醋酸酯加氢制备乙醇的催化剂及其制备和应用 【技术领域】
本发明涉及一种醋酸酯制备合成乙醇的催化剂及其制备和应用。背景技术
乙醇广泛应用于食品、 化工、 医药、 染料、 国防等行业, 又是十分重要的清洁能源。 乙醇热值较低、 汽化潜热较高、 抗爆性能好、 氧含量高, 在少量水存在的情况下还容易产生 相分离, 作为清洁能源不仅可可制造乙醇汽油作为汽车燃料。 与普通汽油相比, 以其燃烧更 完全、 CO 排放量较低、 燃烧性能与汽油相似等优良特性, 被称为 21 世纪 “绿色能源” 。 世界各 国都加快了燃料乙醇推广应用的步伐, 乙醇产量的 60%用作车用燃料。目前的燃料乙醇生 产主要是以谷物为原料, 玉米燃料乙醇在很多国家已经成为重要的能源供应来源, “十五” 期间中国也建设了多个以玉米为原料的燃料乙醇生产项目, 占燃料酒精生产的 55%。但是 随着世界粮食供应紧张, 乙醇生产不得不转向以非粮食作物作为原料的发展方向。目前甲 醇羰基化合成醋酸技术已经成熟, 工业化生产装置越来越多, 醋酸市场趋于饱和, 开发醋酸 下游产品是一重要课题, 开发醋酸酯加氢制备乙醇是一个重要课题, 研制用于醋酸酯加氢 制备乙醇的高效催化剂是该课题的核心攻关内容。 发明内容为了解决上述技术问题, 本发明提供一种醋酸酯加氢制备乙醇的催化剂, 由如下 重量百分比的组分组成 :
活性金属 30-60%,
助剂金属 5-40%,
载体 20-50% ;
其中, 上述活性金属为铜, 上述助剂金属为 Mg、 Zn、 Mn、 Ni、 Sn、 Ag、 Pd 和镧系元素中 的一种或两种以上任意组合, 上述载体为二氧化硅或氧化铝。
优选地, 上述的醋酸酯加氢制备乙醇的催化剂, 由如下重量百分比的组分组成 :
活性金属 46%,
助剂金属 34%,
载体 20% ;
其中, 上述活性金属为铜, 上述助剂金属为 Mg、 Zn、 Mn、 Ni、 Sn、 Ag、 Pd 和镧系元素中 的一种或两种以上任意组合, 上述载体为二氧化硅或氧化铝。
其中, 上述催化剂的比表面积为 50-300m2/g, 孔容为 0.1-2.0cm3/g, 平均孔半径为 1-60nm。
本发明提供一种制备上述催化剂的方法, 包括如下步骤 :
1) 上述载体为二氧化硅 : 取铜的可溶性盐和上述助剂金属的可溶性盐混合溶解 配制成水溶液, 上述水溶液中活性金属离子和助剂金属离子的总浓度为 0.1-1.5M, 加入硅 溶胶, 形成混合液 A, 搅拌均匀 ; 或者, 上述载体为氧化铝 : 取铜的可溶性盐、 上述助剂金属
的可溶性盐和可溶性铝盐混合溶解配制成混合液 A, 上述水溶液中活性金属离子、 助剂金属 离子和铝离子的总浓度为 0.1-1.5M, 搅拌均匀 ;
2) 将沉淀剂溶于水中, 配成上述沉淀剂浓度为 0.1-1.5M 的水溶液 B, 搅拌下, 将混 合液 A 滴加入水溶液 B 中, 滴加过程保持温度为 50-95℃, 调节 pH 值为 6-9, 滴加完全后, 继 续搅拌 2-4 小时, 静置, 使沉淀老化 2-6 小时 ;
3) 过滤, 以水对固体进行洗涤, 至洗涤液电导率在 10-300uS/cm ;
4) 固体干燥, 干燥温度 50-120℃, 干燥时间为 4-10 小时 ;
5) 焙烧, 温度为 350-700℃, 焙烧时间为 3-8 小时 ;
6) 成型, 制造出粒度、 强度、 堆密度符合要求的催化剂前驱体 ;
7) 还原, 将步骤 6) 所得催化剂前驱体装入反应器中, 以还原性气体进行还原活 化, 即得。
其中, 步骤 1) 中, 上述铜的可溶性盐为硝酸铜、 卤化铜、 醋酸铜和硫酸铜中的一种 或两种以上任意组合 ; 上述助剂金属的可溶性盐为 Mg、 Zn、 Mn、 Ni、 Sn、 Ag、 Pd 和镧系元素的 硝酸盐、 硫酸盐或氯化物中一种或两种以上任意组合 ; 上述可溶性铝盐为硝酸铝、 硫酸铝或 氯化铝 ; 上述硅溶胶是浓度为 10 ~ 30%的硅溶胶。
步骤 2) 上述沉淀剂为碳酸钠或碳酸氢钠。
步骤 7) 上述的还原性气体为氢气与氮气的混合气体或氢气。
其中, 步骤 7) 还原的步骤为 : 将上述催化剂前驱体装入反应器中, 以含氢气体积 百分比为 20%~ 80%的氢气与氮气的混合气体, 流量为 10 ~ 100ml/min· g-Cat, 控制温度 在 200 ~ 600℃, 还原 2 ~ 10 小时, 得到催化剂。
本发明还提供上述的催化剂在醋酸酯加氢制备乙醇反应中的应用, 包括如下步 骤:
1) 调节装有上述催化剂的反应器的温度 140 ~ 210℃、 压力 0.3 ~ 3MPa, 醋酸酯气 化后和氢气充分混合进入反应器进行加氢反应 ;
2) 步骤 1) 得到的产物经冷却后进行气液分离, 收集液相产物。
其中, 步骤 1) 醋酸酯气化后和氢气充分混合进入反应器进行加氢反应 : 醋酸酯的 -1 液时空速 0.3 ~ 1.2g/g-cat·h, 氢气的空速 2000 ~ 6000/h 。
本发明能够达到以下技术效果 :
1)、 反应条件相对较温和。该催化剂的在 0.5MPa、 180℃下具有较高的活性。 , 降低 了固定设备的投资成本, 对工业化生产极其有利。
2)、 活性高、 稳定性好、 选择性高, 醋酸酯的转化率大于 80 %, 乙醇的选择性大于 90%。 , 反应副产物少, 目标产物易于分离。本催化剂经过 3000 小时长时间运转, 反应稳定, 且无明显失活现象。
3)、 环境友好。
4)、 催化剂的制备过程简单, 易于操作。 具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明, 以使本领域的技术人员可以更好的 理解本发明并能予以实施, 但所举实施例不作为对本发明的限定。本发明提供一种醋酸酯加氢制备乙醇的催化剂, 包括如下重量百分比的组分 :
活性金属 30-60%。活性金属低于 30%, 催化剂活性低, 高于 60%, 活性金属分布 密集, 高温活性差, 高温易于烧结失活。
助剂金属 5-40%。助剂金属低于 5%, 活性金属相对分散性差, 高于 40%, 活性金 属相对含量偏低, 活性差, 选择性差。
载体 20-50%。载体低于 20%, 导致催化剂微观结构受到影响, 催化剂活性及选择 性差, 高于 50%, 活性金属及助剂金属相对含量低, 催化剂活性差。
其中, 所述活性金属为铜, 所述助剂金属为 Mg、 Zn、 Mn、 Ni、 Sn、 Ag、 Pd 和镧系元素中 的一种或两种以上任意组合, 所述载体为二氧化硅或氧化铝。
上述催化剂的制备方法如下 :
载体为氧化硅催化剂的制备方法 :
将活性金属铜 Cu 和助剂金属的可溶性盐在水中配成金属离子溶液, 金属离子的 总浓度为 0.1-1.5M, 将催化剂载体硅源硅溶胶加入到混合溶液中, 形成混合液 A, 搅拌均 匀。将沉淀剂溶于水中, 配成浓度为 0.1-1.5M 的水溶液 B。在搅拌条件下, 将混合液 A 缓慢 滴加入沉淀剂水溶液 B 中, 滴加过程保持反应液温度为 50-95℃, pH 值为 6-9, 滴加完全后, 继续搅拌 2-4 小时, 静置, 使沉淀老化 2-6 小时。过滤、 洗涤直至滤液电导率在 10-300uS/ cm。控制温度在 50-120℃进行干燥, 干燥时间为 4-10 小时。控制焙烧温度为 350-700℃, 焙烧时间为 3-8 小时。最后制造出粒度、 强度、 堆密度等复合生产要求的催化剂前躯体。将 催化剂前驱体装入反应器中, 以还原性气体进行还原活化, 即得。 载体为氧化铝催化剂的制备方法 :
将活性金属铜 Cu 和助剂金属的可溶性盐、 可溶性铝盐在水中配成金属离子溶液, 金属离子的总浓度为 0.1-1.5M, 形成混合液 A, 搅拌均匀。将沉淀剂溶于水中, 配成浓度为 0.1-1.5M 的水溶液 B。在搅拌条件下, 将混合液 A 缓慢滴加入沉淀剂水溶液 B 中, 滴加过程 保持反应液温度为 50-95℃, pH 值为 6-9, 滴加完全后, 继续搅拌 2-4 小时, 静置, 使沉淀老 化 2-6 小时。过滤、 洗涤直至滤液电导率在 10-300uS/cm。控制温度在 50-120℃进行干燥, 干燥时间为 4-10 小时。控制焙烧温度为 350-700℃, 焙烧时间为 3-8 小时。最后制造出粒 度、 强度、 堆密度等复合生产要求的催化剂前躯体。将所得催化剂前驱体装入反应器中, 以 还原性气体进行还原活化, 即得。
反应在固定床不锈钢加压反应器中进行, 反应器长 1000mm, Φ20mmX2.5mm。反应 压力由前后稳压阀和背压阀控制, 压力波动范围 ±0.05MPa, 温度波动范围在 ±0.5℃。反 应器中装入 20g 40-60 目的催化剂前驱体, 床层上下各装入 20-40 目惰性瓷球 ( 充满整个 反应器内腔 ) 防止管内气体沟流。对催化剂前驱体进行在线还原活化, 以含氢气为 20%~ 80%的氮气和氢气的混合气体, 流量为 10 ~ 100ml/min g-Cat, 控制温度在 200 ~ 400℃, 还原 2 ~ 10 小时, 得催化剂, 然后调节反应温度、 反应压力和醋酸酯进料量进行实验。醋酸 酯由高压计量泵打入汽化器进行气化, 来自钢瓶的氢气经稳压阀减压后, 由高压质量流量 计控制并计量其流量, 进入汽化器与来自高压计量泵的醋酸酯充分混合后并流进入反应器 进行加氢反应, 产物经冷却后进行气液分离, 收集液相并进行分析。
实施例 1
称取 55 克 Cu(NO3)2.3H2O、 5 克 Zn(NO3)2.6H2O、 1 克 La(NO3)3.6H2O、 1 克 Pd(NO3)2.2H2O
溶于计算量的水中, 配成金属离子总浓度为 0.1M 的水溶液, 加入 30g 质量百分比浓度为 30%硅溶胶, 制得混合液。称取 30 克 Na2CO3 溶于 200ml 水中, 60℃水浴, 搅拌下, 将混合液 缓慢加入到 Na2CO3 水溶液中, 以硝酸或硫酸调节 pH 值在 7.5。 混合完毕后继续搅拌 2 小时, 然后静置 2h, 过滤, 洗涤至洗涤液电导率小于 300us/cm, 100℃下烘干 8 小时, 在马弗炉中以 10℃ /h 升温至 350℃, 在该温度下恒温焙烧 8 小时, 微型造粒机中造粒, 得催化剂前驱体。 反应器中装入 20ml 40-60 目的催化剂前驱体, 床层上下各装入 10ml20-40 目惰性瓷球防止 管内气体沟流。对催化剂前驱体进行在线还原活化, 以含氢气为 20%~ 40%的氮气和氢气 的混合气体, 流量为 10 ~ 100ml/min· g-Cat, 控制温度在 200 ~ 600℃, 还原 2 ~ 10 小时, 得催化剂。
调节装有催化剂的反应器的反应温度、 反应压力和醋酸甲酯进料量进行实验。醋 酸甲酯由高压计量泵打入汽化器进行气化, 来自钢瓶的氢气经稳压阀减压后, 由高压质量 流量计控制并计量其流量, 进入汽化器与来自高压计量泵的醋酸甲酯充分混合后并流进入 反应器进行加氢反应, 产物经冷却后进行气液分离, 收集液相并进行分析。 反应工艺条件及 反应结果见下表 1。
本实施例制得的催化剂中各组分百分含量 : Cu : 60 %, Zn : 4 %, Pd : 1.6 %, La : 1.4%, 二氧化硅 33%。 经测定, 本实施例制得的催化剂 : 比表面积为 50-300m2/g, 孔容为 0.1-2.0cm3/g, 平均孔半径为 1-60nm.
本催化剂经过 500 小时长时间运转, 反应稳定, 且无明显失活现象。
实施例 2
称 取 40 克 Cu(NO3)2.3H2O、 10 克 Mg(NO3)2.6H2O、 1 克 Ce(NO3)3.6H2O、 110 克 Al(NO3)3.9H2O 溶于计算量的水中, 配成金属离子总浓度为 0.5M 的水溶液。称取 120 克 NaHCO3 溶于 650ml 水中, 70℃水浴, 搅拌下, 将混合液缓慢加入到 NaHCO3 水溶液中, 以硝酸 或硫酸调节 pH 值在 7.0。混合完毕后继续搅拌 3 小时, 然后静置 2h, 过滤, 洗涤至洗涤液电 导率小于 300us/cm, 80℃下烘干 10 小时, 在马弗炉中以 10℃ /h 升温至 450℃, 在该温度下 恒温焙烧 5 小时, 微型造粒机中造粒, 得催化剂前驱体。反应器中装入 20ml 40-60 目的催 化剂前驱体, 床层上下各装入 10ml 20-40 目惰性瓷球防止管内气体沟流。对催化剂前驱体 进行在线还原活化, 以含氢气为 20%~ 40%的氮气和氢气的混合气体, 流量为 10 ~ 100ml/ min·g-Cat, 控制温度在 200 ~ 600℃, 还原 2 ~ 10 小时, 得催化剂。
调节装有催化剂的反应器的反应温度、 反应压力和醋酸乙酯进料量进行实验。醋 酸乙酯由高压计量泵打入汽化器进行气化, 来自钢瓶的氢气经稳压阀减压后, 由高压质量 流量计控制并计量其流量, 进入汽化器与来自高压计量泵的醋酸乙酯充分混合后并流进入 反应器进行加氢反应, 产物经冷却后进行气液分离, 收集液相并进行分析。 反应工艺条件及 反应结果见下表 1。
本实施例制得的催化剂中各组分百分含量 : Cu : 45%, Mg : 3.5%, Ce : 1.5%, , 氧化 铝: 50%。
经测定, 本实施例制得的催化剂 : 比表面积为 50-300m2/g, 孔容为 0.1-2.0cm3/g, 平均孔半径为 1-60nm。
本催化剂经过 500 小时长时间运转, 反应稳定, 且无明显失活现象。
实施例 3
称取 45 克 Cu(NO3)2.3H2O、 18 克 Ni(NO3)2.4H2O、 8 克 Sn(NO3)2、 1 克 AgNO3 溶于计算 量的水中, 配成金属离子总浓度为 0.8M 的水溶液, 加入 20g 质量百分比浓度为 25%硅溶胶, 制得混合液。称取 35 克 Na2CO3 溶于 3000ml 水中, 80℃水浴, 搅拌下, 将混合液缓慢加入到 Na2CO3 水溶液中, 以硝酸或硫酸调节 pH 值在 6.7。混合完毕后继续搅拌 2 小时, 然后静置 2h, 过滤, 洗涤至洗涤液电导率小于 300us/cm, 110℃下烘干 5 小时, 在马弗炉中以 10℃ /h 升温至 500℃, 在该温度下恒温焙烧 6 小时, 微型造粒机中造粒, 得催化剂前驱体。 反应器中 装入 20ml 40-60 目的催化剂前驱体, 床层上下各装入 10ml 20-40 目惰性瓷球防止管内气 体沟流。对催化剂前驱体进行在线还原活化, 以含氢气为 20%~ 40%的氮气和氢气的混合 气体, 流量为 10 ~ 100ml/min· g-Cat, 控制温度在 200 ~ 600℃, 还原 2 ~ 10 小时, 得催化 剂。
调节装有催化剂的反应器的反应温度、 反应压力和醋酸丙酯进料量进行实验。醋 酸丙酯由高压计量泵打入汽化器进行气化, 来自钢瓶的氢气经稳压阀减压后, 由高压质量 流量计控制并计量其流量, 进入汽化器与来自高压计量泵的醋酸丙酯充分混合后并流进入 反应器进行加氢反应, 产物经冷却后进行气液分离, 收集液相并进行分析。 反应工艺条件及 反应结果见下表 1。 本实施例制得的催化剂中各组分百分含量 : Cu : 46%, Ag : 2%, Ni : 17%, Sn : 15%, 二氧化硅 20%。
经测定, 本实施例制得的催化剂 : 比表面积为 50-400m2/g, 孔容为 0.1-0.8cm3/g, 平均孔半径为 1-60nm。
本催化剂经过 500 小时长时间运转, 反应稳定, 且无明显失活现象。
实施例 4
称 取 40 克 Cu(NO3)2.3H2O、 30 克 Zn(NO3)2.6H2O、 30 克 Mn(NO3)2.4H2O、 3 克 La(NO3)3.6H2O、 75 克 Al(NO3)3.9H2O 溶于计算量的水中, 配成金属离子总浓度为 1.0M 的水溶 液。称取 118 克 NaHCO3 溶于 1000ml 水中, 85℃水浴, 搅拌下, 将混合液缓慢加入到 NaHCO3 水溶液中, 以硝酸或硫酸调节 pH 值在 8.0。混合完毕后继续搅拌 2 小时, 然后静置 4h, 过 滤, 洗涤至洗涤液电导率小于 300us/cm, 120℃下烘干 4 小时, 在马弗炉中以 10℃ /h 升温 至 600℃, 在该温度下恒温焙烧 5 小时, 微型造粒机中造粒, 得催化剂前驱体。反应器中装 入 20ml40-60 目的催化剂前驱体, 床层上下各装入 10ml 20-40 目惰性瓷球防止管内气体沟 流。对催化剂前驱体进行在线还原活化, 以含氢气为 20%~ 40%的氮气和氢气的混合气 体, 流量为 10 ~ 100ml/min· g-Cat, 控制温度在 200 ~ 600℃, 还原 2 ~ 10 小时, 得催化剂。
调节装有催化剂的反应器的反应温度、 反应压力和醋酸乙酯进料量进行实验。醋 酸乙酯由高压计量泵打入汽化器进行气化, 来自钢瓶的氢气经稳压阀减压后, 由高压质量 流量计控制并计量其流量, 进入汽化器与来自高压计量泵的醋酸乙酯充分混合后并流进入 反应器进行加氢反应, 产物经冷却后进行气液分离, 收集液相并进行分析。 反应工艺条件及 反应结果见下表 1。
本实施例制得的催化剂中各组分百分含量 : Cu : 30%, Zn : 19%, Mn : 19%、 La : 2%、 Al2O3 : 30%。
经测定, 本实施例制得的催化剂 : 比表面积为 50-300m2/g, 孔容为 0.1-2.0cm3/g,
平均孔半径为 1-60nm。
本催化剂经过 500 小时长时间运转, 反应稳定, 且无明显失活现象。
实施例 5
称取 45 克 Cu(NO3)2.3H2O、 10 克 Mg(NO3)2.6H2O、 4 克 Gd(NO3)3.6H2O 溶于计算量的水 中, 配成金属离子总浓度为 1.5M 的水溶液, 加入 30g 质量百分比浓度为 30%硅溶胶, 制得混 合液。称取 30 克 Na2CO3 溶于 1500ml 水中, 90℃水浴, 搅拌下, 将混合液缓慢加入到 Na2CO3 水溶液中, 以硝酸或硫酸调节 pH 值在 8.9。混合完毕后继续搅拌 2 小时, 然后静置 6h, 过 滤, 洗涤至洗涤液电导率小于 300uS/cm, 50℃下烘干 10 小时, 在马弗炉中以 10℃ /h 升温 至 700℃, 在该温度下恒温焙烧 3 小时, 微型造粒机中造粒, 得催化剂前驱体。反应器中装 入 20ml 40-60 目的催化剂前驱体, 床层上下各装入 10ml 20-40 目惰性瓷球防止管内气体 沟流。对催化剂前驱体进行在线还原活化, 以含氢气为 20%~ 40%的氮气和氢气的混合气 体, 流量为 10 ~ 100ml/min· g-Cat, 控制温度在 200 ~ 600℃, 还原 2 ~ 10 小时, 得催化剂。
调节装有催化剂的反应器的反应温度、 反应压力和醋酸甲酯进料量进行实验。醋 酸甲酯由高压计量泵打入汽化器进行气化, 来自钢瓶的氢气经稳压阀减压后, 由高压质量 流量计控制并计量其流量, 进入汽化器与来自高压计量泵的醋酸甲酯充分混合后并流进入 反应器进行加氢反应, 产物经冷却后进行气液分离, 收集液相并进行分析。 反应工艺条件及 反应结果见下表 1。
本实施例制得的催化剂中各组分百分含量 : Cu : 50%, Mg : 4%, Gd : 6%, 二氧化硅 : 40%。
经测定, 本实施例制得的催化剂 : 比表面积为 50-300m2/g, 孔容为 0.1-2.0cm3/g, 平均孔半径为 1-60nm。
本催化剂经过 500 小时长时间运转, 反应稳定, 且无明显失活现象。
对比例
称取 60 克 Cu(NO3)2.3H2O、 2 克 Mg(NO3)2.6H2O 溶于计算量的水中, 配成金属离子总 浓度为 1.5M 的水溶液, 加入 15g 质量百分比浓度为 30%硅溶胶, 制得混合液。称取 28 克 Na2CO3 溶于 1000ml 水中, 80℃水浴, 搅拌下, 将混合液缓慢加入到 Na2CO3 水溶液中, 以硝酸 或硫酸调节 pH 值在 8.0。混合完毕后继续搅拌 2 小时, 然后静置 6h, 过滤, 洗涤至洗涤液电 导率小于 300uS/cm, 50℃下烘干 10 小时, 在马弗炉中以 10℃ /h 升温至 700℃, 在该温度下 恒温焙烧 3 小时, 微型造粒机中造粒, 得催化剂前驱体。反应器中装入 20ml 40-60 目的催 化剂前驱体, 床层上下各装入 10ml 20-40 目惰性瓷球防止管内气体沟流。对催化剂前驱体 进行在线还原活化, 以含氢气为 20%~ 40%的氮气和氢气的混合气体, 流量为 10 ~ 100ml/ min·g-Cat, 控制温度在 200 ~ 600℃, 还原 2 ~ 10 小时, 得催化剂。
调节装有催化剂的反应器的反应温度、 反应压力和醋酸甲酯进料量进行实验。醋 酸甲酯由高压计量泵打入汽化器进行气化, 来自钢瓶的氢气经稳压阀减压后, 由高压质量 流量计控制并计量其流量, 进入汽化器与来自高压计量泵的醋酸甲酯充分混合后并流进入 反应器进行加氢反应, 产物经冷却后进行气液分离, 收集液相并进行分析。 反应工艺条件及 反应结果见下表 1。
本实施例制得的催化剂中各组分百分含量 : Cu : 85 %, Mg : 2.5 %, 二氧化硅 : 12.5%。经测定, 本实施例制得的催化剂 : 比表面积为 50-300m2/g, 孔容为 0.1-2.0cm3/g, 平均孔半径为 1-60nm。
本催化剂经过 100 小时长时间运转, 活性明显降低, 有明显失活现象, 长周期稳定 性差。
催化剂评价装置工艺条件及评价结果
表1
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例, 本发明的保护范 围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换, 均在本发明 的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
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