КАТАЛИЗАТОР ЦИКЛИЗАЦИИ НОРМАЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
NORMAL HYDROCARBON CYCLISATION CATALYST AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF (VERSIONS)

Группа изобретений относится к нефтепереработке и нефтехимии и может быть использовано в производстве катализаторов циклизации нормальных алканов как из нефтяного сырья, так и из синтетических углеводородов. Процесс циклизации является одним из наиболее важных при переработке синтетических углеводородов вследствие очень малого содержания ароматических соединений в составе продуктов синтеза Фишера-Тропша.
В последние десятилетия ведется разработка принципиально новых катализаторов ароматизации нормальных парафиновых углеводородов, содержащих платину и цеолит L. Цеолит L относится к группе высококремнеземных цеолитов и отличается отсутствием кислотных центров. Основность носителя, содержащего цеолит L в калийной форме (цеолит KL), является необходимым свойством для селективного протекания реакции ароматизации нормальных парафиновых углеводородов. В каналах цеолита KL в результате протекания реакции изомеризации поддерживается равновесие в смеси разветвленных, циклических и нормальные алканов.
Это принципиально новый подход к созданию катализатора ароматизации нормальных парафиновых углеводородов, так как классический алюмоплатиновый катализатор риформинга является бифункциональным и характеризуется наличием металлических и кислотных центров.
Важным критерием катализатора ароматизации является размер частиц Pt, в значительной степени определяющий протекание побочных реакций (главным образом, гидрогенолиз алканов)( Р. Meriaudeau, С. Naccache. Catal. Rev. - Sci. Eng. 39, 1997, p.5-48). Малый размер частиц платины (менее 1-2 нм) в сочетании с одномерными каналами цеолита KL лимитирует степень гидрогенолиза алканов, повышая эффективность каталитической системы.
Известен катализатор для осуществления циклизации нормальных парафиновых углеводородов. Катализатор получают введением платины в состав цеолита, содержащего алюминий, кремний и германий. Катализатор активируют последовательной обработкой водородом, соединением серы и повторно водородом, US 7247593 B2, 24.07.2007.
К недостаткам катализатора следует отнести сложную процедуру его активации с использованием серусодержащих соединений, что обуславливает ее неприменимость для переработки синтетических углеводородов, а также невысокую активность в процессе ароматизации алканов.
Известен платиновый катализатор для получения ароматических углеводородов, содержащий в качестве носителя цеолит или оксид алюминия и модификатор, например германий, олово, свинец, рений, галлий, индий или титан. Для приготовления системы используют метод пропитки органометаллическими соединениями. В зависимости от состава системы применяется как однократная, так и многостадийная пропитка оксидного компонента. В случае многостадийной пропитки применяют промежуточное прокаливание. В качестве альтернативного варианта приготовления катализатора указано введение модификаторов в состав носителя на стадии геля перед процедурой формования(US 6153090 A1, 28.11.2000).
Недостатком предлагаемого способа приготовления катализатора является сложность его приготовления и высокая крекирующая активность.
Известен катализатор ароматизации газолиновой фракции, содержащий платину, олово и цеолит L. Носитель катализатора представляет собой сформованный со связующим цеолит типа L (предпочтительно в форме KL). В качестве модификатора используют олово, которое вводят в состав катализатора пропиткой раствором соответствующего галогенида (хлорида или фторида). Перед стадией активации катализатор подвергают окислительной термообработке. Осуществляемый в присутствии данного катализатора процесс ароматизации газолиновой фракции позволяет получать ароматические углеводороды с высоким выходом и селективностью.
К недостаткам данного катализатора следует отнести сложную стадию активации, невысокую степень превращения сырья в ароматические продукты, а также требуемое для эффективного проведения процесса низкое рабочее давление (100-300 кПа). В условиях проведения промышленного процесса циклизации при низких давления (ниже 1 МПа) значительно повышается риск дезактивации системы вследствие коксообразования (US 6117601, 2001).
6
7
Наиболее близким к предлагаемой группе изобретений является катализатор ароматизации углеводородной смеси, обогащенной нормальными алканами C-C, и способ его получения. Катализатор содержит платину и цеолитсодержащий носитель на основе промышленного цеолита L (Tosoh, Ltd, Japan). Носитель готовят смешением порошков цеолита L и связующего с последующей экструзией. Полученные экструдаты высушивают и прокаливают, обрабатывают раствором соответствующего галогенида (хлорида и/или фторида), сушат и прокаливают. Перед введением активного компонента носитель подвергают многократной промывке дистиллированной водой. Платину вводят из раствора тетрааммонийхлорида платины с последующим высушиванием. Способ предусматривает введение промотора при приготовлении носителя с промежуточным прокаливанием перед введением платины ( US 6190539 B1, 20.02.2001.
5+
Недостатком известного катализатора и способа его приготовления является низкая каталитическая активность, а содержание ароматических углеводородов в продукте C составляет 46,5-48,5 мас.%.
Технической задачей предложенной группы изобретений является разработка катализатора циклизации нормальных парафиновых углеводородов с повышенной активностью и селективностью в отношении образования ароматических углеводородов и способа его получения (варианты).
Технический результат от реализации предложенной группы изобретений заключается в повышении каталитической активности катализатора, что приводит к снижению степени протекания гидрогенолиза, увеличивая выход и селективность по целевому продукту.
Технический результат по катализатору достигается тем, что носитель в качестве связующего содержит бемит с размером частиц не более 45 мк, высококремнеземный цеолит KL с размером частиц не более 0,2 мм, платину с размером частиц 0,6-1,2 нм, при этом соотношение ингредиентов находится в следующих пределах, мас.%:
Платина
0,3-0,8
Бемит
19,9-59,5
Цеолит KL
79,8-39,7
Технический результат по катализатору (вариант) достигается тем, что носитель в качестве связующего содержит бемит с размером частиц не более 45 мк, высококремнеземный цеолит KL с размером частиц не более 0,2 мм, платину с размером частиц 0,6-1,2 нм, а промотор выбран из металлов: Sn, In, Ir, Re, Ba, при этом соотношение ингредиентов находится в следующих пределах, мас.%:
Платина
0,3-0,8
Бемит
19,92-58,6
Цеолит KL
79,73-39,1
Промотор
0,05-1,5
Технический результат по способу достигается тем, что в качестве связующего используют бемит с размером частиц не более 45 мк, приготовление носителя осуществляют смешиванием порошка высококремнеземного цеолита KL с размером частиц не более 0,2 мм и мелкодисперсного порошка бемита, смесь увлажняют и пептизируют 5-15%-ным раствором азотной кислоты, перемешивая до получения однородной массы, которую гранулируют экструзией, гранулы просушивают и прокаливают, а платину с размером частиц 0,6-1,2 нм наносят из водного раствора тетрааммиаката платины с концентрацией платины 1,5-5,0 мг/мл.
Технический результат по способу (вариант) достигается тем, что в качестве связующего используют бемит с размером частиц не более 45 мк, приготовление носителя осуществляют смешиванием порошка высококремнеземного цеолита KL с размером частиц не более 0,2 мм и мелкодисперсного порошка бемита, смесь увлажняют и пептизируют 5-15%-ным раствором азотной кислоты, перемешивая до получения однородной массы, вносят промотор, выбранный из: Sn, In, Ir, Re, Ba, в количестве 0,05-1,5 мас.% из водного раствора соли соответствующего металла, полученную массу гранулируют экструзией, гранулы просушивают и прокаливают, а платину с размером частиц 0,6-1,2 нм наносят из водного раствора тетрааммиаката платины с концентрацией платины 1,5-5,0 мг/мл.
Перед проведением процесса циклизации нормальных парафиновых углеводородов катализаторы восстанавливали водородсодержащим газом при температуре 450°C.
-1
Эффективность работы катализатора оценивалась в процессе циклизации нормальных парафиновых углеводородов путем пропускания водородсодержащего газа и сырья с мольным соотношением водорода к сырью от 1:1 до 10:1 через неподвижный слой катализатора, загруженного в трубчатый реактор, с объемной скоростью 0,5-4 ч в диапазоне температур 340-550°C под давлением 0,1-4 МПа по выходу и содержанию в продуктах ароматических углеводородов.
Конкретная реализация способа раскрыта в следующих примерах.
Пример 1
Пример иллюстрирует получение платинового катализатора на основе гранулированного цеолитсодержащего носителя, в котором используют коммерческий высококремнеземный цеолит KL (Zeolyst) с размером частиц не более 0,2 мм, в качестве связующего - бемит с размером частиц не более 45 мк, платину с размером частиц 0,6 нм.
Образец катализатора состава, мас.%: Pt - 0,3, высококремнеземный цеолит KL - 79,8, бемит - 19,9, готовят следующим способом.
3
3
Для получения гранулированного носителя 8,0 г порошкообразного высококремнеземного цеолита KL и 2,0 г бемита марки Pural SB (SASOL) помещают в фарфоровую чашу, тщательно перемешивают. Добавляют 5%-ный раствор HNO, содержащий 0,0645 мл HNO (65%) и 6,2 мл дистиллированной воды. Смесь тщательно перемешивают до получения однородной массы и экструдируют на поршневом экструдере через фильеру диаметром 1,5 мм. Экструдаты выдерживают на воздухе в течение 6 ч и измельчают до фракции 1,5×4-5 мм. Затем экструдаты помещают в муфельную печь. Режим высушивания ступенчатый: 60°C - 2 ч, 80°C - 2 ч, 110°C - 2 ч. Далее температуру повышают со скоростью 2°C/мин до температуры 550°C. При температуре 550°C выдерживают 4 ч.
3
4
2
3
4
2
4
2
6
Платину вводят катионным обменом из водного раствора [(NH)Pt]Cl. Комплексное соединение - тетрааммиакат платины [Pt(NH)]Cl - получают при взаимодействии гексахлорплатината аммония (NH)PtCl с концентрированным раствором аммиака (25%).
20 мл приготовленного раствора с концентрацией платины 1,5 мг/мл добавляют к 10 г полученного прокаленного носителя. Смесь перемешивают в фарфоровой чашке в течение 10 мин при комнатной температуре и оставляют на воздухе в течение 10 ч, затем избыточный раствор отделяют декантацией. Затем катализатор сушат в электрическом шкафу. Режим высушивания следующий: 60°C - 2 ч, 80°C - 2 ч, 110°C - 2 ч.
-1
-1
Перед проведением процесса образец катализатора активируют в токе водорода (v=3000 ч) при температуре 450°C в течение 3 ч. Циклизацию проводят в трубчатом реакторе со стационарным слоем катализатора при давлении 0,1 МПа, мольном соотношении водорода к сырью 3:1 и объемной скорости 2 час в диапазоне температур 340-550°C.
Пример 2
Пример иллюстрирует получение платинового катализатора на основе гранулированного цеолитсодержащего носителя, в котором используют коммерческий высококремнеземный цеолит KL (Zeolyst) с размером частиц не более 0,2 мм, в качестве связующего - бемит с размером частиц не более 45 мк, платину с размером частиц 0,8 нм.
Образец катализатора состава, мас.%: Pt - 0,5, цеолит KL - 59,7, бемит - 39,8, готовят следующим способом.
3
3
Для получения гранулированного носителя 6,0 г порошкообразного высококремнеземного цеолита KL и 4,0 г бемита марки Pural SB (SASOL) помещают в фарфоровую чашу, тщательно перемешивают. Добавляют 10%-ный раствор HNO, содержащий 0,129 мл HNO (65%) и 6,15 мл дистиллированной воды. Смесь тщательно перемешивают до получения однородной массы и экструдируют на поршневом экструдере через фильеру диаметром 1,5 мм. Экструдаты выдерживают на воздухе в течение 6-8 часов и измельчают до фракции 1,5×4-5 мм. Затем экструдаты помещают в муфельную печь. Режим высушивания ступенчатый: 60°C - 2 ч, 80°C - 2 ч, 110°C - 2 ч.
Далее температуру повышают со скоростью 2°C/мин до 550°C. При температуре 550°C выдерживают 4 ч.
Платину вводят согласно примеру 1. 20 мл приготовленного раствора с концентрацией платины 2,5 мг/мл добавляют к 10 г полученного носителя. Смесь перемешивают в фарфоровой чашке в течение 5 мин при комнатной температуре и оставляют на воздухе в течение 10 ч, затем избыточный раствор отделяют декантацией. После этого катализатор сушат в электрическом шкафу. Режим высушивания следующий: 60°C - 2 ч, 80°C - 2 ч, 110°C - 2 ч.
-1
-1
Перед проведением процесса образец катализатора активируют в токе водорода (v=3000 ч) при температуре 450°C в течение 3 ч. Циклизацию проводят в трубчатом реакторе со стационарным слоем катализатора при давлении 1 МПа, мольным соотношении водорода к сырью 1:1 и объемной скорости 0,5 ч в диапазоне температур 340-550°C.
Пример 3
Пример иллюстрирует получение платинового катализатора на основе гранулированного цеолитсодержащего носителя, в котором используют коммерческий высококремнеземный цеолит KL (Zeolyst) с размером частиц не более 0,2 мм, в качестве связующего - бемит с размером частиц не более 45 мк, платину с размером частиц 1,2 нм.
Образец катализатора состава, мас.%: Pt - 0,8, цеолит KL - 39,7, бемит - 59,5, готовят следующим способом.
3
3
Для получения гранулированного носителя 4,0 г порошкообразного коммерческого высококремнеземного цеолита KL и 6,0 г бемита марки Pural SB (SASOL) помещают в фарфоровую чашу, тщательно перемешивают. Добавляют 15%-ный раствор HNO, содержащий 0,1935 мл HNO (65%) и 6,1 мл дистиллированной воды. Смесь тщательно перемешивают до получения однородной массы и экструдируют на поршневом экструдере через фильеру диаметром 1,5 мм. Экструдаты выдерживают на воздухе в течение 7 ч и измельчают до фракции 1,5×4-5 мм. Затем экструдаты помещают в муфельную печь. Режим высушивания ступенчатый: 60°C - 2 ч, 80°C - 2 ч, 110°C - 2 ч. Далее температуру повышают со скоростью 2°C/мин до температуры 550°C. При температуре 550°C выдерживают в течение 4 ч.
Платину вводят согласно примеру 1. 16 мл приготовленного раствора с концентрацией платины 5,0 мг/мл добавляют к 10 г полученного носителя. Смесь перемешивают в фарфоровой чашке в течение 10 мин при комнатной температуре и оставляют на воздухе в течение 10 ч, затем избыточный раствор отделяют декантацией.
После этого катализатор сушат в электрическом шкафу. Режим высушивания следующий: 60°C - 2 ч, 80°C - 2 ч, 110°C - 2 ч.
-1
-1
Перед проведением процесса образец катализатора активируют в токе водорода (v=3000 ч) при температуре 450°C в течение 3 ч. Циклизацию проводят в трубчатом реакторе со стационарным слоем катализатора при давлении 2 МПа, мольным соотношении водорода к сырью 6:1 и объемной скорости 2 ч в диапазоне температур 340-550°C.
Пример 4
Пример иллюстрирует получение промотированного рением платинового катализатора на основе гранулированного цеолитсодержащего носителя, в котором используют коммерческий высококремнеземный цеолит KL (Zeolyst) с размером частиц не более 0,2 мм, в качестве связующего - бемит с размером частиц не более 45 мк, платину с размером частиц 0,6 нм.
Образец катализатора состава, мас.%: Pt - 0,3, Re - 0,05, цеолит KL - 79,73, бемит - 19,92, готовят следующим способом.
3
3
4
Для получения гранулированного носителя 8,0 г порошкообразного коммерческого высококремнеземного цеолита KL и 2,0 г бемита марки Pural SB (SASOL) помещают в фарфоровую чашу, тщательно перемешивают. Добавляют 10%-ный раствор HNO, содержащий 0,0645 мл HNO (65%) и 6,2 мл дистиллированной воды. Смесь тщательно перемешивают до получения однородной массы и экструдируют на поршневом экструдере через фильеру диаметром 1,5 мм. Экструдаты выдерживают на воздухе в течение 6 ч и измельчают до фракции 1,5×4-5 мм. Затем экструдаты помещают в муфельную печь. Режим высушивания ступенчатый: 60°C - 2 ч, 80°C - 2 ч, 110°C - 2 ч. Далее температуру повышают со скоростью 2°C/мин до температуры 550°C. При температуре 550°C выдерживают в течение 4 ч. Рений наносят из водного раствора HReO в одну пропитку (содержание рения в растворе составляет 0,25 мг/мл). 20 мл раствора (в пересчете на рений составляет 0,05 мас. %) добавляют к 10 г полученного носителя. Смесь перемешивают в фарфоровой чашке в течение 8 мин при комнатной температуре и оставляют на воздухе в течение 12 ч, затем избыточный раствор отделяют декантацией. После этого катализатор сушат в муфельной печи. Режим высушивания ступенчатый: 60°C - 2 ч, 80°C - 2 ч, 110°C - 2 ч. Далее температуру повышают со скоростью 2°C/мин до температуры 450°C. При температуре 450°C выдерживают в течение 4 ч.
Платину вводят согласно примеру 1. К промотированному рением образцу добавляют 20 мл приготовленного раствора с концентрацией платины 1,5 мг/мл. Смесь перемешивают в фарфоровой чашке в течение 5 мин при комнатной температуре и оставляют на воздухе в течение 10 ч, затем избыточный раствор отделяют декантацией. После этого катализатор сушат в электрическом шкафу. Режим высушивания следующий: 60°C - 2 ч, 80°C - 2 ч, 110°C - 2 ч.
-1
-1
Перед проведением процесса образец катализатора активируют в токе водорода (v=3000 ч) при температуре 450°C в течение 3 ч. Циклизацию проводят в трубчатом реакторе со стационарным слоем катализатора при давлении 2 МПа, мольным соотношении водорода к сырью 8:1 и объемной скорости 1,5 ч в диапазоне температур 340-550°C.
Пример 5
Пример иллюстрирует получение платинового катализатора на основе гранулированного цеолитсодержащего носителя, промотированного оловом, в котором в качестве цеолита используют коммерческий высококремнеземный цеолит KL (Zeolyst) с размером частиц не более 0,2 мм, в качестве связующего - бемит с размером частиц не более 45 мк, платину с размером частиц 0,6 нм.
Образец катализатора состава, мас.%: Pt - 0,3, Sn - 0,1, цеолит KL - 79,7, бемит - 19,9, готовят следующим способом.
3
3
4
2
Для получения гранулированного носителя 8,0 г порошкообразного коммерческого высококремнеземного цеолита KL и 2,0 г бемита марки Pural SB (SASOL) помещают в фарфоровую чашу, тщательно перемешивают. Добавляют 10%-ный раствор HNO, содержащий 0,0645 мл HNO (65%) и 6,2 мл дистиллированной воды. Смесь тщательно перемешивают до получения однородной массы. Добавляют 2 мл водного раствора, содержащего 0,03 г SnCl·5HO (в пересчете на олово составляет 0,1 масс %), тщательно перемешивают до получения однородной массы и экструдируют на поршневом экструдере через фильеру диаметром 1,5 мм. Экструдаты выдерживают на воздухе в течение 6 ч и измельчают до фракции 1,5×4-5 мм. Затем экструдаты помещают в муфельную печь. Режим высушивания ступенчатый: 60°C - 2 ч, 80°C - 2 ч, 110°C - 2 ч. Далее температуру повышают со скоростью 2°C/мин до температуры 550°C. При температуре 550°С выдерживают в течение 4 ч.
Платину вводят согласно примеру 1. 20 мл приготовленного раствора с концентрацией платины 1,5 мг/мл добавляют к 10 г промотированного оловом носителя. Смесь перемешивают в фарфоровой чашке в течение 8 мин при комнатной температуре и оставляют на воздухе в течение 11 ч, затем избыточный раствор отделяют декантацией. После этого катализатор сушат в электрическом шкафу. Режим высушивания следующий: 60°C - 2 ч, 80°C - 2 ч, 110°C - 2 ч.
-1
-1
Перед проведением процесса образец катализатора активируют в токе водорода (v=3000 ч) при 450°C в течение 3 ч. Циклизацию проводят в трубчатом реакторе со стационарным слоем катализатора при давлении 3 МПа, мольным соотношении водорода к сырью 10:1 и объемной скорости 0,5 ч в диапазоне температур 340-550°C.
Пример 6
Пример иллюстрирует получение платинового катализатора на основе гранулированного цеолитсодержащего носителя, промотированного барием, в котором используют коммерческий высококремнеземный цеолит KL(Zeolyst) с размером частиц не более 0,2 мм, в качестве связующего - бемит с размером частиц не более 45 мк, платину с размером частиц 1,0 нм.
Образец катализатора состава, мас.%: Pt - 0,8, Ва - 1,5, цеолит KL - 39,1, бемит - 58,6, готовят следующим способом.
3
3
2
Для получения гранулированного носителя 4,0 г порошкообразного коммерческого высококремнеземного цеолита KL и 6,0 г бемита марки Pural SB (SASOL) помещают в фарфоровую чашу, тщательно перемешивают. Добавляют 15%-ный раствор HNO, содержащий 0,1935 мл HNO (65%) и 6,1 мл дистиллированной воды. Смесь тщательно перемешивают до получения однородной массы. Добавляют 2 мл водного раствора, содержащего 0,187 г Ba(OH) (в пересчете на барий составляет 1,5 мас. %), тщательно перемешивают до получения однородной массы и экструдируют на поршневом экструдере через фильеру диаметром 1,5 мм. Экструдаты выдерживают на воздухе в течение 6 ч и измельчают до фракции 1,5×4-5 мм. Затем экструдаты помещают в муфельную печь. Режим высушивания ступенчатый: 60°C - 2 ч, 80°C - 2 ч, 110°C - 2 ч. Далее температуру повышают со скоростью 2°C/мин до температуры 550°C. При температуре 550°C выдерживают в течение 4 ч.
Платину вводят согласно примеру 1. 16 мл приготовленного раствора с концентрацией платины 5,0 мг/мл добавляют к 10 г полученного промотированного барием носителя. Смесь перемешивают в фарфоровой чашке в течение 5 мин при комнатной температуре и оставляют на воздухе в течение 12 ч, затем избыточный раствор отделяют декантацией. После этого катализатор сушат в электрическом шкафу. Режим высушивания следующий: 60°C - 2 ч, 80°C - 2 ч, 110°C - 2 ч.
-1
-1
Эффективность работы катализатора оценивалась по выходу и содержанию в продуктах ароматических углеводородов, получаемых в процессе циклизации нормальных парафиновых углеводородов путем пропускания водородсодержащего газа и модельного сырья - н-алкана - с мольным соотношением водорода к сырью от 1:1 до 10:1 через неподвижный слой катализатора, загруженного в трубчатый реактор. Перед проведением процесса образец катализатора активируют в токе водорода (v=3000 ч) при температуре 450°C в течение 3 ч. Испытания проводились при объемной скорости 0,5-4 ч в диапазоне температур 340-550°C под давлением 0,1-4,0 МПа. В качестве модельного сырья использовали н-гексан или н-октан.
Показатели процесса циклизации н-октана и н-гексана, проведенного с использованием образцов катализаторов, соответствующих изобретению, представлены в таблице.
Пример
Сырье
Содержание ароматических углеводородов в продукте C<sub>5+</sub>, мас.%
Выход ароматических углеводородов в продукте C<sub>5+</sub>, мас.%
1
н-гексан
68,1
38,6
н-октан
62,7
33,5
2
н-октан
72,2
34,3
3
н-октан
64,0
33,0
4
н-октан
66,5
42,2
5
н-октан
73,2
39,0
6
н-октан
74,1
39,7