合成异丙苯的催化剂的再生方法转让专利

申请号 : CN201310512761.0

文献号 : CN104549563B

文献日 :

基本信息:

PDF:

法律信息:

相似专利:

发明人 : 李晓韬郭宏利高焕新朱志焱

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上海石油化工研究院

摘要 :

本发明涉及一种失活的合成异丙苯催化剂的再生方法,主要解决了以往合成异丙苯的催化剂再生过程对进入氧气含量、再生温度、再生时间控制要求过高,稍有不慎就会严重影响催化剂活性的问题。本发明采用介质阻挡放电技术对失活的催化剂进行再生,选择O2为工作气体,在放电状态下电离成O2-、O-、O22-等高活性低温等离子体粒子,它们可以与催化剂表面积碳、毒物等发生反应,并以气体状态离开反应器,不会对催化剂造成不利影响,不仅能恢复催化剂活性甚至能有所提升。该方法过程简单、易于操作,再生过程仅消耗电能,且能耗低,催化剂再生效果好,延长催化剂的使用寿命,因此可以用于合成异丙苯的催化剂的再生处理。

权利要求 :

1.一种合成异丙苯催化剂的再生方法,采用介质阻挡放电反应器,包含放电电极和附在其表面绝缘介质层,在反应器内装入失活的合成异丙苯催化剂,以含O2气体为工作气体,施加电源电压为5~150KV频率为50Hz~5kHz的脉冲电压,其所述脉冲电压的上升沿时间为

10~600ns,脉冲宽度为500~1000ns,在大气压下产生低温等离子体用于再生失活的合成异丙苯催化剂,再生时间至少为0.1分钟/克催化剂。

2.根据权利要求1所述的合成异丙苯催化剂的再生方法,其特征在于再生时间为0.5~

12分钟/克催化剂。

3.根据权利要求1所述的合成异丙苯催化剂的再生方法,其特征是含氧气体中O2的体积百分比为21~100%。

4.根据权利要求1所述的合成异丙苯催化剂的再生方法,其特征是所述的绝缘介质层的材料是普通玻璃、耐热玻璃和石英中的一种。

5.根据权利要求1所述的合成异丙苯催化剂的再生方法,其特征是失活的合成异丙苯的催化剂置于介质阻挡放电反应器的等离子体放电区或等离子体下游区。

6.根据权利要求1所述的合成异丙苯催化剂的再生方法,其特征是将粉状或颗粒状的催化剂装填于介质阻挡放电反应器的介质阻挡层间隙,或涂覆于放电区介质阻挡层或电极表面。

7.根据权利要求1所述的合成异丙苯催化剂的再生方法,其特征是所述放电电极的形状为针状、线状、板状和圆筒状中的至少一种。

说明书 :

合成异丙苯的催化剂的再生方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种失活的合成异丙苯的催化剂的再生方法,属于催化技术领域。

背景技术

[0002] 异丙苯作是一种重要的有机化工基本原料,主要用来生产用途广泛的苯酚和丙酮。目前,全世界90%的苯酚来自异丙苯生产路线,因此苯酚和丙酮的需求增长带动了异丙苯需求的增长。异丙苯及其苯酚丙酮产业作为中国石化的主业发展方向之一,在国内具有广阔的市场,预计在未来10年来内,由于苯酚需求强劲增长的刺激,国内异丙苯市场需求将会继续迅速增长,异丙苯生产装置总规模有可能从现在的80万吨/年提高到300万吨/年左右,因此需要异丙苯催化剂约50~100吨/年。
[0003] 随着异丙苯生产装置运行年限的增长,催化剂的活性会有所降低直至失去活性,即将面临催化剂的再生问题,为延长催化剂使用寿命,能研发出具有明显优势、可替代现有催化剂再生的方法,对提高经济效益具有十分重要的意义。
[0004] 催化剂能够有效地促进化学反应,满足工业生产,但有机反应中的副产物积碳和反应体系中的毒物杂质使催化剂失活,一直是一个令人头疼的问题。因此,催化剂的再生技术的研究与开发一直备受关注。CN1390645公开了一种加氢催化剂的再生方法,是将失去活性的加氢催化剂经预热后,推入电热推板炉内,依次在300℃-350℃,450℃-500℃,550℃-600℃下加热1-10小时不等,再自然冷却,便完成了催化剂的再生。CN1782030也公开了一种加氢催化剂的再生方法,与CN1390645稍有不同,该专利是将颗粒状碱性物质与失去活性的催化剂混合,再采用程序升温加热的方法对催化剂再生。CN1045411公开了一种涉及芳烃制备或重整催化剂的再生方法和所用设备,整套设备含有两个催化剂焙烧区,在再生过程中,还需要完成催化剂的氯氧化改性,因此需要配套气体循环系统。该专利所用的设备和方法非常有效的解决了以往此类催化剂再生过程中所遇到的问题,但装置较为复杂。因此,能耗、物耗都较高,且操作步骤繁琐。综上,在化工生产中通常采用的催化剂再生方法是通入还原性气体或者氧化性气体,在高温下反应生成气态氧化物或氢化物。该法的缺点在于一旦晶体结构发生了不可逆转的改变,催化性能将无法保持,其弊病都源于再生时温度过高,严重地影响了催化剂的结构。
[0005] 等离子体是处于电离状态的气体,由大量的电子、离子、中性原子、激发态原子、光子和自由基等组成,但电子和正离子的电荷数必须相等,整体表现出电中性,顾名“等离子体”。由于其在许多方面与固体、液体和气体不同,因此又有人把它称为物质的第四种状态。等离子体通常可以分为高温等离子体和低温等离子体,而低温等离子体则处于热力学非平衡状态,各种粒子温度并不相同,因此它与现代工业生产的关系更加密切,如超细颗粒生产、废气处理、冶金提炼、等离子体化学气相沉积(PCVD)、刻蚀、材料表面处理以及有机物的合成等,它们当中有许多已经实现了工业化。
[0006] 低温等离子体的一个重要研究方向是在催化剂领域的应用。催化剂在化工生产中占有举足轻重的作用,大多数化学反应都需要有催化剂的参与才能顺利进行,产生经济效益。经过许多年的发展,对催化剂的研究已经建立了完整的科学体系,人们对催化剂的作用机理有了一定程度的理性认识,能够较好地应用于化工生产。低温等离子体作为一种有效的技术手段,与催化剂领域的联系越来越密切,在催化剂领域上的技术应用也越来越广,如:超细颗粒催化剂合成,催化剂再生,催化剂表面处理,活性组分沉淀到基体以及低温等离子体系统中添加催化剂。经过低温等离子体制备或处理过的催化剂,其催化活性有显著提高。在等离子体反应系统中加入适当的催化剂,可以降低等离子体击穿电压,减少能量消耗,提高反应活性。
[0007] 鉴于等离子体的独特性质,早期就有人提出了利用O2或Ar辉光放电对失活催化剂进行再生。选择O2为等工作气体,在低温状态下电离成O2-、O-、O22-等高活性粒子,他们可以与催化剂表面积碳、毒物等发生反应,生成COx、NO、SO2、P2O5等,并以气体状态离开反应器,不会对催化剂造成不利影响。而且,在进行催化剂再生实验的同时,科学家还发现经过等离子体再生过的催化剂比反应前的催化剂具有更高的活性。笔者认为,催化活性的提高主要是因为在等离子体对催化剂进行再生的同时,也是对催化剂进行表面改性,从而使催化剂活性提高。
[0008] 正是由于采用等离子体技术应用于催化剂再生具有广阔的发展前景,因此,该技术的研究与开发深受国内外学者的关注。Dadashova等 (Dadashova E  A  ,et a1.《Kinetikai Kataliz》,1991,32(6):1511-1515)对失活的八面沸石在氧气等离子条件下进行再生,表征分析结果表明分子筛结构没有发生变化,活性和稳定性增加明显。采用低温等离子体法技术对催化剂进行再生,相比与传统催化剂的再生方法,具有能耗低,操作简单等优点,选择电能为能量源头,方便可控。

发明内容

[0009] 本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的合成异丙苯的催化剂再生过程温度过高,影响催化剂活性的问题,提供了一种新的合成异丙苯催化剂的再生方法。该方法用于失活的合成异丙苯催化剂的再生时,具有再生温度低,再生后催化剂活性好的优点。
[0010] 为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案如下:一种合成异丙苯催化剂的再生方法,采用介质阻挡放电反应器,包含放电电极和附在其表面绝缘介质层,在反应器内装入失活的合成异丙苯催化剂,以含O2气体为工作气体,施加电源电压为5~150KV频率为50Hz~5kHz的交流电压或脉冲电压,其所述脉冲电压的上升沿时间为5~1000ns,脉冲宽度为100~1000ns,在大气压下产生低温等离子体用于再生失活的合成异丙苯催化剂,再生时间至少为0.1分钟/克催化剂。
[0011] 上述技术方案中,电源压力的优选方案为脉冲电源;脉冲电压的上升沿时间的优选范围为10~600ns,脉冲宽度的优选范围为500~1000ns;再生时间的优选范围为0.5~12分钟/克催化剂;含氧气体中O2的体积百分比的优选范围为21~100%;绝缘介质层的材料的优选方案是普通玻璃、耐热玻璃、石英中的一种。
[0012] 优选的技术方案为:失活的合成异丙苯的催化剂置于介质阻挡放电反应器的等离子体放电区或等离子体下游区;将粉状或颗粒状的催化剂装填于介质阻挡放电反应器的介质阻挡层间隙,或涂覆于放电区介质阻挡层或电极表面;电极的形状为针状、线状、板状和圆筒状中的至少一种。
[0013] 本发明提供的这种失活的合成异丙苯的催化剂再生的方法,其特征在于对粉状或颗粒状的催化剂,将其装填于介质阻挡放电反应器的介质阻挡层间隙,或涂覆于放电区介质阻挡层或电极表面。
[0014] 本发明提供的这种失活的合成异丙苯的催化剂再生的方法,其特征在于所述电极的形状为针状、线状、板状、圆筒状中的至少一种。
[0015] 本发明中所有催化剂(除特殊说明外)均在固定床反应评价装置上进行催化苯丙烯烷基化反应性能的测评,评价催化剂的计算方法如下:
[0016]
[0017]
[0018] 本发明中失活催化剂的用量与再生时间成线性关系,以下两种方式的再生效果一致:(1) 失活催化剂用量为5克,再生时间为60min;(2) 失活催化剂用量为0.5克,再生时间为6min。
[0019] 取新鲜合成异丙苯的催化剂(催化剂X0),在苯烯摩尔比为2.0,丙烯空速为1.0h-1,反应温度为170℃的条件下,放入固定床反应器中,催化剂装填量为40g,连续反应1000h,此时催化剂的活性有所降低,卸载这批催化剂,记为失活催化剂Y。
[0020] 本发明中合成异丙苯的催化剂为常规的合成异丙苯的催化剂,可以是CN200610025103.9或CN200410052728.5涉及到的合成异丙苯的催化剂,催化剂的再生方法为传统的再生方法,可以是CN94112680.3实施例8中所述的再生方法。
[0021] 本发明采用介质阻挡放电技术产生的等离子体对失活的催化剂进行再生,选择O2为工作气体,其益处在于在此条件下O2可以电离成O2-、O-、O22-等高活性低温等离子体粒子,可以与催化剂表面积碳、毒物等发生反应并以气体状态离开反应器,而不对催化剂晶体的结构造成破坏,不仅能恢复催化剂活性甚至能有所提升;本申请人还发现,当采用脉冲电压,同时限定脉冲电压的上升沿时间和脉冲宽度时,相比交流电压能取得更优的再生效果,苯转化率可提高7%以上,取得了预料不到的技术效果。本发明采用的再生方法过程简单、易于操作,再生过程仅消耗电能,且能耗低,催化剂再生效果好,处理效率高等优点,被认为是最有前景的催化剂再生技术。
[0022] 下面通过实施例来具体说明本发明的实施方案,但本发明并不限于此。

附图说明

[0023] 图1为叉式介质阻挡放电反应器的俯视图(针状电极交叉构成,介质材料为石英)具体实施方式
[0024] 【实施例1】
[0025] 取新鲜合成异丙苯的催化剂(催化剂X0),在苯烯摩尔比为2.0,丙烯空速为1.0h-1,反应温度为170℃的条件下,放入固定床反应器中,催化剂装填量为40g,连续反应1000h,此时催化剂的活性有所降低,卸载这批催化剂,记为失活催化剂Y。
[0026] 【实施例2】
[0027] 采用叉式介质阻挡放电反应器(针状电极交叉构成,介质材料为石英,俯视图见图1),施加20kV的脉冲电压,其电压的频率为1000Hz,上升沿时间为200ns,脉冲宽度为400ns。
取5克失活的合成异丙苯的催化剂Y置于该介质阻挡放电反应器的放电区域,且放置均匀,并向装置中通入空气,空气流量为1000ml/min,开启电源开关,处理30min,得再生催化剂A1,使用1000h后同法再生两次后的催化剂活性,该催化剂记为A3。
[0028] 【实施例3】
[0029] 采用针板式介质阻挡放电反应器(针状电极和板式电极构成,介质材料为普通玻璃),施加5kV的脉冲电压,其电压的频率为1000Hz,上升沿时间为200ns,脉冲宽度为400ns。取5克失活的合成异丙苯的催化剂Y置于该介质阻挡放电反应器的放电区域,且放置均匀,并向装置中通入空气,空气流量为1000ml/min,开启电源开关,处理3min,得再生催化剂B1,使用1000h后同法再生两次后的催化剂活性,该催化剂记为B3。
[0030] 【实施例4】
[0031] 采用叉式介质阻挡放电反应器(针状电极交叉构成,介质材料为耐热玻璃),施加50kV的脉冲电压,其电压的频率为2000Hz,上升沿时间为1000ns,脉冲宽度为500ns。取5克失活的合成异丙苯的催化剂Y置于该介质阻挡放电反应器的放电区域,且放置均匀,并向装置中通入空气,空气流量为1000ml/min,开启电源开关,处理0.5min,得再生催化剂C1,使用
1000h后同法再生两次后的催化剂活性,该催化剂记为C3。
[0032] 【实施例5】
[0033] 采用圆筒式介质阻挡放电反应器(线状电极和圆筒状电极构成,介质材料为普通玻璃),施加30kV的脉冲电压,其电压的频率为5000Hz,上升沿时间为200ns,脉冲宽度为1000ns。取5克失活的合成异丙苯的催化剂Y置于该介质阻挡放电反应器的放电区域,且放置均匀,并向装置中通入空气,空气流量为1000ml/min,开启电源开关,处理40min,得再生催化剂D1,使用1000h后同法再生两次后的催化剂活性,该催化剂记为D3。
[0034] 【实施例6】
[0035] 采用叉式介质阻挡放电反应器(针状电极交叉构成,介质材料为普通玻璃),施加45kV的脉冲电压,其电压的频率为100Hz,上升沿时间为5ns,脉冲宽度为100ns。取5克失活的合成异丙苯的催化剂Y置于该介质阻挡放电反应器的放电区域,且放置均匀,并向装置中通入空气,空气流量为1000ml/min,开启电源开关,处理50min,得再生催化剂E1,使用1000h后同法再生两次后的催化剂活性,该催化剂记为E3。
[0036] 【实施例7】
[0037] 采用针板式介质阻挡放电反应器(针状电极和板式电极构成,介质材料为普通玻璃),施加100kV的脉冲电压,其电压的频率为50Hz,上升沿时间为100ns,脉冲宽度为600ns。取5克失活的合成异丙苯的催化剂Y置于该介质阻挡放电反应器的放电区域,且放置均匀,并向装置中通入空气,空气流量为1000ml/min,开启电源开关,处理60min,得再生催化剂F1,使用1000h后同法再生两次后的催化剂活性,该催化剂记为F3。
[0038] 【实施例8】
[0039] 采用针板式介质阻挡放电反应器(针状电极和板式电极构成,介质材料为普通玻璃),施加100kV的交流电压,其电压的频率为50Hz。取5克失活的合成异丙苯的催化剂Y置于该介质阻挡放电反应器的放电区域,且放置均匀,并向装置中通入并向装置中通入纯O2气体,氧气流量为1000ml/min,开启电源开关,处理60min,得再生催化剂G1,使用1000h后同法再生两次后的催化剂活性,该催化剂记为G3。
[0040] 【实施例9】
[0041] 采用叉式介质阻挡放电反应器(针状电极交叉构成,介质材料为普通玻璃),施加5kV的交流电压,其电压的频率为5000Hz。取5克失活的合成异丙苯的催化剂Y置于该介质阻挡放电反应器的放电区域,且放置均匀,并向装置中通入并向装置中通入含氧气体,氧气的含量为85%,含氧的气体流量为1000ml/min,开启电源开关,处理0.5min,得再生催化剂H1,使用1000h后同法再生两次后的催化剂活性,该催化剂记为H3。
[0042] 【实施例10】
[0043] 采用圆筒式介质阻挡放电反应器(线状电极和圆筒状电极构成,介质材料为耐热玻璃),施加150kV的交流电压,其电压的频率为3000Hz。取5克失活的合成异丙苯的催化剂Y置于该介质阻挡放电反应器的放电区域,且放置均匀,并向装置中通入并向装置中通入含氧气体,氧气的含量为90%,含氧的气体流量为1000ml/min,开启电源开关,处理3min,得再生催化剂I1,使用1000h后同法再生两次后的催化剂活性,该催化剂记为I3。
[0044] 【实施例11】
[0045] 采用圆筒式介质阻挡放电反应器(线状电极和圆筒状电极构成,介质材料为耐热玻璃),施加45kV的交流电压,其电压的频率为800Hz。取5克失活的合成异丙苯的催化剂Y置于该介质阻挡放电反应器的放电区域,且放置均匀,并向装置中通入并向装置中通入含氧气体,氧气的含量为21%,含氧的气体流量为1000ml/min,开启电源开关,处理60min,得再生催化剂J1,使用1000h后同法再生两次后的催化剂活性,该催化剂记为J3。
[0046] 【实施例12】
[0047] 采用叉式介质阻挡放电反应器(针状电极交叉构成,介质材料为普通玻璃),施加25kV的脉冲电压,其电压的频率为2000Hz,上升沿时间为200ns,脉冲宽度为1000ns。取5克失活的合成异丙苯的催化剂Y置于该介质阻挡放电反应器的放电区域,且放置均匀,并向装置中通入并向装置中通入纯氧气,氧气的流量为1000ml/min,开启电源开关,处理60min,得再生催化剂K1,使用1000h后同法再生两次后的催化剂活性,该催化剂记为K3。
[0048] 【实施例13】
[0049] 采用针板式介质阻挡放电反应器(针状电极和板式电极构成,介质材料为普通玻璃),施加35kV的脉冲电压,其电压的频率为500Hz,上升沿时间为400ns,脉冲宽度为500ns。取5克失活的合成异丙苯的催化剂Y置于该介质阻挡放电反应器的放电区域,且放置均匀,并向装置中通入并向装置中通入含氧气体,氧气的含量为60%,含氧的气体流量为1000ml/min,开启电源开关,处理0.5min,得再生催化剂L1,使用1000h后同法再生两次后的催化剂活性,该催化剂记为L3。
[0050] 【实施例14】
[0051] 采用叉式介质阻挡放电反应器(针状电极交叉构成,介质材料为普通玻璃),施加150kV的脉冲电压,其电压的频率为50Hz,上升沿时间为100ns,脉冲宽度为500ns。取5克失活的合成异丙苯的催化剂Y置于该介质阻挡放电反应器的放电区域,且放置均匀,并向装置中通入并向装置中通入含氧气体,氧气的含量为80%,含氧的气体流量为1000ml/min,开启电源开关,处理30min,得再生催化剂M1,使用1000h后同法再生两次后的催化剂活性,该催化剂记为M3。
[0052] 【实施例15】
[0053] 采用针板式介质阻挡放电反应器(针状电极和板式电极构成,介质材料为普通玻璃),施加100kV的脉冲电压,其电压的频率为1000Hz,上升沿时间为550ns,脉冲宽度为500ns。取5克失活的合成异丙苯的催化剂Y置于该介质阻挡放电反应器的放电区域,且放置均匀,并向装置中通入并向装置中通入含氧气体,氧气的含量为30%,含氧的气体流量为
1000ml/min,开启电源开关,处理50min,得再生催化剂N1,使用1000h后同法再生两次后的催化剂活性,该催化剂记为N3。
[0054] 为了便于比较,再生条件列于表1和表2。
[0055] 表1
[0056]实施例 2 3 4 5 6 7
电源电压(kV) 20 5 50 30 45 100
电源频率(Hz) 1000 1000 2000 5000 100 50
上升沿宽度(ns) 200 200 1000 200 5 100
脉冲宽度(ns) 400 400 500 1000 100 600
处理时间(min) 30 3 0.5 40 50 60
再生催化剂编号 A1 B1 C1 D1 E1 F1
[0057] 表2
[0058]实施例 8 9 10 11 12 13 14 15
电源电压(kV) 100 5 150 45 25 35 150 100
电源频率(Hz) 50 5000 3000 800 2000 500 50 1000
上升沿时间(ns) - - - - 200 400 100 550
脉冲宽度(ns) - - - - 1000 500 500 500
处理时间(min) 60 0.5 3  60 60 0.5 30 50
氧气含量(体积%) 100 85 90 21 100 60 80 30
含氧气体流量(mL/min) 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000
催化剂编号 G1 H1 I1 J1 K1 L1 M1 N1
[0059] 【对比例1】
[0060] 取新鲜合成异丙苯的催化剂(催化剂X0),在苯烯摩尔比为2.0,丙烯空速为1.0h-1,反应温度为170℃的条件下,反应压力2.5MPa,考察催化剂的反应活性。
[0061] 【对比例2】
[0062] 取失活的合成异丙苯的催化剂Y,经过传统再生方法,三次成功再生后的催化剂(催化剂X3),在苯烯摩尔比为2.0,丙烯空速为1.0h-1,反应温度为170℃的条件下,反应压力2.5MPa,考察催化剂的反应活性。
[0063] 【实施例16-31】
[0064] 在固定床反应评价装置上考察了催化剂A3-N3以及对比催化剂X0和X3催化苯丙烯-1烷基化反应的性能,催化剂装填量为5g,原料中苯烯摩尔比为2.0,丙烯空速为1.0h ,反应温度为170℃的条件下,反应压力2.5MPa,反应20小时后分析产物组成,结果列于表3(不同再生催化剂催化苯丙烯烷基化反应性能)。
[0065] 表3
[0066]实施例 催化剂 苯转化率(%) 异丙苯选择性 异丙苯中杂质正丙苯含量(ppm)
16 A3 40.9 83 600
17 B3 40.7 81 600
18 C3 39.2 82 550
19 D3 41.2 82 560
20 E3 41.5 83 490
21 F3 42.3 83 380
22 G3 40.3 82 450
23 H3 38.5 81 470
24 I3 39.4 82 600
25 J3 38.7 81 550
26 K3 43.2 83 470
27 L3 40 82 490
28 M3 42.7 84 500
29 N3 42.2 82 370
30 X0 43.1 83 450
31 X3 37.6 82 600
[0067] 从表3中可以看到,对于实施例8和实施例12再生得到的催化剂分别为G1和K1,可以看到,K1催化剂的再生电源电压随然低于G1,但由于其采用的是脉冲电压,通过限定其上升沿时间和脉冲宽度,能有效提高再生效果,最终再生三次后K3的苯转化率(43.2%)比G3(40.3%)提高了7%,取得了良好的技术效果。