RU2261143C2 - Cobalt-based catalysts - Google Patents
Cobalt-based catalysts Download PDFInfo
- Publication number
- RU2261143C2 RU2261143C2 RU2003100829/15A RU2003100829A RU2261143C2 RU 2261143 C2 RU2261143 C2 RU 2261143C2 RU 2003100829/15 A RU2003100829/15 A RU 2003100829/15A RU 2003100829 A RU2003100829 A RU 2003100829A RU 2261143 C2 RU2261143 C2 RU 2261143C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- catalyst
- cobalt
- precursor
- carrier
- fischer
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Catalysts (AREA)
Abstract
Description
Данное изобретение относится к катализаторам на основе кобальта. Конкретно настоящее изобретение относится к катализатору Фишера-Тропша на основе кобальта, к предшественнику такого катализатора на основе кобальта, к способу получения предшественника такого катализатора на основе кобальта, к способу получения такого катализатора на основе кобальта и к способу получения углеводородов с применением такого катализатора на основе кобальта.This invention relates to cobalt based catalysts. Specifically, the present invention relates to a cobalt-based Fischer-Tropsch catalyst, to a precursor of such a cobalt-based catalyst, to a method for producing a precursor of such a cobalt-based catalyst, to a method for producing such a cobalt-based catalyst, and to a method for producing hydrocarbons using such a catalyst based cobalt.
Известны способы получения предшественников катализатора на основе кобальта, которые включают пропитку в суспензии носителя катализатора солью кобальта, сушку пропитанного носителя катализатора и прокаливание высушенного пропитанного носителя катализатора для достижения желаемого содержания кобальта на носителе. Полученные предшественники затем активируют восстановлением с получением катализаторов Фишера-Тропша на основе кобальта. Эти катализаторы могут проявлять достаточно высокую характеристическую активность при использовании в реакциях синтеза Фишера-Тропша; однако известными способами нельзя легко получить катализаторы, обладающие повышенной или превосходной характеристической активностью. Следовательно, цель данного изобретения состоит в создании катализатора Фишера-Тропша, имеющего повышенную начальную и/или стабилизированную характеристическую активность в реакциях синтеза Фишера-Тропша, а также способа получения такого катализатора.Known methods for producing cobalt-based catalyst precursors, which include impregnating a suspension of a catalyst support with a cobalt salt, drying the impregnated catalyst support and calcining the dried impregnated catalyst support to achieve the desired cobalt content on the support. The precursors obtained are then activated by reduction to obtain cobalt-based Fischer-Tropsch catalysts. These catalysts can exhibit a fairly high characteristic activity when used in Fischer-Tropsch synthesis reactions; however, it is not possible by known methods to easily obtain catalysts having enhanced or superior characteristic activity. Therefore, the aim of the present invention is to provide a Fischer-Tropsch catalyst having an increased initial and / or stabilized characteristic activity in Fischer-Tropsch synthesis reactions, as well as a method for producing such a catalyst.
Согласно первому аспекту изобретения предусмотрен катализатор Фишера-Тропша на основе кобальта, содержащий пористый носитель катализатора и кристаллиты металлического кобальта в указанном носителе и характеризующийся:According to a first aspect of the invention, there is provided a cobalt-based Fischer-Tropsch catalyst comprising a porous catalyst support and cobalt metal crystallites in said support and characterized by:
(i) определенным количеством кобальта в способной к восстановлению форме, выраженным как Ω мас.% в расчете на общую массу катализатора до восстановления;(i) a specific amount of cobalt in a reducible form, expressed as Ω wt.% based on the total weight of the catalyst before reduction;
(ii) в свежевосстановленном состоянии кристаллитами металлического кобальта, характеризующимися мономодальным Гауссовым распределением;(ii) in a freshly reduced state, cobalt metal crystallites characterized by a monomodal Gaussian distribution;
(iii) в свежевосстановленном состоянии площадью поверхности частиц металлического кобальта, равной от 0,14 Ω до 1,03 Ω м2/г катализатора;(iii) in a freshly reduced state, the surface area of the particles of metallic cobalt equal to from 0.14 Ω to 1.03 Ω m 2 / g of catalyst;
(iv) в свежевосстановленном состоянии геометрической формой катализатора, которая обеспечивает фактор стабилизированной активности в реакции Фишера-Тропша, равный 0,9 и более.(iv) in a freshly reduced state, the geometric form of the catalyst, which provides a stabilized activity factor in the Fischer-Tropsch reaction of 0.9 or more.
Неожиданно было установлено, что катализатор на основе кобальта согласно первому аспекту изобретения проявляет повышенную начальную и стабилизированную характеристическую активность Фишера-Тропша.It has been unexpectedly found that the cobalt-based catalyst according to the first aspect of the invention exhibits increased initial and stabilized Fischer-Tropsch characteristic activity.
Термин "фактор стабилизированной активности в реакциях Фишера-Тропша" подразумевает фактор эффективности стабилизированного катализатора. Стабилизированный катализатор Фишера-Тропша на основе кобальта определятся как катализатор, который был полностью доведен до кондиционного состояния во время реакции Фишера-Тропша в суспензии в реальных условиях реакции Фишера-Тропша с применением ультрачистого синтез-газа, то есть синтез-газа, который не содержит помимо Н2 и СО загрязняющих соединений, которые могут вызвать дезактивацию катализатора.The term "stabilized activity factor in Fischer-Tropsch reactions" refers to the efficiency factor of a stabilized catalyst. A stabilized cobalt-based Fischer-Tropsch catalyst is defined as a catalyst that was fully conditioned during the Fischer-Tropsch reaction in suspension under real conditions of the Fischer-Tropsch reaction using ultra-pure synthesis gas, i.e. synthesis gas that does not contain in addition to H 2 and CO contaminants, which can cause catalyst deactivation.
Под "реальными условиями реакции Фишера-Тропша" подразумевают условия реакции - 225±5°С и давление 20 бар, % конверсии (H2+СО), равный 60±10% при использовании исходного газа, содержащего около 50 об.% Н2, около 25 об.% СО, остальное Ar, N2, CH4 и/или СО2.By “real Fischer-Tropsch reaction conditions” is meant reaction conditions of 225 ± 5 ° C. and a pressure of 20 bar,% conversion (H 2 + CO) of 60 ± 10% when using a source gas containing about 50 vol.% H 2 , about 25 vol.% CO, the rest is Ar, N 2 , CH 4 and / or CO 2 .
Под "свежевосстановленным" понимают катализатор, который был активирован и не применялся при проведении реакции Фишера-Тропша.By “freshly reduced” is meant a catalyst that has been activated and has not been used in the Fischer-Tropsch reaction.
В данном описании, если иное не указано, масса катализатора относится к массе прокаленного катализатора или массе катализатора до восстановления, то есть массе катализатора до того, как осуществляется его восстановление.In this specification, unless otherwise indicated, the weight of the catalyst refers to the weight of the calcined catalyst or the weight of the catalyst before reduction, that is, the weight of the catalyst before it is reduced.
Предпочтительно, чтобы площадь поверхности металлического кобальта в катализаторе в свежевосстановленном состоянии равнялась от 0,28 Ω до 0,89 Ω м2/г катализатора.Preferably, the surface area of the cobalt metal in the catalyst in the fresh state is equal to from 0.28 Ω to 0.89 Ω m 2 / g of catalyst.
Размер большинства кристаллитов кобальта может быть более 8 нм.The size of most cobalt crystallites may be more than 8 nm.
Было неожиданно установлено, что катализаторы на основе кобальта на носителе согласно изобретению с их большими кристаллитами кобальта, то есть когда размер большинства кристаллитов металлического кобальта больше 8 нм и, следовательно, площадь поверхности частиц металлического кобальта невелика, не подвергаются значительному повреждению при окислении. Эти катализаторы, у которых характеристическая активность в реакциях синтеза Фишера-Тропша в момент времени 0 (то есть в начале реакции) может быть ниже, чем соответствующий показатель у катализаторов на основе кобальта на носителе, имеющих кристаллиты кобальта меньшего размера (то есть у которых большинство кристаллитов кобальта имеют размер менее 8 нм), обладают превосходной или повышенной начальной и стабилизированной характеристической активностью, так как новые катализаторы дезактивируются в гораздо меньшей степени, чем катализаторы на основе кобальта на носителях, у которых размер большинства кристаллитов металлического кобальта меньше или равен 8 нм.It has been unexpectedly found that supported cobalt-based catalysts according to the invention with their large cobalt crystallites, that is, when the size of most cobalt metal crystallites is greater than 8 nm and therefore the surface area of the cobalt metal particles is small, do not undergo significant damage during oxidation. These catalysts for which the characteristic activity in the Fischer-Tropsch synthesis reactions at time 0 (i.e., at the beginning of the reaction) may be lower than the corresponding indicator for supported cobalt catalysts having smaller cobalt crystallites (i.e., which have most cobalt crystallites have a size less than 8 nm), have excellent or increased initial and stabilized characteristic activity, since new catalysts are deactivated to a much lesser extent than catalysis ry cobalt based on carriers, in which the size of the majority of crystallites of metallic cobalt is smaller than or equal to 8 nm.
Пористый носитель катализатора может быть прокаленным. Следовательно, катализатор на основе кобальта на носителе согласно первому аспекту изобретения может быть получен пропиткой пористого носителя катализатора кобальтом или предшественником катализатора, в частности нитратом кобальта, прокаливанием пропитанного носителя с получением предшественника катализатора на основе кобальта и восстановлением предшественника катализатора с получением катализатора на основе кобальта на носителе.The porous catalyst support may be calcined. Therefore, the supported cobalt-based catalyst according to the first aspect of the invention can be obtained by impregnating the porous catalyst support with cobalt or a catalyst precursor, in particular cobalt nitrate, calcining the impregnated carrier to obtain a cobalt-based catalyst precursor, and reducing the catalyst precursor to obtain a cobalt-based catalyst on carrier.
Носитель катализатора может быть модифицированным. Модифицированный носитель катализатора может содержать частицы носителя катализатора, содержащие покрытие на основе модифицирующего агента, которым может быть углерод или один или несколько металлов IA группы и/или IIA группы Периодической системы элементов, а именно один или несколько металлов, выбранных из Li, Na, К, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra и их смесей. Было установлено, что при использовании модифицированного носителя катализатора, особенно когда имеется покрытие на основе углерода или бария, катализатор обладает значительно повышенной начальной характеристической активностью при использовании в реакциях Фишера-Тропша.The catalyst carrier may be modified. The modified catalyst carrier may contain catalyst carrier particles containing a coating based on a modifying agent, which may be carbon or one or more metals of group IA and / or group IIA of the Periodic Table of the Elements, namely, one or more metals selected from Li, Na, K , Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, and mixtures thereof. It was found that when using a modified catalyst support, especially when there is a coating based on carbon or barium, the catalyst has a significantly increased initial characteristic activity when used in Fischer-Tropsch reactions.
При использовании для покрытия носителя бария максимальное количество бария, которое может быть использовано, определяется влиянием бария на объем пор носителя, а также на растворимость соединения бария. Объем пор носителя должен быть достаточно большим, чтобы удержать требуемое количество нитрата кобальта и получить носитель катализатора на основе кобальта с требуемым содержанием кобальта. Растворимость соединения бария должна быть достаточной для того, чтобы можно было добавлять соединение бария на одной стадии пропитки носителя. На практике максимальное количество бария может составлять 10 мас.% в расчете на массу катализатора. Минимальное количество бария определяется минимальным количеством бария, которое приводит к повышению стабилизированной характеристической активности Фишера-Тропша катализаторов на основе кобальта, и может составлять 0,2% от массы катализатора.When used to coat a barium support, the maximum amount of barium that can be used is determined by the effect of barium on the pore volume of the support, as well as on the solubility of the barium compound. The pore volume of the carrier must be large enough to hold the required amount of cobalt nitrate and obtain a cobalt-based catalyst carrier with the desired cobalt content. The solubility of the barium compound must be sufficient so that the barium compound can be added in one step of impregnation of the carrier. In practice, the maximum amount of barium can be 10 wt.% Based on the weight of the catalyst. The minimum amount of barium is determined by the minimum amount of barium, which leads to an increase in the stabilized characteristic Fischer-Tropsch activity of cobalt-based catalysts, and may be 0.2% by weight of the catalyst.
При применении для получения покрытия углерода максимальное количество углерода, которое может быть использовано для получения эффективного покрытия, определяется влиянием углеродного покрытия на величину объема пор исходного носителя катализатора, так как объем пор носителя катализатора определяет количество кобальта, вводимого при пропитке в носитель. Это является особенно важным, когда требуется получить катализатор с относительно высоким содержанием кобальта. Точно так же минимальное количество углерода, которое может быть использовано для получения эффективного покрытия, определяется минимальным количеством углерода, которое все еще обеспечивает требуемый положительный эффект на поведение катализатора на основе кобальта в реакциях синтеза Фишера-Тропша. Таким образом, максимальное количество углерода может составлять 40 г С/100 г носителя, предпочтительно 20 г С/100 г носителя, еще более предпочтительно 10 г С/100 г носителя, минимальное количество углерода может равняться 0,1 г С/100 г носителя, предпочтительно 0,5 г С/100 г носителя и более предпочтительно 1,2 г С/100 г носителя.When used to obtain a carbon coating, the maximum amount of carbon that can be used to obtain an effective coating is determined by the effect of the carbon coating on the pore volume of the initial catalyst carrier, since the pore volume of the catalyst carrier determines the amount of cobalt introduced by impregnation into the carrier. This is especially important when a catalyst with a relatively high cobalt content is desired. Similarly, the minimum amount of carbon that can be used to obtain an effective coating is determined by the minimum amount of carbon that still provides the desired positive effect on the behavior of the cobalt catalyst in Fischer-Tropsch synthesis reactions. Thus, the maximum amount of carbon may be 40 g C / 100 g of the carrier, preferably 20 g C / 100 g of the carrier, even more preferably 10 g C / 100 g of the carrier, the minimum amount of carbon may be 0.1 g C / 100 g of the carrier preferably 0.5 g C / 100 g of carrier and more preferably 1.2 g C / 100 g of carrier.
В принципе, нанесение покрытия на частицы носителя катализатора можно осуществить любым подходящим методом. Например, носитель катализатора с углеродным покрытием может быть приготовлен путем нанесения покрытия на предварительно сформованные пористые частицы носителя катализатора в виде равномерного слоя углерода согласно методу, описанному в ЕР 0681868.In principle, coating the catalyst carrier particles can be accomplished by any suitable method. For example, a carbon-coated catalyst carrier can be prepared by coating the preformed porous particles of the catalyst carrier in the form of a uniform carbon layer according to the method described in EP 0681868.
Согласно второму аспекту изобретения предусмотрен предшественник катализатора на основе кобальта, включающий пористый носитель катализатора и кристаллиты окиси кобальта в этом носителе, причем предшественник содержит кобальт в способной к восстановлению форме, и количество этого кобальта выражается как Ω мас.% в расчете на массу катализатора, и этот предшественник способен приводить к получению свежевосстановленного катализатора с мономодальным Гауссовым распределением кристаллитов металлического кобальта по размерам с площадью поверхности частиц металлического кобальта от 0,14 Ω м2/г катализатора до 1,03 Ω м2/г катализатора и с геометрической формой, обеспечивающей величину фактора активности катализатора в реакциях Фишера-Тропша, равную 0,9 или более.According to a second aspect of the invention, there is provided a cobalt-based catalyst precursor comprising a porous catalyst support and cobalt oxide crystallites in this support, the precursor containing cobalt in a reducible form, and the amount of this cobalt is expressed as Ω wt.% Based on the weight of the catalyst, and this precursor is capable of producing a freshly reduced catalyst with a monomodal Gaussian crystallite distribution of cobalt metal in size with an area overhnosti particles of cobalt metal from 0,14 Ω m 2 / g of catalyst to 1,03 Ω m 2 / g catalyst and with the geometric shape factor value providing the catalyst activity in the Fischer-Tropsch reaction is 0.9 or more.
Пористый носитель катализатора в виде предшественника может быть таким же, как согласно первому аспекту изобретения, и может быть модифицированным, как описано выше.The porous catalyst support in the form of a precursor may be the same as according to the first aspect of the invention, and may be modified as described above.
Согласно третьему аспекту изобретения предусмотрен способ получения предшественника катализатора на основе кобальта, включающий:According to a third aspect of the invention, there is provided a method for producing a cobalt-based catalyst precursor, comprising:
на стадии пропитки носителя пропитку частиц пористого модифицированного носителя катализатора солью кобальта и частичную сушку пропитанного носителя с получением частично высушенного пропитанного носителя иat the stage of carrier impregnation, impregnation of the particles of the porous modified catalyst carrier with a cobalt salt and partial drying of the impregnated carrier to obtain a partially dried impregnated carrier and
на стадии прокаливания прокаливание частично высушенного пропитанного носителя с получением предшественника катализатора на основе кобальта, причем предшественник включает частицы прокаленного пористого модифицированного носителя катализатора, содержащие кристаллиты окиси кобальта, содержит определенное количество кобальта в восстанавливаемой форме и это количество выражается как Ω мас.% в расчете на массу катализатора, и указанный предшественник способен приводить к получению свежевосстановленного катализатора, с мономодальным Гауссовым распределением кристаллитов металлического кобальта по размерам с площадью поверхности частиц металлического кобальта от 0,14 Ω м2/г катализатора до 1,03 Ω м2/г катализатора и с геометрической формой, обеспечивающей величину фактора активности катализатора в реакциях Фишера-Тропша, равную 0,9 или более.at the calcination step, calcining the partially dried impregnated support to obtain a cobalt-based catalyst precursor, the precursor comprising particles of a calcined porous modified catalyst support containing cobalt oxide crystallites, contains a certain amount of cobalt in a reducible form and this amount is expressed as Ω wt.% based on the mass of the catalyst, and said precursor is capable of producing a freshly reduced catalyst, with monomodal m Gaussian distribution of crystallites of metallic cobalt in size with a surface area of particles of metallic cobalt from 0.14 Ω m 2 / g of catalyst to 1.03 Ω m 2 / g of catalyst and with a geometric shape that provides the value of the catalyst activity factor in the Fischer-Tropsch reactions, equal to 0.9 or more.
Полученный предшественник катализатора на основе кобальта восстанавливают, получая катализатор на основе кобальта, который характеризуется повышенной или превосходной начальной и стабилизированной каталитической активностью.The obtained cobalt-based catalyst precursor is reduced to obtain a cobalt-based catalyst that is characterized by increased or excellent initial and stabilized catalytic activity.
Согласно четвертому аспекту изобретения предусмотрен способ получения катализатора Фишера-Тропша на основе кобальта, который включает:According to a fourth aspect of the invention, there is provided a method for producing a cobalt-based Fischer-Tropsch catalyst, which comprises:
на стадии пропитки носителя пропитку частиц пористого модифицированного носителя катализатора солью кобальта и частичную сушку пропитанного носителя с получением частично высушенного пропитанного носителя;at the stage of carrier impregnation, impregnation of the particles of the porous modified catalyst carrier with a cobalt salt and partial drying of the impregnated carrier to obtain a partially dried impregnated carrier;
на стадии прокаливания прокаливание частично высушенного пропитанного носителя с получением предшественника катализатора на основе кобальта, причем предшественник включает частицы прокаленного пористого модифицированного носителя катализатора, содержащие кристаллиты окиси кобальта иin the calcining step, calcining the partially dried impregnated support to obtain a cobalt-based catalyst precursor, the precursor comprising calcined porous modified catalyst support particles containing cobalt oxide crystallites and
на стадии восстановления восстановление предшественника катализатора на основе кобальта с получением катализатора на основе кобальта, который (i) содержит определенное количество кобальта в способной к восстановлению форме, причем это количество выражается как Ω мас.% в расчете на общую массу катализатора перед восстановлением; (ii) в свежевосстановленном состоянии характеризуется Гауссовым распределением размеров кристаллитов металлического кобальта; (iii) в свежевосстановленном состоянии имеет площадь поверхности частиц металлического кобальта от 0,14 Ω до 1,03 Ω м2/г катализатора; и (iv) в свежевосстановленном состоянии имеет геометрию, которая позволяет получить фактор стабилизированной активности в реакциях Фишера-Тропша, равный 0,9 и более.in the reduction step, recovering the cobalt-based catalyst precursor to obtain a cobalt-based catalyst which (i) contains a certain amount of cobalt in a reducible form, this amount being expressed as Ω wt.% based on the total weight of the catalyst before reduction; (ii) in a freshly reduced state is characterized by a Gaussian distribution of crystallite sizes of metallic cobalt; (iii) in a freshly reduced state has a surface area of particles of metallic cobalt from 0.14 Ω to 1.03 Ω m 2 / g of catalyst; and (iv) in a freshly reduced state, has a geometry that allows one to obtain a stabilized activity factor in Fischer-Tropsch reactions of 0.9 or more.
Соль кобальта может представлять собой нитрат кобальта Со(NO3)2·6H2О.The cobalt salt may be cobalt nitrate Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O.
Модифицированный носитель катализатора может быть любым коммерчески доступным пористым окисным носителем катализатора, таким как окись алюминия (Al2О3), окись кремния (SiO2), смешанная окись кремния - окись алюминия (SiO2·Al2O3), окись титана (TiO2) и окись магния (MgO), содержащим покрытие на основе углерода или одного или нескольких металлов IA группы и/или II группы Периодической системы элементов в качестве модифицирующего агента, как описано выше.The modified catalyst support may be any commercially available porous oxide catalyst support such as alumina (Al 2 O 3 ), silica (SiO 2 ), mixed silica — alumina (SiO 2 · Al 2 O 3 ), titanium oxide ( TiO 2 ) and magnesium oxide (MgO) containing a coating based on carbon or one or more metals of group IA and / or group II of the Periodic Table of the Elements as a modifying agent, as described above.
Носитель может быть защищенным модифицированным носителем, содержащим, например, кремний в качестве модифицирующего компонента, как описано в заявке WO 99/42214.The carrier may be a protected modified carrier containing, for example, silicon as a modifying component, as described in WO 99/42214.
Способы согласно третьему и четвертому аспектам изобретения могут, если необходимо, включать получение модифицированного носителя, то есть они могут включать модификацию частиц носителя путем нанесения на них покрытия на основе модифицирующего агента.The methods according to the third and fourth aspects of the invention may, if necessary, include obtaining a modified carrier, that is, they may include modifying the particles of the carrier by coating them with a coating based on a modifying agent.
Пропитку носителя можно, в принципе, проводить любым известным методом пропитки, например пропиткой во влажном состоянии или в суспензии. Точно так же прокаливание можно проводить в любом известном средстве, например в псевдоожиженном слое, в фиксированном слое, в печи, во вращающейся обжиговой печи и/или в кальцинаторе, предпочтительно при температурах между 150°С и 400°С, более предпочтительно между 200°С и 300°С. В частности, прокаливание можно проводить в соответствии со способом, описанным в заявке US 60/168604. Прокаливание может проводиться в псевдоожиженном слое, как описано в заявке US 60/168604.The impregnation of the carrier can, in principle, be carried out by any known method of impregnation, for example by impregnation in the wet state or in suspension. Similarly, calcination can be carried out in any known means, for example in a fluidized bed, in a fixed layer, in a furnace, in a rotary kiln and / or in a calciner, preferably at temperatures between 150 ° C and 400 ° C, more preferably between 200 ° C and 300 ° C. In particular, calcination can be carried out in accordance with the method described in application US 60/168604. Calcination can be carried out in a fluidized bed, as described in application US 60/168604.
Предшественник катализатора на основе кобальта может быть получен путем двухстадийного способа пропитки в суспензии, сушки и прокаливания. Двухстадийный способ включает на первой стадии пропитку носителя катализатора солью кобальта, частичную сушку пропитанного носителя и прокаливание частично высушенного носителя с получением прокаленного продукта и затем, на второй стадии, пропитку прокаленного продукта солью кобальта, частичную сушку пропитанного продукта и прокаливание частично высушенного продукта с получением предшественника катализатора.The cobalt-based catalyst precursor can be obtained by a two-stage method of suspension impregnation, drying and calcination. The two-stage method includes, in the first stage, impregnating the catalyst carrier with cobalt salt, partially drying the impregnated carrier, and calcining the partially dried carrier to obtain a calcined product, and then, in the second stage, impregnating the calcined product with cobalt salt, partially drying the impregnated product and calcining the partially dried product to obtain the precursor catalyst.
Способ может включать частичное восстановление прокаленного продукта перед пропиткой его солью кобальта. Частичное восстановление прокаленного продукта можно осуществлять при температуре от 100°С до 300°С, более предпочтительно при температуре от 130°С до 250°С. Частичное восстановление прокаленного продукта можно проводить путем контактирования прокаленного продукта с газом, содержащим водород и/или моноокись углерода в качестве газообразного восстановителя.The method may include partial restoration of the calcined product before impregnation with a cobalt salt. Partial reduction of the calcined product can be carried out at a temperature of from 100 ° C to 300 ° C, more preferably at a temperature of from 130 ° C to 250 ° C. Partial reduction of the calcined product can be carried out by contacting the calcined product with a gas containing hydrogen and / or carbon monoxide as a gaseous reducing agent.
Согласно пятому аспекту изобретения предусмотрен способ получения предшественника катализатора на основе кобальта, который включает:According to a fifth aspect of the invention, there is provided a method for producing a cobalt-based catalyst precursor, which comprises:
на первой стадии пропитки носителя пропитку частиц пористого носителя катализатора солью кобальта и частичную сушку пропитанного носителя и на стадии прокаливания прокаливание частично высушенного пропитанного носителя с получением прокаленного продукта;in the first stage of impregnation of the support, impregnation of the particles of the porous catalyst support with a cobalt salt and partial drying of the impregnated support, and at the calcination step, calcining the partially dried impregnated support to obtain a calcined product;
по меньшей мере, частичное восстановление прокаленного продукта; и затемat least partial recovery of the calcined product; and then
на второй стадии пропитки носителя пропитку, по меньшей мере, частично восстановленного продукта солью кобальта и частичную сушку пропитанного продукта и на стадии прокаливания прокаливание частично высушенного пропитанного продукта с получением предшественника катализатора на основе кобальта, причем этот предшественник включает прокаленный пористый носитель катализатора с кристаллитами окиси кобальта, содержащимися в носителе, содержит определенное количество кобальта в способной к восстановлению форме, причем это количество выражается как Ω мас.% в расчете на общую массу предшественника, при этом указанный предшественник способен приводить к получению свежевосстановленного катализатора, характеризующегося мономодальным Гауссовым распределением размеров кристаллитов металлического кобальта, площадью поверхности частиц металлического кобальта, равной 0,14-1,03 Ω м2/г катализатора и геометрией, которая обеспечивает величину фактора стабилизированной активности в реакциях синтеза Фишера-Тропша, равную 0,9 и более.in the second stage of impregnation of the carrier, impregnation of at least partially reduced product with cobalt salt and partial drying of the impregnated product and in the calcination step, calcining the partially dried impregnated product to obtain a cobalt-based catalyst precursor, this precursor comprising a calcined porous catalyst carrier with cobalt oxide crystallites contained in the carrier contains a certain amount of cobalt in a reducible form, and this amount expressed as Ω wt.% based on the total weight of the precursor, while the specified precursor is capable of producing a freshly reduced catalyst, characterized by a monomodal Gaussian distribution of crystallite sizes of metallic cobalt, a surface area of particles of metallic cobalt equal to 0.14-1,03 Ω m 2 / g of catalyst and geometry, which provides the value of the stabilized activity factor in the Fischer-Tropsch synthesis reactions equal to 0.9 or more.
Как указано выше, полученный предшественник катализатора на основе кобальта восстанавливают, получая катализатор на основе кобальта, который характеризуется повышенной или превосходной начальной и стабилизированной каталитической активностью.As indicated above, the obtained cobalt-based catalyst precursor is reduced to obtain a cobalt-based catalyst that is characterized by increased or excellent initial and stabilized catalytic activity.
Согласно шестому аспекту данного изобретения предусмотрен способ получения катализатора на основе кобальта, который включает:According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a method for producing a cobalt-based catalyst, which comprises:
на первой стадии пропитки носителя пропитку частиц пористого носителя катализатора солью кобальта и частичную сушку пропитанного носителя и на стадии прокаливания прокаливание частично высушенного пропитанного носителя с получением прокаленного продукта;in the first stage of impregnation of the support, impregnation of the particles of the porous catalyst support with a cobalt salt and partial drying of the impregnated support, and at the calcination step, calcining the partially dried impregnated support to obtain a calcined product;
по меньшей мере, частичное восстановление прокаленного продукта; и затемat least partial recovery of the calcined product; and then
на второй стадии пропитки носителя пропитку по меньшей мере частично восстановленного продукта солью кобальта и частичную сушку пропитанного продукта и на стадии прокаливания прокаливание частично высушенного пропитанного продукта с получением предшественника катализатора на основе кобальта, причем этот предшественник включает прокаленный пористый носитель катализатора с кристаллитами окиси кобальта, содержащимися в носителе, содержит определенное количество кобальта в способной к восстановлению форме, причем это количество выражается как Ω мас.% в расчете на общую массу предшественника, при этом указанный предшественник способен приводить к получению свежевосстановленного катализатора, характеризующегося мономодальным Гауссовым распределением размеров кристаллитов металлического кобальта, площадью поверхности частиц металлического кобальта, равной 0,14-1,03 Ω м2/г катализатора и геометрией, которая обеспечивает величину фактора стабилизированной активности в реакциях синтеза Фишера-Тропша, равную 0,9 или более; иin the second stage of impregnation of the carrier, impregnation of at least partially reduced product with cobalt salt and partial drying of the impregnated product and in the calcination step, calcining the partially dried impregnated product to obtain a cobalt catalyst precursor, this precursor comprising a calcined porous catalyst carrier with cobalt oxide crystallites contained in the carrier, contains a certain amount of cobalt in a reducible form, and this amount it is expressed as Ω wt.% based on the total weight of the precursor, while the specified precursor is capable of producing a freshly reduced catalyst characterized by a monomodal Gaussian distribution of crystallite sizes of metallic cobalt, a surface area of particles of metallic cobalt equal to 0.14-1,03 Ω m 2 / g of catalyst and geometry, which provides a value of the stabilized activity factor in Fischer-Tropsch synthesis reactions equal to 0.9 or more; and
на стадии восстановления восстановление предшественника катализатора на основе кобальта с получением катализатора на основе кобальта, который (1) содержит определенное количество кобальта в способной к восстановлению форме, причем это количество выражается как Ω мас.% в расчете на общую массу катализатора перед восстановлением; (ii) в свежевосстановленном состоянии характеризуется Гауссовым распределением размеров кристаллитов металлического кобальта; (iii) в свежевосстановленном состоянии имеет площадь поверхности частиц металлического кобальта от 0,14 Ω до 1,03 Ω м2/г катализатора; и (iv) в свежевосстановленном состоянии имеет геометрию, которая позволяет получить фактор стабилизированной активности в реакциях Фишера-Тропша, равный 0,9 или более.at the reduction stage, reduction of the cobalt-based catalyst precursor to obtain a cobalt-based catalyst, which (1) contains a certain amount of cobalt in a reducible form, this amount being expressed as Ω wt.% based on the total weight of the catalyst before reduction; (ii) in a freshly reduced state is characterized by a Gaussian distribution of crystallite sizes of metallic cobalt; (iii) in a freshly reduced state has a surface area of particles of metallic cobalt from 0.14 Ω to 1.03 Ω m 2 / g of catalyst; and (iv) in a freshly reduced state, has a geometry that allows the factor of stabilized activity in Fischer-Tropsch reactions to be equal to 0.9 or more.
Носитель катализатора может быть модифицированным носителем катализатора, как описано выше. Носитель может быть даже защищенным модифицированным носителем катализатора, как описано выше. Способы в соответствии с пятым и шестым аспектами могут, если это необходимо, включать получение модифицированного носителя.The catalyst carrier may be a modified catalyst carrier, as described above. The carrier may even be a protected modified catalyst carrier, as described above. The methods in accordance with the fifth and sixth aspects may, if necessary, include obtaining a modified carrier.
Соль кобальта, применяемая в способах согласно пятому и шестому аспектам изобретения, может быть нитратом кобальта.The cobalt salt used in the methods according to the fifth and sixth aspects of the invention may be cobalt nitrate.
Пропитку носителя, сушку и прокаливание можно, в частности, проводить согласно способу, описанному в заявке WO 00/20116. Получение предшественника может, следовательно, включать двухстадийную пропитку в суспензии, сушку и прокаливание, как описано в заявке WO 00/20116, этот способ зависит от желаемого содержания активного компонента и объема пор пористого окисного носителя катализатора.Impregnation of the carrier, drying and calcination can, in particular, be carried out according to the method described in application WO 00/20116. The preparation of the precursor may therefore include a two-stage suspension impregnation, drying and calcination, as described in WO 00/20116, this method depends on the desired content of the active component and the pore volume of the porous oxide catalyst support.
Пропитку и сушку носителя обычно проводят в конической вакуумной сушилке с вращающимся шнеком или в барабанной вакуумной сушилке.The impregnation and drying of the carrier is usually carried out in a conical vacuum dryer with a rotating screw or in a drum vacuum dryer.
Предшественник катализатора может содержать 5-70 г Со/100 г носителя, предпочтительно 20-50 г Со/100 г носителя.The catalyst precursor may contain 5-70 g Co / 100 g of carrier, preferably 20-50 g Co / 100 g of carrier.
Во время любой стадии пропитки в суспензии может быть добавлена водорастворимая соль палладия (Pd) или платины (Pt) или смесь таких солей в качестве допирующей добавки, способствующей восстановлению кобальта. Предпочтительно добавлять допирующую добавку в массовом соотношении палладия, платины или смеси палладия и платины и кобальта от 0,01:100 до 0,3:100.During any stage of impregnation in the suspension, a water-soluble salt of palladium (Pd) or platinum (Pt) or a mixture of such salts may be added as a dopant to promote cobalt recovery. It is preferable to add a dopant in a weight ratio of palladium, platinum or a mixture of palladium and platinum and cobalt from 0.01: 100 to 0.3: 100.
Данное изобретение относится также к катализатору на основе кобальта, полученному способом согласно четвертому или шестому аспекту изобретения, и к предшественнику катализатора, полученному способом согласно третьему или пятому аспекту данного изобретения.The present invention also relates to a cobalt-based catalyst obtained by the method according to the fourth or sixth aspect of the invention, and to a catalyst precursor obtained by the method according to the third or fifth aspect of the present invention.
Данное изобретение охватывает также углеводороды, полученные вышеуказанным способом.The invention also covers hydrocarbons obtained by the above method.
Далее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на примеры и чертежи.The invention will now be described in more detail with reference to examples and drawings.
На Фиг.1 показано протекание процесса дезактивации катализатора В при проведении синтеза Фишера-Тропша и влияние введения предохранительного слоя ZnO в исходный APG на процесс дезактивации.Figure 1 shows the progress of the process of deactivation of catalyst B during the Fischer-Tropsch synthesis and the effect of introducing a protective layer of ZnO in the initial APG on the decontamination process.
На Фиг.2 показана скорость дезактивации катализатора В в процессе микросинтеза CSTR Фишера-Тропша вследствие введения H2S в количестве 190 об.ч./млрд. и объемной скорости 2,22 м3/(кг катализатора·ч).Figure 2 shows the rate of deactivation of catalyst B during the Fischer-Tropsch CSTR microsynthesis due to the introduction of H 2 S in an amount of 190 parts / billion. and a space velocity of 2.22 m 3 / (kg of catalyst · h).
На Фиг.3 показано наложение профилей фактора относительной характеристической активности 5-ти опытов по проведению синтеза CSTR Фишера-Тропша в микросуспензии с катализатором В.Figure 3 shows the overlap of the profiles of the factor relative characteristic activity of 5 experiments on the synthesis of CSTR Fischer-Tropsch in micro suspensions with catalyst B.
На Фиг.4 показано бимодальное Гауссово распределение размеров кристаллитов в свежевосстановленном катализаторе В.Figure 4 shows a bimodal Gaussian crystallite size distribution in freshly reduced catalyst B.
На Фиг.5 показано бимодальное Гауссово возможное распределение содержания металлического кобальта в свежевосстановленном катализаторе В.Figure 5 shows a bimodal Gaussian possible distribution of the content of metallic cobalt in freshly reduced catalyst B.
На Фиг.6 показано влияние окисления как фактора дезактивации в процессе синтеза Фишера-Тропша в суспензии в реальных условиях реакции в присутствии катализатора В.Figure 6 shows the effect of oxidation as a deactivation factor during the Fischer-Tropsch synthesis in suspension under real reaction conditions in the presence of catalyst B.
На Фиг.7 показана зависимость между факторами относительной характеристической активности (Фишера-Тропша) и площадью удельной поверхности частиц металлического кобальта в свежевосстановленных катализаторах на носителе с 19,5 мас.% кобальта, характеризующаяся мономодальным Гауссовым распределением размеров кристаллитов.Figure 7 shows the relationship between the factors of relative characteristic activity (Fischer-Tropsch) and the specific surface area of cobalt metal particles in freshly reduced catalysts on a carrier with 19.5 wt.% Cobalt, characterized by a monomodal Gaussian crystallite size distribution.
На Фиг.8 показана зависимость между факторами относительной характеристической активности (Фишера-Тропша) и площадью удельной поверхности металлического кобальта свежевосстановленных катализаторов на основе кобальта на носителе, характеризующаяся мономодальным Гауссовым распределением размеров кристаллитов.Figure 8 shows the relationship between the factors of relative characteristic activity (Fischer-Tropsch) and the specific surface area of cobalt metal of freshly reduced cobalt-based catalysts on a support, characterized by a monomodal Gaussian crystallite size distribution.
На Фиг.9 показано наложение профилей восстановления при запрограммированной температуре полностью прокаленных предшественников катализатора В и катализатора F.Figure 9 shows the superposition of recovery profiles at the programmed temperature of the fully calcined catalyst precursors B and catalyst F.
На Фиг.10 показано наложение профилей восстановления при запрограммированной температуре полностью прокаленных предшественников катализатора В и катализатора Е.Figure 10 shows the imposition of recovery profiles at the programmed temperature of the fully calcined catalyst precursors B and catalyst E.
На Фиг.11 показано наложение профилей восстановления при запрограммированной температуре полностью прокаленных предшественников катализатора В и катализатора G.11 shows an overlay of programmed temperature recovery profiles of fully calcined catalyst precursors B and catalyst G.
На Фиг.12 показана корреляция между наблюдаемыми факторами первоначальной относительной характеристической активности катализатора Е - СО/Al2О3 в реакции синтеза в суспензии Фишера-Тропша и общим содержанием Со(NO3)2·6Н2О в м2 носителя SASOL Germany GmbH Puralox SCCa 5/150.12 shows the correlation between the observed factors of the initial relative characteristic activity of the catalyst E - CO / Al 2 O 3 in the synthesis reaction in a Fischer-Tropsch suspension and the total content of Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O in m 2 of SASOL Germany GmbH
Пример 1.Example 1
Катализатор В (30 г Со /100 г Al2O3) (не по изобретению).Catalyst B (30 g Co / 100 g Al 2 O 3 ) (not according to the invention).
1.1. Получение.1.1. Receiving.
Промотированный платиной катализатор получали на носителе - предварительно сформованной Al2O3 - товарный знак Puralox SCCa 5/150, SASOL Germany GmbH, в соответствии с методом пропитки в водной суспензии и вакуумной сушки с последующим прокаливанием в псевдоожиженном слое; как в Примере 1 заявки WO 00/20116 или как один из катализаторов D, Е, G или Н в заявке США 60/168604.The platinum-promoted catalyst was obtained on a carrier — preformed Al 2 O 3 — trademark of
Для использования в непрерывно перемешиваемом реакторе (CSTR) для осуществления синтеза Фишера-Тропша этот прокаленный продукт восстанавливали и наносили на него восковое покрытие по следующей методике:For use in a continuously stirred reactor (CSTR) for Fischer-Tropsch synthesis, this calcined product was reduced and waxed on it using the following procedure:
27,5 г катализатора восстанавливали чистым водородом при давлении 1 бар (объемная скорость ≥200 мл Н2 /г катализатора/час), в это время температуру повышали от 25°С до 380-425°С со скоростью 1°С/мин, после чего температуру поддерживали постоянной при 380-425°С в течение 16 часов.27.5 g of the catalyst was reduced with pure hydrogen at a pressure of 1 bar (space velocity ≥200 ml H 2 / g of catalyst / hour), at which time the temperature was raised from 25 ° C to 380-425 ° C at a speed of 1 ° C / min, after which the temperature was kept constant at 380-425 ° C for 16 hours.
Восстановленному катализатору давали охладиться до комнатной температуры, когда водород замещали аргоном и выгружали катализатор в расплавленный воск Фишера-Тропша в атмосфере аргона. Этот катализатор с восковым покрытием помещали в реактор.The reduced catalyst was allowed to cool to room temperature when hydrogen was replaced with argon and the catalyst was discharged into Fischer-Tropsch molten wax in an argon atmosphere. This wax coated catalyst was placed in a reactor.
Катализатор имел следующие характеристики: состав 30 г Со /100 г Al2О3, масса катализатора (до восстановления) составляла 153,8 г, масса свежевосстановленного катализатора равнялась 133,8 г.The catalyst had the following characteristics: composition 30 g Co / 100 g Al 2 O 3 , the mass of the catalyst (before reduction) was 153.8 g, the weight of the freshly reduced catalyst was 133.8 g.
1.2. Реакция синтеза Фишера-Тропша в CSTR.1.2. Fischer-Tropsch synthesis reaction in CSTR.
Опыт (номер 106F) по проведению реакции Фишера-Тропша в CSTR проводили с применением катализатора В. Этот опыт длился около 90 дней при следующих условиях:The test (number 106F) for the Fischer-Tropsch reaction in the CSTR was carried out using catalyst B. This test lasted about 90 days under the following conditions:
где APG обозначает Arge чистый газ, то есть коммерческий синтез-газ, полученный на фирме Schïmann-Sasol (Pty) Limited в Sasolburg, Южная Африка, по методу газификации угля с последующей очисткой Rectisol (товарный знак).where APG stands for Arge pure gas, that is, commercial synthesis gas obtained from Schïmann-Sasol (Pty) Limited in Sasolburg, South Africa, using coal gasification followed by purification of Rectisol (trademark).
Состав исходного газа:The composition of the source gas:
Результаты проведения реакции (то есть опыта 106F) позволили сделать следующие выводы:The results of the reaction (i.e., experiment 106F) led to the following conclusions:
- начальный RIAF равен 2,6, ai=2,6;- the initial RIAF is 2.6, a i = 2.6;
- профиль характеристической активности (ex ti, где t=время) может быть разбит на три фазы, отличающиеся двумя точками перерыва.- the profile of characteristic activity (ex t i , where t = time) can be divided into three phases, characterized by two break points.
Фактор относительной (Фишера-Тропша) характеристической активности (RIAF) определяли следующим образом.The relative (Fischer-Tropsch) characteristic activity factor (RIAF) was determined as follows.
Катализатор Фишера-Тропша на основе кобальта характеризовался в процессе синтеза Фишера-Тропша:The Fischer-Tropsch catalyst based on cobalt was characterized in the Fischer-Tropsch synthesis process:
rFT=Z молей СО, превратившиеся в продукты синтеза Фишера-Тропша на грамм катализатора в секунду, при Т=γ Кельвина при следующем парциальном давлении:r FT = Z moles of CO, converted into Fischer-Tropsch synthesis products per gram of catalyst per second, at T = γ Kelvin at the following partial pressure:
PHZ=ν барP HZ = ν bar
РCO=τ барP CO = τ bar
R.I.A.F. равен:R.I.A.F. is equal to:
R.I.A.F.=[Z(1+1,82 τ)2]/[49480,9 е(-11113,4/γ)ντ]RIAF = [Z (1 + 1.82 τ) 2 ] / [49480.9 e (-11113.4 / γ) ντ]
Первоначальная характеристическая активность Фишера-Тропша (аi) у катализатора на основе кобальта в суспензии определяется следующим образом:The initial Fischer-Tropsch characteristic activity (a i ) of a cobalt-based catalyst in suspension is determined as follows:
ai=RIAF через 15 часов (то есть ti=начальное время) осуществления непрерывного безградиентного синтеза в суспензии:a i = RIAF after 15 hours (i.e., t i = initial time) of continuous gradientless synthesis in suspension:
220°С, 20 бар, % конверсии (Н2+СО) выше 50%, исходная газовая смесь имела состав: около 50 об.% Н2 и около 25 об.% СО и остальное - Ar, N2, CH4 и/или СО2.220 ° C, 20 bar,% conversion (H 2 + CO) above 50%, the initial gas mixture had a composition of about 50 vol.% H 2 and about 25 vol.% CO and the rest was Ar, N 2 , CH 4 and / or CO 2 .
Можно сделать вывод, что все четыре фазы дезактивации (а именно, фазы I, II, III и IV) полностью описывают профиль характеристической активности катализатора В в реальных условиях синтеза в суспензии Фишера-Тропша.It can be concluded that all four phases of deactivation (namely, phases I, II, III, and IV) completely describe the profile of the characteristic activity of catalyst B under real synthesis conditions in a Fischer-Tropsch suspension.
1.2.1. Фаза IV дезактивации - часть опыта, длящегося после начала в течение 40-60 дней в реальных условиях синтеза Фишера-Тропша.1.2.1. Phase IV decontamination is part of an experiment that lasts after initiation for 40-60 days under real Fischer-Tropsch synthesis conditions.
Эта дезактивация является непрерывным и необратимым процессом.This decontamination is a continuous and irreversible process.
Отравление катализатора серой доминирует во время фазы IV дезактивации.Sulfur poisoning dominates during phase IV decontamination.
Корреляция между плотностью активных сайтов катализатора Фишера-Тропша и RIAF следующая.The correlation between the density of the active sites of the Fischer-Tropsch catalyst and the RIAF is as follows.
Рассмотрим действие хорошо кондиционированного катализатора на основе кобальта в суспензии в CSTR, то есть за дезактивацию катализатора отвечает только незначительное отравление серой.Consider the effect of a well-conditioned cobalt-based catalyst in suspension in a CSTR, that is, only minor sulfur poisoning is responsible for catalyst deactivation.
Предположения:Assumptions:
- серосодержащие соединения, присутствующие в чистом синтез-газе все являются одноатомными в отношении серы;- sulfur-containing compounds present in pure synthesis gas are all monatomic with respect to sulfur;
- коэффициент отравления составляет один атом серы на один активный сайт;- the poisoning coefficient is one sulfur atom per active site;
- абсорбция серы является количественной и происходит селективно на металлическом кобальте.- sulfur absorption is quantitative and occurs selectively on metallic cobalt.
Номенклатура:Nomenclature:
б = наблюдаемая линейная скорость дезактивации хорошо кондиционированного катализатора на основе кобальта, выраженная в единицах RIAF, которые снизились за час;b = the observed linear deactivation rate of a well-conditioned cobalt-based catalyst, expressed in RIAF units, which decreased over an hour;
в = содержание серы в чистом синтез-газе, выраженное в объемных частях на миллиард;c = sulfur content in pure synthesis gas, expressed in volume parts per billion;
Х = скорость подачи чистого синтез-газа, выраженная в м3/кг катализатора /час.X = feed rate of pure synthesis gas, expressed in m 3 / kg of catalyst / hour.
Таким образом, в CSTR вводится (Хв 4,459×10-8) молей серы на кг катализатора в час. Следовательно, RIAF б соответствует плотности активных сайтов (Хв 4,459×10-8) молей на кг катализатора. Одна единица RIAF соответствует [(Хв 4,459×10-11)/б] молей сайтов / кг катализатора.Thus, moles of sulfur per kg of catalyst per hour are introduced into the CSTR (XB 4.459 × 10 -8 ). Therefore, RIAF b corresponds to the density of active sites (Xb 4.459 × 10 -8 ) moles per kg of catalyst. One RIAF unit corresponds to [(xv 4.459 × 10 -11 ) / b] moles of sites / kg of catalyst.
Во время опыта WPP54 по проведению синтеза Фишера-Тропша использовали APG, который не был очищен пропусканием через адсорбенты и наблюдалась значительная фаза IV дезактивации (Фиг.1). После введения предохранительного от S слоя ZnO характеристическая активность в синтезе Фишера-Тропша стабилизировалась, что показывает, что наблюдаемая до введения слоя ZnO дезактивация в основном была вызвана серой.During the Fischer-Tropsch synthesis experiment WPP54, APG was used, which was not purified by passing through adsorbents and a significant phase IV deactivation was observed (Figure 1). After the introduction of an S-protective ZnO layer, the characteristic activity in the Fischer-Tropsch synthesis stabilized, which indicates that the deactivation observed before the introduction of the ZnO layer was mainly caused by sulfur.
Образец кондиционированного катализатора отбирали примерно через 120 дней работы, то есть после стабилизации и кондиционирования, из реактора Фишера-Тропша, где проводился опыт, который осуществляли с применением исходного синтез-газа, который пропускали через слой ZnO, поглощающий серу. Этот образец катализатора испытывали в лабораторном микроCSTR на степень дезактивации при введении известного количества H2S во время этого опыта, при помощи системы с трубкой для проникновения (Фиг.2). Наблюдалась скорость дезактивации в течение фазы IV, равная 1,09×10-3 ед. RIAF/ч при объемной скорости газа (содержащего 190 об.ч./млрд. H2S), равной 2,22 м3/(кг кат.·час). Применение вышеупомянутой корреляции для этих данных позволяет определить, что единица RIAF соответствует 1,72×10-5) мол сайтов /г катализатора.A sample of the conditioned catalyst was taken after about 120 days of operation, that is, after stabilization and conditioning, from the Fischer-Tropsch reactor, where an experiment was carried out which was carried out using the initial synthesis gas, which was passed through a sulfur-absorbing ZnO layer. This catalyst sample was tested in a laboratory microCSTR for the degree of deactivation with the introduction of a known amount of H 2 S during this experiment, using a system with a tube for penetration (Figure 2). A deactivation rate during phase IV of 1.09 × 10 −3 units was observed. RIAF / h at a gas volumetric velocity (containing 190 v / v H 2 S) of 2.22 m 3 / (kg cat. · Hour). Using the aforementioned correlation for this data, it can be determined that the RIAF unit corresponds to 1.72 × 10 −5 ) mol sites / g of catalyst.
1.2.2. Фаза III дезактивации - часть опыта, протекающего примерно в течение 5-(40-60) дней после начала, в реальных условиях реакции синтеза Фишера-Тропша в суспензии.1.2.2. The decontamination phase III is part of the experiment, which takes place approximately 5- (40-60) days after the start, under real conditions of the Fischer-Tropsch synthesis reaction in suspension.
На этой стадии дезактивация вызвана отравлением серой как в 1.2.1. Кроме того, имеет место медленное окисление кристаллитов металлического кобальта, размер которых меньше порогового значения. Этот конкретный механизм дезактивации описывается: ех ti окисление.At this stage, decontamination is caused by sulfur poisoning as in 1.2.1. In addition, there is a slow oxidation of crystallites of metallic cobalt, the size of which is less than the threshold value. This particular decontamination mechanism is described: ex t i oxidation.
"Пороговое значение размера" определяется как максимальный диаметр кристаллита из имеющихся кристаллитов металлического кобальта, который будет окисляться в реальных условиях синтеза Фишера-Тропша.“Threshold size value” is defined as the maximum crystallite diameter of the available crystallites of metallic cobalt, which will be oxidized under real Fischer-Tropsch synthesis conditions.
Далее, предполагают, что кристаллиты металлического кобальта в случае восстановленных катализаторов на основе кобальта являются полусферическими, что позволяет допустить, чтоFurther, it is assumed that crystallites of metallic cobalt in the case of reduced catalysts based on cobalt are hemispherical, which allows us to assume that
- площадь поверхности одного кристаллита =(рх2)/2;- surface area of one crystallite = (px 2 ) / 2;
- объем одного кристаллита =0,083рх3, где- the volume of one crystallite = 0,083рх 3 , where
х = диаметр предполагаемых полусферических кристаллитов и обозначает также размер кристаллита.x = diameter of the proposed hemispherical crystallites and also denotes the crystallite size.
Хотя окисление объемных частиц металлического кобальта до СоО или Со3O4 в типичных условиях синтеза Фишера-Тропша маловероятно с термодинамической точки зрения, однако существуют литературные данные о возможном окислении катализатора на основе кобальта во время реакции Фишера-Тропша.Although the oxidation of bulk particles of metallic cobalt to CoO or Co 3 O 4 under typical conditions of the Fischer-Tropsch synthesis is unlikely from a thermodynamic point of view, there are literature data on the possible oxidation of a cobalt-based catalyst during the Fischer-Tropsch reaction.
В случае катализатора В можно предположить существование следующих параметров характерной дезактивации в реакции синтеза Фишера-Тропша:In the case of catalyst B, we can assume the existence of the following characteristic deactivation parameters in the Fischer-Tropsch synthesis reaction:
1.2.3. Фаза II дезактивации - часть опыта, протекающего от начала (ti) до примерно 5 дней после начала, в реальных условиях реакции Фишера-Тропша. На этой стадии дезактивации имеют место:1.2.3. Phase II deactivation is part of the experiment, proceeding from the onset (t i ) to about 5 days after the onset, under the actual conditions of the Fischer-Tropsch reaction. At this stage of decontamination, there are:
- отравление серой в соответствии с 1.2.1;- sulfur poisoning in accordance with 1.2.1;
- ex ti окисление в соответствии с 1.2.2.- ex t i oxidation in accordance with 1.2.2.
Помимо этих двух механизмов дезактивации может, как полагают, иметь место восстановительное отравление. Под "восстановительным отравлением" понимают, что восстановление может осуществляться на стадии in situ обработки чистым водородом при давлении 20 бар и температуре 220°С, то есть обычных условиях реакции Фишера-Тропша. Могут иметь место следующие два известных механизма дезактивации:In addition to these two decontamination mechanisms, reductive poisoning may be thought to occur. By “reductive poisoning” is meant that reduction can be carried out in an in situ treatment with pure hydrogen at a pressure of 20 bar and a temperature of 220 ° C., that is, the usual Fischer-Tropsch reaction conditions. The following two known decontamination mechanisms may occur:
- экранирование активных сайтов содержащими углеводород остатками (то есть засорение), удаляемыми гидролизом. Согласно этому механизму обработка чистым водородом должна привести к восстановлению начальных скоростей синтеза Фишера-Тропша, и этому способствует наличие рутения в качестве промотора, то есть использование его известной сильной стороны в процессе гидролиза. Возможность регенерации дезактивированных катализаторов путем обработки водородом может быть проблематичной на металлическом кобальте на носителе, то есть в отсутствие рутения в катализаторах Фишера-Тропша;- shielding active sites containing hydrocarbon residues (i.e. clogging) removed by hydrolysis. According to this mechanism, treatment with pure hydrogen should restore the initial Fischer-Tropsch synthesis rates, and this is facilitated by the presence of ruthenium as a promoter, that is, the use of its known strength in the hydrolysis process. The ability to regenerate deactivated catalysts by treatment with hydrogen can be problematic on supported metal cobalt, that is, in the absence of ruthenium in Fischer-Tropsch catalysts;
- восстановительное отравление катализаторов Фишера-Тропша на основе кобальта на носителе загрязняющими соединениями, отличающимися от серусодержащих соединений, например NH3 и/или HCN, содержащимися в синтез-газе. Эта теория восстановительного отравления, продолжающегося в течение примерно 5-ти дней под влиянием реальных условий синтеза Фишера-Тропша в CSTR, была проверена при проведении опытов 35F, 41F, 215F, 317s и 319s. Опыт номер 41F проводили в присутствии катализатора В. Этот опыт проводили в реальных условиях синтеза в CSTR, затем проводили следующие две стадии in situ обработки чистым водородом.- reductive poisoning of the Fischer-Tropsch catalysts based on cobalt on a carrier with contaminants other than sulfur-containing compounds, for example NH 3 and / or HCN, contained in the synthesis gas. This theory of reductive poisoning, which lasts for approximately 5 days under the influence of the actual conditions of the Fischer-Tropsch synthesis in the CSTR, was tested in experiments 35F, 41F, 215F, 317s and 319s. Test No. 41F was carried out in the presence of catalyst B. This test was carried out under real synthesis conditions in a CSTR, then the following two stages of in situ treatment with pure hydrogen were carried out.
Стадия А обработки водородом:Hydrogen Treatment Step A:
Через 178,3 часа работы исходный газ (то есть APG, содержащий 15 об.% Ar) заменяли чистым водородом (скорость подачи 0,5 дм3/мин) при давлении в реакторе 20 бар и температуре в реакторе, равной 220°С. Эту стадию обработки чистым водородом продолжали 10,2 часа, после чего чистый водород заменяли тем же синтез-газом (то есть APG, содержащим 15 об.% Ar). Первый анализ характеристик катализатора при осуществлении реакции Фишера-Тропша (стадия А обработки водородом) проводили через 1,8 часа после повторного введения синтез-газа.After 178.3 hours of operation, the source gas (i.e., APG containing 15 vol.% Ar) was replaced with pure hydrogen (feed rate 0.5 dm 3 / min) at a reactor pressure of 20 bar and a reactor temperature of 220 ° C. This treatment step with pure hydrogen was continued for 10.2 hours, after which pure hydrogen was replaced with the same synthesis gas (i.e., APG containing 15 vol.% Ar). The first analysis of the characteristics of the catalyst in the implementation of the Fischer-Tropsch reaction (stage A treatment with hydrogen) was carried out 1.8 hours after the repeated introduction of synthesis gas.
Стадия В обработки водородом:Hydrogen Treatment Step B:
Через 471,1 часа работы исходный газ (то есть APG, содержащий 15 об.% Ar) заменяли чистым водородом (скорость подачи 0,5 дм3/мин) при давлении в реакторе 20 бар и температуре в реакторе, равной 220°С. Эту стадию обработки чистым водородом продолжали 39 часов, после чего чистый водород заменяли тем же синтез-газом (то есть APG, содержащим 15 об.% Ar). Первый анализ характеристик катализатора при осуществлении реакции Фишера-Тропша (стадия А обработки водородом) проводили через 2,0 часа после повторного введения синтез-газа.After 471.1 hours of operation, the source gas (i.e., APG containing 15 vol.% Ar) was replaced with pure hydrogen (feed rate 0.5 dm 3 / min) at a pressure in the reactor of 20 bar and a temperature in the reactor of 220 ° C. This treatment step with pure hydrogen was continued for 39 hours, after which pure hydrogen was replaced with the same synthesis gas (i.e. APG containing 15 vol.% Ar). The first analysis of the characteristics of the catalyst in the implementation of the Fischer-Tropsch reaction (stage A treatment with hydrogen) was performed 2.0 hours after the repeated introduction of synthesis gas.
Анализ данных, полученных при проведении опыта 41F, позволил сделать следующие выводы:Analysis of the data obtained during the experiment 41F, allowed to draw the following conclusions:
- характеристическая активность катализатора В, осуществление стадий А и В обработки водородом похожи на показатели фазы II дезактивации (то есть ex ti). Если принять это положение, можно сделать вывод, что восстановительное отравление играет значительную роль во время фазы II дезактивации, как это наблюдалось во время опыта 41F и- the characteristic activity of catalyst B, the implementation of stages A and B of the hydrogen treatment are similar to those of phase II deactivation (i.e. ex t i ). If we accept this position, we can conclude that reductive poisoning plays a significant role during phase II decontamination, as was observed during experiment 41F and
- экстраполяция результатов при условии, что RIAF равен 3,0 в момент времени, равный 0. Таким образом, можно сделать вывод, что экстраполированный RIAF в момент времени, равный 0, который корректирует любую дезактивацию, вызванную фазами II, III и IV, равен 3,0.- extrapolation of the results, provided that the RIAF is 3.0 at the time instant equal to 0. Thus, we can conclude that the extrapolated RIAF at the time moment equal to 0, which corrects any deactivation caused by phases II, III and IV, is equal to 3.0.
Из литературы известно, что восстановление катализатора можно также проводить обработкой инертным газом в типичных условиях реакции Фишера-Тропша (то есть 220°С и 20 бар). Таким образом, оказалось, что если наличие водорода во время in situ восстановления катализатора В не является необходимым и было достаточным осуществление стадии отдувки, то, возможно, это является возможностью считать носитель Al2О3 с диаметром пор, превышающим 12 нм, вместо предпочтительного носителя Puralox SCCa 5/150 фирмы SASOL Germany GmbH. Эту in situ стадию восстановления инертным газом осуществляли, но ее нельзя было повторить. Был сделан вывод, что наличие водорода необходимо во время восстановления катализатора, что согласуется с опубликованными наблюдениями и подтверждает мнение, что загрязнение катализатора может не являться причиной отравления катализатора.It is known from the literature that catalyst reduction can also be carried out by treatment with an inert gas under typical conditions of the Fischer-Tropsch reaction (i.e. 220 ° C and 20 bar). Thus, it turned out that if the presence of hydrogen during in situ reduction of catalyst B was not necessary and the blowing step was sufficient, then it is possible to consider an Al 2 O 3 support with a pore diameter exceeding 12 nm instead of the preferred
С учетом Фиг.3 анализ результатов опытов 29F, 106F, 215F, 317s и 319Ss, то есть опытов по проведению реакции с катализатором В в реальных условиях синтеза Фишера-Тропша показал следующее:Based on Figure 3, analysis of the results of experiments 29F, 106F, 215F, 317s and 319Ss, that is, experiments on the reaction with catalyst B in real conditions of the Fischer-Tropsch synthesis showed the following:
- Восстановительное отравление наблюдалось не всегда и зависело от конкретных промежутков времени. Характеристики катализаторов во время проведения опытов 29F и 106F можно рассматривать как типичные для всех опытов, осуществляемых в суспензии в микроCSTR Фишера-Тропша в течение продолжительного времени с использованием в качестве синтез-газа APG. Опыты 317s, 319s и 215F проводили в течение значительно более короткого промежутка времени, также с использованием в качестве синтез-газа APG. Был сделан вывод, что восстановительное отравление во время фазы II дезактивации не должно ассоциироваться с процессом загрязнения активных сайтов высокомолекулярными углеводородами. Следовательно, предпочтение отдается объяснению восстановительного отравления наличием в исходном газе загрязняющих примесей, например, NH3 и/или HCN.- Recovery poisoning was not always observed and depended on specific periods of time. The characteristics of the catalysts during experiments 29F and 106F can be considered typical of all experiments carried out in suspension in a Fischer-Tropsch microCSTR for a long time using APG as synthesis gas. Experiments 317s, 319s, and 215F were performed over a significantly shorter period of time, also using APG as synthesis gas. It was concluded that reductive poisoning during phase II deactivation should not be associated with the process of contamination of active sites with high molecular weight hydrocarbons. Therefore, preference is given to explaining reductive poisoning by the presence of contaminants in the feed gas, for example, NH 3 and / or HCN.
- Если предположить, что во время опытов 317s, 319s и 215F восстановительное отравление на фазе II дезактивации полностью отсутствует, RIAF в экстраполированный момент времени 0 равен 2,9. Это значение, равное 2,9 для экстраполированного момента времени 0, подтверждает величину 3,0, упоминавшуюся ранее, то есть экстраполированную величину RIAF в момент времени 0, что нейтрализует любую дезактивацию, вызванную фазами II, III и IV.- If we assume that during experiments 317s, 319s and 215F, there is no reductive poisoning in phase II deactivation, the RIAF at extrapolated
1.2.4. Фаза I дезактивации - часть опыта по проведению реакции Фишера-Тропша до начального времени (то есть ti).1.2.4. The decontamination phase I is part of the experience of conducting the Fischer-Tropsch reaction until the initial time (i.e., t i ).
На этой стадии дезактивации происходят:At this stage of decontamination, the following occur:
- отравление серой согласно 1.2.1 (то есть фаза IV);- sulfur poisoning according to 1.2.1 (i.e. phase IV);
- окисление ex ti согласно 1.2.2 (то есть фаза III дезактивации);- oxidation ex t i according to 1.2.2 (i.e. phase III decontamination);
- восстановительное отравление согласно 1.2.3 (то есть фаза II дезактивации).- recovery poisoning according to 1.2.3 (i.e. phase II decontamination).
Если произвести экстраполированную коррекцию для всех этих трех механизмов дезактивации в случае применения при проведении синтеза катализатора В в реальных условиях реакции Фишера-Тропша, получается, что RIAF в момент времени 0 равен 3,0. Однако, как указано ранее в разделе 1.2.1, единица RIAF соответствует 1,72×10-5 мол сайтов/г катализатора. Следовательно, плотность активных сайтов в момент времени 0 составляет 5,16×10-5 мол атомов кобальта на поверхности/г катализатора В, и это объясняет влияние фаз II, III и IV дезактивации в реальных условиях синтеза в CSTR.If an extrapolated correction is made for all three of these decontamination mechanisms when the Fischer-Tropsch reaction is used in the synthesis of catalyst B during the synthesis, it turns out that the RIAF at
Если предположить, что один поверхностный атом металлического кобальта занимает площадь, равную 0,0662 нм2, плотность активных сайтов, равная 5,16×10-5 на г катализатора будет соответствовать площади поверхности металлического кобальта, равной 2,06 м2/г катализатора. Следовательно, площадь поверхности кобальта в момент времени 0, равная примерно 2,1 м2/г катализатора В, объясняет влияние фаз II, III и IV дезактивации в реальных условиях синтеза в CSTR.Assuming that one surface atom of metallic cobalt occupies an area of 0.0662 nm 2 , the density of active sites equal to 5.16 × 10 -5 per g of catalyst will correspond to a surface area of metallic cobalt of 2.06 m 2 / g of catalyst . Consequently, the surface area of cobalt at
Однако интерпретация данных хемисорбционного (Н2) анализа свежевосстановленного катализатора В привела к заключению, что площадь поверхности кобальта в свежевосстановленном (то есть в момент времени 0) катализатора В равна 11,9 м2/г катализатора.However, the interpretation of the chemisorption (H 2 ) analysis of the freshly reduced catalyst B led to the conclusion that the surface area of cobalt in the freshly restored (i.e., at time 0) catalyst B is 11.9 m 2 / g of catalyst.
Фаза I дезактивации катализатора В связана со значительной индукцией катализатора (в дополнение к трем гипотетическим механизмам дезактивации, связанным с фазами II, III и IV дезактивации), что равносильно потере 11,9-2,1=9,8 м2 площади поверхности кобальта на грамм катализатора. На основе изучения опубликованных Mössbauer Emission Spectroscopy (MES) и Temperature Gravimetric Analysis (TGA) появилась гипотеза о механизме почти мгновенного окисления кристаллитов кобальта, размер которых значительно меньше порогового значения.Catalyst B deactivation phase I is associated with significant catalyst induction (in addition to the three hypothetical deactivation mechanisms associated with deactivation phases II, III, and IV), which is equivalent to a loss of 11.9-2.1 = 9.8 m 2 of cobalt surface area per gram of catalyst. Based on the studies published by M össbauer E mission S pectroscopy (MES ) and T emperature G ravimetric A nalysis (TGA ) appeared hypothesis of the mechanism almost instantaneous oxidation of cobalt crystallites whose size is much smaller than the threshold value.
Это окисление катализатора отличается, таким образом, от ранее указанного ex ti окисления и обозначается как pre ti окисление.This oxidation of the catalyst is thus different from the previously indicated oxidation ex t i and is referred to as pre t i oxidation.
Полное воздействие этого pre ti окисления на катализатор В оценивали следующим образом. Площадь поверхности кобальта в свежевосстановленном катализаторе равна 11,9 м2/г катализатора. Однако один атом кобальта занимает площадь, равную 0,0662 нм2. Таким образом, свежевосстановленный катализатор В содержит 2,98×10-4 мол активных сайтов Фишера-Тропша на грамм катализатора. Единица RIAF соответствует 1,72×10-5 мол сайтов на грамм катализатора, как указано в разделе 1.2.1. Таким образом, RIAF свежевосстановленного катализатора В (то есть RIAF в момент времени 0) равен 17,3. Следовательно, только pre ti окисление ответственно за потерю 17,3-3,0=14,3 единиц RIAF в случае катализатора В, что соответствует потере 9,8 м2 площади поверхности кобальта на грамм катализатора.The full effect of this pre t i oxidation on catalyst B was evaluated as follows. The cobalt surface area in the freshly reduced catalyst is 11.9 m 2 / g of catalyst. However, one cobalt atom occupies an area equal to 0.0662 nm 2 . Thus, the freshly reduced catalyst B contains 2.98 x 10 -4 moles of active Fischer-Tropsch sites per gram of catalyst. The RIAF unit corresponds to 1.72 × 10 -5 mole sites per gram of catalyst, as described in section 1.2.1. Thus, the RIAF of the freshly reduced catalyst B (i.e., the RIAF at time 0) is 17.3. Therefore, only pre t i oxidation is responsible for the loss of 17.3-3.0 = 14.3 RIAF units in the case of catalyst B, which corresponds to a loss of 9.8 m 2 of cobalt surface area per gram of catalyst.
1.3. Описание распределения кристаллитов кобальта по размерам в случае свежевосстановленного катализатора В.1.3. Description of the size distribution of cobalt crystallites in the case of freshly reduced catalyst B.
1.3.1. Известные характеристики катализатора В.1.3.1. Known Characteristics of Catalyst B.
На основании результатов анализа хемосорбции Н2 свежевосстановленным катализатором В были сделаны следующие выводы:Based on the results of the analysis of H 2 chemisorption by freshly reduced catalyst B, the following conclusions were drawn:
- Площадь поверхности металлического кобальта =11,9 м2/г катализатора.- The surface area of metallic cobalt = 11.9 m 2 / g of catalyst.
- Наиболее распространенный размер кристаллитов металлического кобальта равен 6 нм, эта величина была также подтверждена методом трансмиссионной электронной микроскопии с высокой степенью разрешения (HRTEM).- The most common crystallite size of metallic cobalt is 6 nm, this value was also confirmed by high resolution transmission electron microscopy (HRTEM).
Величина наиболее распространенного размера кристаллитов металлического кобальта, равная 6 нм для свежевосстановленного катализатора В, была также подтверждена магнитным методом. Было определено, что 30 мас.% всего металлического кобальта в свежевосстановленном катализаторе В содержится в кристаллитах, размер которых превышает 15 нм.The most common crystallite size of metallic cobalt, equal to 6 nm for the freshly reduced catalyst B, was also confirmed by the magnetic method. It was determined that 30 wt.% Of all metallic cobalt in the freshly reduced catalyst B is contained in crystallites whose size exceeds 15 nm.
Следовательно, любая модель, рассматриваемая как вероятное описание распределения кристаллитов металлического кобальта по размерам в свежевосстановленном катализаторе В, должна также дать представление о следующем наборе известных характеристик:Therefore, any model considered as a likely description of the size distribution of cobalt metal crystallites in freshly reduced catalyst B should also give an idea of the following set of known characteristics:
- наиболее распространенный размер кристаллитов металлического кобальта равен 6 нм;- the most common crystallite size of metallic cobalt is 6 nm;
- площадь поверхности металлического кобальта равна 11,9 м2/г катализатора;- the surface area of metallic cobalt is 11.9 m 2 / g of catalyst;
- содержание металлического кобальта в кристаллитах размером более 15 нм равно 30 мас.%.- the content of metallic cobalt in crystallites larger than 15 nm is equal to 30 wt.%.
1.3.2. Модель описания распределения кристаллитов металлического кобальта по размерам для свежевосстановленного катализатора В.1.3.2. A model for describing the size distribution of crystallites of cobalt metal for a freshly reduced catalyst B.
Для определения модели возможного распределения кристаллитов по размерам (CSD) был использован следующий перечень стандартных возможных видов распределения:To determine the model of the possible crystallite size distribution (CSD), the following list of standard possible types of distribution was used:
а) мономодальное хи-квадратичное распределение;a) a monomodal chi-quadratic distribution;
б) F-распределение;b) F-distribution;
в) мономодальное Гауссово распределение;c) monomodal Gaussian distribution;
г) мономодальное асимметричное нормальное распределение;d) monomodal asymmetric normal distribution;
д) бимодальное Гауссово распределение.e) bimodal Gaussian distribution.
Оценка возможностей а)-д) привела к выводу, что невозможно удовлетворить всем трем характеристикам в разделе 1.3.1 одновременно, используя модель мономодального распределения кристаллитов по размерам.An assessment of the possibilities a) -e) led to the conclusion that it is impossible to satisfy all three characteristics in section 1.3.1 at the same time using the model of the monomodal size distribution of crystallites.
Опция д), то есть бимодальное Гауссово распределение, возможно и оно может быть описано следующим математическим уравнением:Option e), i.e. a bimodal Gaussian distribution, is possible and it can be described by the following mathematical equation:
гдеWhere
i) количество кристаллитов, размер которых равен х нм;i) the number of crystallites whose size is x nm;
ii) ii)
iii) 0≤β≤1iii) 0≤β≤1
iv) iv)
* Примечание: нежелательно с физической точки зрения (то есть кристаллиты с отрицательным диаметром). Для разрешения этой ситуации использовали ограничение максимально достижимой (то есть отрицательной) величины:* Note: undesirable from a physical point of view (i.e. crystallites with a negative diameter). To resolve this situation, we used the limitation of the maximum attainable (i.e., negative) value:
σi=(μi/2,67)σ i = (μ i / 2.67)
2.1.1. Площадь поверхности частиц металлического кобальта в соответствии с бимодальным Гауссовым распределением кристаллитов по размерам.2.1.1. The surface area of the particles of metallic cobalt in accordance with the bimodal Gaussian size distribution of crystallites.
В соответствии с условным обозначением численность кристаллитов размером х .In accordance with the symbol, the number of crystallites of size x .
Однако площадь поверхности единичного кристаллита диаметром х нм равна:However, the surface area of a single crystallite with a diameter of x nm is equal to:
[(πх2)/2](нм)2 [(πx 2 ) / 2] (nm) 2
Таким образом, общая площадь поверхности кристаллитов диаметром х нм равна:Thus, the total surface area of crystallites with a diameter of x nm is equal to:
Следовательно, общая площадь поверхности металла всей численности кристаллитов кобальта равна:Therefore, the total metal surface area of the total number of cobalt crystallites is equal to:
В дополнение, объем единичного кристаллита диаметром х нм равен: (0,083πх3) (нм)3. Таким образом, объем кристаллитов диаметром х нм составляет:In addition, the volume of a single crystallite with a diameter of x nm is equal to: (0,083πх 3 ) (nm) 3 . Thus, the volume of crystallites with a diameter of x nm is:
Однако плотность кобальта равна 8,9 г/мл. Следовательно, общая масса кобальта в кристаллитах диаметром х нм равна:However, the cobalt density is 8.9 g / ml. Therefore, the total mass of cobalt in crystallites with a diameter of x nm is equal to:
Общая масса кобальта, содержащегося во всех кристаллитах металлического кобальта составляет:The total mass of cobalt contained in all crystallites of metallic cobalt is:
Уравнения 4 и 6 позволяют определить, что площадь поверхности металлического кобальта, приходящаяся на грамм металлического кобальта равна:
Использование уравнения (7) для свежевосстановленного катализатора В дает возможность определить, что площадь поверхности кобальта, приходящаяся на грамм катализатора, будет равна:Using equation (7) for a freshly reduced catalyst B makes it possible to determine that the surface area of cobalt per gram of catalyst will be equal to:
Уравнение (8) показывает, что 1 г катализатора содержит 0,195 г кобальта, 75% которого восстанавливается во время стадии восстановления. Следовательно, 1 г катализатора В содержит всего 0,146 г металлического кобальта.Equation (8) shows that 1 g of the catalyst contains 0.195 g of cobalt, 75% of which is recovered during the reduction stage. Therefore, 1 g of catalyst B contains only 0.146 g of cobalt metal.
1.3.2.2. Часть всего количества металлического кобальта, содержащаяся в кристаллитах, размер которых превышает d нм (Хd)1.3.2.2. Part of the total amount of cobalt metal contained in crystallites whose size exceeds d nm (X d )
Уравнение (6) приводит к уравнению:Equation (6) leads to the equation:
1.3.2.3. Определение величин параметров модели, применимых к свежевосстановленному катализатору В.1.3.2.3. Determination of model parameter values applicable to freshly recovered catalyst B.
Предложенная модель бимодального Гауссова CSD содержит пять параметров, а именно: Два параметра модели μ1 и σ1 определяют положение и ширину первого пика соответственно. Два параметра модели μ2 и σ2 выполняют ту же функцию в случае второго пика, в то время как β обозначает относительные размеры пика. При применении этой модели для свежевосстановленного катализатора В μ1 равен 6 согласно требованию, что наиболее распространенным размером кристаллита является 6 нм, как описано выше. Остальные параметры модели, а именно σ1, μ2 и β, были выбраны на основе следующих критериев соответствия модели:The proposed bimodal Gaussian CSD model contains five parameters, namely: Two model parameters μ 1 and σ 1 determine the position and width of the first peak, respectively. Two model parameters μ 2 and σ 2 perform the same function in the case of the second peak, while β denotes the relative dimensions of the peak. When applying this model to a freshly reduced catalyst, B μ 1 is 6 according to the requirement that the most common crystallite size is 6 nm, as described above. The remaining parameters of the model, namely σ 1 , μ 2 and β, were selected on the basis of the following criteria for model compliance:
i) i)
(ссылка: уравнение 8)(ref: equation 8)
ii) ii)
(ссылка: уравнение 9)(ref: equation 9)
Таким образом, для свежевосстановленного катализатора В предложена модель бимодального распределения кристаллитов металлического кобальта по размерам. Модель бимодального Гауссова распределения кристаллитов по размерам обеспечивает разумное описание этого распределения кристаллитов по размерам, выверенное по известным характеристикам, указанным выше. Были выбраны следующие параметры модели:Thus, a model of a bimodal size distribution of crystallites of metallic cobalt is proposed for freshly reduced catalyst B. A model of a bimodal Gaussian crystallite size distribution provides a reasonable description of this crystallite size distribution, verified by the known characteristics indicated above. The following model parameters were selected:
μ1=6,0μ 1 = 6.0
σ1=1,0σ 1 = 1.0
μ2=16,0μ 2 = 16.0
σ2=5,0σ 2 = 5.0
β=0,976β = 0.976
Правомерность этого набора величин параметров модели иллюстрирует Таблица 2.The validity of this set of model parameter values is illustrated in Table 2.
Визуальная иллюстрация такой модели распределения кристаллитов по размерам представлена на Фиг.4 и 5.A visual illustration of such a crystallite size distribution model is shown in FIGS. 4 and 5.
I.4. Согласование профиля характеристической активности Фишера-Тропша (то есть 2.1) и распределения кристаллитов кобальта по размерам (то есть 1.3) для катализатора В. Изучали взаимосвязь между характеристиками катализатора при окислении (и pre, и ex ti окисление) для катализатора В и распределением кристаллитов металлического кобальта по размерам в момент времени 0. Цель состояла в нахождении такого распределения кристаллитов металлического кобальта по размерам, которое обеспечит абсолютную стойкость к окислению в реальных условиях синтеза Фишера-Тропша. В разделе 1,2 был сделан вывод, что 9,8 м2 площади поверхности кобальта на грамм катализатора были потеряны вследствие pre ti окисления (то есть во время фазы I дезактивации) и что (0,15 аi) единиц RIAF теряются вследствие ex ti окисления при 230°С (то есть во время II и III фаз дезактивации).I.4. Coordination of the profile of the characteristic Fischer-Tropsch activity (i.e. 2.1) and the size distribution of cobalt crystallites (i.e. 1.3) for catalyst B. We studied the relationship between the characteristics of the catalyst during oxidation (both pre and ex t i oxidation) for catalyst B and the crystallite distribution of cobalt metal in size at
Однако одна единица RIAF соответствует 1,72×10-5 мол атомов кобальта на поверхности на грамм катализатора, а один атом кобальта занимает площадь 0,0662 нм2 (предположительно) и аi=2,8 (на основе большого числа опытов по проведению синтеза Фишера-Тропша в присутствии катализатора В). Соответственно, из величин площади поверхности кобальта в момент времени 0, равный 11,9 м2/грамм катализатора, 9,8 м2 подверглись окислению во время индукции катализатора (то есть фазы I дезактивации) с последующим окислением еще 0,29 м2 во время фазы II и фазы III дезактивации вследствие осуществления синтеза Фишера-Тропша в реальных условиях.However, one RIAF unit corresponds to 1.72 × 10 -5 mole of cobalt atoms on the surface per gram of catalyst, and one cobalt atom occupies an area of 0.0662 nm 2 (presumably) and a i = 2.8 (based on a large number of experiments on Fischer-Tropsch synthesis in the presence of catalyst B). Accordingly, from the values of the cobalt surface area at
Уравнение (8) использовали для объяснения этих величин - 9,8 м2/г катализатора и 0,29 м2/г катализатора, которые были потеряны соответственно во время pre ti окисления и ех ti окисления. Были сделаны следующие допущения. Кристаллиты металлического кобальта, размер которых меньше λ нм, окисляются во время индукции катализатора (то есть фазы I дезактивации) и кристаллиты кобальта, размер которых находится между λ и δ нм, окисляются во время кондиционирования катализатора (то есть фазы II и III дезактивации). Таким образом,Equation (8) was used to explain these values — 9.8 m 2 / g of catalyst and 0.29 m 2 / g of catalyst, which were lost respectively during pre t i oxidation and ex t i oxidation. The following assumptions were made. Cobalt metal crystallites smaller than λ nm are oxidized during catalyst induction (i.e. decontamination phase I) and cobalt crystallites whose size is between λ and δ nm are oxidized during catalyst conditioning (i.e. deactivation phases II and III). Thus,
Учитывая, что μi=6,0, σ1=1,0, μ2=16,0, σ2=5,0 и β=0,976, определяли λ и δ из уравнений (10) и (11):Given that μ i = 6.0, σ 1 = 1.0, μ 2 = 16.0, σ 2 = 5.0 and β = 0.976, we determined λ and δ from equations (10) and (11):
λ=8,24 нмλ = 8.24 nm
δ=10,30 нмδ = 10.30 nm
На Фиг.6 представлена визуальная иллюстрация полученного результата, свидетельствующая, что стабильность катализатора В в реальных условиях синтеза обеспечивается кристаллитами кобальта, размер которых превышает 10,30 нм. Таким образом, неожиданно было установлено, что кристаллиты кобальта размером до 10,30 нм будут окисляться в реальных условиях синтеза. Это противоречит опубликованным данным, которые рекомендуют, что 15%-ная дисперсия кобальта (размер кристаллитов в пределах 5-6 нм) является оптимальной для использования для катализаторов на носителе в типичных реальных условиях реакции синтеза Фишера-Тропша.Figure 6 presents a visual illustration of the result, indicating that the stability of catalyst B in real synthesis conditions is provided by cobalt crystallites, the size of which exceeds 10.30 nm. Thus, it was unexpectedly found that cobalt crystallites up to 10.30 nm in size will be oxidized under real synthesis conditions. This contradicts published data, which recommend that a 15% cobalt dispersion (crystallite size between 5-6 nm) is optimal for use on supported catalysts under typical real conditions of the Fischer-Tropsch synthesis reaction.
1.5 Оптимальное распределение кристаллитов металлического кобальта по размерам для катализатора на основе кобальта на носителе, содержащего 19,5 мас.% кобальта и имеющего степень восстановления, равную 75% (то есть сравнимого с катализатором В). Для количественного определения оптимального распределения использовали следующие три критерия:1.5. Optimal size distribution of crystallites of cobalt metal for a cobalt-based catalyst on a support containing 19.5% by weight of cobalt and having a reduction ratio of 75% (i.e., comparable to catalyst B). The following three criteria were used to quantify the optimal distribution:
- мономодальное Гауссово распределение металлического кобальта по размерам, измеренное для свежевосстановленного катализатора;- monomodal Gaussian size distribution of cobalt metal, measured for a freshly reduced catalyst;
- максимальную стабилизированную характеристическую активность Фишера-Тропша в реальных условиях синтеза. Стабилизированный катализатор Фишера-Тропша на основе кобальта определяется как катализатор, полностью кондиционированный в реальных условиях суспензионного синтеза Фишера-Тропша с применением ультрачистого синтез-газа. Далее, предполагается, что восстановительному отравлению подвергается исходный газ, как это обсуждалось выше, так что окисление является единственной причиной дезактивации во время стабилизации катализатора;- the maximum stabilized characteristic Fischer-Tropsch activity in real synthesis conditions. A stabilized cobalt-based Fischer-Tropsch catalyst is defined as a catalyst that is fully conditioned under real conditions of Fischer-Tropsch suspension synthesis using ultrapure synthesis gas. Further, it is assumed that the source gas undergoes reductive poisoning, as discussed above, so that oxidation is the only cause of deactivation during catalyst stabilization;
- фактор эффективности синтеза Фишера-Тропша равен примерно 1.- the efficiency factor of the Fischer-Tropsch synthesis is approximately 1.
Мономодальное Гауссово CSD описывается уравнением:Monomodal Gaussian CSD is described by the equation:
гдеWhere
(а) численность кристаллитов размером х нм;(a) the number of crystallites with a size of x nm;
(б) накладываемое ограничение: нежелательно с физической точки зрения (то есть кристаллиты с отрицательным диаметром).(b) imposed restriction: undesirable from a physical point of view (i.e. crystallites with a negative diameter).
Для разрешения этой ситуации накладывали ограничение на максимально достижимую (то есть отрицательную) величину: To resolve this situation, a restriction was imposed on the maximum attainable (i.e., negative) value:
Предлагаемое ограничение: Proposed Limit:
Таким образом, кристаллиты диаметром ≥0 всегда составляют ≥99,5% от общей численности. Далее, 99% численности кристаллитов находятся в пределах: (μ-2,67σ)≤х≤(μ+2,67σ). Соответственно, максимально допустимая величина σ=(μ/2,67) и, следовательно, Thus, crystallites with a diameter of ≥0 always account for ≥99.5% of the total number. Further, 99% of the crystallite abundance is in the range: (μ-2.67σ) ≤x≤ (μ + 2.67σ). Accordingly, the maximum allowable value σ = (μ / 2.67) and, therefore,
Характеристики функции Feature Specifications
i) df(x)/dx=0 при х=μ, эта величина х при максимуме функции;i) df (x) / dx = 0 at x = μ, this quantity x at the maximum of the function;
ii) ii)
iii) iii)
В случае свежевосстановленного катализатора:In the case of a freshly reduced catalyst:
площадь поверхности всех кристаллитов металлического кобальта размером более θ нм равна:the surface area of all crystallites of metallic cobalt larger than θ nm is equal to:
Другими словами, площадь поверхности всех кристаллитов металлического кобальта размером более θ нм равна:In other words, the surface area of all crystallites of metallic cobalt larger than θ nm is:
Уравнение (16) дает следующую информацию:Equation (16) gives the following information:
1 г катализатора содержит 0,195 г кобальта, 75% которого восстановлено. Таким образом, 1 грамму катализатора соответствует 0,146 г металлического кобальта.1 g of catalyst contains 0.195 g of cobalt, 75% of which is recovered. Thus, 1 gram of catalyst corresponds to 0.146 g of cobalt metal.
В Таблице 3 приведены данные согласно уравнению (16) для свежевосстановленного катализатора.Table 3 shows the data according to equation (16) for a freshly reduced catalyst.
Данные этой таблицы могут быть использованы для определения RIAF при помощи следующих величин:The data in this table can be used to determine the RIAF using the following values:
(а) Одна единица RIAF соответствует 1,72×10-5 мол атомов на поверхности кобальта на грамм катализатора, как указано выше;(a) One RIAF unit corresponds to 1.72 × 10 −5 mol of atoms on the surface of cobalt per gram of catalyst, as described above;
(б) один атом кобальта на поверхности занимает площадь 0,0662 нм2. Следовательно, одна единица RIAF соответствует 0,686 м2 площади поверхности металлического кобальта/грамм катализатора.(b) one cobalt atom on the surface occupies an area of 0.0662 nm 2 . Therefore, one RIAF unit corresponds to 0.686 m 2 surface area of cobalt metal / gram of catalyst.
Уравнение (17) дало возможность получить данные, приведенные в Таблице 4.Equation (17) made it possible to obtain the data shown in Table 4.
Визуальное отражение этого раздела представлено на Фиг 7, что позволяет сделать следующие выводыA visual reflection of this section is presented in Fig 7, which allows us to draw the following conclusions
1. Катализатор Фишера-Тропша, содержащий 20 мас.% кобальта на носителе, является оптимальным, если свежевосстановленный катализатор отвечает следующим критериям:1. The Fischer-Tropsch catalyst containing 20 wt.% Cobalt on a support is optimal if the freshly reduced catalyst meets the following criteria:
(а) степень восстановления равна примерно 75%;(a) the degree of recovery is approximately 75%;
(б) он имеет мономодальное Гауссово распределения кристаллитов металлического кобальта по размерам;(b) it has a monomodal Gaussian size distribution of crystallites of metallic cobalt;
(в) площадь поверхности металлического кобальта составляет 2,1-15,0 м2, более предпочтительно 4,1-13,0 м2/г катализатора;(c) the surface area of cobalt metal is 2.1-15.0 m 2 , more preferably 4.1-13.0 m 2 / g of catalyst;
(г) геометрия катализатора (то есть пористость, распределение пор по размерам и т.д.) обеспечивает фактор стабилизированной эффективности синтеза Фишера-Тропша, равный примерно 1.(d) the geometry of the catalyst (i.e., porosity, pore size distribution, etc.) provides a factor of stabilized Fischer-Tropsch synthesis efficiency of approximately 1.
2. Следовательно, можно приготовить катализатор Фишера-Тропша, содержащий 20 мас.% кобальта на подложке, с начальным RIAF (то есть аi), равным 3,0-10,0, что в (2,4±1,3) раза больше соответствующей величины для катализатора В (аi=2,8).2. Therefore, it is possible to prepare a Fischer-Tropsch catalyst containing 20 wt.% Cobalt on a substrate with an initial RIAF (that is, a i ) of 3.0-10.0, which is (2.4 ± 1.3) times greater than the corresponding value for catalyst B (a i = 2.8).
1.6 Оптимальное распределение кристаллитов металлического кобальта по размерам для родового катализатора на основе кобальта на носителе с фактором эффективности Фишера-Тропша, равным 1, и содержанием восстанавливаемого кобальта, равным 1, и содержанием восстанавливаемого кобальта, равным Ω мас.%, то есть восстанавливаемого в процессе активации катализатора.1.6 The optimum size distribution of crystallites of metallic cobalt for a generic cobalt-based catalyst on a support with a Fischer-Tropsch efficiency factor equal to 1 and a reduced cobalt content of 1 and a reduced cobalt content of Ω wt.%, I.e., recovered in the process catalyst activation.
Для количественного определения оптимальных характеристик использовали те же самые критерии, что и в 1.5.To quantify the optimal characteristics, the same criteria were used as in 1.5.
Математические уравнения, описывающие мономодальное Гауссово распределение CSD, приведены в разделе 1.5, это - уравнения (12), (13), (14) и (15).The mathematical equations describing the monomodal Gaussian distribution of CSD are given in Section 1.5; these are equations (12), (13), (14) and (15).
Для свежевосстановленного катализатора: площадь поверхности кристаллитов металлического кобальта по размером более θ нм равна:For a freshly reduced catalyst: the surface area of crystallites of metallic cobalt larger than θ nm is:
В Таблице 5 приведены данные, полученные по уравнению (18) для свежевосстановленного катализатора.Table 5 shows the data obtained by equation (18) for the freshly restored catalyst.
Данные этой таблицы могут быть использованы для определения RIAF при помощи следующих величин:The data in this table can be used to determine the RIAF using the following values:
(а) Одна единица RIAF соответствует 1,72×10-5 мол атомов на поверхности кобальта на грамм катализатора, как указано выше;(a) One RIAF unit corresponds to 1.72 × 10 −5 mol of atoms on the surface of cobalt per gram of catalyst, as described above;
(б) один атом кобальта занимает на поверхности площадь 0,0662 нм2. Следовательно, одна единица RIAF соответствует 0,686 м2 площади поверхности металлического кобальта / грамм катализатора.(b) one cobalt atom occupies an area of 0.0662 nm 2 on the surface. Therefore, one RIAF unit corresponds to 0.686 m 2 surface area of cobalt metal / gram of catalyst.
Уравнение (19) позволяет построить Таблицу 6.Equation (19) allows you to build Table 6.
Визуальное отражение этой Таблицы представлено на Фиг.8 и позволяет сделать следующие выводы.The visual reflection of this Table is presented in Fig. 8 and allows us to draw the following conclusions.
1. Катализатор Фишера-Тропша на основе кобальта на носителе, содержащий Ω мас.% восстанавливаемого кобальта, будет оптимальным, если свежевосстановленный катализатор отвечает следующим критериям:1. A supported Fischer-Tropsch catalyst based on supported cobalt containing Ω wt.% Of reduced cobalt will be optimal if the freshly reduced catalyst meets the following criteria:
(а) имеет мономодальное Гауссово распределения кристаллитов металлического кобальта по размерам;(a) has a monomodal Gaussian size distribution of crystallites of cobalt metal;
(б) площадь поверхности металлического кобальта составляет 0,014-1,03 Ω, предпочтительно 0,28-0,89 Ω м2/г катализатора;(b) the surface area of metallic cobalt is 0.014-1.03 Ω, preferably 0.28-0.89 Ω m 2 / g of catalyst;
(в) геометрия катализатора (то есть пористость, распределение пор по размерам и т.д.) обеспечивает фактор стабилизированной эффективности синтеза Фишера-Тропша, равный 1.(c) the geometry of the catalyst (i.e., porosity, pore size distribution, etc.) provides a factor of stabilized Fischer-Tropsch synthesis efficiency of 1.
Пример 2.Example 2
Пример катализатора на основе кобальта на носителе Al2O3 для синтеза в суспензии согласно изобретению (катализатор F), который проявлял повышенную начальную активность Фишера-Тропша.An example of a cobalt-based catalyst supported on Al 2 O 3 for suspension synthesis according to the invention (catalyst F), which showed an increased initial Fischer-Tropsch activity.
В Примере 1 было показано, что оптимальный размер кристаллитов металлического кобальта составляет 10-14 нм, предпочтительно 10-12 нм, то есть этот размер является оптимальным с точки зрения максимального стабилизированного RIAF. За исключением распределения кристаллитов металлического кобальта по размерам, которое имеет пик между 8,2 нм и 10,3 нм, наблюдаемая величина аi (то есть RIAF в начальное время) является ожидаемой величиной стабилизированного RIAF. Цель идентификации катализаторов Фишера-Тропша на носителе с повышенными начальными значениями характеристической активности состояла в превращении бимодального распределения кристаллитов металлического кобальта по размерам (CSD) свежевосстановленного образца катализатора В в мономодальное Гауссово распределение приIn Example 1, it was shown that the optimal crystallite size of cobalt metal is 10-14 nm, preferably 10-12 nm, that is, this size is optimal from the point of view of maximum stabilized RIAF. With the exception of the size distribution of cobalt metal crystallites, which has a peak between 8.2 nm and 10.3 nm, the observed value of a i (i.e., RIAF at the initial time) is the expected value of stabilized RIAF. The identification of Fischer-Tropsch supported catalysts with increased initial values of characteristic activity was to convert the bimodal size distribution of cobalt metal crystallites (CSD) of the freshly reduced catalyst sample B into a monomodal Gaussian distribution at
- размере наиболее распространенных кристаллитов металла, равном 12±2 нм;- the size of the most common metal crystallites, equal to 12 ± 2 nm;
- узком распределении.- narrow distribution.
Если катализатор В используется как эталон, значительное увеличение среднего размера кристаллитов окиси кобальта прокаленного предшественника усовершенствованного катализатора (m) г Со/(0,0025 m) г Pt/100 г Al2О3 можно количественно определить по более легкой восстанавливаемости. Это утверждение основано на общем принципе, заключающемся в том, что получение высокодисперсного и сильно восстановленного катализатора затруднено при применении обычных методов приготовления катализаторов (например, пропиткой солями азотной кислоты). Убедительное подтверждение успешного получения нужного распределения кристаллитов металлического кобальта по размерам для свежевосстановленных катализаторов можно получить комбинацией следующих аналитических методов:If catalyst B is used as a reference, a significant increase in the average crystallite size of cobalt oxide of the calcined improved catalyst precursor (m) g Co / (0.0025 m) g Pt / 100 g Al 2 O 3 can be quantified by easier reducibility. This statement is based on the general principle that it is difficult to obtain a highly dispersed and highly reduced catalyst using conventional catalyst preparation methods (for example, impregnation with nitric acid salts). Convincing confirmation of the successful obtaining of the desired size distribution of cobalt metal crystallites for freshly reduced catalysts can be obtained by a combination of the following analytical methods:
- хемосорбция Н2;- chemisorption of H 2 ;
- трансмиссионная электронная микроскопия с высокой степенью разрешения (HRTEM);- high resolution transmission electron microscopy (HRTEM);
- магнитный метод;- magnetic method;
- фотоэлектронная спектроскопия с применением Х-лучей (XPS);- X-ray photoelectron spectroscopy (XPS);
- гравиметрический метод анализа восприимчивости к окислению в среде Н2/Н2О, в которой находится модель и где окисление кобальта в массе термодинамически невозможно.- a gravimetric method for analyzing the susceptibility to oxidation in an H 2 / H 2 O medium in which the model is located and where cobalt oxidation in the mass is thermodynamically impossible.
Для достижения указанной цели, то есть управления распределением кристаллитов окиси кобальта по размерам для прокаленных предшественников катализатора Фишера-Тропша, был получен катализатор F - (m) г Со/(0,0025 m)г Pt 100 г Al2O3.To achieve this goal, that is, controlling the size distribution of cobalt oxide crystallites for the calcined Fischer-Tropsch catalyst precursors, catalyst F - (m) g Co / (0.0025 m) g Pt 100 g Al 2 O 3 was obtained.
Катализатор F (30 г Со/0,075 г Pt/3.1 г Ва/100 г Al2O3.Catalyst F (30 g Co / 0.075 g Pt / 3.1 g Ba / 100 g Al 2 O 3 .
Носитель, представляющий собой пористые сферические частицы Al2О3 марки Puralox SCCa 5/150, фирмы SASOL Germany GmbH, модифицировали на стадии пропитки нитратом бария следующим образом:The carrier, consisting of porous spherical Al 2 O 3 particles of the
2,86 г Ва(NO3)2 растворяли в 50 мл дистиллированной воды. Этот раствор помещали в круглодонную колбу объемом 500 мл в ротационном испарителе при 60°С и добавляли 50 г Puralox SCCa 5/150. Пропитка в водной суспензии и вакуумная сушка проводились при следующих условиях:2.86 g of Ba (NO 3 ) 2 was dissolved in 50 ml of distilled water. This solution was placed in a 500 ml round bottom flask in a rotary evaporator at 60 ° C and 50 g of
Этот высушенный в вакууме модифицированный барием промежуточный продукт подвергали прокаливанию в псевдоожиженном слое по следующему режиму:This vacuum dried barium-modified intermediate was calcined in a fluidized bed in the following manner:
- Непрерывный поток воздуха со скоростью 2,4 дм3/мин;- Continuous air flow at a speed of 2.4 dm 3 / min;
- Температурный режим:- Temperature condition:
25°С-(1,6°С/мин)→250°С-(16 часов)→250°С25 ° С- (1,6 ° С / min) → 250 ° С- (16 hours) → 250 ° С
В результате получали 3,1 г Ba/100 г Al2О3.The result was 3.1 g of Ba / 100 g of Al 2 O 3 .
Катализатор Фишера-Тропша 30 г Со/0,075 г Pt/100 г Al2O3 был получен с применением предварительно сформованного носителя, модифицированного барием - 3,1 г Ba/100 г Al2О3 согласно методу пропитки в водной суспензии и вакуумной сушки с последующим прокаливанием в псевдоожиженном слое, как описано в патенте США 5 733 839 и заявках WO 99/42214 и WO 00/20116.The Fischer-Tropsch catalyst 30 g Co / 0.075 g Pt / 100 g Al 2 O 3 was obtained using a preformed carrier modified with barium - 3.1 g Ba / 100 g Al 2 O 3 according to the method of impregnation in aqueous suspension and vacuum drying followed by calcination in a fluidized bed, as described in
Катализатор получали следующим образом.The catalyst was prepared as follows.
29,3 г Со(NO3)2·6Н2O растворяли в 28 мл дистиллированной воды, 0,0167 г (NH3)4Pt(NO3)2 растворяли в 7 мл дистиллированной воды. Эти два раствора смешивали в круглодонной колбе объемом 500 мл в ротационном испарителе при 60°С и атмосферном давлении и добавляли 35,0 г модифицированного носителя 3,1 г Ва/100 г Al2О3. Пропитку в водной суспензии и вакуумную сушку проводили по следующему режиму:29.3 g of Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O were dissolved in 28 ml of distilled water, 0.0167 g of (NH 3 ) 4 Pt (NO 3 ) 2 was dissolved in 7 ml of distilled water. The two solutions were mixed in a 500 ml round-bottom flask in a rotary evaporator at 60 ° C and atmospheric pressure, and 35.0 g of a modified support 3.1 g Ba / 100 g Al 2 O 3 was added. Impregnation in an aqueous suspension and vacuum drying was carried out according to the following regime:
Этот высушенный в вакууме промежуточный продукт подвергали прокаливанию в псевдоожиженном слое по следующему режиму:This vacuum dried intermediate was calcined in a fluidized bed in the following manner:
- Непрерывный поток воздуха 1,7 дм3/мин;- Continuous air flow 1.7 dm 3 / min;
- Температурный режим:- Temperature condition:
25°С-(1°С/мин)→250°С-(6 часов)→250°С25 ° С- (1 ° С / min) → 250 ° С- (6 hours) → 250 ° С
35,1 г этого промежуточного прокаленного продукта подвергали второй пропитке кобальтом/платиной и прокаливанию.35.1 g of this intermediate calcined product was subjected to a second cobalt / platinum impregnation and calcination.
16,5 г Со(NO3)2·6Н2O растворяли в 28 мл дистиллированной воды, 0,0273 г (NH3)4Pt(NO3)2 растворяли в 7 мл дистиллированной воды. Эти два раствора смешивали вместе в круглодонной колбе объемом 500 мл в ротационном испарителе при 60°С и атмосферном давлении и добавляли 35 г полученного на первой стадии пропитанного и прокаленного продукта. Пропитку в водной суспензии и вакуумную сушку проводили следующим образом:16.5 g of Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O was dissolved in 28 ml of distilled water, 0.0273 g of (NH 3 ) 4 Pt (NO 3 ) 2 was dissolved in 7 ml of distilled water. These two solutions were mixed together in a 500 ml round-bottom flask in a rotary evaporator at 60 ° C and atmospheric pressure, and 35 g of the impregnated and calcined product obtained in the first stage were added. Impregnation in an aqueous suspension and vacuum drying was carried out as follows:
Этот высушенный в вакууме промежуточный продукт подвергали прокаливанию в псевдоожиженном слое по следующему режиму:This vacuum dried intermediate was calcined in a fluidized bed in the following manner:
- Непрерывный поток воздуха 1,7 дм3/мин;- Continuous air flow 1.7 dm 3 / min;
- Температурный режим:- Temperature condition:
25°С-(1°С/мин)→250°С-(6 часов)→250°С25 ° С- (1 ° С / min) → 250 ° С- (6 hours) → 250 ° С
Этот прокаленный предшественник катализатора восстанавливали, наносили восковое покрытие как в случае получения катализатора В и использовали в реакциях синтеза Фишера-Тропша в суспензии в CSTR в лабораторном масштабе.This calcined catalyst precursor was reduced, a wax coating was applied as in the case of catalyst B, and was used in laboratory scale Fischer-Tropsch synthesis reactions in suspension in CSTR.
Модификация носителя Al2О3 для катализатора F проводилась для изменения кислотности носителя на основании следующего.Modification of the Al 2 O 3 support for catalyst F was carried out to change the acidity of the support based on the following.
Три из пяти различных видов гидроксильных групп на поверхности окиси алюминия могут служить для закрепления кобальта, то есть действовать как сайты роста во время стадии пропитки кобальтом. Путем ограничения поверхностной концентрации потенциальных точек роста кристаллитов кобальта при поддержании одинаковых количеств кобальта на м2 поверхности только что полученного носителя можно получить кристаллиты кобальта большего размера. Барий считается промотором, который может эффективно снижать концентрацию гидроксильных групп на поверхности Al2О3, а также других альтернативных носителей, таких как SiO2, TiO2 и др.Three of the five different types of hydroxyl groups on the surface of alumina can serve to fix cobalt, that is, act as growth sites during the cobalt impregnation step. By limiting the surface concentration of potential growth points for cobalt crystallites while maintaining the same amounts of cobalt per m 2 of the surface of the support just obtained, larger cobalt crystallites can be obtained. Barium is considered a promoter that can effectively reduce the concentration of hydroxyl groups on the surface of Al 2 O 3 , as well as other alternative carriers, such as SiO 2 , TiO 2 , etc.
Подтверждение этому гипотетическому эффекту промотирования барием было получено методом магнитного анализа катализаторов Н и I. Катализаторы Н и I были получены следующим образом.Confirmation of this hypothetical effect of barium promotion was obtained by magnetic analysis of catalysts H and I. Catalysts H and I were obtained as follows.
Катализатор Н (18 г Со/0,05 г Pt/100 г Al2O3)Catalyst H (18 g Co / 0.05 g Pt / 100 g Al 2 O 3 )
Предварительно сформованный носитель Al2O3 Puralox SCCa 5/150, поставляемый фирмой SASOL Germany GmbH, пропитывали, сушили в вакууме и прокаливали, применяя раствор Co(NO3)2, согласно методу, описанному в патенте США 5733839 и заявках WO 99/42214 и WO 00/20116, включенных в данное описание в качестве ссылок. В частности, катализатор Н получали следующим образом.The preformed Al 2 O 3 Puralox SCCa 5/150 carrier, supplied by SASOL Germany GmbH, was impregnated, dried in vacuum and calcined using a Co (NO 3 ) 2 solution according to the method described in US Pat. No. 5,733,839 and WO 99/42214. and WO 00/20116, incorporated herein by reference. In particular, catalyst H was prepared as follows.
На первой стадии пропитки раствор 43,7 кг нитрата кобальта (Со(NO3)2·6Н2О), 24,0 г (NH3)4Pt(NO3)2 в 32,1 л дистиллированной воды смешивали с 50,0 кг Puralox SCCa 5/150 (предварительно сформованная Al2O3), фирмы SASOL Chemie GmbH, Uberseering, Germany). Полученную суспензию помещали в конической вакуумной сушилке при непрерывном перемешивании. Температуру этой суспензии повышали до 60°С, после чего применяли вакуум 20 кПа (а). В течение первых 3-х часов сушки температуру медленно повышали, она достигла 95°С через 3 часа. Через 3 часа вакуум снижали до 3-15 кПа (а). Пропитанный носитель катализатора сушили в течение 9 часов, после чего этот носитель прокаливали при 250°С в течение 6 часов. Приготовление этого катализатора ограничено одной стадией пропитки, поэтому количество кобальта невелико - 18 г Со/100 г Al2О3.In the first stage of impregnation, a solution of 43.7 kg of cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O), 24.0 g of (NH 3 ) 4 Pt (NO 3 ) 2 in 32.1 l of distilled water was mixed with 50, 0
Пред анализом этого продукта магнитным методом этот прокаленный предшественник катализатора восстанавливали и наносили восковое покрытие по методу, описанному для катализатора В.Prior to magnetic analysis of this product, this calcined catalyst precursor was reduced and a wax coating was applied according to the method described for catalyst B.
Катализатор I (18.8 г Со/0,052 г Pt/3,1 г Ва/1,4 г Si/100 г Al2O3)Catalyst I (18.8 g Co / 0.052 g Pt / 3.1 g Ba / 1.4 g Si / 100 g Al 2 O 3 )
Puralox SCCa 5/150 (предварительно сформованный носитель катализатора Al2О3, поставляемый фирмой SASOL Germany GmbH), модифицировали пропиткой в суспензии тетраэтоксисиланом (то есть TEOS) в этаноле и прокаливали во вращающейся печи по методу, описанному в заявке WO 99/42214, являющейся ссылкой. Методику осуществляли следующим образом.
К 32 г TEOS (тетраэтоксисилана) и 200 г этанола добавляли 200 г Puralox SCCa 5/150 (носитель катализатора Al2О3, поставляемый фирмой SASOL Germany GmbH). На стадии пропитки суспензию помещали в вакуумную сушилку при непрерывном перемешивании. Суспензию сушили при 100°С и давлении 20 мбар. Затем высушенный пропитанный носитель прокаливали при 500°С со скоростью нагрева 1°С/мин, воздух подавали со скоростью 1,7 дм3/мин в трубу для прокаливания из нержавеющей стали в течение 2 часов. Затем 50 г этого модифицированного носителя пропитывали раствором 3 г Ва(NO3)2 в 30 мл воды, добавляя носитель в раствор. На стадии пропитки суспензию помещали в вакуумную сушилку и непрерывно перемешивали. Суспензию сушили при 100°С и давлении 20 мбар. Затем высушенный пропитанный модифицированный носитель прокаливали при 500°С со скоростью нагрева 1°С/мин, воздух подавали со скоростью 1,7 дм3/мин в псевдоожиженном слое в течение 2 часов. Этот полученный носитель - 3,1 г Ва/1,4 г Si/100 г Al2O3, затем пропитывали водным раствором Со(NO3)2, сушили в вакууме и прокаливали согласно методу получения катализатора, описанному в патенте США 5733839 и заявках WO 99/42214 и WO 00/20116, включенных в данное описание в качестве ссылок. Конкретно, катализатор I был получен следующим образом. 50 г этого модифицированного носителя смешивали с раствором 22,25 г Со(NO3)2·6Н2O и 25 мг Pt(NH3)4(NO2)2 в 50 мл воды, добавляя носитель к раствору. На стадии пропитки суспензию передавали в вакуумную сушилку и перемешивали непрерывно. Температура этой суспензии повышалась до 100°С и применяли вакуум 20 мбар в течение 2 часов. Высушенный пропитанный продукт прокаливали при 150°С со скоростью нагрева 1°С/мин в течение часа и затем температуру повышали до 250°С со скоростью нагрева 1°С/мин в течение 4 часов при подаче воздуха со скоростью 1,7 дм3/мин. Приготовление этого катализатора было ограничено одной стадией пропитки, поэтому получали носитель со сравнительно небольшим содержанием металла - 18,8 г Со/100 г Al2O3.To 32 g of TEOS (tetraethoxysilane) and 200 g of ethanol were added 200 g of
Этот прокаленный предшественник катализатора восстанавливали и наносили восковое покрытие согласно методике, описанной для катализатора В. Затем осуществляли его анализ магнитным методом. Полученные результаты приведены в Таблице 7.This calcined catalyst precursor was reduced and a wax coating was applied according to the procedure described for catalyst B. Then it was analyzed by the magnetic method. The results are shown in Table 7.
Очевидное расхождение, видное на Фиг.8 (промотированный барием предшественник катализатора, восстанавливаемый в немного большей степени), может быть обусловлено артефактом, который вызван некоторым количеством бария, который мог раствориться в растворе соединения кобальта для пропитки.The apparent discrepancy seen in FIG. 8 (a barium-promoted catalyst precursor, reduced to a slightly greater degree) may be due to an artifact that was caused by some barium that could dissolve in the cobalt impregnation compound solution.
Пропитанный барием и высушенный промежуточный продукт катализатора F был прокален при довольно высокой температуре, равной 600°С, с целью усиления связи между окисью алюминия и барием. Это намерение было подкреплено опубликованными данными о том, что активность катализаторов Фишера-Тропша чувствительна к щелочному промотированию и что структурное промотирование катализаторов на основе кобальта, например, окисью магния, вообще приводит к сопротивлению реакции. Следовательно, можно сделать вывод, что катализатор F обнаруживает количественное доказательство улучшенного распределения кристаллитов металлического кобальта по размерам, что было ожидаемым для получения катализаторов Фишера-Тропша с повышенной начальной характеристической активностью и, следовательно, стабилизированными RIAF.The barium-impregnated and dried catalyst intermediate F was calcined at a rather high temperature of 600 ° C. in order to strengthen the bond between alumina and barium. This intention was reinforced by published evidence that the activity of Fischer-Tropsch catalysts is sensitive to alkaline promotion and that the structural promotion of cobalt-based catalysts, for example, magnesium oxide, generally leads to reaction resistance. Therefore, it can be concluded that catalyst F exhibits quantitative evidence of an improved size distribution of cobalt metal crystallites in size, which was expected to produce Fischer-Tropsch catalysts with increased initial characteristic activity and, therefore, stabilized RIAF.
В Таблице 8 приведены данные, подтверждающие этот вывод.Table 8 shows the data confirming this conclusion.
Характеристики катализатора F и условия синтеза Фишера-Тропша в суспензии в CSTRTable 8
Catalyst F Characteristics and Fischer-Tropsch Synthesis Suspension Conditions in CSTR
На основании данных Таблицы 8 и Фигуры 8 можно сделать следующие выводы.Based on the data in Table 8 and Figure 8, the following conclusions can be made.
Катализатор F.Catalyst F.
Катализатор F имел фактор начальной характеристической активности Фишера-Тропша, равный 3,6 единиц. Это было достигнуто при содержании кобальта 30 г/100 г Al2О3.Catalyst F had an initial Fischer-Tropsch characteristic activity factor of 3.6 units. This was achieved with a cobalt content of 30 g / 100 g Al 2 O 3 .
Относительное повышение аi показано в Таблице 9.The relative increase in a i is shown in Table 9.
Катализатор F содержал 13,1 мас.% восстанавливаемого кобальта, что видно на Фиг.5, если заменить Ω величиной 13,1 для катализатора F. Площадь поверхности кобальта в свежевосстановленном катализаторе F была определена как 9,7 м2/г катализатора, наиболее распространенная величина аi равна примерно 10,0.Catalyst F contained 13.1 wt.% Of reduced cobalt, as can be seen in FIG. 5, if Ω was replaced with a value of 13.1 for catalyst F. The surface area of cobalt in freshly reduced catalyst F was determined to be 9.7 m 2 / g of catalyst, the most the common value of a i is approximately 10.0.
Вышеприведенные выводы обобщены в Таблице 10.The above findings are summarized in Table 10.
*Примечание: Идеальный катализатор Фишера-Тропша на носителе обладает следующими характеристиками:* Note: An ideal supported Fischer-Tropsch catalyst has the following characteristics:
а) мономодальным распределением кристаллитов металлического кобальта по размерам для свежевосстановленного образца;a) the monomodal size distribution of crystallites of cobalt metal for a freshly reduced sample;
б) в случае стабилизированного катализатора он имеет фактор эффективности в реакциях синтеза Фишера-Тропша, равный 1.b) in the case of a stabilized catalyst, it has an efficiency factor of 1 in Fischer-Tropsch synthesis reactions.
Пример 3: (не по изобретению)Example 3: (not according to the invention)
Катализатор К (30 г Со/0,075 г Pt/3 г F/100 г Al2O3)Catalyst K (30 g Co / 0.075 g Pt / 3 g F / 100 g Al 2 O 3 )
Puralox SCCa 5/150 (то есть сферические пористые частицы носителя катализатора), поставляемый фирмой SASOL Germany GmbH), модифицировали во время стадии пропитки гидрофторидом следующим образом: 3 г 48%-ного раствора фтористоводородной кислоты смешивали с 50 мл дистиллированной воды в тефлоновом стакане. Этот раствор добавляли к 50 г Puralox 5/150 в круглодонной колбе объемом 500 мл в ротационном испарителе при 60°С. Пропитку в водной суспензии и вакуумную сушку проводили по следующей методике:
Этот высушенный в вакууме модифицированный фтором промежуточный продукт подвергали прокаливанию в псевдоожиженном слое по следующему режиму:This vacuum dried fluorine-modified intermediate was calcined in a fluidized bed in the following manner:
- Непрерывный поток воздуха подавали со скоростью 2,4 дм3/мин;- A continuous stream of air was supplied at a speed of 2.4 dm 3 / min;
- Температурный режим:- Temperature condition:
от 25°С до 500°С со скоростью 1,6°С/мин и выдержка при 500°С в течение 4 часов. Получали модифицированный носитель - 3,1 г F/100 г Al2О3. Катализатор Фишера-Тропша для синтеза в суспензии, 30 г Со/0,075 г Pt/100г Al2О3, получали на модифицированном предварительно сформованном носителе - 3 F/100 г Al2О3, согласно методу пропитки в водной суспензии и сушки с последующим прокаливанием в псевдоожиженном слое, как описано в патенте США 5733839, заявках WO 99/42214 и WO 00/20116.from 25 ° C to 500 ° C at a speed of 1.6 ° C / min and exposure at 500 ° C for 4 hours. Received a modified carrier - 3.1 g F / 100 g Al 2 About 3 . The Fischer-Tropsch catalyst for synthesis in suspension, 30 g Co / 0.075 g Pt / 100 g Al 2 O 3 , was obtained on a modified preformed carrier - 3 F / 100 g Al 2 O 3 , according to the method of impregnation in aqueous suspension and drying, followed by fluid bed calcination as described in US Pat. No. 5,733,839, WO 99/42214 and WO 00/20116.
Катализатор получали следующим образом.The catalyst was prepared as follows.
29,3 г Со(NO3)2·6Н2O растворяли в 28 мл дистиллированной воды и 0,0167 г (NH3)4Pt(NO3)2 растворяли в 7 мл дистиллированной воды. Эти два раствора смешивали в круглодонной колбе объемом 500 мл в ротационном испарителе при 60°С и атмосферном давлении и добавляли 35,0 г модифицированного носителя 3,1 г F/100 г Al2О3. Пропитку в водной суспензии и вакуумную сушку проводили следующим образом:29.3 g of Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O were dissolved in 28 ml of distilled water and 0.0167 g of (NH 3 ) 4 Pt (NO 3 ) 2 was dissolved in 7 ml of distilled water. The two solutions were mixed in a 500 ml round-bottom flask in a rotary evaporator at 60 ° C and atmospheric pressure, and 35.0 g of a modified support 3.1 g F / 100 g Al 2 O 3 was added. Impregnation in an aqueous suspension and vacuum drying was carried out as follows:
Полученный высушенный в вакууме промежуточный продукт подвергали прокаливанию в псевдоожиженном слое при следующих условиях:The resulting vacuum dried intermediate was calcined in a fluidized bed under the following conditions:
- Непрерывный поток воздуха со скоростью 1,7 дм3/мин;- Continuous air flow at a speed of 1.7 dm 3 / min;
- Температурный режим:- Temperature condition:
от 25°С до 250°С со скоростью 1°С/мин и выдержка при 250°С в течение 6 часов. 35 г этого прокаленного промежуточного продукта подвергали второй стадии пропитки кобальтом/платиной и прокаливания:from 25 ° C to 250 ° C at a rate of 1 ° C / min and exposure at 250 ° C for 6 hours. 35 g of this calcined intermediate were subjected to a second stage of cobalt / platinum impregnation and calcination:
16,5 г Со(NO3)2·6H2О растворяли в 28 мл дистиллированной воды и 0,0273 г (NH3)4Pt(NO3)2 растворяли в 7 мл дистиллированной воды. Эти два раствора смешивали в круглодонной колбе объемом 500 мл в ротационном испарителе при 60°С и атмосферном давлении и добавляли 35,0 г промежуточного продукта, пропитанного кобальтом/платиной и прокаленного на первой стадии. Пропитку в водной суспензии и вакуумную сушку проводили следующим образом:16.5 g of Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O was dissolved in 28 ml of distilled water and 0.0273 g of (NH 3 ) 4 Pt (NO 3 ) 2 was dissolved in 7 ml of distilled water. The two solutions were mixed in a 500 ml round-bottom flask in a rotary evaporator at 60 ° C. and atmospheric pressure, and 35.0 g of an intermediate product impregnated with cobalt / platinum and calcined in the first stage were added. Impregnation in an aqueous suspension and vacuum drying was carried out as follows:
Этот высушенный в вакууме промежуточный продукт подвергали прокаливанию в псевдоожиженном слое при следующих условиях:This vacuum dried intermediate was calcined in a fluidized bed under the following conditions:
- Непрерывный поток воздуха со скоростью 1,7 дм3/мин;- Continuous air flow at a speed of 1.7 dm 3 / min;
- Температурный режим:- Temperature condition:
от 25°С до 250°С со скоростью 1°С/мин и выдержка при 250°С в течение 6 часов. Для использования в реакциях синтеза Фишера-Тропша в суспензии в CSTR в лабораторном масштабе этот прокаленный предшественник катализатора восстанавливали и наносили на него восковое покрытие по способу, описанному для катализатора В. Этот катализатор использовали в реакции синтеза Фишера-Тропша (Таблица 11), никакого влияния промотирования фторидом на характеристическую активность катализатора Фишера-Тропша не наблюдалось.from 25 ° C to 250 ° C at a rate of 1 ° C / min and exposure at 250 ° C for 6 hours. For use in a laboratory scale Fischer-Tropsch synthesis suspension in suspension in CSTR, this calcined catalyst precursor was reduced and wax coated using the method described for Catalyst B. This catalyst was used in the Fischer-Tropsch synthesis reaction (Table 11), no effect promotion by fluoride on the characteristic activity of the Fischer-Tropsch catalyst was not observed.
Этот факт можно объяснить тем, что в противоположность барию фторид не связывается с гидроксильными группами, которые используются для закрепления кристаллитов кобальта, но фторид связывается с другими гидроксильными группами. Таким образом, фторид не влияет на распределение кристаллитов кобальта по размерам и, следовательно, на характеристическую активность Фишера-Тропша.This fact can be explained by the fact that, in contrast to barium, fluoride does not bind to hydroxyl groups, which are used to fix cobalt crystallites, but fluoride binds to other hydroxyl groups. Thus, fluoride does not affect the size distribution of cobalt crystallites and, therefore, the Fischer-Tropsch characteristic activity.
Пример 4.Example 4
Примеры катализаторов на основе кобальта на носителе Al2О3 для синтеза в суспензии согласно изобретению (катализаторы Е и G), которые проявляли повышенную начальную активность Фишера-Тропша.Examples of cobalt-based catalysts supported on Al 2 O 3 for suspension synthesis according to the invention (catalysts E and G) that exhibit increased initial Fischer-Tropsch activity.
Образцы катализаторов Е и G получали для достижения цели, указанной выше, то есть управления распределением кристаллитов окиси кобальта по размерам в прокаленных предшественниках катализаторов Фишера-Тропша состава (m)г Co/(0,0025 m)г Pt/100 г Al2O3. Samples of catalysts E and G were obtained to achieve the goal indicated above, that is, to control the size distribution of cobalt oxide crystallites in calcined precursors of Fischer-Tropsch catalysts of the composition (m) g Co / (0.0025 m) g Pt / 100 g Al 2 O 3.
Катализатор Е (40 г Со/0,100 г Pt/100 г Al2O3)Catalyst E (40 g Co / 0.100 g Pt / 100 g Al 2 O 3 )
Продукт фирмы SASOL Germany GmbH марки Puralox SCCa 5/150 (то есть предварительно сформованные пористые сферические частицы Al2О3) покрывали однородным слоем на основе углерода в KataLeuna GmbH Catalysts (Am Haupttor, D-06236 Leuna; Germany) методом, описанным в ЕР 0681868, этот источник включен в качестве ссылки. В результате получали модифицированный носитель 12,4 г С/100 г Al2О3.A product of SASOL Germany GmbH of the
С применением этого модифицированного носителя - 12,4 г С/100 г Al2О3 получали 40 г Со/0,100 г Pt/100 г Al2О3, катализатор реакций Фишера-Тропша в суспензии, по методу пропитки в водной суспензии и вакуумной сушки с последующим прокаливанием в псевдоожиженном слое, описанным в патенте США 5733839 и заявках WO 99/42214 и WO 00/20116, включенных в качестве ссылок.Using this modified support, 12.4 g of C / 100 g of Al 2 O 3 gave 40 g of Co / 0.100 g of Pt / 100 g of Al 2 O 3 , a Fischer-Tropsch reaction catalyst in suspension, by the method of impregnation in an aqueous suspension and vacuum drying followed by calcination in the fluidized bed described in US patent 5733839 and applications WO 99/42214 and WO 00/20116, incorporated by reference.
В частности, катализатор Е получали следующим образом.In particular, catalyst E was prepared as follows.
34,1 г Со(NO3)2·6Н2О растворяли в 40 мл дистиллированной воды и 0,0185 г (NH3)4Pt(NO2)2 растворяли в 10 мл дистиллированной воды. Эти два раствора смешивали34.1 g of Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O was dissolved in 40 ml of distilled water, and 0.0185 g of (NH 3 ) 4 Pt (NO 2 ) 2 was dissolved in 10 ml of distilled water. These two solutions were mixed.
в круглодонной колбе объемом 500 мл в ротационном испарителе при 60°С и атмосферном давлении и добавляли 50 г модифицированного носителя 12,4г С/100 г Al2О3. Пропитку в водной суспензии и вакуумную сушку проводили при следующих условиях:in a 500 ml round-bottom flask in a rotary evaporator at 60 ° C and atmospheric pressure, and 50 g of a modified support 12.4 g C / 100 g Al 2 O 3 was added. Impregnation in an aqueous suspension and vacuum drying was carried out under the following conditions:
Полученный высушенный в вакууме промежуточный продукт подвергали прокаливанию в псевдоожиженном слое по следующему режиму:The obtained vacuum-dried intermediate was subjected to calcination in a fluidized bed according to the following mode:
- Непрерывный поток воздуха 1,7 дм3/мин;- Continuous air flow 1.7 dm 3 / min;
- Температурный режим:- Temperature condition:
25°С-(1°С/мин)→250°С-(6 часов)→250°С25 ° С- (1 ° С / min) → 250 ° С- (6 hours) → 250 ° С
50 г этого промежуточного прокаленного продукта подвергали второй пропитке кобальтом/платиной и прокаливанию.50 g of this intermediate calcined product was subjected to a second cobalt / platinum impregnation and calcination.
34,1 г Со(NO3)2·6Н2О растворяли в 40 мл дистиллированной воды и 0,0189 г (NH3)4Pt(NO3)2 растворяли в 10 мл дистиллированной воды. Эти два раствора смешивали в круглодонной колбе объемом 500 мл в ротационном испарителе при 60°С и атмосферном давлении и добавляли 50 г промежуточного продукта, пропитанного и прокаленного на первой стадии. Пропитку в водной суспензии и вакуумную сушку проводили методом, использованным на первой стадии пропитки кобальтом/платиной. Этот высушенный в вакууме промежуточный продукт сразу подвергали прокаливанию в псевдоожиженном слое при следующих условиях:34.1 g of Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O was dissolved in 40 ml of distilled water and 0.0189 g of (NH 3 ) 4 Pt (NO 3 ) 2 was dissolved in 10 ml of distilled water. The two solutions were mixed in a 500 ml round-bottom flask in a rotary evaporator at 60 ° C and atmospheric pressure, and 50 g of the intermediate product, impregnated and calcined in the first stage, were added. Impregnation in an aqueous suspension and vacuum drying was carried out by the method used in the first stage of cobalt / platinum impregnation. This vacuum dried intermediate was immediately calcined in a fluidized bed under the following conditions:
- Непрерывный поток воздуха подают со скоростью 1,7 дм3/мин;- A continuous stream of air is supplied at a speed of 1.7 dm 3 / min;
- Температурный режим:- Temperature condition:
25°С-(1°С/мин)→250°С-(6 часов)→250°С25 ° С- (1 ° С / min) → 250 ° С- (6 hours) → 250 ° С
50 г прокаленного продукта подвергали третьей пропитке кобальтом/платиной и прокаливанию.50 g of the calcined product was subjected to third cobalt / platinum impregnation and calcination.
25,4 г Со(NO3)2·6Н2O растворяли в 40 мл дистиллированной воды, 0,0446 г (NH3)4Pt(NO3)2 растворяли в 10 мл дистиллированной воды. Эти два раствора смешивали в круглодонной колбе объемом 500 мл в ротационном испарителе при 60°С и атмосферном давлении и добавляли 50 г промежуточного продукта, пропитанного и прокаленного на второй стадии. Пропитку в водной суспензии и вакуумную сушку проводили методом, использованным на первой стадии пропитки кобальтом/платиной. Этот высушенный в вакууме промежуточный продукт сразу подвергали прокаливанию в псевдоожиженном слое при следующих условиях:25.4 g of Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O was dissolved in 40 ml of distilled water, 0.0446 g of (NH 3 ) 4 Pt (NO 3 ) 2 was dissolved in 10 ml of distilled water. The two solutions were mixed in a 500 ml round bottom flask in a rotary evaporator at 60 ° C and atmospheric pressure, and 50 g of the intermediate product, impregnated and calcined in the second stage, were added. Impregnation in an aqueous suspension and vacuum drying was carried out by the method used in the first stage of cobalt / platinum impregnation. This vacuum dried intermediate was immediately calcined in a fluidized bed under the following conditions:
Непрерывный поток воздуха подают со скоростью 1,7 дм3/мин;A continuous air stream is supplied at a speed of 1.7 dm 3 / min;
Температурный режим:Temperature mode:
25°С-(1°С/мин)→250°С-(6 часов)→250°С25 ° С- (1 ° С / min) → 250 ° С- (6 hours) → 250 ° С
Все три последовательные стадии пропитки были, таким образом, осуществлены в соответствии с ограничениями, накладываемыми величиной объема пор твердых материалов.All three successive stages of impregnation were thus carried out in accordance with the restrictions imposed by the pore volume of solid materials.
Для подготовки к применению для проведения синтеза Фишера-Тропша в суспензии в CSTR в лабораторном масштабе прокаленный предшественник катализатора, полученный выше, восстанавливали при температуре 350°С. Для этой цели 22,8 г катализатора восстанавливали чистым водородом (объемная скорость 2000 мл/г катализатора/час) при давлении 1 бар, при этом температуру повышали с 25°С до 350°С со скоростью 1°С/мин, после чего поддерживали равной 350°С в течение 16 часов. Восстановленному катализатору давали охладиться до комнатной температуры, водород заменяли аргоном и выгружали в расплавленный воск в атмосфере аргона. Этот катализатор, содержащий восковое покрытие, помещали затем в реактор для синтеза.To prepare for use for Fischer-Tropsch synthesis in suspension in a CSTR on a laboratory scale, the calcined catalyst precursor obtained above was reduced at a temperature of 350 ° C. For this purpose, 22.8 g of the catalyst was reduced with pure hydrogen (bulk velocity 2000 ml / g of catalyst / hour) at a pressure of 1 bar, while the temperature was raised from 25 ° C to 350 ° C at a speed of 1 ° C / min, and then maintained equal to 350 ° C for 16 hours. The reduced catalyst was allowed to cool to room temperature, hydrogen was replaced with argon and discharged into molten wax in an argon atmosphere. This wax-containing catalyst was then placed in a synthesis reactor.
Катализатор G (3 г Со/0,075 г Pt/100 г Al2О3)Catalyst G (3 g Co / 0.075 g Pt / 100 g Al 2 O 3 )
Промотированный платиной катализатор на основе кобальта получали на предварительно сформованном носителе марки Puralox SCCa 5/150, фирмы SASOL Germany GmbH в соответствии со способом пропитки и вакуумной сушки с последующим прокаливанием, описанным в патенте США 5733839 и заявках WO 99/42214 и WO 00/20116. Конкретно, катализатор получали следующим образом.A platinum-promoted cobalt-based catalyst was prepared on a preformed
44,6 г Со(NO3)2·6Н2О растворяли в 40 мл дистиллированной воды, 0,0248 г (NH3)4Pt(NO3)2 растворяли в 10 мл дистиллированной воды. Эти два раствора смешивали в круглодонной колбе объемом 500 мл в ротационном испарителе при 60°С и атмосферном давлении и добавляли 50 г Puralox SCCa 5/150. Пропитку в водной суспензии и вакуумную сушку осуществляют при следующих условиях:44.6 g of Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O was dissolved in 40 ml of distilled water, 0.0248 g of (NH 3 ) 4 Pt (NO 3 ) 2 was dissolved in 10 ml of distilled water. The two solutions were mixed in a 500 ml round bottom flask in a rotary evaporator at 60 ° C and atmospheric pressure and 50 g of
Этот высушенный в вакууме продукт сразу же подвергали прокаливанию в псевдоожиженном слое по следующему режиму:This vacuum dried product was immediately calcined in a fluidized bed according to the following regime:
- Непрерывный поток воздуха со скоростью 1,7 дм3/мин;- Continuous air flow at a speed of 1.7 dm 3 / min;
- Температурный режим:- Temperature condition:
25°С-(1°С/мин)→250°С-(6 часов)→250°С25 ° С- (1 ° С / min) → 250 ° С- (6 hours) → 250 ° С
Прокаленный промежуточный продукт первой стадии пропитки кобальтом/ платиной и прокаливания подвергали затем частичному восстановлению до второй (и последней) пропитки кобальтом/платиной. Для этой цели этот промежуточный продукт восстанавливали чистым водородом (объемная скорость 2000 мл/г промежуточного продукта/час) при давлении 1 бар, в то время как температуру повышали от 25°С до 230°С со скоростью 1°С/мин, после чего температуру поддерживали постоянной и равной 230°С в течение 2 часов.The calcined intermediate of the first cobalt / platinum impregnation step and the calcination was then partially reduced to a second (and last) cobalt / platinum impregnation. For this purpose, this intermediate was reduced with pure hydrogen (bulk rate 2000 ml / g of intermediate / hour) at a pressure of 1 bar, while the temperature was raised from 25 ° C to 230 ° C at a speed of 1 ° C / min, after which the temperature was maintained constant and equal to 230 ° C for 2 hours.
35,0 г этого частично восстановленного продукта подвергали второй пропитке водным раствором кобальта/платины в атмосфере аргона, при этом раствор для пропитки был приготовлен следующим образом.35.0 g of this partially reduced product was subjected to a second impregnation with an aqueous solution of cobalt / platinum in an argon atmosphere, and the impregnation solution was prepared as follows.
22,7 г Со(NO)3·6Н2О растворяли в 28 мл дистиллированной воды и 0,0401 г (NH3)4Pt(NH3)2 растворяли в 7 мл дистиллированной воды. Эти два раствора смешивали в круглодонной колбе объемом 500 мл в ротационном испарителе при 60°С и атмосферном давлении. Пропитку в водной суспензии и вакуумную сушку осуществляли при следующих условиях:22.7 g of Co (NO) 3 · 6H 2 O was dissolved in 28 ml of distilled water, and 0.0401 g of (NH 3 ) 4 Pt (NH 3 ) 2 was dissolved in 7 ml of distilled water. The two solutions were mixed in a 500 ml round-bottom flask in a rotary evaporator at 60 ° C and atmospheric pressure. Impregnation in an aqueous suspension and vacuum drying was carried out under the following conditions:
Этот высушенный в вакууме продукт сразу же подвергали прокаливанию в псевдоожиженном слое по следующему режиму:This vacuum dried product was immediately calcined in a fluidized bed according to the following regime:
- Непрерывный поток воздуха со скоростью 1,7 дм3/мин;- Continuous air flow at a speed of 1.7 dm 3 / min;
- Температурный режим:- Temperature condition:
25°С-(1°С/мин)→250°С-(6 часов)→250°С25 ° С- (1 ° С / min) → 250 ° С- (6 hours) → 250 ° С
Для подготовки к применению для проведения синтеза Фишера-Тропша в суспензии в CSTRa лабораторном масштабе прокаленный предшественник катализатора, полученный выше, восстанавливали и наносили восковое покрытие по методике, описанной для катализатора В.To prepare for use for Fischer-Tropsch synthesis in a laboratory scale suspension in CSTRa, the calcined catalyst precursor obtained above was reduced and wax coated using the procedure described for catalyst B.
Профили восстановления катализаторов Е и G при запрограммированной температуре (TPR) (Фигуры 10 и 11) находятся в соответствии с предположением, что способность к восстанавливаемости является качественным показателем увеличения среднего размера кристаллитов окиси кобальта, как также объясняется в Примере 2. Повышение первоначальной характеристической активности Фишера-Тропша, показанное на Фиг.8, ожидалось.Programmed Temperature (TPR) Catalyst Reduction Profiles (TPR) (Figures 10 and 11) are consistent with the assumption that reducibility is a qualitative indicator of the increase in average cobalt oxide crystallite size, as also explained in Example 2. Increase in Fisher's original characteristic activity -Tropsha shown in Fig.8 was expected.
Следовательно, можно сделать вывод, что катализаторы Е и G характеризуются качественным улучшением распределения кристаллитов металлического кобальта по размерам, то есть имеют характеристику, которая, как ожидалось, должна привести к получению катализаторов Фишера-Тропша с повышенными начальными характеристическими активностями и, следовательно, со стабилизированными RIAF. Это ожидание оправдалось, что отражено в Таблице 12.Therefore, we can conclude that catalysts E and G are characterized by a qualitative improvement in the size distribution of crystallites of cobalt metal, i.e., they have a characteristic that, as expected, should lead to the production of Fischer-Tropsch catalysts with increased initial characteristic activities and, therefore, with stabilized RIAF. This expectation came true, as shown in Table 12.
Применение катализаторов Е и G на основе кобальта в реакциях синтеза Фишера-Тропша в суспензии в CSTRTable 12
The use of cobalt-based catalysts E and G in Fischer-Tropsch synthesis reactions in suspension in CSTR
На основании данных Таблицы 12 и Фигур 8 и 12 можно сделать следующие выводы.Based on the data in Table 12 and Figures 8 and 12, the following conclusions can be made.
Катализатор Е.Catalyst E.
Катализатор Е обладал начальной характеристической активностью Фишера-Тропша, равной 5,6 единиц RIAF. Катализатор содержал 40 г Со/100 г Al2О3.Catalyst E had an initial Fischer-Tropsch characteristic activity of 5.6 RIAF units. The catalyst contained 40 g Co / 100 g Al 2 O 3 .
В случае катализатора В содержание кобальта, равное 30г Со/100 г Al2О3, считалось оптимальным для катализатора, полученного на носителе Puralox SCCa 5/150, фирмы SASOL Germany GmbH, эта величина ограничена максимальным количеством, которое можно ввести при двухстадийной пропитке водным раствором Co(NO3)2. Этот предпочтительно сформованный сферический наполнитель Al2О3 характеризуется площадью поверхности, равной 150±10 м2/г, если считать, что величина 30 г Со/100 г Al2О3 соответствует использованию 10 мг Со(NO3)2·6Н2О на м2 свежеполученного наполнителя Al2О3. Однако катализатор В также характеризуется аi, равным 2,8±0,2. Фигура 12 отражает кривую, построенную на основании этой информации и величины аi, полученной на основе других опытов проведения синтеза Фишера-Тропша.In the case of catalyst B, a cobalt content of 30 g Co / 100 g Al 2 O 3 was considered optimal for the catalyst prepared on a
Относительное увеличение аi, наблюдаемое при получении катализатора Е, показано в Таблице 13.The relative increase in a i observed when preparing catalyst E is shown in Table 13.
Катализатор Е содержал 17,0 мас.% восстанавливаемого кобальта, это было определено при использовании Фиг.8, при замене Ω на 17,0. Площадь поверхности металлического кобальта свежевосстановленного катализатора Е равна 14,9 м2/г катализатора, если считать, что максимально достижимый аi равен примерно 7,5.Catalyst E contained 17.0 wt.% Of reduced cobalt, this was determined using Fig. 8, when replacing Ω by 17.0. The surface area of the cobalt metal of the freshly reduced catalyst E is equal to 14.9 m 2 / g of catalyst, if we assume that the maximum achievable a i is approximately 7.5.
Катализатор G.Catalyst G.
Катализатор G обладал начальной характеристической активностью Фишера-Тропша, равной 4,7 единиц RIAF. Это было достигнуто при содержании кобальта, равном 30 г/100 г Al2О3.Catalyst G had an initial Fischer-Tropsch characteristic activity of 4.7 RIAF units. This was achieved with a cobalt content of 30 g / 100 g Al 2 O 3 .
Относительное повышение аi, достигнутое при получении катализатора G, отражено в Таблице 14.The relative increase in a i achieved by the preparation of catalyst G is shown in Table 14.
Катализатор G содержал 14,0 мас.% восстанавливаемого кобальта, использована была Фиг.8, где вместо Ω было подставлено 14,0. Площадь поверхности металлического кобальта в свежевосстановленном катализаторе G была определена, и она равна 12,9 м2/г катализатора, с применением максимально достижимого значения аi, равного примерно 4,3.Catalyst G contained 14.0 wt.% Of reduced cobalt; Fig. 8 was used, where 14.0 was substituted for Ω. The surface area of cobalt metal in the freshly reduced catalyst G was determined, and it is equal to 12.9 m 2 / g of the catalyst, using the maximum achievable value of a i equal to about 4.3.
Эти данные обобщены в Таблице 15.These data are summarized in Table 15.
а) мономодальное распределение кристаллитов металлического кобальта по размерам;
б) в случае стабилизированного катализатора фактор эффективности Фишера-Тропша, равный 1.* Note: An ideal cobalt-based Fischer-Tropsch catalyst has the following characteristics:
a) a monomodal size distribution of crystallites of cobalt metal;
b) in the case of a stabilized catalyst, the Fischer-Tropsch efficiency factor equal to 1.
Claims (28)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003100829/15A RU2261143C2 (en) | 2001-06-11 | 2001-06-11 | Cobalt-based catalysts |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US60/210,986 | 2000-06-12 | ||
US60/215,489 | 2000-06-30 | ||
RU2003100829/15A RU2261143C2 (en) | 2001-06-11 | 2001-06-11 | Cobalt-based catalysts |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003100829A RU2003100829A (en) | 2004-05-10 |
RU2261143C2 true RU2261143C2 (en) | 2005-09-27 |
Family
ID=35850198
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003100829/15A RU2261143C2 (en) | 2001-06-11 | 2001-06-11 | Cobalt-based catalysts |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2261143C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2610526C2 (en) * | 2015-06-18 | 2017-02-13 | Открытое акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" | Catalyst for fischer-tropsch process in compact version and production method thereof (versions) |
-
2001
- 2001-06-11 RU RU2003100829/15A patent/RU2261143C2/en active
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2610526C2 (en) * | 2015-06-18 | 2017-02-13 | Открытое акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" | Catalyst for fischer-tropsch process in compact version and production method thereof (versions) |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
AU2001262579B2 (en) | Cobalt catalysts | |
RU2301110C2 (en) | Cobalt-based catalysts activation process | |
AU2001262579A1 (en) | Cobalt catalysts | |
RU2481156C2 (en) | Method of producing fischer-tropsch synthesis catalyst | |
AU2011366455B2 (en) | Catalysts | |
CA2500646C (en) | Fischer-tropsch processes and catalysts using stabilized supports | |
JP5284346B2 (en) | catalyst | |
US20010051589A1 (en) | Impregnation process for catalysts | |
AU2001262578A1 (en) | Cobalt catalysts | |
AU2002363102A1 (en) | Process for activating cobalt catalysts | |
CN109562370B (en) | Cobalt-containing catalyst composition | |
JP6307225B2 (en) | Catalyst preparation method using a rapid drying step and its use for Fischer-Tropsch synthesis | |
US20100207070A1 (en) | Hydrocarbon-reforming catalyst and process for producing synthesis gas using the same | |
CN107429167B (en) | Hydrocarbon synthesis catalyst, process for its preparation and its use | |
RU2261143C2 (en) | Cobalt-based catalysts | |
ZA200209615B (en) | Cobalt catalysts. | |
AU2012215108B2 (en) | Catalysts | |
MXPA01007377A (en) | Catalyst carrier carrying nickel ruthenium and lanthanum |