СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КАТАЛИЗАТОРА ДЛЯ ДЕГИДРИРОВАНИЯ ПАРАФИНОВЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ
METHOD OF PREPARING CATALYST FOR DEHYDRATION OF PARAFFINIC HYDROCARBONS

Изобретение относится к области нефтепереработки и каталитической химии, в частности к способу синтеза катализатора для дегидрирования легких парафиновых углеводородов, предпочтительно изобутана и изопентана, для процессов получения изобутилена и изоамиленов - мономеров синтетических каучуков.
Известен пропиточный метод синтеза катализатора дегидрирования парафинов, который заключается в пропитке алюмооксидного носителя с заданными свойствами раствором активных компонентов и промотора и последующей термообработкой (сушкой и прокалкой катализатора). Стадию сушки проводят традиционным способом в лабораторных условиях - на песчаной бане или в сушильном шкафу, в промышленности - в аппарате с мешалкой, снабженном паровой рубашкой [Каримов О.Х. Исследование процесса сушки алюмохромового катализатора в электромагнитном поле СВЧ-диапазона / Каримов О.Х., Даминев P.P., Касьянова Л.З., Каримов Э.Х., Вахитова P.P. // Нефтегазовое дело: электронный научный журнал. - №4, 2013. - 291-301 http://www.ogbus.ru/authors/KarimovOKh/KarimovOKh_l.pdf].
Недостатком сушки конвективным методом являются высокие энергетические затраты, связанные с подведением тепла в зону реакции, а также длительность стадии сушки.
Известен способ получения оксидных катализаторов, заключающийся в смешении двух или более солей-предшественников компонентов катализатора, плавлении полученной смеси до однородного расплава, охлаждении расплава до комнатной температуры, разложения расплава солей на оксиды под действием микроволнового излучения и последующей прокалкой [Патент РФ №2301705 C1, B01J 37/34, B01J 35/12, B01J 23/10, B01J 23/70, опубл. 27.06.2007].
Известен плазмохимический способ получения алюмохромового катализатора для дегидрирования углеводородов. Данный способ включает термическую обработку исходных реагентов, взятых в виде порошков алюминия и карбонила хрома в потоке воздушной микроволновой низкотемпературной плазмы, при этом реагенты подают в поток воздушной плазмы и реактор раздельно в виде аэрозоля с газом-носителем аргоном [Патент РФ №2347613 C1, B01J 37/34, B01J 21/04, B01J 23/26, B82B 3/00, опубл. 27.02.2009]. Либо для получения алюмохромового катализатора в потоке микроволновой плазмы сплавляются оксиды алюминия и хрома [Патент РФ №231.8597 от 10.03.2008].
Недостатком данных способов является техническая сложность проведения процесса, включающего, в том числе, дополнительные стадии окислительной обработки реагентами сплавленного катализатора, упаривание избытка реагента, сушки и прокаливания катализатора.
Известен способ приготовления катализатора для дегидрирования парафиновых углеводородов методом пропитки [Патент РФ 2432203 C1, B01J 23/26, B01J 21/04, B01J 23/02, B01J 23/745, B01J 21/10, C07C 5/333, опубл. 27.10.2011]. Процесс получения катализатора включает пропитку продукта термохимической активации гидраргиллита растворами соединений хрома, щелочного металла, железа, кальция, магния, сушку и прокаливание при температуре 650-800°C. Преимущественно пропитку осуществляют одновременно всеми компонентами катализатора по влагоемкости при температуре 20-50°C.
Недостатком указанного способа является длительность стадий пропитки и сушки, проводимой при 120°C, которая составляет до 4 часов, что обуславливает высокие энергетические затраты.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу приготовления катализатора является способ, основанный при применении электромагнитного излучения СВЧ-диапазона на стадии сушки алюмохромового катализатора [Каримов О.Х., Даминев P.P., Касьянова Л.З., Каримов Э.Х. Применение СВЧ-излучения при приготовлении металлоксидных катализаторов // Фундаментальные исследования. - 2013. - №4. - С.801-805]. Катализатор, пропитанный раствором активных компонентов, сушат под действием электромагнитного излучения с целью интенсификации процесса сушки.
Недостатком данного способа является длительность стадии пропитки катализатора, обусловленная диффузионными процессами на поверхности катализатора. Продолжительность пропитки, обеспечивающей равномерное распределение соединений хрома и калия, может достигать 1 часа.
Задачей, решаемой в изобретении, является разработка способа получения катализатора для дегидрирования парафиновых углеводородов, который улучшает физико-химические и каталитические свойства катализатора и повышает производительность его приготовления пропиточным методом посредством интенсификации стадии пропитки носителя раствором активных компонентов.
Для решения поставленной задачи в способе приготовления катализатора для дегидрирования парафиновых углеводородов путем пропитки продукта термохимической активации гидраргиллита растворами соединений хрома и щелочного металла, последующей сушкой электромагнитным излучением и прокаливанием катализатора, согласно изобретению стадию пропитки осуществляют под действием электромагнитного излучения при рабочей частоте 2,45 ГГц и мощности 180-900 Вт в течение 3-30 мин.
3
Продукт термохимической активации гидраргиллита, являющийся носителем для катализатора и предшественником оксида алюминия, получают дегидратацией в условиях импульсного нагрева гидраргиллита Al(OH). Продукт обладает высокой реакционной способностью и легко гидратируется в присутствии водной или парофазной среды с образованием гидроксида алюминия структуры AlOOH. Такое соединение обладает повышенной реакционной способностью, в результате которой становится возможной пропитка носителя на основе продукта термохимической активации гидраргиллита соединениями активных компонентов катализатора. В результате пропитки соединения хрома и щелочного металла не только равномерно распределены в оксиде алюминия, но и связаны химически с соединением алюминия. Применение СВЧ-воздействия на гетерогенные катализаторы в процессе их приготовления позволяет в ряде случаев получить катализаторы с более равномерным распределением частиц. Так, обработка электромагнитным полем высушенного катализатора синтеза окиси этилена позволяет получить высокодисперсное распределение ионов серебра на поверхности катализатора [Патент US 8017546 от 13.09.2011].
В процессе пропитки носителя в электромагнитном поле носитель нагревается до 110°C, что ускоряет диффузию активных компонентов на поверхности катализатора. Сушка катализатора проводится в результате воздействия электромагнитного поля СВЧ-диапазона. Предпочтительно использование СВЧ-излучения с частотой 2,45 ГГц. Мощность излучения составляет 10-2000 Вт, предпочтительно 180-900 Вт, продолжительность излучения составляет до 30 минут до полного удаления водного растворителя из катализатора.
В результате приготовления катализатора в электромагнитном поле СВЧ-диапазона максимальное время операций пропитки и сушки катализатора сокращается с 4 часов до 1 часа. Установлено также, что алюмохромовый катализатор, приготовленный данным способом, имеет высокие каталитические показатели (активность и селективность), механическую прочность и термическую стабильность.
3
-1
Полученный катализатор испытывают в лабораторном реакторе на 50 см в процессах дегидрирования изопентана при температуре 550°C, при объемной скорости подачи изопентана - 1 час(по жидкости). Каталитический цикл состоит из реакционной фазы, при которой углеводороды подаются в течение 30 минут; фазы продувки азотом в течение 10 минут для освобождения катализатора от адсорбционных продуктов реакции дегидрирования; фазы регенерации, когда в регенератор подается газ регенерации воздух в течение 30 минут, при температуре 650°C.
При анализе катализаторов используют следующие методы исследования.
Термическую стабильность катализатора проверяют использованием экспресс-методики путем прокаливания при температуре 800°C в течение 4 часов. Прочность на истирание определяют по массовой доле потерь при истирании частиц катализатора. Метод основан на разрушении частиц катализатора в кипящем слое и измерении массы частиц, унесенных потоком воздуха, скорость которого стабилизована.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1 (по прототипу).
2
3
Для приготовления катализатора соединение алюминия (продукт термохимической активации гидраргиллита) в виде микросферического порошка пропитывают при постоянном перемешивании раствором, содержащим хромовый ангидрид и калийную щелочь. Все компоненты берут в таких количествах, чтобы обеспечить после прокаливания состав катализатора, мас.% (в пересчете на оксиды): оксид хрома (в пересчете на CrO) 13,0; оксид щелочного металла 2; оксид алюминия - остальное. Пропитку осуществляют при комнатной температуре в течение 1 часа, затем проводят сушку в электромагнитном поле частотой 2,45 ГГц, мощность облучения 900 Вт 3 минуты. Высушенный катализатор прокаливают при температуре 660°C в течение 6 часов. Физико-химические и каталитические свойства катализатора представлены в таблице 1. Сравнительные результаты термической стабильности катализаторов представлены в таблице 2.
Пример 2.
Катализатор готовят аналогично примеру 1, с тем отличием, что пропитку раствором активных компонентов ведут под действием электромагнитного поля частотой 2,45 ГГц, мощность излучения 180 Вт в течение 5 минут. Физико-химические и каталитические свойства катализатора представлены в таблице 1. Сравнительные результаты термической стабильности катализаторов представлены в таблице 2.
Пример 3.
Катализатор готовят аналогично примеру 1, с тем отличием, что пропитку раствором активных компонентов ведут под действием электромагнитного поля частотой 2,45 ГГц, мощность излучения 180 Вт в течение 10 минут. Высушенный катализатор прокаливают при температуре 700°C в течение 6 часов. Физико-химические и каталитические свойства катализатора представлены в таблице 1. Сравнительные результаты термической стабильности катализаторов представлены в таблице 2.
Пример 4.
Катализатор готовят аналогично примеру 3, с тем отличием, что пропитку раствором активных компонентов ведут под действием электромагнитного поля 22 минуты. Физико-химические и каталитические свойства катализатора представлены в таблице 1. Сравнительные результаты термической стабильности катализаторов представлены в таблице 2.
Таблица 1
Физико-химические и каталитические свойства катализатора
Наименование показателей
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Пример 4
Прочность на истирание, %
90,1
92,0
92,1
91,2
Содержание в катализаторе Cr<sup>+6</sup>, масс.%
4,7
5,2
4,8
4,3
Активность* катализатора в процессе
44,6
48,1
43,0
40,1
дегидрирования изопентана, %
Селективность* катализатора в процессе дегидрирования изопентана, %
82,1
87,1
80,6
82,5
* Каталитические показатели по выходу непредельных углеводородов C<sub>5</sub>.
Таблица 2
Результаты экспресс-методики по определению термостабильности катализаторов
Образец катализатора
Содержание Cr<sup>6+</sup>, масс.%
Потери Cr<sup>6+</sup> после прокалки, %
Исходное
После прокалки 800°С 4 час
Пример 1
4,8
3,0
25,9
Пример 2
5,2
4,3
24,8
Пример 3
4,8
3,7
23,0
Пример 4
4,3
3,4
25,2