CN1669651A - 一种顺酐常压气相加氢制γ-丁内酯用催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种顺酐常压气相加氢制γ-丁内酯用催化剂及其制备方法。本发明的催化剂由CuO、TiO2、Al2O3和助剂组成,可采用共沉淀法或者微乳液法制备。本发明的催化剂不含有毒组分Cr元素,属于环保型催化剂。催化剂在高的顺酐液时空速下,具有较高的顺酐转化率和γ-丁内酯选择性,可分别达到100%,即使随着反应的进行,在催化剂活性下降时,γ-丁内酯的选择性仍可维持在~100%,这对产物分离十分有利。本发明的催化剂具有优异的催化性能,γ-丁内酯单程收率高,操作工艺简单,是一种性价比较高的顺酐常压气相加氢制γ-丁内酯用催化剂。
Description
技术领域
本发明涉及一种顺酐常压气相加氢制γ-丁内酯用催化剂及其制备方法,具体地说,是一种含有Cu、Ti、Al及Mg、Ba、Zn、Sn、La、Ni六种元素中的至少一种混合而成的顺酐常压气相加氢制γ-丁内酯用催化剂。
背景技术
γ-丁内酯(γ-Butyrolactone,简称GBL),是一种无色油质液体,具有稳定性好、溶解能力强、导电性好、使用安全等特点,是一种优良的高沸点有机溶剂。GBL能发生一系列开环或不开环的化学反应,是重要的有机化工原料及精细化工中间体,可以用来合成许多重要的高附加值的衍生产品,如吡咯烷酮、N-甲基吡咯烷酮、N-乙烯基吡咯烷酮等重要的有机化工产品。
合成γ-丁内酯的工艺路线很多,按原料分为糠醛法、烯丙醇法、丁二烯氯化法、丁二烯乙酰氧基化法、丙烯酸酯法、四氢呋喃法、丁炔二醇加热法、雷普法、1,4-丁二醇脱氢法及顺酐加氢法等,其中实现工业化生产的仅有1,4-丁二醇脱氢法和顺酐加氢法两种。
随着正丁烷氧化制顺酐工艺的大规模工业化生产,而且近年来由于大型流化床和移动氧化技术的采用,大大降低了顺酐生产成本,使顺酐常压气相加氢制γ-丁内酯工艺越来越具有竞争力。
目前顺酐加氢制γ-丁内酯采用的催化剂大致可以分为三类:贵金属催化剂、Ni系催化剂和Cu系催化剂,其中Cu系催化剂是国内外的研究热点,而且有些Cu系催化剂已经实现了工业化生产。
中国专利CN1058400A公开了一种顺酐常压气相加氢合成γ-丁内酯的方法,以顺酐或琥珀酸酐,或它们的混合物为原料,气相进样,在常压条件下进行催化加氢,催化剂由Cu、ZnO、Al2O3及Ni、Ru、Ce、Zr四种元素中的至少一种混合而成,反应温度为200~350℃,氢气∶顺酐的摩尔比为5∶1~200∶1。顺酐单程转化率接近100%,γ-丁内酯和四氢呋喃的选择性达95%。
中国专利CN1071421A公开了一种用于将气相顺酐或气相琥珀酸酐制备四氢呋喃和γ-丁内酯的催化剂。该催化剂采用惰性的具有部分孔隙的材料为载体,将具有催化活性的氧化物涂覆在载体的外表面上。催化活性氧化物为Cu、Zn和Al的氧化物混合物。
中国专利CN1108253A公开了一种顺酐气相催化氢化生产γ-丁内酯的方法,催化剂为还原态的亚铬铜,其基本组成为CuO、Cr2O3和SiO2。CuO∶Cr2O3∶SiO2的最佳比例约为78∶20∶2。
中国专利CN1111167A公开了一种顺酐气相加氢制γ-丁内酯的催化剂,由CuO、ZnO、Al2O3和第四组分Pd或Pt组成。以CuO、ZnO和Al2O3为母体,第四组分喷涂在母体表面上。未还原的催化剂母体的组成(重量百分比)为:CuO 20~65%、ZnO 20~55%、Al2O35~30%,第四组分与母体的重量比为0.005~0.1%。在反应温度280℃、常压、氢酐摩尔比为40条件下,顺酐转化率为100%,γ-丁内酯选择性为92.7%。
中国专利CN1139106A公开了一种以顺酐或琥珀酸酐为原料气相催化加氢制备γ-丁内酯的方法,是将原料顺酐与C1~C4的饱和一元醇按照1∶1~4的摩尔比所形成的溶液汽化后,在氢/酐摩尔比为50~300、温度为200~300℃、压力为0.1~2.0兆帕、原料顺酐的液时空速为0.04~0.30h-1的条件下,与还原态的Cu-Zn-Cr-Zr催化剂接触。该方法能够在高空速下获得接近100%的顺酐转化率和85%以上的γ-丁内酯选择性。
中国专利CN1298759A公开了一种顺酐气相常压加氢制γ-丁内酯催化剂及其用途,催化剂的各组份重量百分比为:CuO 6~70%、ZnO 15~40%;Al2O3 2~24%、助剂0.001~10%,其中助剂为BaO、Pd两种物质中的至少一种。顺酐蒸汽和氢气混合后通过固定床反应器,反应温度为250~320℃,反应压力小于0.05MPa,氢气与顺酐摩尔比10~200,顺酐液体重量空速为0.02~0.26h-1,顺酐单程转化率为100%,γ-丁内酯选择性可达93~98%。
中国专利CN1314208A公开了一种制备γ-丁内酯的催化剂及其制备方法,该催化剂的重量百分比组成为:Pd 1.0~5.0%,Co 1.0~5.0%,Ti 0.5~10.0%,活性炭84.0~95.0%。采用分步浸渍方法制得,即第一步先将Ti的前身物按所需的比例浸渍到活性炭载体上,在120℃烘干,再在氮气保护下,于400~600焙烧2~6h;第二步将Pd和Co的前身物按所需比例浸渍在第一步制得的催化剂上,在120烘干,再在氮气保护下,于400~600℃焙烧2~6h,即得催化剂。该催化剂用于顺酐加氢制γ-丁内酯时,γ-丁内酯选择性大于98%。
中国专利CN1358568A公开了一种顺酐常压气相加氢制γ-丁内酯的催化剂及其制备方法。该催化剂是一种含有Cu、Zn、Al的顺酐常压加氢制γ-丁内酯的催化剂,不添加第四活性组分,组分含量(wt%)分别为:CuO 10~80%,ZnO 20~5%,Al2O3 1~40%,用共沉淀法制备。
美国专利US3065243公开了一种在Cu-Cr催化剂存在下,以顺酐、琥珀酸酐、相应的酸或酯为原料气相加氢制γ-丁内酯的方法,但是顺酐转化率和γ-丁内酯选择性相当低。
美国专利US5347021公开了一种顺酐气相加氢制γ-丁内酯的催化剂(组成的重量百分比为:CuO 50~60%,ZnO 18~50%,Al2O3 8~22%,石墨0~5%),在顺酐液时空速0.05~0.25h-1条件下,顺酐转化率100%,γ-丁内酯选择性大于80%。
美国专利US6492535B1公开了一种以顺酐或琥珀酸酐为原料气相催化加氢制备γ-丁内酯的方法,催化剂的组成为(wt%):CuO 30~80%,Cr2O3 20~70%,BaO或MgO<1%,可以获得100%的顺酐转化率和92%以上的γ-丁内酯选择性。
上述的现有专利技术虽各有其特点,但也各有其不足之处,例如:反应温度较高、原料空速较小、γ-丁内酯选择性不高和催化剂含有有毒组分Cr元素等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于高空速条件下,具有高活性、高选择性的顺酐常压气相加氢制备γ-丁内酯用的催化剂及其制备方法。
本发明的催化剂的组成和重量百分比含量为:
CuO 5~60%,
TiO2 10~50%,
Al2O3 29~75%,
助剂 0.01~5%。
其中助剂选自Mg、Ba、Zn、Sn、La或Ni的氧化物中的一种或其混合物。
优选的组成和重量百分比含量为:
CuO 8~50%,
TiO2 15~50%,
Al2O3 34~70%,
助剂 0.05~5%。
本发明的催化剂可采用共沉淀法或者微乳液法制备。
所说的共沉淀法包括如下步骤:
将Cu和Al的硝酸盐、钛酸正丁酯或硫酸钛以及Mg、Ba、Zn、La、Ni的硝酸盐或氯化亚锡中的至少一种可溶性盐,溶解在无水乙醇或去离子水中,加入沉淀剂,沉淀温度为25~60℃,溶液终点pH值为5~9,沉淀过程结束后,陈化0.5~12h,然后过滤、洗涤,在100~120℃下干燥8~24h,在350~700℃下焙烧5~15h,最后压片成型待用。
所说的沉淀剂为Na2CO3、NaHCO3、NaOH、K2CO3、KHCO3、KOH、(NH4)2CO3、NH4HCO3、氨水中的一种或多种。
所说的微乳液法包括如下步骤:
将Cu、Al的硝酸盐,硫酸钛,Mg、Ba、Zn、La、Ni的硝酸盐或氯化亚锡中的至少一种可溶性盐,溶解在去离子水中,按顺序加入环己烷、曲拉通和正己醇,形成接近透明的稳定的盐微乳液(I);
将沉淀剂溶解在去离子水中,按顺序加入环己烷、曲拉通和正己醇,形成碱性沉淀剂的微乳液(II);
沉淀剂选自Na2CO3、NaHCO3、NaOH、K2CO3、KHCO3、KOH、(NH4)2CO3、NH4HCO3、氨水中的一种或多种;
曲拉通、正己醇和环己烷的体积比为:曲拉通/正己醇/环己烷=1/1~3/7~10;
水和环己烷的体积比为:水/环己烷=1/1~8;
在剧烈搅拌状态下,于25~60℃将碱性沉淀剂的微乳液(I)缓慢滴加到盐微乳液(II)中,控制溶液终点pH值在5~9;
沉淀过程结束后,陈化0.5~12h,然后进行过滤、洗涤,在100~120℃下干燥8~24h,在350~700℃下焙烧5~15h,最后压片成型待用。
在使用前,催化剂要进行还原活化,活性的条件为:
用氢气或氮气稀释的氢气对催化剂进行活化,在0.1~0.5MPa压力下,于150~400℃在固定床反应器内进行原位还原5~30h,直到反应器出口端无水蒸汽为止。
经过活化的催化剂用于顺酐常压气相加氢制备γ-丁内酯反应,其反应条件为:反应温度160~350℃,更适宜值为180~300℃,反应压力0.1~0.5MPa,顺酐液时空速0.02~1.5h-1,更适宜值为0.1~1.0h-1,氢气/顺酐摩尔比2~200。顺酐转化率和γ-丁内酯选择性都可分别达到100%。即使随着反应的进行,催化剂活性不断下降,但对GBL的选择性仍可维持在~100%。催化剂积炭失活后,可以用空气烧炭再生。
本发明的催化剂的显著优点之一是,催化剂活性组分为Cu、Ti、Al及Mg、Ba、Zn、Sn、La、Ni六种元素中的至少一种混合而成的,不含有毒组分Cr元素,属于环保型的催化剂。
本发明的催化剂的显著优点之二是,催化剂可在高的顺酐液时空速下使用,具有较高的顺酐转化率和γ-丁内酯选择性,可分别达到100%,即使随着反应的进行,催化剂活性不断下降,但对GBL的选择性始终维持在~100%,这对产物的分离十分有利。
本发明的催化剂的显著优点之三是,由于催化剂具有优异的催化性能,γ-丁内酯单程收率高,操作工艺简单,是一种性价比较高的顺酐常压气相加氢制γ-丁内酯用催化剂。
具体实施方式
实施例1
按照催化剂的组成比例(wt%)(CuO 12%,TiO2 25%,Al2O3 60%,BaO 3%),将3.64克Cu(NO3)2·3H2O、10.7ml钛酸正丁酯、44.1克Al(NO3)3·9H2O、0.5克Ba(NO3)2溶解在250ml无水乙醇中,在高速搅拌条件下于40,缓慢滴加饱和碳酸钠水溶液,控制溶液终点pH值在8~9。沉淀过程结束后,陈化6h,然后进行过滤、洗涤,在120℃干燥12h,550℃焙烧7h,最后压片成型待用。
将6ml的20~40目催化剂装填到Φ10mm的固定床反应器中,然后在300℃,通入8%的H2/N2混和气体进行原位还原活化,直到反应器出口端无水蒸汽产生为止。
在反应温度180~270℃,常压,顺酐液时空速0.4h-1,氢气/顺酐摩尔比为50的条件下进行催化剂性能评价,顺酐转化率和γ-丁内酯选择性都可达100%。
实施例2
按照催化剂的组成比例(wt%)(CuO 12%,TiO2 25%,Al2O3 60%,BaO 3%),将3.64克Cu(NO3)2·3H2O、12.6克Ti(SO4)2·9H2O、44.1克Al(NO3)3·9H2O、0.5克Ba(NO3)2溶解在180ml去离子水中,在剧烈搅拌状态下按顺序加入1100ml环己烷、150ml曲拉通和180ml正己醇,形成接近透明的稳定的盐微乳液。再用相同方法配制碱性沉淀剂碳酸钠的微乳液。在剧烈搅拌状态下于40℃,将碳酸钠微乳液缓慢滴加到盐的微乳液中,控制溶液终点pH值在8~9。沉淀过程结束后,陈化12h,然后进行过滤、洗涤,在120℃干燥12h,550℃焙烧7h,最后压片成型待用。
其余条件与实施例1相同,顺酐转化率和γ-丁内酯选择性都可达100%。
实施例3
按照催化剂的组成比例(wt%)(CuO 50%,TiO2 15%,Al2O3 34%,La2O3 1%),将15.2克Cu(NO3)2·3H2O、6.4ml钛酸正丁酯、25.0克Al(NO3)3·9H2O、0.3克La(NO3)3·6H2O溶解在250ml无水乙醇中,在高速搅拌条件下于40℃,缓慢滴加饱和碳酸钠水溶液,控制溶液终点pH值在8~9。沉淀过程结束后,陈化6h,然后进行过滤、洗涤,在120干燥12h,550℃焙烧7h,最后压片成型待用。
其余条件与实施例1相同,顺酐转化率大于95%,γ-丁内酯选择性大于90%。
实施例4
按照催化剂的组成比例(wt%)(CuO 24%,TiO2 35%,Al2O3 39%,La2O3 2%),将7.3克Cu(NO3)2·3H2O、17.6克Ti(SO4)2·9H2O、28.7克Al(NO3)3·9H2O、0.5克La(NO3)3·6H2O溶解在180ml去离子水中,在剧烈搅拌状态下按顺序加入1100ml环己烷、150ml曲拉通和180ml正己醇,形成接近透明的稳定的盐微乳液。再用相同方法配制碱性沉淀剂碳酸钠的微乳液。在剧烈搅拌状态下于40℃,将碳酸钠微乳液缓慢滴加到盐的微乳液中,控制溶液终点pH值在8~9。沉淀过程结束后,陈化12h,然后进行过滤、洗涤,在120℃干燥12h,550℃焙烧7h,最后压片成型待用。
其余条件与实施例1相同,顺酐转化率大于95%,γ-丁内酯选择性大于90%。
Claims (8)
1.一种顺酐常压气相加氢制γ-丁内酯用催化剂,其特征在于,组分和重量百分比含量为:
CuO 5~60%,
TiO2 10~50%,
Al2O3 29~75%,
助剂 0.01~5%。
其中助剂选自Mg、Ba、Zn、Sn、La或Ni的氧化物中的一种或其混合物。
2.根据权利要求1所述的催化剂,其特征在于,组分和重量百分比含量为:
CuO 8~50%,
TiO2 15~50%,
Al2O3 34~70%,
助剂 0.05~5%。
3.根据权利要求1或2所述的催化剂的制备方法,其特征在于,采用共沉淀法或者微乳液法。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所说的共沉淀法包括如下步骤:
将Cu和Al的硝酸盐、钛酸正丁酯或硫酸钛以及Mg、Ba、Zn、La、Ni的硝酸盐或氯化亚锡中的至少一种可溶性盐,溶解在无水乙醇或去离子水中,然后加入沉淀剂,控制沉淀温度在25~60℃,控制溶液终点pH值为5~9,沉淀过程结束后,陈化0.5~12h,然后过滤、洗涤,在100~120℃下干燥8~24h,在350~700℃下焙烧5~15h;
所说的沉淀剂为Na2CO3、NaHCO3、NaOH、K2CO3、KHCO3、KOH、(NH4)2CO3、NH4HCO3、氨水中的一种或多种。
5.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所说的微乳液法包括如下步骤:
将Cu、Al的硝酸盐,硫酸钛,Mg、Ba、Zn、La、Ni的硝酸盐或氯化亚锡中的至少一种可溶性盐,溶解在去离子水中,按顺序加入环己烷、曲拉通和正己醇,形成盐微乳液(I);
将沉淀剂溶解在去离子水中,按顺序加入环己烷、曲拉通和正己醇,形成碱性沉淀剂的微乳液(II);
所说的沉淀剂选自Na2CO3、NaHCO3、NaOH、K2CO3、KHCO3、KOH、(NH4)2CO3、NH4HCO3、氨水中的一种或多种;
曲拉通、正己醇和环己烷的体积比为:曲拉通/正己醇/环己烷=1/1~3/7~10;
水和环己烷的体积比为:水/环己烷=1/1~8;
将碱性沉淀剂的微乳液(I)加入到盐微乳液(II)中,控制沉淀温度在25~60℃,控制溶液终点pH值在5~9;
沉淀过程结束后,陈化0.5~12h,然后进行过滤、洗涤,在100~120℃下干燥8~24h,在350~700℃下焙烧5~15h。
6.根据权利要求1或2所述的催化剂的活化方法,其特征在于,用氢气或氮气稀释的氢气对催化剂进行活化,在0.1~0.5MPa压力下,于150~400℃在固定床反应器内进行原位还原5~30h,直到反应器出口端无水蒸汽为止。
7.根据权利要求1或2所述的催化剂,其特征在于,催化反应条件为:反应温度160~350℃,反应压力0.1~0.5MPa,顺酐液时空速0.02~1.5h-1,氢气/顺酐摩尔比2~200。
8.根据权利要求7所述的催化剂,其特征在于,催化反应条件为:反应温度180~300℃,反应压力0.1~0.5MPa,顺酐液时空速0.1~1.0h-1,氢气/顺酐摩尔比2~200。
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