用热重仪对Pt/CCA催化剂与Pt/Al2O3催化剂进行覆炭,考察其积炭速率,其结果为Pt/CCA积炭速率为0.1mg·c/分·克催化剂,而Pt/Al2O3催化剂积炭速率为3mg·c/分·克催化剂,说明Pt/CCA催化剂比Pt/Al2O3催化剂抗结焦性能好。
附图及其说明
附图1是对γ-Al2O3载体覆炭装置流程图。
其中:氮气罐-1
减压阀-2
流量计-3和4A
干燥塔-4和4A
流量调节阀-5
汽化器-6
反应器-7
尾 气-8
附图2是温度-覆炭关系曲线
纵座标是表示覆炭量c(m%)
横座标是表示温度T
附图3(A,B)是反应时间对覆炭量的影响
纵座标是表示覆炭量c%(m)
横座标是反应时间h附图4是4个系列的Ni/CCA催化剂及Ni/Al2O3催化剂活性的变化。
纵座标表示催化剂活性
横座标表示镍的百分含量附图5(A,B)是表示催化剂载体覆炭量与积炭速率的关系。
纵座标表示积炭速度(CW)
横座标表示覆炭量附图5B是覆炭载体催化剂和Al2O3载体催化剂的积炭速率的对比。
纵座标表示积炭速率(CW)
横座标表示镍的百分含量附图6是微反-色谱联合装置
A-原料 G-加热反应器
B-脱氢器 H-流量计
C-稳流阀 L-六通阀
D-流量计 M-氢焰检测器
E-压力表 N-色谱记录仪
F-混合器 T-微机
O-空气 H2-氢气
N2-氮气附图7是动态热重装置
a-热天平主体
b-热天平反应器
c-样品篮
d-混合管
e-挥发器
f-恒温槽
N2-氮气
Claims (2)
1、一种具有抗炭性能的脱氢催化剂,其特征在于以γ-Al2O3为载体,以烃类为原料在覆炭装置内,使烃类在载体上进行裂解反应而制备出γ-Al2O3覆炭载体,再用γ-Al2O3覆炭载体浸渍活性组份铂、钴、镍等就制得具有抗炭性能催化剂。
2、一种制备具有抗炭性能催化剂的覆炭装置,其特征在于将催化剂载体γ-Al2O3置于反应器(8)中,覆炭原料烃类置于汽化器(6)中,从氮气罐(1)中出来的N2气流经流量调节阀(3),干燥塔(4)和流量计(5)进入盛有烃类的汽化器(6)中,由N2气流将烃类带入反应器中,烃类在反应器进行高温裂解反应,裂解反应的产物-炭就覆盖在置于反应器(8)中的γ-Al2O3载体上,反应产生的尾气排入大气。
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