CN1329116C - 用于乙苯脱氢制苯乙烯的氢氧化反应催化剂 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于乙苯脱氢制苯乙烯的氢氧化反应催化剂，主要解决以往技术中存在乙苯脱氢过程中氢氧化反应催化剂的氧气转化率或氧气选择性不够高的问题。本发明通过采用以蜂窝状载体的含VIII族元素的催化剂，且限定载体相邻两窝室壁厚为30～500微米，载体横截面的开孔数为3～150孔/厘米2的技术方案较好地解决了该问题，可用于乙苯脱氢制苯乙烯的工业生产中。
Description
技术领域
本发明涉及用于乙苯脱氢制苯乙烯的氢氧化反应催化剂。
背景技术
苯乙烯是基本的有机化工原料。乙苯脱氢工艺是生产苯乙烯的最主要方法。乙苯脱氢生成苯乙烯和氢气是一个吸热、分子数增多的平衡反应。提高反应温度、降低反应压力、使用高效能的脱氢催化剂，可提高乙苯的单程转化率，但仍受到热力学平衡的限制。
乙苯脱氢-氢氧化工艺是在乙苯脱氢的基础上增加氢气选择性氧化反应的新工艺，也就是说第一步是脱氢反应，第二步是氢氧化反应，即第一步反应产生的氢气和加入的氧气发生燃烧反应，第三步是第二步的反应产物继续进行脱氢反应。也可以连续的再进行氢氧化-脱氢反应。相对于乙苯脱氢工艺而言，乙苯脱氢-氢氧化工艺主要具有两点优势：(1)乙苯脱氢为吸热反应，氢燃烧产生热量为下一步脱氢提供热量；(2)由于产物之一的氢气被反应消耗，有利于乙苯脱氢反应向生成苯乙烯方向移动，从而提高反应的转化率。
一般采用Fe系催化剂用作乙苯脱氢反应的催化剂。比如采用专利CN1400052A或CN1443738A描述的催化剂用于乙苯脱氢反应的催化剂。
专利US4914249和US4812597中介绍了PtSnLi/Al2O3催化剂用于乙苯脱氢过程中的氢氧化反应，其中Li也可以是其它碱金属或碱土金属，采用α-Al2O3作为载体。专利US5994606中介绍了采用负载型的Pt或Pd催化剂用于乙苯脱氢过程中的氢氧化反应，采用Sn、Ti、Ta、Nb的氧化物或者它们的混合物作为载体。专利US5872075介绍了采用Pt/Al2O3催化剂用于乙苯脱氢过程中的氢氧化反应，其中Al2O3具有特定的比表面和酸强度。US5001291采用负载在锡的氧化物上Pd、Pt、Rh或Ru催化剂，用于乙苯脱氢过程中的氢氧化反应。
上述专利制备的催化剂用于乙苯脱氢过程中的氢氧化反应时，氧气转化率或氧气选择性还不够高。氧气转化率或氧气选择性是乙苯脱氢过程中氢氧化反应中的两个重要指标。在氢氧化阶段若有未转化的氧气，这部分氧气进入脱氢催化剂床层可能会引起不利于脱氢催化剂的反应，同时消耗芳烃。氧气选择性是指氧气消耗在进料氢气上的百分数(其余的氧气则消耗在芳烃上发生副反应)，即用于氢氧化的氧气摩尔数占总转化氧气摩尔数的百分比。由于芳烃损失会引起原料成本上升，因此高氧气选择性是氢氧化反应催化剂制备的重要目标。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是以往技术中存在乙苯脱氢过程中氢氧化反应催化剂的氧气转化率或氧气选择性不够高的问题，提供一种新的用于乙苯脱氢制苯乙烯的氢氧化反应催化剂。该催化剂用于乙苯脱氢过程中氢氧化反应时，具有氧气转化率高，氧气选择性高的特点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种用于乙苯脱氢制苯乙烯的氢氧化反应催化剂，以选自氧化铝、莫来石、富铝红柱石、尖晶石、堇青石、硅铝酸盐、锂辉石、氧化锆或二氧化钛中的至少一种为载体，以重量百分比计，催化剂包括以下组份：
a)以金属计0.02～15％的选自VIII族元素中的至少一种金属；
b)在85～99.98％的载体；
其中载体的形状为蜂窝状，相邻两窝室壁厚为30～500微米，载体横截面的开孔数为3～150孔/厘米2。
上述技术方案中载体优选方案选自氧化铝，载体窝室横截面形状优选方案为圆形、三角形、四方形、多边形、梯形、扇形、椭圆形或不规则形状，整个载体横截面的外形优选方案为圆形、椭圆形、四方形、长方形、多边形、方弧形或不规则形状。以重量百分比计以金属计选自VIII族元素中的至少一种金属的用量优选范围为0.02～5％，更优选范围为0.02～2％；VIII族元素中的至少一种金属优选方案选自铂、钯、钌或铑中的至少一种金属，更优选方案选自铂。以重量百分比计催化剂优选方案为催化剂中还含有以金属计为0.02～10％的锡，更优选方案以金属计锡的用量为0.06～6％。相邻两窝室壁厚优选范围为40～300微米，载体横截面的开孔数优选范围为25～150孔/厘米2。
本发明所述乙苯制备苯乙烯的乙苯脱氢-氢氧化工艺，包括以下步骤：(1)第一脱氢反应。将乙苯和水通过乙苯脱氢催化剂；(2)氢氧化反应。在第一脱氢反应产物中加入氧气或含有氧气的气体，通过氢氧化催化剂；(3)第二脱氢反应。将氢氧化反应产生的产物通过脱氢催化剂。
上述乙苯脱氢-氢氧化反应的温度在500～700℃范围，反应压力在0.1～10公斤/平方厘米范围。
在氢氧化反应前加入氧气或含氧气的气体，比如空气、氧气和氮气的混合气体。
氢氧化反应后的物流温度一般在580℃以上，更好的在600℃以上。
本发明催化剂的制备方法如下：
把上述蜂窝载体浸渍含一种或几种VIII族元素铂、钯、钌或铑的溶液，经90～150℃烘干1小时以上，250～600℃焙烧1小时以上，得到乙苯脱氢的氢氧化催化剂。更优选的方法是在催化剂中加入锡。锡的加入可以采用与VIII族元素共浸的方法或者与VIII族元素分浸的方法，以锡的可溶性溶液的方式浸渍加入。每次浸渍后经90～150℃烘干1小时以上，全部浸渍好后烘干，250～600℃焙烧1小时以上，得到用于乙苯脱氢制苯乙烯的氢氧化反应催化剂。
催化剂中VIII族元素铂、钯、钌或铑的重量含量以催化剂中金属计在0.02～5％范围，更好的在0.02～2％。锡的重量含量以催化剂中金属计在0.02～10％范围，更好的在0.06～6％范围。
采用本发明的蜂窝催化剂，相比于球形，圆柱形，拉西环形等通常催化剂，具有如下优点：(1)几何外表面大，降低内扩散效应，提高反应转化率和选择性；(2)粒内温度梯度小，加强床层传热，减少金属聚集，延长催化剂寿命；(3)孔隙率大，堆密度小，可降低催化剂装填量，降低催化剂成本；(4)床层阻力降小。
本发明所指的氧气转化率和氧气选择性通过如下计算方式得到。
本发明由于采用蜂窝状载体，且使相邻两窝室壁厚仅为30～500微米，且保持载体横截面的高开孔数，克服了以往专利中氢氧化催化剂的氧气转化率和氧气选择性不够高的缺点。本发明提供的氢氧化催化剂，具有高的氧气转化率达100％和高的氧气选择性达91.7％，取得了较好的技术效果。
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述。
具体实施方式
【比较例1】
乙苯脱氢反应在两个负压绝热反应器内进行，两个反应器之间可以加热。两个内径50.8毫米的不锈钢反应管内分别装有750毫升按专利CN1400052A制备的铁系催化剂。第二反应器出口压力为50Kpa，液体空速0.5小时-1，水/乙苯重量比1.3，第一和第二反应器温度分别为615℃和620℃。反应转化率为65.2％，单收63.5％。
【实施例1】
氢氧化反应在内径为25毫米的不锈钢反应管内进行，内装30毫升氢氧化催化剂。反应压力为常压，液体空速3小时-1，反应温度500～650℃可调。把比较例1第一反应器中经过脱氢反应后的油相，以及添加的水、氧气、氢气、氮气作为氢氧化反应物。氢氧化反应物组成如表1。
表1氢氧化反应的原料组成
| 原料 | 含量(摩尔百分比) |
| 苯乙烯 | 2.4％ |
| 乙苯 | 5.4％ |
| 苯和甲苯 | 0.08％ |
| H2 | 2.4％ |
| O2 | 1.1％ |
| N2 | 0.11％ |
| 水 | 88.51％ |
通过测量反应物和产物的组成，计算催化剂在氢氧化反应中的氧气转化率和氧气选择性。
【实施例2】
用蜂窝状镁铝尖晶石作为载体，外形为圆柱形，外径5毫米，长度5毫米，内有16个轴向的孔(开孔数为82孔/厘米2)，孔的横截面为三角形，孔间壁厚180微米。
取100克上述镁铝尖晶石颗粒载体浸渍在含4.0克氯铂酸、8.3毫升盐酸的100毫升水溶液中的溶液中，取出后120℃烘干3小时，500℃空气处理2小时，得到催化剂1。
催化剂1中含0.60％(重量)Pt。
用实施例1的方法对催化剂1进行反应性能考察，580℃反应温度下的反应性能结果见表2。
【比较例2】
取100克实心α-氧化铝圆球载体浸渍在含6.0克氯铂酸、8.3毫升盐酸的100毫升水溶液中的溶液中，取出后120℃烘干2小时，450℃空气处理1小时，得到催化剂2。
催化剂2中含0.90％(重量)Pt。
用实施例1的方法对催化剂2进行反应性能考察，580℃反应温度下的反应性能结果见表2。
【实施例3】
用蜂窝状α-氧化铝作为载体，外形为圆柱形，外径5毫米，长度5毫米，内有24个轴向的孔(开孔数为122孔/厘米2)，孔的横截面为三角形，孔间壁厚80微米。
取100克上述载体浸渍在含13.2克氯铂酸、24克氯化亚锡、8.3毫升盐酸的100毫升水溶液中的溶液中，取出后烘干，600℃空气处理1小时，得到催化剂3。
催化剂3中含2.0％(重量)Pt和6.0％(重量)Sn。
用实施例1的方法对催化剂3进行反应性能考察，580℃反应温度下的反应性能结果见表2。
【实施例4】
采用莫来石蜂窝载体，外形为正方形，边长5毫米，上下贯穿9个孔(开孔数为36孔/厘米2)，孔的横截面为四边形，隔墙壁厚300微米。
取100克上述载体浸渍在含1.32克氯铂酸、2.4克氯化亚锡、8.3毫升盐酸的100毫升水溶液中的溶液中，取出后烘干，250℃空气处理3小时，得到催化剂4。
催化剂4中含0.20％(重量)Pt和0.6％(重量)Sn。
用实施例1的方法对催化剂4进行反应性能考察，580℃反应温度下的反应性能结果见表2。
【实施例5】
采用堇青石蜂窝载体，外形为圆柱形，外径4毫米，长度4毫米，内有7个轴向的孔(开孔数为56孔/厘米2)，孔的横截面为圆形，孔间壁厚150微米。
取100克上述载体浸渍在含0.132克氯铂酸、0.24克氯化亚锡、8.3毫升盐酸的100毫升水溶液中的溶液中，取出后烘干，400℃空气处理2小时，得到催化剂5。
催化剂5中含0.020％(重量)Pt和0.06％(重量)Sn。
用实施例1的方法对催化剂5进行反应性能考察，580℃反应温度下的反应性能结果见表2。
【比较例3】
采用实心圆柱形α-氧化铝作为载体C，外径5毫米，高5毫米。
取100克上述载体C浸渍在含0.66克氯铂酸、1.2克氯化亚锡、8.3毫升盐酸的100毫升水溶液中的溶液中，取出后烘干，450℃空气处理1小时，得到催化剂6。
催化剂6中含0.10％(重量)Pt和0.30％(重量)Sn。
用实施例1的方法对催化剂6进行反应性能考察，580℃反应温度下的反应性能结果见表2。
【实施例6】
乙苯脱氢-氢氧化反应在三个负压绝热反应器内进行，三个内径50.8毫米的不锈钢反应管内分别装有750毫升按专利CN1400052A制备的铁系催化剂，其中第二个反应器内在铁系催化剂之上还装有200毫升按实施例3制备的氢氧化催化剂，第一脱氢反应后的气体先经过第二反应器内的氢氧化催化剂再进行第二脱氢反应。第三反应器出口压力为50Kpa，液体空速0.5小时-1，水/乙苯重量比1.3，第一、第二和第三反应器内脱氢催化剂床层温度分别为615℃、615℃和620℃。反应转化率为75.3％，单收72.3％。
表2催化剂的反应性能
| 催化剂形状 | 活性组份重量含量 | 氧气转化率 | 氧气选择性 | |
| 催化剂1 | 蜂窝状 | 0.60％Pt | 100％ | 89.2％ |
| 催化剂2 | 实心圆球 | 0.90％Pt | 99.1％ | 88.3％ |
| 催化剂3 | 蜂窝状 | 2.0％Pt、6.0％Sn | 100％ | 91.5％ |
| 催化剂4 | 蜂窝状 | 0.20％Pt、0.6％Sn | 100％ | 91.6％ |
| 催化剂5 | 蜂窝状 | 0.02％Pt、0.06％Sn | 100％ | 91.7％ |
| 催化剂6 | 实心圆柱形 | 0.10％Pt、0.30％Sn | 99.6％ | 90.2％ |
Claims (10)
1、一种用于乙苯脱氢制苯乙烯的氢氧化反应催化剂，以选自氧化铝、莫来石、富铝红柱石、尖晶石、堇青石、硅铝酸盐、锂辉石、氧化锆或二氧化钛中的至少一种为载体，以重量百分比计，催化剂包括以下组份：
a)以金属计0.02～15％的选自VIII族元素中的至少一种金属；
b)在85～99.98％的载体；
其特征在于载体的形状为蜂窝状，相邻两窝室壁厚为30～500微米，载体横截面的开孔数为3～150孔/厘米2。
2、根据权利要求1所述用于乙苯脱氢制苯乙烯的氢氧化反应催化剂，其特征在于载体选自氧化铝，载体窝室横截面形状为圆形、三角形、四方形、多边形、梯形、扇形、椭圆形或不规则形状，整个载体横截面的外形为圆形、椭圆形、四方形、长方形、多边形、方弧形或不规则形状。
3、根据权利要求1所述用于乙苯脱氢制苯乙烯的氢氧化反应催化剂，其特征在于以重量百分比计以金属计选自VIII族元素中的至少一种金属的用量为0.02～5％。
4、根据权利要求3所述用于乙苯脱氢制苯乙烯的氢氧化反应催化剂，其特征在于以重量百分比计以金属计选自VIII族元素中的至少一种金属的用量为0.02～2％。
5、根据权利要求1所述用于乙苯脱氢制苯乙烯的氢氧化反应催化剂，其特征在于VIII族元素中的至少一种金属选自铂、钯、钌或铑中的至少一种金属。
6、根据权利要求5所述用于乙苯脱氢制苯乙烯的氢氧化反应催化剂，其特征在于VIII族元素中的至少一种金属选自铂。
7、根据权利要求1所述用于乙苯脱氢制苯乙烯的氢氧化反应催化剂，其特征在于以重量百分比计催化剂中还含有以金属计为0.02～10％的锡。
8、根据权利要求7所述用于乙苯脱氢制苯乙烯的氢氧化反应催化剂，其特征在于以重量百分比计以金属计锡的用量为0.06～6％。
9、根据权利要求1所述用于乙苯脱氢制苯乙烯的氢氧化反应催化剂，其特征在于相邻两窝室壁厚为40～300微米。
10、根据权利要求1所述用于乙苯脱氢制苯乙烯的氢氧化反应催化剂，其特征在于载体横截面的开孔数为25～150孔/厘米2。
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