CuCrAl和CuCrZr低溫液相合成甲醇催化劑的研究

第24卷第9期催化學(xué)報2003年9月Vol, 24 No. gChinese Journal of catalysisptember 2003文章編號:0253-983xX2003)9.0711-05研究論文:711-715Cura和CuCr/r低溫液相合成甲醇催化劑的研究郝立慶1,單紹純,田瑞芬1,丁延偉2,陳根發(fā),莊叔賢1中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生物質(zhì)潔凈能源實(shí)驗室,安徽合肥23026;2中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)理化分析中心,安徽合肥230026)摘要:用絡(luò )合共沉淀法制備了CCrA和 CuCrzr復合氧化物液相合成甲醇催化劑其比表面分別達到119和116m3/g.在5.0~5.5MPa和383K條件下分別用間歇式和流動(dòng)式反應釜考察了催化劑的活性和穩定性.結果表明: CuRa和 CuRe的活性均明顯高于(r;(u(rA的活性略高于 CuCrzr但甲酸甲釀MF舶選擇性明顯低于 CuCrzr;兩者在12h內未見(jiàn)活性明顯下降.甲醇鈉在反應過(guò)程中部分轉化為甲酸鈉和NaOH.CurA和 CuCrzr有較高的氫解活性可抑制甲醇鈉與MF生成甲酸鈉從而有較低的甲酸鈉濃度.但是№AO3和ZO2的酸性有利于甲醇脫水引起甲醇鈉水解生成NaOH.溶劑對CuCr基催化劑的活性和選擇性有明顯影響,對反應機理進(jìn)行了討論關(guān)鍵詞:甲醇,液相合成,銅,鉻,鋁,鋯,復合氧化物中圖分類(lèi)號:0643文獻標識碼:AStudy on Cu crAl and CuCrzr Oxides as Catalysts for LowTemperature Slurry phase methanol synthesisHAO Liqing, SHAN Shaochun, TIAN Ruifen', DING Yanwei-CHEN Genfa, ZHUANG Shuxian(I Laboratory of Biomass Clean Energy, University of Science and Technology of China Anhui 230026, Hefei, China2 Structure Research Laboratory, University of Science and Technology of China Anhui 230026, Hefei, ChinaAbstract: CuCrAl and CuCrZr composite oxide catalysts with high surface area of 119 and 116 m/g respectivly were prepared by coprecipitation and complex precipitation. The catalytic activity selectivity and stability ofthe catalysts for slurry phase methanol synthesis at low temperature were evaluated in a stainless steel autoclavein a semi-batch-semicontinuous manner at 5.0-5.5 MPa and 383 K. It was found that the activity of CuCraland CuCrzr catalysts was much higher than that of CuCr catalyst. The catalytic activity of Cucral catalyst wasa little higher than that of CuCrZr but the methyl formate( mf selectivity of Cucrzr was significantly higherthan that of CucrAl. Both the CuCrAl and CuCrZr catalysts demonstrated high stability. The sodium methoxidewas partly converted to sodium formate and NaOH. The higher activity of cuCrAl and CuCrZr catalysts for hydrogenation of M suppresses the reaction between MF and sodium methoxide to form sodium formate, whichincreases the catalyst life. However the acidity of Al O3 and Zro may benefit the dehydration of methanol toform water to further induce the hydrolysis of sodium methoxide. The influence of solvent on the performance ofcatalytic system was apparent. The reaction mechanism was also discussedKey words: methanol slurry phase synthesis copper chromium aluminum zirconium,coride甲醇是一種重要的化工原料又是一種潛在的 Cuo-ZnO-Al2O3催化劑.但是Cl公司生產(chǎn)甲醇的車(chē)用燃料和燃料電池的燃料12).目前工業(yè)上由合工藝具有單程轉化率低原料氣分離及凈化成本高成氣生產(chǎn)甲醇主要使用ICⅠ公司開(kāi)發(fā)的高溫高壓等缺點(diǎn).經(jīng)20世紀70年代以來(lái)的大量研究已開(kāi)收稿日期:2003·0104.第一作者:郝立慶,男,1977年生,碩士研究生催化學(xué)報第24卷發(fā)出低溫(363-453K)低壓(3~5MPa)液相催化1.2催化劑的表征合成甲醇的新工藝在單一反應器中完成甲醇羰基催化劑的比表面積在 Micromeritics AsAP2000化和甲酸甲酯MF嵐解制甲醇37.美國B(niǎo)NL國型比表面測定儀上用低溫氮吸附法測定.用S家實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的鎳基催化劑,甲醇的選擇性達到 mazu tga52H型差熱熱重分析儀對催化劑樣品95%僅有少量甲酸甲酯和二甲醚(DME)副產(chǎn)進(jìn)行 TG-DTA分析升溫速率10K/min.催化劑的物81. Palekar等0開(kāi)發(fā)的抗(O2和HO較強的物相表征在￥4Q型x射線(xiàn)粉末衍射儀上進(jìn)行CuCu(r催化劑,日失活速率只有0.4%~2.8%,CO靶A=0.154178mm30kV50mA.催化劑的堆轉化率和甲醇選擇性分別達到90%和94%~99%,密度在自制的細長(cháng)玻璃管中測定但具有較低的甲醇生成速率,中國科學(xué)院成都有機1.3催化劑的活性評價(jià)化學(xué)研究所21開(kāi)發(fā)的CuCr復合氧化物催化劑具催化劑的活性和穩定性考察分別在外加磁力有較高的催化活性時(shí)空收率已達978gL:h)冫攪拌器的100ml不銹鋼靜態(tài)和恒壓流動(dòng)式反應釜通過(guò)催化劑體系的調變和優(yōu)化反應條件其催化活中進(jìn)行將10m甲醇與40m二甲苯的混合溶液性可穩定在100h以上.CuCr基液相合成甲醇催化裝入反應釜中再加入甲醇鈉0.334moL和催化劑雖然在文獻中已有較多的報道但由于反應的復教0.5g)原料氣組成為n(Hym(CO)=2.25.反雜性在活性中心的本質(zhì)、失活機理和催化劑再生等應溫度383K.靜態(tài)反應釜評價(jià)又可以采用恒總)方面尚需進(jìn)行深入的研究本文報道具有大比表面壓和間歇式兩種不同的操作方式前者釜內壓力恒積的 CuOrA和 CuCrzr復合氧化物催化劑及其催定在5.5MPa由位于反應釜進(jìn)口處的質(zhì)量流量計化性能并考察了不同溶劑對催化劑性能的影響監控釜內反應的變化操作簡(jiǎn)單且較準確適合于催1實(shí)驗部分化劑的篩選.后者先充氣到6.0MP反應降到5.011催化劑的制備MP時(shí)再次充氣到6.0MP,如此周期性地反復,直甲醇鈉CP二甲苯(AR廂十氫款>98%),到設定時(shí)間后停止適于觀(guān)察反應過(guò)程中催化劑活上?；瘜W(xué)試劑公司出品;甲釀AR)蚌埠電化試劑性的變化.用連續流動(dòng)式恒壓反應釜評價(jià)催化劑的廠(chǎng)岀品.甲醇及溶劑在反應前均先經(jīng)分子篩脫水活性和壽命時(shí)釜內維持383K恒溫和5.2MPa恒CiCr氧化物催化劑m(Cuym(Cr)=1)采用銅壓并用氣相色譜測定尾氣組成以監控催化劑的活氨絡(luò )合法制備21.將硝酸銅水溶液與濃氨水混合制性隨反應時(shí)間的變化,所有評價(jià)反應結束后將反成銅銨絡(luò )合物溶液然后按一定比例將重鉻酸銨水應釜冷至室溫取出釜內液體稱(chēng)量.并用裝有TDX溶液滴入銅銨絡(luò )合物溶液中并用硝酸調節混合溶和 Porapak-QS的S6800型氣相色譜儀分析液相液的pH=6.0.沉淀經(jīng)過(guò)老化、過(guò)濾洗滌和烘干即產(chǎn)物計算甲醇的平均產(chǎn)率和選擇性.本文采用甲得CuCr催化劑的前驅體最后在593K和氮氣氛醇產(chǎn)率即單位時(shí)間單位質(zhì)量催化劑上甲醇的產(chǎn)量中熱分解5h即得CuCr氧化物催化劑表示催化劑的活性,MF以1:2的摩爾比換算成甲CCA復合氧化物催化劑((C1):n(C):醇n(A)=1:1:0.5采用共沉淀法制備.按所需量秤2結果與討論取NH4)Cr2O4和ANO3)9H2O分別溶解在水中.然后將上述銅氨絡(luò )合物溶液加入到NH1)21催化劑的物理性質(zhì)rO4溶液中再將此混合溶液加入到AXNO3)溶催化劑的比表面積和堆密度測試結果見(jiàn)表1液中用硝酸調節其pH=5.8;其余步驟同(uCr氧可以看出Cu(r催化劑的比表面積稍大于吳玉塘化物催化劑的制備等1的48.9m2/g和 Palekar等的72.0m2/g低Cu(CrZr復合氧化物催化劑(n(Cu):n(Cr):于劉興泉等的9s.6m2/ g( CuCr納米粉)鋁和κ(zr)=1:1:0.5采用共沉淀法制備.將硝酸銅硝鋯的加入明顯增大了催化劑的比表面積. CuCrAl酸氧鋯水溶液與濃氨水混合制成銅銨鋯溶液然后的堆密度明顯低于(ur而較低的堆密度有利于催第9期郝立慶等:CurA和CuCr/r低溫液相合成甲醇催化劑的研究713表1催化劑的物理性質(zhì)程; CuCrZ(未示出測在724K出現一弱峰,系氫Table 1 Physical properties of catalysts氧化鋯脫水所致.在530K附近出現的主強峰對CatalystA/m/g)d/nmp/g/ml)應于前驅體熱分解生成活性組分亞鉻酸銅CucrAll19.2CU OH X NH XrO 4CuCrzr113.24.60.6l1CuCrO,+ NH3+H,O+OA- Surface area, d- Pore diarneter, P- Body density而670K附近的弱峰代表催化劑的進(jìn)一步熱分解.圖1示出了CuCr和 CuCrAl催化劑前驅體的催化劑活性評價(jià)結果表明在催化劑制備過(guò)程中前TG分析結果.CuCr在530670和1000K間有3驅體在高于670K熱分解時(shí)催化劑的活性會(huì )明顯個(gè)峰.而 CuRa除這3個(gè)峰外在320和600K處下降.因此催化劑前驅體的焙燒溫度應控制在670還觀(guān)察到2個(gè)弱的新峰分別對應于 CuRa前驅體K以下以免引起催化劑失活.在1000K時(shí)兩種催低溫物理失水和氬氧化鋁脫水生成氧化鋁的相變過(guò)化劑的失重可能是由于CO分解所致.100a607347357367377387393734735736737738739731073圖1CuCr和 CuRa催化劑前驅體的熱重分析結果Fig I Thermogravimetry results of precursors of CuCr and CuCrAl catalysts(a)TG curves b) Differential curves 1 )CuCr. (2)CuCrAl2.2催化劑的物相CuCao2相的衍射峰.這說(shuō)明它們均以無(wú)定形為主,圖2結果表明三種新鮮催化劑的XRD譜十分氧化鋯和氧化鋁的加入并未導致新的晶相生成.劉相似僅在2θ=37°附近觀(guān)察到極為彌散的CuO和興泉等13絡(luò )合法合成了一種CuCr復合氧化物鈉2426283032343638404244462/(°)28/(°)圖2不同催化劑樣品的XRD譜催化學(xué)報第24卷米粉催化劑其比表面積達98.6m3/g,其CuO和CuCO的衍射峰清晰可雜見(jiàn)圖2(5)).比較圖2(3和(4)可見(jiàn) CuRa在反應后其CuO的衍射峰明顯變銳表明催化劑的晶粒長(cháng)大晶型發(fā)生了部分改變.這是造成催化劑失活的一個(gè)原因2.3催化劑的催化性能表2列出了以二甲苯作溶劑時(shí)用靜態(tài)恒壓和流動(dòng)式恒壓反應釜評價(jià)得到的不同催化劑的催化性能.由表中靜態(tài)反應結果可以看出 CuCrAl和Cu-CZr催化劑的活性的比CuCr催化劑有所提高.這t/h說(shuō)明氧化鋁和氧化鋯的加入明顯提高了催化劑的催化活性.由流動(dòng)法得到的結果可以看出 CuCrAl催圖3不同催化劑的穩定性化劑的活性略高于 Cucrzr催化劑,但甲酸甲酯選Fig 3 Stability of different catalysts擇性明顯低于 CuCrzr催化劑.由表2的結果還可(I)CuCrAl, (2)CuCrZr, (3) Without cataly(T=383K,p=5.2MPa)看岀流動(dòng)法反應可以獲得較高的甲酸甲酯選擇性.這是尾氣流出的必然結果比曲線(xiàn)有較大的差別,與 CuRa有較高的初活性有關(guān).但是這兩個(gè)催化劑最后穩定在相近的水平表2不同催化劑的催化性能上. CuRa上反應12h和 Cucrzr上反應11h的Table 2 Catalytic performance of different catalystsCatalyst Reaction manner t/h X( CH:OH I SMFy%結果已列于表2中. Palekar等0指出甲醇合成速3.0113.0度不是羰基化和氫解速度的簡(jiǎn)單加和,甲醇鈉和CuCrAl9.5CuCr催化劑之間存在著(zhù)一種協(xié)同作用.上述氬碳semicontinuous 12CuCrzr3.9014.4比曲線(xiàn)應是這種協(xié)同作用的結果semicontinuous 113.282.5鈉化合物分析和反應機理T=283K, p=5. 5 MPa( static manner ) 5.2 MPa( semi闡明CCrA和 Cucrzr催化劑顯示不同催化ntinuous manner性能的原因,以及AlO3和Z1O2對CuCr催化劑改X- Activity defined as mass of CH3 OH formed on unit massof catalyst per unit time, MF- methyl formate性作用的本質(zhì)對改進(jìn)催化劑有重要意義.對液相體系的分析可以從一個(gè)側面為反應機理提供有用的2.4催化劑的穩定性信息.一般認為,甲醇液相合成反應CO+2H2催化劑的穩定性試驗在流動(dòng)式高壓釜中進(jìn)行,CH3O肛遵從二步機理即先由甲醇鈉催化甲醇羰基尾氣流速恒定為30ml/min.由于受高壓釜體積化生成MF接著(zhù)是CuCr催化MF氫解生成甲醇(100m所限試驗只進(jìn)行了12h.圖3示出了Cu-CO+CH3OH→- HCOOCH3(1)CrA和 CuCrzr催化劑的穩定性試驗結果.不加HCOOCH3+H2→2CH3OH(2)CuCr基催化劑的空白溶液的反應結果亦示于圖中,般認為氳解反應(2是速率決定步驟提高化劑的活性及選擇性有關(guān)故尾氣組成在線(xiàn)分析可其反廈速率會(huì )提高甲醇的選擇性:,否則過(guò)量的中以監控催化劑活性的變化.3條反應曲線(xiàn)在初始階段均有很高的氫碳比源于(O與甲醇發(fā)生快速羰外損失;生成的甲酸鈉還會(huì )掩蓋催化劑表面的活性基化反應導致尾氣中CO濃度急速下降.隨著(zhù)反應中心造成催化劑失活時(shí)間的延長(cháng),氫碳比逐漸下降并趨于一穩定值.并HCOOCH3 CH3ONa的間隙式壓力釜中壽命評價(jià)試驗結果表明釜內HCOONa CH3OCH3(3)壓力下降的速度隨反應時(shí)間也有類(lèi)似的變化趨勢,表3列出了反應前后液相中鈉化合物的定量化西八陽(yáng)第9期郝立慶等:CurA和CuCr/r低溫液相合成甲醇催化劑的研究715氫氧化鈉.反應2h后 CuCrzr和 CuRa催化劑體表4以十氬萘作溶劑時(shí)催化劑的催化性能系中甲醇鈉的含量高于CuCr催化劑體系;而甲酸Table 4 Catalytic performance of the cat鈉含量明顯低于CuCr催化劑體系.這說(shuō)明 CuCrzrdecahydronaphthalene as solvent和 CuRa對氫解反應有較高的催化活性與表2所CatalystX( CH:OHh(MFy%列結果相一致.值得注意的是 CuCrzr催化劑體系CuCrAl中含有最高的甲醇鈉含量和最低的甲酸鈉含量.另T=383K,p=5.0-5.5MPa,t=2h方面,幾種QC基催化劑在反應后液相中的變但cCA催化劑上甲醇的選擇性提高到接近NaOH均有增加.文獻12服道在CCr催化劑體系中甲醇鈉存在時(shí)即使在N2氣氛下也能觀(guān)察到I00%,溶劑對甲醇液相合成的活性和選擇性的影響可能是十分復雜的.尋找合適的溶劑以提高甲醇明顯的甲醇脫水反應產(chǎn)率是優(yōu)化催化體系的重要內容2CH3OH—·CH3OCH3+H2O甲醇鈉遇水能迅速水解生成甲醇和NaOH參考文獻CHiONa+ H,O-CH1OH+ NaOH1儲偉,吳玉塘,羅仕忠,包信和,林勵吾.化學(xué)進(jìn)展ChuCuRa和 CuCrzr催化劑中含有的酸性AlO3和W, Wu Y T, Luo Sh Zh, Bao X H, Lin L W. ProgrZ∽O2促進(jìn)了甲醇脫水生成DME增加了 CH3ONaChem),1997,132):128的水解生成NaOH.DME的生成已由色質(zhì)譜分析2WuYT, Luo Sh Zh, Liu x Q, Chen W K, Jia Ch X,1i所證實(shí).以上結果為進(jìn)一步的機理研究提供了實(shí)驗Sh F, YuZL. US 741. 2000基礎.另一方面CuCr氧化物催化劑在工作狀態(tài)下3 Marchionna m, Lami m, galletti a mR. CHEMTECHCu的價(jià)態(tài)也值得進(jìn)一步研究如果Cu處于還原態(tài),4劉興泉,吳玉塘,陳文凱,于作龍,催化學(xué)報(L:XQ則還原產(chǎn)生的H1O或CO必然會(huì )對甲醇鈉的含量Wu Y T, Chen WK, Yu Z L. Chin J Catal), 1999,20產(chǎn)生影響(1):815王逸凝,趙玉龍.天然氣化工( Wang N, ZhaoY L表3反應前后液相中鈉化合物濃度的變化Natur Gas Chem Ind ) 1998, 23(3): 47Table 3 Concentration of sodium compounds before6 Ohyama S, Kishida H. App! Catal A, 1998, 17X 2)ore7 Ohyama S, Kishida H. Stud Surf Sci Catal,1999,121compound reaction No ca( 1 )CuC2)CuCrA 2)CuCrZ 2)CH3ONa0.33400.04390.15400.16100.21508 Mahajan D, Sapienza S, Slegeir W A, O Hara T E. USHCOONa0.04860.32800.21000.18400.12401990NaOH0.03190.04270.05100.06920.07649 Palekar V M, Tierney J W, Wender I. Appl Catal ASolvent xylene, T=383K, p=5.2 MPa993,1031):105The number after catalyst sample is reaction time(h)10 Palekar V M, Jung H, Tierney J W, Wender I. Appl2.6溶劑對催化活性的影響Catal a,1993,10x1):13溶劑對液相合成甲醇有顯著(zhù)的影響.表4列出1吳玉塘,陳文凱,劉興泉,羅仕忠,賈朝霞,于作龍了以十氫萘為溶劑時(shí)用間歇式反應2h后測得的(Wu YT, Chen WK, Liu X Q, Luo Sh Zh, Jia Ch XYuZL)CN1136979.1996結果.實(shí)驗中觀(guān)察到以十氫萘為溶劑時(shí)反應開(kāi)始12李順?lè )?羅仕忠,楊先貴,戴漢松,賈朝霞,吳玉塘時(shí)甲醇羰基化引起CO壓力下降的速度,以及反應石油與天然氣化工( Li Sh F, Luo Sh Zh, Yang XG,Dai達到穩定后的反應速度均明顯低于以二甲苯為溶劑HS, Jia Zhx, Wu Yt. Chem Eng Oil Gas ) 2000, 29時(shí)的速度. CuRa催化劑的活性明顯高于CuCr(4):160但是與表2所列結果相比這兩種催化劑的活性均13劉興泉,吳玉塘,于作龍.功能材料LuXQ,WuY比以二甲苯作溶劑時(shí)的低,且 CuCral活性的下降T, YuZ L. J Funct Mater), 1999, 30(2): 221略低于CuCr.CuCr催化劑上甲醇的選擇性基本未( Ed WGZh)