脱氢催化剂的再生方法 技术领域
本发明涉及一种脱氢催化剂的再生方法，特别是关于乙苯脱氢，二乙苯脱氢或α-甲基乙苯脱氢催化剂的再生方法。
背景技术
烯基芳烃通常是由烷基芳烃催化脱氢制得，该方法的关键是选择一种高活性、高选择性以及稳定性能好，使用寿命长的脱氢催化剂。目前，工业上普遍采用的是Fe-K-Ce-Mo-Mg系催化剂，Fe2O3是主要活性组分，K2O是其中最重要的活性促进剂，Ce、Mo、Mg氧化物对选择性和稳定性有利。现有的工业催化剂虽有良好的稳定性能，但由于工业操作中，通常采用不断提高反应温度的办法来维持一定的乙苯转化率，所以催化剂在使用2年左右的时间后，需在高温及较高的水比下运行，能耗明显增加，经济上不合理。另外，催化剂长时间在高温条件下运行后，主要活性组份钾会有一定程度的流失，铁钾相KFe11O17也会逐渐向Fe3O4相转变，从而导致催化剂表面发生水煤气反应，使催化剂自主除炭能力下降，表面积炭增多，催化剂的理化性能下降，此时不少厂家就考虑更换催化剂。更换催化剂除需支付新催化剂费用外，装置需停车数周，苯乙烯产量的损失也相当可观。目前工业上该类废催化剂的处理通常采用异地填埋的办法加以解决。尽管采用了深埋等措施，但不可避免地对土壤、地下水和大气等自然环境造成一定的污染。文献美国专利US4758543和US5190906中公开的催化剂主要组成是高钾含量的Fe-K-Ce-Mo。该类催化剂在运行初期显示出高活性，但催化剂寿命短。文献中国专利ZL91109968中公开了一种烷基芳烃的脱氢催化剂，催化剂主体成份是Fe-K-Ce-Mo，同样催化剂随着装置的运行会不断失活。该文献中没有涉及催化剂再生的方法。该文献中谈到在紧急停车等非正常操作情况下可通过通入水蒸汽来避免对催化剂损伤的情况，其目的是保护催化剂的稳定运转而不是再生。
发明内容
本发明所要解决地技术问题是以往技术中未涉及脱氢催化剂再生或再生效果不佳的问题，提供一种新的脱氢催化剂的再生方法。该再生方法不仅能使催化剂恢复原来良好的色泽和外形，而且能使催化剂恢复原有的物相组成和性能，延长催化剂的使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种脱氢催化剂的再生方法，向装载失活脱氢催化剂的容器中同步通入水蒸汽和空气进行再生，其中再生温度为350～650℃，水蒸汽和空气的重量比为0.2～5∶1，再生时间为1～72小时。
上述技术方案中，再生温度优选范围为500～550℃；水蒸汽和空气的重量比优选范围为0.5～1.0∶1；再生时间优选范围为5～60小时，更优选范围为24～48小时。脱氢催化剂优选方案为烷基芳烃脱氢催化剂，更优选方案为乙苯、二乙苯或α-甲基乙苯的脱氢催化剂。
本发明所用脱氢催化剂，包含组成为(重量百分比)：Fe2O3 40～80％，K2O 10～30％，Ce2O3 3～12％，MoO3 0.5～5％，MgO 0.5～5％。催化剂的制备方法是将按配比称量的Fe、K、Ce、Mo、Mg、粘合剂、制孔剂均匀混合后，加入适量的脱离子水，制成有粘性、适合挤条的膏状物，经挤条、切粒成直径为3毫米、长8～10毫米的颗粒，于60～120℃干燥5小时，然后在500～1000℃下焙烧4小时，就可获得成品催化剂。再生试验所用的样品为工业装置运转2年后拆下的脱氢催化剂。
脱氢催化剂的再生在固定床反应器中进行。温度控制在350～650℃；再生时间为1～72小时。再生试验分别在下列不同条件下进行，1)只通空气；2)通水蒸汽；3)在较低温度下同时通入水蒸汽和空气；4)在较高温度下同时通入水蒸汽和空气。具体再生条件见表1。再生试验前后，分别测定催化剂的比表面、积炭量、晶相组成、机械强度及脱氢性能，并与新鲜催化剂进行比较，结果见表2。
样品的比表面由Micromeritics ASAP2000物理吸附仪测定得到。积炭量在Carlo-erba1106型元素分析仪上进行。催化剂的抗压碎强度按中华人民共和国国家标准GB/T 3635规定的技术要求进行测定。随机抽样焙烧后的成品催化剂，用四分法取其中的20颗，使用QCY-602颗粒强度测定仪测定，单颗催化剂的抗压碎强度按以下公式计算：Pi＝Fi/L，式中：Pi-单颗催化剂的抗压碎强度，牛顿/毫米；Fi-单颗催化剂抗压碎力，千克；L-单颗催化剂长度，毫米。催化剂的抗压碎强度以20次测定结果的算术平均值计算。晶相组成在D/MAX-1400 X-射线粉末衍射仪上进行，扫描范围5～70°，扫描速度20°/分钟，电压20千伏，电流20毫安培，Co靶。
新鲜、使用2年后及再生催化剂脱氢性能在等温式固定床中进行评价。对乙苯脱氢制苯乙烯活性评价而言，简述过程如下：
将去离子水和乙苯分别经计量泵输入预热混合器，预热混合成气态后进入反应器，反应器采用电热丝加热，使之达到预定温度。反应器内径为1″的不锈钢管，内可填装100毫升，粒径为3毫米的催化剂。由反应器流出的反应物经水冷凝后用气相色谱仪分析其组成。
乙苯转化率和苯乙烯选择性按以下公式计算：
催化剂评价条件如下：反应压力为常压、液体空速1.0升乙苯/升催化剂·小时、反应温度分别为620℃，水比(水/乙苯)2.0(重量比)。评价结果见表3。
本发明的脱氢催化剂的再生方法，在一定的工艺条件下，可完全适用于乙苯、二乙苯、α-甲基乙苯脱氢催化剂的再生，但并不仅限于此三种反应的催化剂再生。
本发明中由于采用同步通入水蒸汽和空气的技术方案，通过控制水蒸汽和空气燃烧的温度，不仅消除催化剂表面积炭，促使晶相转变，而且消除了催化剂孔道内的积碳，从而完成了催化剂的再生。再生后的催化剂不仅恢复了原有良好的色泽和外形，而且恢复了物相组成和性能，可在工业装置上进一步使用，延长了催化剂使用周期和寿命，降低了生产成本，取得了较好的技术效果。
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述。
具体实施方式
【实施例1】
将工业装置上运转2年后拆下的催化剂，在固定床等温反应器中，催化剂装填量100毫升，控制温度为400℃，以800克/小时的速度通空气48小时，进行催化剂再生试验。实施例2、3、4的操作条件同实施例1，只是再生条件不同，具体见表1。
【比较例1】
工业装置运转2年后拆下的催化剂。
【比较例2】
新鲜的Fe-K-Ce-Mo-Mg催化剂，组成为Fe2O3 40～80％，K2O 10～30％，Ce2O3 3～12％，MoO3 0.5～5％，MgO 0.5～5％。按配比称量的Fe、K、Ce、Mo、Mg、粘合剂、制孔剂均匀混合后，加入适量的去离子水，制成有粘性、适合挤条的膏状物，经挤条、切粒成直径为3毫米、长8～10毫米的颗粒，于60～120℃干燥5小时，然后在750℃下焙烧4小时，就可获得成品催化剂。
表1 催化剂的再生条件
再生条件
样品
温度℃ 水蒸汽流量 克/小时 空气流量 克/小时 时间 小时
实施例1 400 - 800 48
实施例2 450 600 - 24
实施例3 500 600 800 36
实施例4 550 600 800 24
表2 再生催化剂的性能
堆比 比表面积 积炭量 机械强度
样品 色泽 物相组成
克/100毫升 米2/克 重量％ 牛顿/5毫米
实施例1 浅黑 111 12.3 3.6 Fe3O4、CeO2 90.7
实施例2 淡黄 116 8.9 2.9 Fe2O3、CeO2 92.6
实施例3 暗红 121 6.4 1.5 Fe2O3、CeO2 95.8
实施例4 红褐 124 3.2 - Fe2O3、KFe11O17、CeO2 98.7
比较例1 黑色 110 17.4 3.9 Fe3O4、CeO2 80.2
比较例2 红褐 125 3.2 - Fe2O3、KFe11O17、CeO2 100.4
表3 再生前后催化剂脱氢性能对比
催化剂 转化率％ 选择性％ 单收％
实施例1 73.4 95.5 70.1
实施例2 74.8 95.3 71.3
实施例3 76.0 95.2 72.4
实施例4 77.4 95.1 73.6
比较例1 72.3 95.6 69.1
比较例2 77.5 95.0 73.6
本发明的催化剂再生方法，即在550℃的温和条件下，同时向反应器中通入水蒸汽和空气，控制两者重量比3∶4，烧焦48小时，工业应用一个周期的催化剂的性能基本可以恢复，催化剂得以再生，可在装置上继续运行。该法操作简便，效果好，可在反应器内进行，无需体外再生，可用于工业生产中。