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一种具有核壳结构的选择加氢催化剂及制备方法.pdf

  • 上传人:1520****312
  • 文档编号:4369989
  • 上传时间:2018-09-24
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  • 摘要
    申请专利号:

    CN201310238000.0

    申请日:

    2013.06.17

    公开号:

    CN104226310A

    公开日:

    2014.12.24

    当前法律状态:

    驳回

    有效性:

    无权

    法律详情:

    发明专利申请公布后的驳回IPC(主分类):B01J 23/66申请公布日:20141224|||实质审查的生效IPC(主分类):B01J 23/66申请日:20130617|||公开

    IPC分类号:

    B01J23/66; B01J23/644; B01J29/48

    主分类号:

    B01J23/66

    申请人:

    中国石油化工股份有限公司; 中国石油化工股份有限公司北京化工研究院

    发明人:

    杨栋; 朱云仙; 戴伟; 彭晖; 乐毅

    地址:

    100728 北京市朝阳区朝阳门北大街22号

    优先权:

    专利代理机构:

    北京思创毕升专利事务所 11218

    代理人:

    周媛

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    内容摘要

    本发明公开了一种具有核壳结构的选择加氢催化剂及制备方法。所述催化剂是由以钯为主活性组分的核和具有孔道结构的氧化物壳层组成;核的的直径为1~20nm,氧化物壳层的厚度为2~50nm,氧化物壳层具有直径为0.1~20nm的孔道;核的组成为(含量为以核的总重量为100%计的重量百分含量):(1)活性组分Pd,20~80%;(2)助剂Ag、Pb、Bi中的一种或多种,含量为20~80%;氧化物壳层的组成为:二氧化硅,氧化铝,二氧化钛,二氧化锡,二氧化锆或二氧化铈中的一种或多种。本发明的催化剂具有核壳结构,可以进一步提高钯催化剂的选择性。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种具有核壳结构的选择加氢催化剂,其特征在于:
    所述催化剂是由以钯为主活性组分的核和具有孔道结构的氧化物壳层组成;核的直径为1~20nm,氧化物壳层的厚度为2~50nm,氧化物壳层具有直径为0.1~20nm的孔道;核的组成为:
    (1)活性组分    Pd,含量为核总重的20~80wt%;
    (2)助剂        Ag、Pb、Bi中的一种或几种,含量为核总重的20~80wt%;
    氧化物壳层为:二氧化硅,氧化铝,二氧化钛,二氧化锡,二氧化锆或二氧化铈中的一种或多种。

    2.  如权利要求1所述的具有核壳结构的选择加氢催化剂,其特征在于:
    所述核的直径为:2~10nm;
    所述氧化物壳层的厚度为:5~30nm;
    所述壳层氧化物的孔道直径为:0.3~3nm。

    3.  如权利要求1所述的具有核壳结构的选择加氢催化剂,其特征在于:
    所述核中活性组分Pd的含量为40~60wt%,助剂的含量为40~60wt%。

    4.  如权利要求1所述的具有核壳结构的选择加氢催化剂,其特征在于:
    所述氧化物壳层的组成为二氧化硅、氧化铝或二氧化钛中的一种或多种。

    5.  如权利要求1所述的具有核壳结构的选择加氢催化剂,其特征在于:
    所述氧化物壳层中包括碱性元素中的一种或几种,碱性元素的含量为催化剂总重的0.05~5wt%。

    6.  如权利要求5所述的具有核壳结构的选择加氢催化剂,其特征在于:
    所述碱性元素为K、Na、Cs、Mg、Ca、Ba。

    7.  如权利要求1~6之一所述的具有核壳结构的选择加氢催化剂,其特征在于:
    催化剂的比表面积为10~300m2/g,孔容为0.1~1.2mL/g。

    8.  一种如权利要求1~4之一所述的具有核壳结构的选择加氢催化剂的制备方法,其特征在于所述方法包括:
    (1)核层的制备:按所述用量将可溶性活性组分的盐和可溶性助剂的盐溶解在可溶性有机物保护剂的水溶液中,加入还原剂,制成溶液A;
    (2)壳层的制备:将氧化物壳层的前体溶于水或有机溶剂中,制成溶液B;
    (3)将溶液B边搅拌边加入到溶液A中,加入酸或碱调节混合溶液的pH值在9~12;
    (4)将步骤(3)得到的混合溶液在25~200℃温度下反应4~72h,经离心分离或过滤、洗涤、烘干、煅烧后制得所述催化剂;
    其中可溶性有机物保护剂的摩尔数为钯和助剂总摩尔数的0.5~5倍;
    所述可溶性有机物保护剂为:聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙亚胺、树形大分子、冠醚、羧甲基纤维素、羟甲基纤维素、十二硫醇、柠檬酸、,四丙基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基溴化铵、乙胺、丙胺、丁胺、十二胺、乙二胺四乙酸、三乙醇胺、二乙醇胺、乙醇胺、乙二胺、丁胺、二乙胺、三乙胺、异丙胺、苯胺、N,N-二甲基苯胺、己二胺、三乙烯二胺、环己胺、六次甲基四胺中的一种或组合;
    所述还原剂为硼氢化钠、硼氢化钾、水合肼或次亚磷酸钠;
    所述氧化物壳层的前体为硅酸钠、正硅酸乙酯、甲氧基硅烷、乙氧基硅烷、铝酸钠、硝酸铝、异丙醇铝、钛酸四丁酯、四氯化钛、二氯化锡、四氯化锡、辛酸亚锡、二丁基锡、四苯基锡、氧氯化锆、硝酸锆、硝酸铈中的一种或组合。

    9.  如权利要求8所述的制备方法,其特征在于:
    将碱性元素的氢氧化物或硝酸盐溶于水中,浸渍步骤(4)得到的催化剂,然后经离心分离或过滤、洗涤、烘干、煅烧后制得含碱性元素的催化剂。

    10.  如权利要求8所述的制备方法,其特征在于:
    所述可溶性活性组分的盐为:硝酸钯、氯化钯、乙酸钯;
    所述可溶性助剂的盐为助剂元素的硝酸盐、氯化物或乙酸盐。

    11.  如权利要求8所述的制备方法,其特征在于:
    步骤(2)中的有机溶剂为:甲醇、乙醇、乙二醇、丙二醇、异丙醇、丙三醇、甲酸、乙酸、丙酮中的一种或组合。

    12.  如权利要求8所述的制备方法,其特征在于:
    步骤(3)中所述酸为:硫酸、盐酸、硝酸、二氧化碳、柠檬酸、乙酸或草酸;所述碱为:氢氧化钠、氢氧化钾或氨水。

    说明书

    说明书一种具有核壳结构的选择加氢催化剂及制备方法
    技术领域
    本发明涉及选择加氢催化剂领域,进一步地说,是涉及一种具有核壳结构的选择加氢催化剂及制备方法。
    背景技术
    裂解混合碳四中含有50%左右的1,3-丁二烯,同时也含有约1%的碳三、碳四炔烃,为获得高纯度的1,3-丁二烯,必须将炔烃除去。选择加氢催化剂可将混合碳四中的炔烃除至小于15ppm,同时丁二烯会有少量损失。
    Cu基催化剂是最早用于选择加氢除炔的催化剂,DOW公司和UOP公司已将其工业应用,目前,基于该催化剂的丁二烯处理量为100万吨/年,约10套装置。从DOW公司的专利来看,如美国专利US3912789、US4101451、US4493906等,Cu催化剂的选择性很好,在没有剩炔的条件下,丁二烯损失仅为1%左右,但其反应空速很低,混合碳四的液空速小于2h-1,运行周期短。
    近期文献报道较多的是Pd基多金属催化剂。如美国专利US4547600以Pd和Ag为活性组分,美国专利US7288686以Pd和Ag、Zn、Bi等为活性组分,日本专利WO2010035325以Pd和Bi、Te为活性组分,文献(赵亦农等,石油化工,1997,26:505-508)以Pd和Pb为活性组分。多金属对Pd催化剂的改性不但防止了Pd在反应过程中的流失,同时提高了加氢选择性。
    涂层技术主要被用来防止催化剂颗粒的团聚,如sang hoon joo等(Thermally stable Pt/mesoporous silica core-shell nanocatalysts for high temperature reactions,nature materials,2009,8,126-131)提出可用SiO2壳层阻止Pt催化剂在高温反应时团聚。目前为止,几乎没有发现壳层氧化物可以提高催化剂选择性的报道。
    进一步提高加氢催化剂的选择性,降低丁二烯的损失是目前需要解决的技术问题。
    发明内容
    为解决现有技术中存在的问题,本发明提供了一种具有核壳结构的选择加氢催化剂及制备方法。本发明的催化剂具有核壳结构,可以进一步提高钯催化剂的选择性。
    本发明的目的之一是提供一种具有核壳结构的选择加氢催化剂。
    所述催化剂是由以钯为主活性组分的核和具有孔道结构的氧化物壳层组成;核的的直径为1~20nm,优选为2~10nm;氧化物壳层的厚度为2~50nm,优选为5~30nm;氧化物壳层具有孔径为0.1~20nm,优选为0.3~3nm的孔道;核的组成为(含量为以核的总重量为100%计的重量百分含量):
    (1)活性组分Pd,20~80wt%,优选为40~60wt%;
    (2)助剂Ag、Pb、Bi中的一种或多种,含量为20~80wt%,优选为40~60wt%。
    氧化物壳层的组成为:二氧化硅,氧化铝,二氧化钛,二氧化锡,二氧化锆或二氧化铈中的一种或多种,优选为二氧化硅、氧化铝或二氧化钛中的一种或多种。
    所述的氧化物壳层中还包括碱性元素中的一种或几种,碱性元素的含量为催化剂总重的0.05~5wt%,碱性元素优选K、Na、Cs、Mg、Ca、Ba。
    催化剂的比表面积为10~300m2/g,孔容为0.1~1.2mL/。
    经研究发现当氧化物涂层的孔径小至一定程度时,在Pd颗粒上包覆氧化物可有效提高催化剂的选择性,这主要是因为氧化物中的微孔在Pd颗粒的表面产生了限域效应,阻止了炔烃分子的聚合,从而提高了催化剂的选择性及运行周期。除了孔径大小之外,氧化物涂层也必须具有一定的厚度,才能显示出这样的限域效应。壳层氧化物的孔道用于输送反应物料至核层表面,且孔道的限域效应可有效阻止炔烃和二烯烃在核层上的聚合,从而有效提高催化剂的选择性。
    本发明的目的之二是提供一种具有核壳结构的选择加氢催化剂的制备方法。
    包括以下步骤:
    (1)核层的制备:按所述用量将可溶性活性组分的盐和可溶性助剂的盐溶解在可溶性有机物保护剂的水溶液中,加入还原剂,制成溶液A;
    (2)壳层的制备:将氧化物壳层的前体溶于水或有机溶剂中,制成溶液B;
    (3)将溶液B边搅拌边加入到溶液A中,加入酸或减调节混合溶液的pH值在9~12;
    (4)将步骤(3)得到的混合溶液在25~200℃温度下反应4~72h,经离心分离或过滤、洗涤、烘干、煅烧后制得所述催化剂;
    其中可溶性有机物保护剂的摩尔数(如为聚合物,则摩尔数为单体的摩尔数)为钯和助剂总摩尔数的0.5~5倍;
    所述可溶性有机物保护剂为:聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、据乙亚胺、树形大分子、冠醚、羧甲基纤维素、羟甲基纤维素、十二硫醇、柠檬酸、,四丙基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基溴化铵、乙胺、丙胺、丁胺、十二胺、乙二胺四乙酸、三乙醇胺、二乙醇胺、乙醇胺、乙二胺、丁胺、二乙胺、三乙胺、异丙胺、苯胺、N,N-二甲基苯胺、己二胺、、三乙烯二胺、环己胺、六次甲基四胺中的一种或组合;
    所述还原剂为硼氢化钠、硼氢化钾、水合肼或次亚磷酸钠;
    所述氧化物壳层的前体为硅酸钠、正硅酸乙酯、甲氧基硅烷、乙氧基硅烷、铝酸钠、硝酸铝、异丙醇铝、钛酸四丁酯、四氯化钛、二氯化锡、四氯化锡、辛酸亚锡、二丁基锡、四苯基锡、氧氯化锆、硝酸锆、硝酸铈中的一种或组合。
    将碱性元素的氢氧化物或硝酸盐溶于水中,浸渍步骤(4)得到的催化剂,然后经离心分离或过滤、洗涤、烘干、煅烧后制得含碱性元素的催化剂。
    所述可溶性活性组分的盐优选为:硝酸钯、氯化钯、乙酸钯;
    所述可溶性助剂的盐优选为助剂元素的硝酸盐、氯化物或乙酸盐。
    步骤(2)中的有机溶剂为可以溶解氧化物壳层前体的有机溶剂,可优选:甲醇、乙醇、乙二醇、丙二醇、异丙醇、丙三醇、甲酸、乙酸、丙酮中的一种或组合。
    步骤(3)中的酸和碱是为了调剂pH值的,酸可采用:硫酸、盐酸、硝酸、二氧化碳、柠檬酸、乙酸或草酸;碱可采用:氢氧化钠、氢氧化钾或氨水。
    步骤(4)中,可优选在60~120℃烘干5~20h,300~600℃煅烧2~10h后制得所述催化剂。
    具体可按以下步骤进行:
    (1)核层的制备:分别称取可溶性有机物保护剂和可溶性活性组分和可溶性助剂的盐,其中可溶性有机物保护剂(如是高分子则以单体计)的摩尔数为钯和助剂总摩尔数的0.5~5倍。先将可溶性有机物保护剂与一定量的水配成混合溶液,再溶解活性组分和助剂,最后加入还原剂使钯和助剂成核,制成溶液A;
    (2)壳层的制备:将壳层氧化物的前体溶于水或有机溶剂中,制成溶液B。将溶液B以加入到溶液A,期间使用搅拌使混合均匀,之后向A和B的混合溶液中加入一定量的酸或碱,其加入量以使混合溶液的pH值在9~12为准。最后将混合溶液在一定温度(25~200℃)下反应4~72h,经离心分离或过滤,洗涤,60~120℃烘干5~20h,300~600℃煅烧2~10h后制得所述催化剂。
    本发明的催化剂在使用前需将钯和助剂还原为金属形式,可使用H2在100~200℃下还原2~10h。
    发明效果:
    本发明的催化剂在用于选择加氢除炔或/和丁二烯时,由于存在壳层的限域效应,除炔或/和丁二烯在催化剂表面的聚合被大大降低,不但提高了催化剂的选择性,还可提高催化剂的运行周期。
    附图说明
    图1实施例1的催化剂的电镜照片
    具体实施方式
    下面结合实施例,进一步说明本发明。
    实施例中所用原料为市售,硝酸钯国药集团化学试剂有限公司;其他原料为北京益利精细化学品有限公司生产
    催化剂核层直径、壳层厚度、孔道直径由康塔公司的Autosorb-1-C仪器测试,比表面、孔径和孔容均由N2脱吸附法测定
    实施例1
    分别称取聚乙烯吡咯烷酮0.3g,0.2g的硝酸钯、0.1g的硝酸银和0.1g的硝酸铅,将聚乙烯吡咯烷酮先溶于100ml水中,然后加入硝酸钯、硝酸银和硝酸铅,搅拌均匀后,加入水合肼0.5ml,配制成溶液A1。
    将正硅酸乙酯2ml溶于50ml乙醇中,配成溶液B1,将溶液B1缓慢加入溶液A1中,待加入完成后,继续搅拌溶液10min,然后在上述混合溶液中加入NaOH调节PH值至10。最后在室温下搅拌所得的混合溶液24h,经10000转的离心机离心分离后,将所得的沉淀物放入烘箱中于100℃烘干6h,最后在空气中经500℃煅烧后制得具有核壳结构的催化剂SiO2Pd+Ag+Pb。
    所制备催化剂的核中钯含量为42%,Ag的含量为29%,Pb的含量为29%;聚乙烯吡咯烷酮单体的摩尔数与钯和助剂总摩尔数的比例为1.5。
    所制得的催化剂Pd+Ag+Pb核直径为13nm,SiO2壳层厚度7nm,SiO2孔径1nm。比表面积300m2/g,孔容1.2mL/g。
    催化剂的电镜照片见图1,通过电镜照片可以看出,催化剂颗粒明显具有核壳机构。
    对比例1
    分别称取聚乙烯吡咯烷酮0.3g,0.2g的硝酸钯、0.1g的硝酸银和0.1g的硝酸铅,将聚乙烯吡咯烷酮先溶于100ml水中,然后加入硝酸钯、硝酸银和硝酸铅, 搅拌均匀后,加入水合肼1ml,然后在室温下搅拌溶液24h。经10000转的离心机离心分离后,将所得的沉淀物放入烘箱中于100℃烘干6h,最后在空气中经500℃煅烧后制得催化剂Pd+Ag+Pb。
    所制备催化剂的核中钯含量为42%,Ag的含量为29%,Pb的含量为29%;聚乙烯吡咯烷酮单体的摩尔数与钯和助剂总摩尔数的比例为1.5。
    所制得的催化剂Pd+Ag+Pb尺寸为10nm。
    实施例2
    分别称取十四烷基三甲基溴化铵1.7g,称取0.2g的硝酸钯、0.1g的硝酸铋,将十四烷基三甲基溴化铵先溶于100ml水中,然后加入硝酸钯和硝酸铋,搅拌均匀后,加入次亚磷酸钠0.5g,配制成溶液A2。
    将3g硅酸钠溶于50ml水中,配成溶液B2,将溶液B2缓慢加入溶液A2中,待加入完成后,继续搅拌溶液10min,然后在上述混合溶液中加入HNO3调节PH值至9。最后在60℃搅拌所得的混合溶液24h,经10000转的离心机离心分离后,将所得的沉淀物放入烘箱中于100℃烘干6h,最后在空气中经500℃煅烧后制得具有核壳结构的催化剂SiO2Pd+Bi。
    所制备催化剂的核中钯含量为68%,Bi的含量为32%;十四烷基三甲基溴化铵摩尔数与钯和助剂总摩尔数的比例为4.7。
    所制得的催化剂Pd+Bi核直径为8nm,SiO2壳层厚度30nm,SiO2孔径3.0nm。比表面积200m2/g,孔容0.6mL/g。
    对比例2
    分别称取十四烷基三甲基溴化铵1.7g,称取0.2g的硝酸钯、0.1g的硝酸铋,将十四烷基三甲基溴化铵先溶于100ml水中,然后加入硝酸钯和硝酸铋,搅拌均匀后,加入水合肼0.5ml。然后在室温下搅拌溶液24h。经10000转的离心机离心分离后,将所得的沉淀物放入烘箱中于100℃烘干6h,最后在空气中经500℃煅烧后制得普通催化剂Pd+Bi。
    所制备催化剂的核中钯含量为68%,Bi的含量为32%;十四烷基三甲基溴化 铵摩尔数与钯和助剂总摩尔数的比例为4.7。
    所制得的催化剂Pd+Bi核尺寸为8nm。
    对比例3
    称取0.2g的硝酸钯、0.1g的硝酸银和0.1g的硝酸铅溶于100ml水中,所得的溶液浸渍100g吸水率为100%的SiO2(比表面为320m2/g,孔容0.6ml/g),完成后,在100℃烘干6h,最后在空气中经500℃煅烧后制得催化剂Pd+Ag+Pb/SiO2。
    实施例3
    分别称取乙二胺四乙酸0.4g,称取0.2g的硝酸钯、0.1g的硝酸铋,将乙二胺四乙酸先溶于100ml水中,然后加入硝酸钯和硝酸铋,搅拌均匀后,加入水合肼0.5ml,配制成溶液A3。
    将正硅酸乙酯2ml溶于10ml乙醇中;将0.5mL四丙基溴化铵和0.1gAl(NO3)3溶于50mL水中,将上述两溶液混合配成溶液B3,将溶液B3缓慢加入溶液A3中,待加入完成后,继续搅拌溶液10min,然后在上述混合溶液中加入NaOH调节PH值至10。最后在180℃下搅拌所得的混合溶液24h,经10000转的离心机离心分离后,将所得的沉淀物放入烘箱中于100℃烘干6h,最后在空气中经500℃煅烧后制得具有核壳结构的催化剂ZSM-5Pd+Bi。
    所制备催化剂的核中钯含量为68%,Bi的含量为32%;乙二胺四乙酸摩尔数与钯和助剂总摩尔数的比例0.88。
    所制得的催化剂Pd+Bi核直径为6nm,ZSM-5壳层厚度20nm,ZSM-5孔径0.5nm。比表面积50m2/g,孔容0.2mL/g。
    实施例4
    分别称取羟甲基纤维素1.3g,0.2g的硝酸钯、0.1g的硝酸银和0.1g的硝酸铅,将羟甲基纤维素先溶于100ml水中,然后加入硝酸钯、硝酸银和硝酸铅,搅拌均匀后,加入硼氢化钠0.5ml,配制成溶液A4。
    将钛酸四丁酯2ml溶于50ml乙醇中配成溶液B4,将溶液B4缓慢加入溶液 A4中,待加入完成后,继续搅拌溶液10min,然后在上述混合溶液中加入KOH调节PH值至10。最后在60℃下搅拌所得的混合溶液24h,经10000转的离心机离心分离后,将所得的沉淀物放入烘箱中于100℃烘干6h,最后在空气中经500℃煅烧后制得具有核壳结构的催化剂TiO2Pd+Ag+Pb。
    将0.05gKNO3溶于10mL水中,浸渍得到的TiO2Pd+Ag+Pb催化剂,然后经5000转/min离心分离,经去离子水洗涤2次后,60℃下烘干3h、350℃煅烧后制得含碱性元素的催化剂K/TiO2Pd+Ag+Pb。
    所制备催化剂的核中钯含量为42%,Ag的含量为29%,Pb的含量为29%;羟甲基纤维素单体的摩尔数与钯和助剂总摩尔数的比例为3.1;碱性元素K的含量占催化剂总重的0.7%。
    所制得的催化剂Pd+Ag+Pb核直径为2nm,TiO2壳层厚度5nm,TiO2孔径0.2nm。比表面积10m2/g,孔容0.1mL/g。
    对本发明催化剂进行评价,测试条件如下:
    催化剂测试在固定床反应器中进行,催化剂装填量为0.5mL,反应前须用氮气置换、再在150℃下用氢气还原4h,反应物组成列于表1,催化剂床层入口温度为110℃,反应压力为常压,空速为10000h-1。
    转化率及选择性的计算方法
    1.乙炔转化率的计算:
    乙炔转化率(%)=(1-反应后剩余乙炔含量/反应前乙炔含量)*100
    2.乙烯选择性的计算
    乙烯选择性(%)=(反应后乙烯含量/反应前乙炔含量)*100
    3.乙烷选择性的计算
    乙烷选择性(%)=(反应后乙烷含量/反应前乙炔含量)*100
    4.聚合物的选择性计算
    聚合物的选择性(%)=(1-(反应后剩余乙炔含量+反应后乙烯含量+反应后 乙烷含量)/反应前乙炔含量)*100
    表1碳二反应物组成
    组分含量(at%)乙炔0.5氢气1.5氮气98%
    实施例和对比例的评价结果见表2。
    表2催化剂的反应评价结果

    从催化剂的反应评价结果可以明显看出,本发明的具有核壳结构的钯催化剂选择性明显优于其他对比催化剂,核壳结构催化剂的聚合物选择性相比对比催化剂均有明显下降,这体现出本发明催化剂的巨大优势。

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    一种 具有 结构 选择 加氢 催化剂 制备 方法
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