CN107051434A - 一种稳定高分散的丙烷脱氢催化剂及制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
一种稳定高分散的丙烷脱氢催化剂及制备方法和应用,属于脱氢催化剂技术领域。该催化剂为氧化铝小球表面原位生长含有助剂金属的水滑石多级结构,利用水滑石前体拓扑转变过程中层板对助剂金属原子有限域作用这一特点,通过高度稳定分散的助剂金属,提高高分散的Pt中心的稳定性。优点在于限域于层板内助剂金属Sn和Pt形成强相互作用,Pt在反应过程中的分散稳定性高,催化剂在550℃丙烷脱氢催化反应中,可以达到99%以上的丙烯选择性,同时在连续进行240h反应后,丙烷转化率保持高活性,仅下降不到2%。另外,本发明为多级结构,便于工业应用。
Description
技术领域
本发明属于脱氢催化剂技术领域,特别是提供了一种活性中心稳定高分散的丙烷脱氢催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
丙烯是重要有机化工原料和石油化工重要的基础原料,主要用途是生产聚丙炼、丙烯腈、环氧丙烷、异丙苯、异丙醇等。丙烯需求持续增加,而作为蒸汽裂解和催化裂化过程的副产物,其供应不稳定,在很大程度上受乙烯和汽、柴油生产的制约。丙烷脱氢制丙烯技术是有效地增产丙烯技术之一,有氧化脱氢、直接脱氢和脱氢氧化三种方法,已商业化的技术全部为丙烷直接脱氢工艺。丙烷脱氢过程离不开催化剂的催化作用,高性能的催化剂一直大家追求的目标。
高性能的催化剂是指具有高活性、高选择性及高稳定性的催化剂。在已建成的丙烷脱氢装置中,大多数采用UOP公司的Oleflex工艺,使用PtSn/Al2O3催化剂。丙烷直接脱氢是强吸热反应,受热力学平衡限制,而且反应后分子数增加。为了达到更高的转化率,反应需要在高温、低压等条件下进行。在这种苛刻条件下,极易发生由活性中心聚集引起的快速失活,使催化剂寿命大幅减少。
丙烷脱氢反应过程中,不可避免的会发生氢解、深度脱氢等副反应,会降低目标产物丙烯的选择性。一般认为主反应脱氢反应的速控步骤由单金属活性中心控制。然而,副反应氢解反应则需要相邻金属活性中心(大的金属颗粒)。从促进主反应和抑制副反应的角度出发,应该减少相邻活性中心数目,提高金属活性中心的分散度。但是,传统浸渍法制备的催化剂很难控制活性中心高分散,而且使用过中活性中心也容易聚集,造成失活。而且,高分散的催化剂在高温反应过程中活性中心更容易发生迁移、聚集甚至烧结,大大降低了金属比表面积,进而会影响催化性能。因而,如何提高活性中心高分散稳定性又是一大挑战。
目前,在提高金属活性中心分散稳定性方面已经做了大量的研究,主要有以下几种途径:(1)修饰载体,利用可变价的CeO2或TiO2等金属氧化物修饰载体提高载体与活性金属间的作用力;(2)改进制备的方法,用络合浸渍、凝胶-溶胶等方法制备的催化剂金属活性中心相对稳定;(3)可利用孔道限域,金属颗粒进入沸石分子筛的孔道中,这些孔道会抑制金属颗粒的进一步聚集;(4)利用原子沉积法,在催化剂的表面覆盖多孔的Al2O3壳,起到隔离催化剂金属活性中心集团的的作用。但是,在提高稳定性的同时又带来了新的问题,如溶胶-凝胶的方法、原子沉积法等不利于活性中心的暴露,从而减少了活性位,降低了活性。因此,如何有效地提高活性中心高分散的稳定性仍是亟待解决的难题。
发明内容
本发明目的在于提供一种稳定高分散的丙烷脱氢催化剂及其制备方法,解决高分散催化剂金属活性中心稳定性差的问题。
本发明的催化剂包括活性中心金属和助剂金属,固体颗粒表面生长水滑石,采用水滑石作为催化剂载体,利用水滑石具有层板金属阳离子可调的特性,将助剂金属阳离子引入水滑石层板晶格,通过水滑石八面体晶格对助剂金属的限域作用提高助剂金属的分散稳定性,金属活性中心通过与稳定的助剂金属相互作用提高自身的分散稳定性。本发明的这种方法制备的催化剂的活性中心保持高分散的同时,反应过程中表现出很高稳定性。本发明固体颗粒优选球形Al2O3,组成水滑石层板的M2+优选Zn2+、Mg2+、Ni2+、Co2+,最优选Zn2+、Mg2+,最最优选Mg2+,M3+优选Al3+、Fe3+,最优选Al3+,金属助剂优选In3+、Ga3+、Cr3+、Ce4+、Sn4+、Zr4+,最优选Ga3+、Zr4+、Sn4+,最最优选Sn4+。铂前体优选H2PtCl6、Pt(acac)2、Na2PtCl6·6H2O,Pt(NH3)4(NO3)2,最优选Pt(NH3)4(NO3)2。即采用尿素法在球形Al2O3表面原位生长含有助剂金属的三元水滑石,采用初湿浸渍法将铂前体负载到氧化铝表面的水滑石上,通过焙烧-还原后,得到高分散稳定的催剂。优选控制助剂金属的实际负载量在0.10–2.0wt.%之内。控制使得催化剂中Pt实际负载量在0.10–2.0wt.%之内,静置,干燥;优选Pt的负载量为0.51wt.%,Sn的负载量为0.50wt.%。
本发明的重整催化剂的制备方法如下:
(1)采用尿素法在氧化铝表面原位生长含有助剂金属的三元水滑石;
优选:将组成水滑石层板的M2+的金属盐、尿素和助剂金属盐溶液(如SnCl4-柠檬酸钠溶液)一起溶于水中,其中M2+:尿素的摩尔比=(1–3):(2–8);对装有固体球形Al2O3颗粒的反应器进行抽真空处理然后加入上述混合溶液,晶化,洗涤,干燥;
(2)采用初湿浸渍法将铂前体负载到氧化铝表面生长的三元水滑石上,干燥,得到催化剂前驱体;
优选:对装有步骤(1)中的表面生长含有助剂金属的三元水滑石的氧化铝的容器进行抽真空处理,注入铂前体溶液,优选控制使得催化剂中Pt实际负载量在0.10–2.0wt.%之内,静置,干燥;
优选Pt的负载量为0.51wt.%,Sn的负载量为0.50wt.%;
(3)催化剂的制备
将步骤(2)制备的催化剂前体在350-900℃范围(优选400-700℃,进一步优选600℃)的空气中焙烧2-6h(流速20-80mL/min/g),然后在350-900℃范围(优选400-700℃,进一步优选600℃)的H2中还原2-6h(流速10-80mL/min/g)。
优选至少空气中焙烧温度不高于H2中还原温度;升温速率为0-10℃/min,优选升温速率为5℃/min。
本发明的催化剂用于丙烷脱氢制丙烯反应。反应温度为550-650℃,反应压力为常压,反应进料组成C3H8:H2:Ar=40:12:48,质量空速为2-20h-1,催化剂用量为0.10–2.0g。
本发明的显著优点是助剂金属Sn等受到水滑石晶格限域的作用,稳定性高;金属活性中心Pt的分散度高(约为1.1nm的原子簇);Pt的稳定性高;反应中丙烯选择性高,长时间使用下活性稳定性好,催化剂使用寿命长,在连续进行240h催化反应后,丙烷转化率仍保持在30%以上,丙烯选择性高达99%以上(副产物主要为氢解产生的甲烷和乙烷)。另外,本发明为氧化铝和水滑石构筑的多级结构,便于工业应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明,但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
步骤A:Mg(NO3)2·6H2O、尿素、SnCl4·5H2O和柠檬酸钠,以Mg2+:尿素:Sn4+:柠檬酸钠=3:2:0.03:0.03的比例溶于去离子水中,对装有一定量的Al2O3的反应器进行抽真空处理然后加入上述混合溶液,90℃下晶化6h。抽滤洗涤,用去离子水洗至中性,干燥。
步骤B:对装有步骤(A)中合成的MgAlSn-LDHs/Al2O3的容器进行抽真空处理,注入2.2mL Pt(NH3)4(NO3)2水溶液(9.1mg/mL),静置一段时间,干燥过夜。
步骤C:将步骤(B)制备的催化剂前体优选600℃空气中焙烧2h(流速80mL/min/g),优选600℃的H2还原2h(流速60mL/min/g),升温速率为5℃/min。
即制备得到Pt/Mg(Sn)(Al)O/Al2O3催化剂,Pt的实际负载量为0.51%,Sn的实际负载量为0.50%。
对比例1
步骤A:Mg(NO3)2·6H2O和尿素以Mg2+:尿素=3:2的比例溶于去离子水中,对装有一定量的Al2O3的反应器进行抽真空处理然后加入上述混合溶液,90℃下晶化6h。抽滤洗涤,用去离子水洗至中性,干燥。
步骤B:对装有步骤(A)中合成的MgAl-LDH/Al2O3的容器进行抽真空处理,注入SnCl4溶液(0.051g SnCl4·5H2O溶于丙酮),静置,干燥。将上述制备的Sn4+/MgAl-LDH/Al2O3前体置于容器中进行抽真空处理,然后注入2.2mL Pt(NH3)4(NO3)2水溶液(9.1mg/mL),静置,干燥。
步骤C:将步骤(B)制备的催化剂前体优选600℃空气中焙烧2h(流速80mL/min/g),优选600℃的H2还原2h(流速60mL/min/g),升温速率为5℃/min。
即制备得到Pt/SnOx/Mg(Al)O/Al2O3催化剂,Pt的实际负载量为0.48wt.%,Sn的实际负载量为0.51wt.%。
用实施例1所得到的Pt/Mg(Sn)(Al)O/Al2O3催化剂和对比例1所得到Pt/SnOx/Mg(Al)O/Al2O3催化剂催化丙烷脱氢反应,反应温度为550℃,反应压力为常压,反应进料组成C3H8:H2:Ar=40:12:48,质量空速为10.0h-1,催化剂用量为0.50g。
由反应的结果显示,Pt/Mg(Sn)(Al)O/Al2O3催化剂和Pt/SnOx/Mg(Al)O/Al2O3催化剂的丙烷初始转化率接近,均达到32%,接近该条件下的热力学平衡转化率。反应进行240h后,Pt/Mg(Sn)(Al)O/Al2O3催化剂上,丙烷转化率保持在30%,丙烯选择性高达99%以上(副产物主要为氢解产生的甲烷和乙烷);而在Pt/SnOx/Mg(Al)O/Al2O3催化剂上,丙烷转化率下降至19%,丙烯选择性为95%。大幅度的失活和氢解副反应的发生是因为在Pt/SnOx/Mg(Al)O/Al2O3催化剂中的Pt发生严重聚集,而Pt/Mg(Sn)(Al)O/Al2O3催化剂中Pt具有良好的高分散稳定性。
实施例2
步骤A:Mg(NO3)2·6H2O、尿素、SnCl4·5H2O和柠檬酸钠,以Mg2+:尿素:Sn4+:柠檬酸钠=3:2:0.03:0.03的比例溶于去离子水中,对装有一定量的Al2O3的反应器进行抽真空处理然后加入上述混合溶液,90℃下晶化6h。抽滤洗涤,用去离子水洗至中性,干燥。
步骤B:对装有步骤(A)中合成的MgAlSn-LDHs/Al2O3的容器进行抽真空处理,注入2.2mL Pt(NH3)4(NO3)2水溶液(5.5mg/mL),静置一段时间,干燥过夜。
步骤C:将步骤(B)制备的催化剂前体优选600℃空气中焙烧2h(流速80mL/min/g),优选600℃的H2还原2h(流速60mL/min/g),升温速率为5℃/min。
即制备得到Pt/Mg(Sn)(Al)O/Al2O3催化剂,Pt的实际负载量为0.3%,Sn的实际负载量为0.50%。
实施例3
步骤A:Mg(NO3)2·6H2O、尿素、SnCl4·5H2O和柠檬酸钠,以Mg2+:尿素:Sn4+:柠檬酸钠=3:2:0.03:0.03的比例溶于去离子水中,对装有一定量的Al2O3的反应器进行抽真空处理然后加入上述混合溶液,90℃下晶化6h。抽滤洗涤,用去离子水洗至中性,干燥。
步骤B:对装有步骤(A)中合成的MgAlSn-LDHs/Al2O3的容器进行抽真空处理,注入2.2mL Pt(NH3)4(NO3)2水溶液(18mg/mL),静置一段时间,干燥过夜。
步骤C:将步骤(B)制备的催化剂前体优选600℃空气中焙烧2h(流速80mL/min/g),优选600℃的H2还原2h(流速60mL/min/g),升温速率为5℃/min。
即制备得到Pt/Mg(Sn)(Al)O/Al2O3催化剂,Pt的实际负载量为1.0%,Sn的实际负载量为0.50%。
实施例2和实施例3所得到的催化剂用于丙烷脱氢反应,与实施例1所得的催化剂一致,同样表现出良好的活性稳定性。
Claims (10)
1.一种稳定高分散的丙烷脱氢催化剂,其特征在于,催化剂包括活性中心金属和助剂金属,固体颗粒表面生长水滑石,采用水滑石作为催化剂载体,利用水滑石具有层板金属阳离子可调的特性,将助剂金属阳离子引入水滑石层板晶格,通过水滑石八面体晶格对助剂金属的限域作用提高助剂金属的分散稳定性,金属活性中心通过与稳定的助剂金属相互作用提高自身的分散稳定性;固体颗粒为球形Al2O3,组成水滑石层板的M2+选自Zn2+、Mg2+、Ni2 +、Co2+,M3+选自Al3+、Fe3+,金属助剂选自In3+、Ga3+、Cr3+、Ce4+、Sn4+、Zr4+。
2.按照权利要求1所述的一种稳定高分散的丙烷脱氢催化剂,其特征在于,M2+选自Zn2+、Mg2+,M3+选自Al3+;金属助剂选自Ga3+、Zr4+、Sn4+。
3.按照权利要求1所述的一种稳定高分散的丙烷脱氢催化剂,其特征在于,控制助剂金属的实际负载量在0.10–2.0wt.%之内;控制使得催化剂中Pt实际负载量在0.10–2.0wt.%之内。
4.按照权利要求3所述的一种稳定高分散的丙烷脱氢催化剂,其特征在于,Pt的负载量为0.51wt.%,Sn的负载量为0.50wt.%。
5.制备权利要求1所述的稳定高分散的丙烷脱氢催化剂的方法,其特征在于,(1)采用尿素法在氧化铝表面原位生长含有助剂金属的三元水滑石;将组成水滑石层板的M2+的金属盐、尿素和助剂金属盐溶液一起溶于水中,其中M2+:尿素的摩尔比=(1–3):(2–8);对装有固体球形Al2O3颗粒的反应器进行抽真空处理然后加入上述混合溶液,晶化,洗涤,干燥;
(2)采用初湿浸渍法将铂前体负载到氧化铝表面生长的三元水滑石上,干燥,得到催化剂前驱体;对装有步骤(1)中的表面生长含有助剂金属的三元水滑石的氧化铝的容器进行抽真空处理,注入铂前体溶液,静置,干燥;铂前体优选H2PtCl6、Pt(acac)2、Na2PtCl6·6H2O,Pt(NH3)4(NO3)2,最优选Pt(NH3)4(NO3)2;
(3)催化剂的制备
将步骤(2)制备的催化剂前体在350-900℃范围的空气中焙烧2-6h,然后在350-900℃范围的H2中还原2-6h,升温速率为0-10℃/min;升温速率为0-10℃/min,优选升温速率为5℃/min。
6.按照权利要求5的方法,其特征在于,步骤(3)催化剂前体在400-700℃的空气中焙烧,然后在400-700℃的H2中还原,进一步优在600℃的空气中焙烧,然后在600的H2中还原。
7.按照权利要求5的方法,其特征在于,空气流速20-80mL/min/g,H2流速10-80mL/min/g。
8.权利要求1-3任一项所述的催化剂的应用,用于丙烷脱氢制丙烯反应。
9.按照权利要求8的应用,其特征在于,反应温度为550-650℃,反应压力为常压,反应进料组成C3H8:H2:Ar=40:12:48,质量空速为2-20h-1,催化剂用量为0.10–2.0g。
10.按照权利要求8的应用,其特征在于,在连续进行240h催化反应后,丙烷转化率仍保持在30%以上,丙烯选择性高达99%以上。
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