Катализатор селективного гидрирования диеновых и ацетиленовых углеводородов и способ его получения

Изобретение относится к биметаллическому палладийсодержащему катализатору селективного гидрирования диеновых и ацетиленовых углеводородов, при этом катализатор содержит, % мас.: палладия - 0,001-2,0, и железа, марганца или олова от 0,001 до 10%, причем все металлы находятся в нульвалентном и частично в низковалентном (20-40% ионов М²⁺) состоянии, остальное - оксид алюминия. Также изобретение относится к способу получения указанного палладийсодержащего катализатора и к способу его применения. Технический результат заключается в расширении ассортимента палладийсодержащих катализаторов и упрощении способа получения селективного палладийсодержащего катализатора гидрирования диеновых и ацетиленовых углеводородов и их примесей в олефиновых фракциях. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 6 пр.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу получения палладийсодержащего катализатора очистки олефиновых фракций от ацетиленовых и диеновых углеводородов путем селективного гидрирования.

Уровень техники

Известен нанесенный катализатор, содержащий палладий и золото, на котором осуществляют селективное гидрирование ацетилена при очистке этилена (US 6509292). Катализатор приготовлен методом пропитки оксида алюминия солями золота и палладия, взятых в соотношении от 6:1 до 50:1, причем катализатор используется без восстановления водородом или другими восстановителями.

Недостатком известного способа является низкая селективность - не более 52,2% согласно примерам, указанным в патенте.

Описан катализатор Pd-Zn/А1₂О_з для селективного гидрирования ацетилена в смеси с этиленом, приготовленный из биметаллического комплекса Pd-Zn(ацетат)₄(ОН₂). Этот катализатор обладает более высокой селективностью, чем катализаторы, приготовленные совместным нанесением ацетатных комплексов Рd и Zn. Однако при конверсии ацетилена >90% селективность катализаторов Pd-Zn/А1₂О_з по этилену составляет лишь 40-50% (Машковский И.С. и др.//Кинетика и катализ. 2009. Т. 50. С. 798-805).

Известен катализатор селективного гидрирования ненасыщенных углеводородов (US 2002/0068843). Катализатор приготовлен методом пропитки носителя солями палладия в качестве активного компонента, редкоземельного металла, а также вспомогательного металла, например, висмута или серебра.

Недостатками данного способа являются низкая селективность (до 92%), а также большой набор компонентов катализатора, затрудняющий утилизацию отработанного катализатора.

Наиболее близким к изобретению является способ селективного гидрирования диеновых и ацетиленовых углеводородов во фракции олефиновых углеводородов С₄-С₅ (BG 49526).

Недостатком данного способа является использование на стадии приготовления хроморганических соединений, которые обладают пирофорными свойствами и требуют использования защитной атмосферы, практически не содержащей кислорода. Кроме того, соединения хрома опасны для здоровья персонала.

Целью изобретения является упрощение способа получения палладийсодержащего катализатора гидрирования диеновых и ацетиленовых углеводородов.

Краткое изложение изобретения

Согласно изобретению поставленная задача достигается тем, что предложен новый состав биметаллического палладийсодержащего катализатора селективного гидрирования и способ его получения путем пропитки восстановленного палладия, нанесенного на оксид алюминия (Pd/Al₂O₃), неводным раствором металлоорганического соединения, выбранного из группы, включающей органические соединения железа и/или марганца, например, ферроцен, цимантрен, алкилзамещенные производные указанных соединений, а также оловоорганические соединения, например, тетрабутилолово, тетрафенилолово, с последующей термической обработкой при 150-600°С в атмосфере, не содержащей кислорода, с получением катализатора, содержащего, % масс.: палладия - 0,001-2,0, железа и/или марганца, или олова 0,001-8, остальное - оксид алюминия. В отличие от известного способа с использованием хроморганических соединений, в предложенном способе используются стабильные и непирофорные металлоорганические соединения, выбранные из группы органических соединений железа и/или марганца, или олова, что существенно упрощает способ получения палладийсодержащего катализатора селективного гидрирования.

Технический результат заключается в расширении ассортимента палладийсодержащих катализаторов и упрощении способа получения селективного палладийсодержащего катализатора гидрирования диеновых и ацетиленовых углеводородов и их примесей в олефиновых фракциях.

Подробное описание изобретения

Катализатор согласно изобретению получают следующим образом. Экструдат или сферы γ-оксида алюминия с удельной поверхностью от 50 до 300 м²/г пропитывают раствором соли палладия, выбранной из группы, включающей хлорид палладия, нитрат палладия, ацетат палладия, а также аммиакаты указанных солей, после чего пропитанный Pd/Al₂O₃ сушат и восстанавливают при температуре 30-600°C. При этом палладий восстанавливается до металлического состояния. Затем проводят пропитку нанесенного катализатора с восстановленным палладием раствором металлоорганического соединения, выбранного из группы, включающей ферроцен, цимантрен, алкилзамещенные производные указанных соединений, а также оловоорганические соединения, например, тетрабутилолово, тетрафенилолово, после чего сушат при температуре 50-100°С и подвергают термической обработке при 150-600°С в атмосфере, не содержащей кислорода.

Для всех вышеуказанных солей достаточно выполнения условия восстановления соли элемента при температуре до 600°С, поэтому для приготовления катализатора возможно использовать и другие соли указанных элементов. После окончательного восстановления содержание элементов в катализаторе составляет: палладия - 0,001-2,0% мас., железа, или марганца, или олова от 0,001 до 10,0% мас., остальное – оксид алюминия.

Определение состава катализатора проводили методами РФА, атомно-абсорбционной (ААС) и рентгенфотоэлектронной (РФЭ) спектроскопии. В отличие от катализаторов, получаемых традиционными методами нанесения, катализаторы согласно изобретению содержат кроме нульвалентного палладия железо, марганец или олово, главным образом, в нульвалентном и частично в низковалентном (20-40% ионов М²⁺) состоянии.

Полученные катализаторы испытаны в процессе селективного гидрирования примеси диеновых и ацетиленовых углеводородов в олефиновом сырье при температуре 20-100°C, давлении - 0,1-10 МПа, объемной скорости 1000-75000 ч^-1, соотношении водород/(диены + ацетилены) 1-10. При этом основным продуктом гидрирования диеновых и ацетиленовых углеводородов являются олефины; выход алканов не превышает 5-6%.

Пример 1

Сферы оксида алюминия диаметром 1 мм с удельной поверхностью 142 м²/г пропитывают раствором хлорида палладия в аммиачной воде, после чего сушат и восстанавливают гидразин-гидратом при температуре 30°C. После этого проводят пропитку полученного Pd/Al₂O₃ раствором 0,05% ферроцена в гексане, затем катализатор сушат и восстанавливают при температуре 500°C, получая катализатор состава, % мас.: палладий - 0,001%, железо - 0,001%, остальное - оксид алюминия.

Полученный катализатор используют в процессе селективного гидрирования ацетилена в смеси следующего состава, % мол.: ацетилен - 1,02, водород - 1,5, этилен - 5%, остальное - аргон, при температуре 60°С, давлении 0,1 МПа, объемной скорости 1000 ч^-1. Анализ продуктов проводят методом газовой хроматографии. За счет гидрирования ацетилена концентрация этилена повышается до 5,93%. Селективность по этилену при этом составляет 97,5%. Выход этана не превышает 0,1%.

Пример 2

Экструдат оксида алюминия диаметром 2 мм с удельной поверхностью 10 м²/г пропитывают раствором хлорида палладия в 5%-ной соляной кислоте, после чего сушат и восстанавливают водородом при 30°C. После этого проводят пропитку полученного катализатора Pd/Al₂O₃ раствором 12% циклопентадиентрикарбонилмарганца (цимантрен) в толуоле, после чего сушат и восстанавливают при температуре 250°C, получая катализатор состава, % мас.: палладий - 2,0%, марганец - 8,02%, остальное - оксид алюминия.

Полученный катализатор используют в процессе селективного гидрирования фенилацетилена в смеси следующего состава, % мол.: фенилацетилен - 1,02, остальное - этанол, при температуре 25°С, давлении водорода 10,0 МПа при активном перемешивании. Анализ продуктов проводят методом газовой хроматографии. После полного превращения фенилацетилена концентрация стирола составляет 0,98 мол.%, т.е. селективность равна 96%. Выход этилбензола около 4%.

Пример 3

Сферы оксида алюминия диаметром 1 мм с удельной поверхностью 122 м²/г пропитывают раствором нитрата палладия в аммиачной воде, после чего сушат и восстанавливают водородом при температуре 200°C. После этого проводят пропитку полученного Pd/Al₂O₃ раствором 0,05% этилферроцена в гептане, после чего сушат и восстанавливают при температуре 250°C, получая катализатор состава, % мас.: палладий - 0,05%, железо - 0,1%, остальное - оксид алюминия.

После этого проводят селективное гидрирование ацетилена в смеси следующего состава, % мол.: ацетилен - 3,1, водород - 3,5, этилен -15%, остальное - аргон, при температуре 40°С, давлении 0,1 МПа, объемной скорости 9000 ч^-1. Анализ продуктов проводят методом газовой хроматографии. За счет гидрирования ацетилена концентрация этилена повышается до 17,7%, т.е. селективность по этилену составляет 98,3%. Выход этана не превышает 0,2%.

Пример 4

Микросферы оксида алюминия диаметром 0,4 мм с удельной поверхностью 120 м²/г пропитывают 5% раствором ацетата палладия в эфире, после чего сушат и восстанавливают водородом при 30°C. После этого проводят пропитку полученного Pd/Al₂O₃ раствором 3 мол.% тетрабутилолова в гептане, после чего сушат и восстанавливают при температуре 450°C, получая катализатор состава, % мас.: палладий - 0,7%, олово - 2,04%, остальное - оксид алюминия.

Полученный катализатор (0,25 г) загружают в стальной автоклав (емк. 0,5 л) с мешалкой и используют в процессе гидрирования бутадиена (10,5 мол.%) в растворе гексана. Опыт проводят при 20^оС и давлении 0,55 МПа, ход процесса гидрирования контролируют по расходу Н₂ и по данным анализа реакционной смеси методом газовой хроматографии. Найдено, что при конверсии бутадиена 98% и 99,9% выход суммы бутенов составляет 92,5% и 90,9%, т.е. селективность по бутенам при практически полном превращении бутадиена равна соответственно 94,4 и 91%.

Пример 5

Экструдат оксида алюминия диаметром 2 мм с удельной поверхностью 50 м²/г пропитывают 5% раствором ацетата палладия в эфире, после чего сушат и восстанавливают водородом при 100°C. После этого проводят пропитку полученного Pd/Al₂O₃ раствором 3 мол.% тетрафенилолова в толуоле, после чего сушат и восстанавливают при температуре 450°C, получая катализатор состава, % мас.: палладий- 4,0%, олово - 8,05%, остальное - оксид алюминия.

Полученный катализатор (0,35 г) загружают в стальной автоклав (емк. 0,5 л) с мешалкой и используют в процессе гидрирования бутадиена (15,5 мол. %) в растворе гексана. Опыт проводят при 35°С и давлении 1 МПа, ход процесса гидрирования контролируют по расходу Н₂ и по данным анализа реакционной смеси методом газовой хроматографии. Найдено, что при конверсии бутадиена 98% и 99,9% выход суммы бутенов составляет 90,5% и 87,9%, т.е. селективность по бутенам при практически полном превращении бутадиена равна соответственно 92,3 и 88%.

Пример 6

Микросферы оксида алюминия диаметром 0,4 мм с удельной поверхностью 120 м²/г пропитывают 3% раствором ацетата палладия в эфире, после чего сушат и восстанавливают водородом при 30°C. После этого проводят пропитку полученного Pd/Al₂O₃ раствором 3 мол. % тетрабутилолова в гептане, после чего сушат и восстанавливают при температуре 450°C, получая катализатор состава, % мас.: палладий - 0,34%, олово - 0,54%, остальное - оксид алюминия.

Полученный катализатор (0,21 г) загружают в стальной автоклав (емк. 0,5 л) с мешалкой и используют в процессе гидрирования циклопентадиена (7,5 мол.%) в растворе гексана. Опыт проводят при 30^оС и давлении 0,35 МПа, ход процесса гидрирования контролируют по расходу Н₂ и по данным анализа реакционной смеси методом газовой хроматографии. Найдено, что при конверсии циклопентадиена 97% и 99,5% выход циклопентена составляет 93,5% и 90,1%, т.е. селективность по циклопентену при практически полном превращении циклопентадиена равна соответственно 96,4% и 90,5%.

Таким образом, данные испытаний подтверждают высокую селективность катализаторов согласно изобретению в процессе гидрирования диеновых и ацетиленовых углеводородов с образованием соответствующих олефинов.

1. Биметаллический палладийсодержащий катализатор селективного гидрирования диеновых и ацетиленовых углеводородов, отличающийся тем, что катализатор содержит, % мас.: палладия 0,001-2,0, и железа, марганца или олова от 0,001 до 10, причем все металлы находятся в нульвалентном и частично в низковалентном (20-40% ионов М²⁺) состоянии, остальное - оксид алюминия.

2. Способ получения биметаллического палладийсодержащего катализатора по п. 1, приготовленного путем пропитки оксида алюминия солью палладия, выбранной из группы, включающей хлорид палладия, ацетат палладия, нитрат палладия или соответствующих аммиакатов, с последующей сушкой и восстановлением при температуре 30-500°С и дальнейшей пропиткой раствором металлоорганического соединения, отличающийся тем, что эти соединения выбирают из группы, включающей ферроцен, цимантрен, алкилзамещенных производных указанных соединений и оловоорганических соединений, с последующей сушкой и восстановлением при температуре 30-600°С, с получением катализатора, содержащего, % мас.: палладий 0,001-2,0, железа, или марганца, или олова 0,001-10,0, остальное - оксид алюминия.

3. Способ применения катализатора состава по п. 1, полученного по п. 2, для селективного гидрирования диеновых и ацетиленовых углеводородов с образованием олефинов при температуре 20-100°С, давлении 0,1-10 МПа и объемной скорости 1000-75000 ч^-1.