一种合成气直接转化制低碳烯烃的催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术属于合成气直接转化领域，具体涉及一组双功能催化剂及其制备方法和在催化合成气一步法制低碳烯烃中的应用。所述催化剂由组分I和组分II组成，组分I为金属氧化物空心球，组分II为具有CHA或AEI拓扑结构的酸性分子筛，以质量百分比计，组分I的含量为10‑90％，组分II的含量为10‑90％，二者分别制备后物理组合而得。

【技术实现步骤摘要】
一种合成气直接转化制低碳烯烃的催化剂及其制备方法
本专利技术属于合成气直接转化领域，具体涉及一组双功能催化剂及其制备和在合成气一步法制低碳烯烃中的应用。
技术介绍
低碳烯烃是指碳原子数小于或等于4的烯烃。以乙烯、丙烯为代表的低碳烯烃是非常重要的基础有机化工原料，随着我国经济的快速增长，长期以来，低碳烯烃市场供不应求。目前，低碳烯烃的生产主要采用轻烃(乙烷、石脑油、轻柴油)裂解的石油化工路线，所用管式裂解炉工艺能耗极高，且由于全球石油资源的日渐短缺和原油价格长期高位运行，发展低碳烯烃工业面临越来越大的能耗问题和原料难题，低碳烯烃生产工艺和原料必须多元化。煤、天然气和生物质等均可作为原料生产合成气，合成气进而通过费托合成反应一步制得低碳烯烃，可拓宽低碳烯烃生产的原材料来源，为基于高成本原料如石脑油的蒸汽裂解技术提供替代方案。费托合成工艺无需像间接法工艺那样从合成气经甲醇或二甲醚，进一步制备烯烃，简化工艺流程，大大减少投资。高活性、高低碳烯烃选择性的费托合成催化剂的开发，已成为合成气经费托法直接制取低碳烯烃的研究热点之一。中科院大连化学物理研究所公开的专利CN1083415A中，用MgO等IIA族碱金属氧化物或高硅沸石分子筛(或磷铝沸石)担载的铁-锰催化剂体系，以强碱K或Cs离子作助剂，在合成气制低碳烯烃反应压力为1.0-5.0MPa，反应温度300-400℃下，可获得较高的活性(CO转化率90％)和选择性(低碳烯烃选择性66％)。北京化工大学所申报的专利ZL03109585.2中，采用真空浸渍法制备锰、铜、锌、硅、钾等为助剂的Fe/活性炭催化剂用于合成气制低碳烯烃反应，在无原料气循环的条件下，CO转化率达到96％，低碳烯烃在碳氢化合物中的选择性为68％。2012年，荷兰Utrecht大学deJong教授团队采用SiC、碳纳米纤维等惰性载体负载、以及Na、S等助剂修饰的Fe催化剂，可获得61％的低碳烯烃选择性，但是CO转化率升高时，低碳烯烃选择性降低。2016年，上海高等研究院孙予罕研究员及钟良枢研究员报道了一种择优暴露(101)及(020)锰助碳化钴催化剂，实现了31.8％的CO转化率下，60.8％的低碳烯烃选择性，且甲烷选择性只有5％。上述报道中催化剂是采用铁及钴基催化剂为活性组分，反应遵循金属表面的链增长反应机理，产物低碳烯烃选择性低。最近中国科学院大连化学物理研究所包信和院士和潘秀莲研究员报道了氧化铝负载的ZnCr2O4氧化物与多级孔SAPO-34分子筛复合双功能催化剂(Jiaoetal.,Science351(2016)1065-1068)，实现了CO单程转化率为17％时，低碳烯烃80％的选择性，其中低碳烷烃选择性为14％，烯烃与烷烃的比例(烯烷比)达到5.7。当转化率升高到35％，烯烃的选择性为69％，而烷烃的选择性为20％，烯烷比降为3.5。如何实现高转化率的同时稳定或进一步提高烯烷比仍然是这一领域的一大难点。
技术实现思路
基于以上的
技术介绍
，本专利技术的目的在于提供一种催化剂，使得利用合成气制备低碳烯烃的过程中，实现高转化率的同时稳定或进一步提高烯烷比，同时保持甲烷选择性在一个较低水平。本专利技术采用如下技术方案：本专利技术一方面提供一组双功能催化剂，由组分I和组分II组成，组分I为空心球金属氧化物，组分II为具有CHA或AEI拓扑结构的酸性分子筛，以质量百分比计，组分I的含量为10-90％，组分II的含量为10-90％，所述组分I和组分II进行物理组合得到所述双功能催化剂；所述组分I为空心球金属氧化物，所述金属为Ti、Cr、Mn、Zn、Y、Zr、Al、Ga中的一种或两种以上；所述组分II为SAPO-34、SAPO-18、AIPO、SSZ-13。基于以上技术方案，所述催化剂中组分I之空心球金属氧化物直径为100nm-1μm，壁厚为2-50nm，所述空心球氧化物的比表面积为20-100m2g-1，孔体积为0.2-1.0cm3g-1。基于以上技术方案，所述催化剂中，组分II的酸性分子筛还包含有介孔和/或大孔结构，所述介孔孔容占分子筛总孔容的5-20％，所述大孔孔容占分子筛总孔容的5-20％。基于以上技术方案，所述催化剂中，组分II之酸性分子筛为经过离子交换的酸性分子筛，所述离子交换的元素为Na、K、Mg、Ti、Cr、Mn、Zn、Ga、Y、Zr、La、Ce中的一种或两种，所述离子交换的元素在组分II中所占质量比为0.5-5％。基于以上技术方案，所述催化剂中组分I与组分II的组合方式为，将组分I和组分II分别压片造粒后进行颗粒混合，所述颗粒的粒径大小为0.1-1.0mm。基于以上技术方案，所述空心球金属氧化物的制备方法为，采用多孔碳小球为牺牲模板，将碳小球分散于金属的盐溶液中，搅拌5-120h，干燥，并于空气和/或氧气中焙烧去除碳小球模板，得到空心球金属氧化物。基于以上技术方案，所述金属氧化物空心球的制备方法中，多孔碳小球的制备方法参考清华大学李亚栋院士课题组制备碳小球的方法(Angew.Chem.Int.Ed.2004,43,597-601)，即采用葡萄糖、蔗糖或淀粉等多糖的水溶液在160-230℃水热2-12h后，过滤、洗涤、干燥获得。基于以上技术方案，所述金属氧化物空心球的制备方法中，原料中碳小球与金属盐的用量按所需氧化物计，金属氧化物与碳小球的质量比为1:10-2:1；所述金属的盐溶液为金属醋酸盐和/或金属硝酸盐溶液；所述金属盐溶液的浓度为0.1-1.0molL-1；所述金属盐溶液的溶剂为水和/或乙醇，所述乙醇和水的体积比为0:1-50:1；所述搅拌温度为20-80℃，所述干燥温度为40-120℃，所述干燥时间为5-24h；所述焙烧的升温速率为0.5-20℃min-1，所述焙烧温度为350-600℃，所述焙烧时间为0.5-5h。本专利技术再一方面提供一种合成气直接转化制低碳烯烃的方法，所述方法采用上述催化剂。基于以上技术方案，所述合成气直接转化制低碳烯烃的方法，以H2/CO＝0.5-3.0的合成气为反应原料，在固定床或移动床反应器上进行催化转化反应，反应温度为300-450℃、反应压力为1-8MPa、反应空速为1000-8000mLgcat-1h-1。基于以上技术方案，所述合成气直接转化制低碳烯烃的方法，所得到的产物中，C2-C4烯烃在总烃中的选择性为50-90％，C2-C4烯烷比为5-15，甲烷在总烃中的选择性低于7％。本专利技术针对现有技术，具有的技术特点和有益效果如下：1.本技术与传统的甲醇制低碳烯烃技术(简称为MTO)不同，实现了一步直接将合成气转化制低碳烯烃。2.相比费托合成技术，本专利技术采用双功能催化剂，合成气转化过程中CO和H2在组分I上进行吸附、活化，形成中间物种，该中间物种迁移至组分II上，组分II的酸性中心催化C-C偶联，加上其特殊孔道结构对产物的择形作用，实现可控C-C偶联，从而高选择性得到目标产物。可见，组分I和组分II需共同作用方能实现合成气的有效转化和目标产物的高选择性。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一组双功能催化剂，其特征在于：所述催化剂由组分I和组分II组成，组分I为空心球金属氧化物，组分II为具有CHA或AEI拓扑结构的酸性分子筛，以质量百分比计，组分I的含量为10-90％，组分II的含量为10-90％，所述组分I和组分II分别制备后物理组合得到所述双功能催化剂；/n所述组分I为空心球金属氧化物，所述金属为Ti、Cr、Mn、Zn、Y、Zr、Al、Ga中的一种或两种以上；/n所述组分II为SAPO-34、SAPO-18、AIPO、SSZ-13。/n

【技术特征摘要】
1.一组双功能催化剂，其特征在于：所述催化剂由组分I和组分II组成，组分I为空心球金属氧化物，组分II为具有CHA或AEI拓扑结构的酸性分子筛，以质量百分比计，组分I的含量为10-90％，组分II的含量为10-90％，所述组分I和组分II分别制备后物理组合得到所述双功能催化剂；
所述组分I为空心球金属氧化物，所述金属为Ti、Cr、Mn、Zn、Y、Zr、Al、Ga中的一种或两种以上；
所述组分II为SAPO-34、SAPO-18、AIPO、SSZ-13。


2.如权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述组分I的空心球金属氧化物的空心球直径为100nm-1μm，壁厚为2-50nm，所述空心球氧化物的比表面积为20-100m2g-1，孔体积为0.2-1.0cm3g-1。


3.如权利要求1所述的催化剂，其特征在于，组分II中酸性分子筛还包括介孔和/或大孔结构，所述介孔孔容占分子筛总孔容的5-20％，所述大孔孔容占分子筛总孔容的5-20％。


4.如权利要求1所述的催化剂，其特征在于，组分II中酸性分子筛为经过离子交换的酸性分子筛，所述离子交换的元素为Na、K、Mg、Ti、Cr、Mn、Zn、Ga、Y、Zr、La、Ce中的一种或两种，所述离子交换的元素在组分II中所占质量比为0.5-5％。


5.如权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述组分I与组分II的物理组合方式为，将组分I和组分II分别压片造粒后进行颗粒混合，所述颗粒的粒径大小为0.1-1.0mm。


6...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘秀莲，刘瑞芳，李根，李健，包信和，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21