用于甲醇氧化制甲醛的催化剂及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 用于甲醇氧化制甲醛的催化剂及其制备方法和应用 (Catalyst for preparing formaldehyde by methanol oxidation and preparation method and application thereof ) 是由 殷玉圣 张觅 于杨 吴结华 袁浩然 李婷婷 于 2020-03-30 设计创作，主要内容包括：本发明目的是提供一种工业生产用甲醇氧化制甲醛的催化剂,在铁钼氧化物体系中引入铬和钒的氧化物,形成四组分的催化剂,通过共沉淀方法制备前驱体,再将前驱体碾碎并在其中加入成型剂,通过压片或挤条的方法进行成型,成品催化剂外形为圆柱环形或齿轮环柱形颗粒,最后将成型后的颗粒在350℃～500℃温度下焙烧,即得催化剂成品。本发明提供的工业生产用甲醇氧化制甲醛的催化剂,该催化剂装填在固定床管式反应器中,具有床层阻力低、甲醇转化率高和甲醛收率高的特点,甲醇转化率达99%以上,甲醛收率达93%以上,并且催化剂的热稳定性好、使用寿命长。(The invention aims to provide a catalyst for preparing formaldehyde by oxidizing methanol for industrial production, which is characterized in that chromium oxide and vanadium oxide are introduced into an iron-molybdenum oxide system to form a four-component catalyst, a precursor is prepared by a coprecipitation method, the precursor is crushed and added with a forming agent, the precursor is formed by a tabletting or extruding method, the shape of the finished catalyst is cylindrical ring-shaped or gear ring-cylindrical particles, and finally the formed particles are roasted at the temperature of 350-500 ℃ to obtain the finished catalyst. The catalyst for preparing formaldehyde by oxidizing methanol for industrial production, which is provided by the invention, is filled in a fixed bed tubular reactor, and has the characteristics of low bed resistance, high methanol conversion rate and high formaldehyde yield, the methanol conversion rate reaches over 99 percent, the formaldehyde yield reaches over 93 percent, and the catalyst has good thermal stability and long service life.)
技术领域
本发明属化工催化剂领域，具体涉及一种用于甲醇氧化制甲醛的催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
甲醛是一种重要的有机化工原料，广泛用于化工、医药、纺织、木材加工以及石油化工，具体可用于脲醛胶、酚醛胶、三聚氰胺甲醛胶、二苯基甲烷二异氰酸酯、季戊四醇和聚甲醛的生产，工业上主要通过甲醇氧化法生产。以甲醇和空气为原料生产甲醛的工艺按催化剂的不同分为银法和铁钼法。其中铁钼法具有反应温度低、催化剂活性和选择性高、寿命长、对毒物不敏感、单耗低、产品浓度高等特点，在现代甲醛生产中被广泛应用。
USP3,408,309首先公开了两组份的铁钼氧化物催化剂，但其机械强度、活性及寿命均不理想，后来在其中引入金属氧化物助剂进行了改善。
USP3,846,341提供了一种催化剂，采用凝胶法，在其中引入钨和钴的氧化物作为助剂，改善了催化剂的性能。USP3,978,136采用共沉淀法，在其中加入TiO2来改善催化剂性能。
USP4420421公开了一种钼铁催化剂的制备方法，其中活性金属钼源由氢氧化钠水溶液与含三氧化钼的废催化剂制备的钼酸钠提供，在催化剂制备过程中，由于引入的钠离子 很 难 完 全 除 去 ，进 而 在 催 化 剂 应 用 过 程 中 影 响 催 化 剂 的 活性 和 选 择 性 。
CN201110106337 .7公开了一种铁钼法甲醇氧化制甲醛催化剂的无污染制备方法，该方法是将多元醇、水和钼酸配制成混合溶液为底液，在搅拌条件下，向反应罐中通入羰基氧化铁饱和空气。
CN93117583 .6公开了一种用于甲醇氧化制甲醛的催化剂，该方法是将金属硝酸盐水溶液加入到已采用氢氧化铵调整pH值的七钼酸铵水溶液中进行沉淀反应，以上两种方法在反应过程中不能同时沉淀，易导致催化剂前驱物晶粒大小不均一、易导致催化剂孔径分布不集中，进而影响催化剂选择性。
CN1792443B提供了一种用于将甲醇氧化为甲醛的催化剂，其包括一种其中Mo/Fe原子比在1.5至5范围内的催化混合物Fe2(MoO4)3/MoO3，以及一种以铈的重量计其含量为0.1至10%的铈、钼和氧的化合物，虽然其甲醛收率可达到93%，但其操作温度较高，这样会影响催化剂的使用寿命。
发明内容
本发明目的是提供一种工业生产用甲醇氧化制甲醛的催化剂，该催化剂装填在固定床管式反应器中，具有床层阻力低、甲醇转化率高和甲醛收率高的特点，并且催化剂的热稳定性好、使用寿命长。
本发明的技术目的通过以下技术方案实现。
本发明用于甲醇氧化制甲醛的催化剂，其特征在于所述催化剂其主要成分为Fe2(MoO4)3、MoO3、Cr2(MoO4)3、V2O5及烯土金属氧化物；催化剂采用共沉淀方法制备：在铁钼氧化物体系中引入铬和钒的氧化物，形成四组分的催化剂。
本发明所述催化剂按照以下方法制备：将钼酸盐与偏钒酸盐加入去离子水中，配成溶液A，将铁盐、铬盐和助剂加入去离子水中配成溶液B，然后将溶液B缓慢加入溶液A中，并不断搅拌，保持温度在30℃~80℃，用氨水调节混合液pH在1.0~3.0，经老化、洗涤、过滤、干燥得催化剂前驱体，再将前驱体碾碎并在其中加入成型剂成型，最后将成型后的粒子在350℃~500℃温度下活化，即得催化剂成品。
优选地，所述催化剂的制备方法，将钼酸盐与偏钒酸盐加入去离子水中，配成溶液A，将铁盐、铬盐和助剂加入去离子水中配成溶液B，然后将溶液B缓慢加入溶液A中，并不断搅拌，保持温度在30℃~80℃，用氨水调节混合液pH在1.0~3.0，然后老化0.5小时，再经过洗涤、过滤、干燥得催化剂前驱体，再将前驱体碾碎并在其中加入成型剂，通过压片或挤条的方法进行成型。
所用偏钒酸盐为偏钒酸铵或偏钒酸钠，优选偏钒酸铵。
所用铁盐为硝酸铁、氯化铁或硫酸铁，优选硝酸铁。
所用铬盐为硝酸铬或三氧化二铬。
所用助剂为烯土金属，选自铈或镧中的一种或两种。
进一步地，本发明成品催化剂外形为圆柱环形或齿轮环形。
优选地，所述圆柱环形的规格为外径为Φ5 mm、内径为Φ2mm、长度为3~6mm；齿轮柱环形的规格为齿顶直径Φ6 mm、齿根直径Φ5 mm、内孔径Φ2 mm、长度3~6mm。
本发明提供的催化剂在使用前需在350℃~500℃温度下活化，最佳活化温度为380℃~450℃。
本发明提供的催化剂用于甲醇氧化制甲醛，在固定床管式反应器中，温度为240℃，甲醇/空气摩尔比为0.02，气体空速为10000~20000h-1时，甲醇转化率大于99%，甲醛收率大于93%。
本发明提供的工业生产用甲醇氧化制甲醛的催化剂，该催化剂装填在固定床管式反应器中，具有床层阻力低、甲醇转化率高和甲醛收率高的特点，甲醇转化率达99%以上，甲醛收率达93%以上，并且催化剂的热稳定性好、使用寿命长。
具体实施方式
本发明是按照以上步骤进行实施的，下面通过实施例进行详细说明。
列举这些实施例的目的只是为了解释本发明，而不是对本发明的限制。
实施例1
取270g七钼酸铵加入1000mL的去离子水中，配成溶液，然后再将24g的偏钒酸铵加入其中，在强力搅拌下配成溶液A；取200g九水硝酸铁加入500mL的去离子水中配成溶液，然后再将20g九水硝酸铬加入其中，在强力搅拌下配成溶液B；然后将溶液B缓慢加入溶液A中，并不断搅拌，保持温度在50℃，用氨水调节混合液pH在2.0，然后老化0.5小时，再经过洗涤、过滤、干燥得催化剂前驱体，再将前驱体碾碎并在其中加入6g硬脂酸混合均匀，通过压片方法进行成型，成品催化剂外形为圆柱环形，圆柱环形的规格为Φ5（外径）×2（内径）×5（长度），最后将成型后的颗粒在430℃温度下焙烧，即得催化剂成品F1。
实施例2
取270g七钼酸铵加入1000mL的去离子水中，配成溶液，然后再将24g的偏钒酸铵加入其中，在强力搅拌下配成溶液A；取200g九水硝酸铁加入500mL的去离子水中配成溶液，然后再将20g九水硝酸铬、5g硝酸铈加入其中，在强力搅拌下配成溶液B；然后将溶液B缓慢加入溶液A中，并不断搅拌，保持温度在80℃，用氨水调节混合液pH在3.0，然后老化0.5小时，再经过洗涤、过滤、干燥得催化剂前驱体，再将前驱体碾碎并在其中加入20g田菁粉混合均匀，通过压片方法进行成型，成品催化剂外形为圆柱环形，圆柱环形的规格为Φ5（外径）×2（内径）×5（长度），最后将成型后的颗粒在350℃温度下焙烧，即得催化剂成品F2。
实施例3
取400g七钼酸铵加入1000mL的去离子水中，配成溶液，然后再将30g的偏钒酸铵加入其中，在强力搅拌下配成溶液A；取220g九水硝酸铁加入500mL的去离子水中配成溶液，然后再将20g九水硝酸铬、5g硝酸铈加入其中，在强力搅拌下配成溶液B；然后将溶液B缓慢加入溶液A中，并不断搅拌，保持温度在60℃，用氨水调节混合液pH在2.0，然后老化0.5小时，再经过洗涤、过滤、干燥得催化剂前驱体，再将前驱体碾碎并在其中加入6g硬脂酸混合均匀，通过剂条的方法进行成型，成品催化剂外形为六齿轮环形，齿轮环形的规格为Φ6（齿顶直径）×4.5（齿根直径）×2（内孔径）×6（长度），最后将成型后的颗粒在450℃温度下焙烧，即得催化剂成品F3。
实施例4
取400g七钼酸铵加入1000mL的去离子水中，配成溶液，然后再将30g的偏钒酸铵加入其中，在强力搅拌下配成溶液A；取220g九水硝酸铁加入500mL的去离子水中配成溶液，然后再将20g九水硝酸铬、5g硝酸镧加入其中，在强力搅拌下配成溶液B；然后将溶液B缓慢加入溶液A中，并不断搅拌，保持温度在60℃，用氨水调节混合液pH在2.0，然后老化0.5小时，再经过洗涤、过滤、干燥得催化剂前驱体，再将前驱体碾碎并在其中加入20g甲基纤维素混合均匀，通过剂条的方法进行成型，成品催化剂外形为六齿轮环形，齿轮环形的规格为Φ6（齿顶直径）×4.5（齿根直径）×2（内孔径）×4（长度），最后将成型后的颗粒在500℃温度下焙烧，即得催化剂成品F4。
实施例5
取540g七钼酸铵加入1000mL的去离子水中，配成溶液，然后再将30g的偏钒酸铵加入其中，在强力搅拌下配成溶液A；取220g九水硝酸铁加入500mL的去离子水中配成溶液，然后再将20g九水硝酸铬、5g硝酸铈加入其中，在强力搅拌下配成溶液B；然后将溶液B缓慢加入溶液A中，并不断搅拌，保持温度在60℃，用氨水调节混合液pH在1.0，然后老化0.5小时，再经过洗涤、过滤、干燥得催化剂前驱体，再将前驱体碾碎并在其中加入6g硬脂酸混合均匀，通过剂条的方法进行成型，成品催化剂外形为六齿轮环形，齿轮环形的规格为Φ6（齿顶直径）×4.5（齿根直径）×2（内孔径）×3（长度），最后将成型后的颗粒在450℃温度下焙烧，即得催化剂成品F5。
实施例6
取540g七钼酸铵加入1000mL的去离子水中，配成溶液，然后再将30g的偏钒酸铵加入其中，在强力搅拌下配成溶液A；取220g九水硝酸铁加入500mL的去离子水中配成溶液，然后再将20g九水硝酸铬、5g硝酸铈加入其中，在强力搅拌下配成溶液B；然后将溶液B缓慢加入溶液A中，并不断搅拌，保持温度在60℃，用氨水调节混合液pH在2.0，然后老化0.5小时，再经过洗涤、过滤、干燥得催化剂前驱体，再将前驱体碾碎并在其中加入6g硬脂酸混合均匀，通过压片方法进行成型，成品催化剂外形为圆柱环形，圆柱环形的规格为Φ5（外径）×2（内径）×4（长度），最后将成型后的颗粒在350℃温度下焙烧，即得催化剂成品F6。
实施例7
取290g钼酸钠加入1000mL的去离子水中，配成溶液，然后再将24g的偏钒酸铵加入其中，在强力搅拌下配成溶液A；取250g硫酸铁加入500mL的去离子水中配成溶液，然后再将20g三氧化二铬加入其中，在强力搅拌下配成溶液B；然后将溶液B缓慢加入溶液A中，并不断搅拌，保持温度在50℃，用氨水调节混合液pH在2.0，然后老化0.5小时，再经过洗涤、过滤、干燥得催化剂前驱体，再将前驱体碾碎并在其中加入6g硬脂酸混合均匀，通过压片方法进行成型，成品催化剂外形为圆柱环形，圆柱环形的规格为Φ5（外径）×2（内径）×5（长度），最后将成型后的颗粒在430℃温度下焙烧，即得催化剂成品F7。
实施例8
取290g钼酸钠加入1000mL的去离子水中，配成溶液，然后再将24g的偏钒酸铵加入其中，在强力搅拌下配成溶液A；取230g氯化铁加入500mL的去离子水中配成溶液，然后再将20g三氧化二铬加入其中，在强力搅拌下配成溶液B；然后将溶液B缓慢加入溶液A中，并不断搅拌，保持温度在50℃，用氨水调节混合液pH在2.0，然后老化0.5小时，再经过洗涤、过滤、干燥得催化剂前驱体，再将前驱体碾碎并在其中加入6g硬脂酸混合均匀，通过压片方法进行成型，成品催化剂外形为圆柱环形，圆柱环形的规格为Φ5（外径）×2（内径）×5（长度），最后将成型后的颗粒在480℃温度下焙烧，即得催化剂成品F8。
比较例
按照CN1792443B提供的方法制备催化剂。取238g三氧化钼和400g二水钼酸钠溶解于去离子水中得溶液A，将352g六水氯化铁配成溶液加入上述溶液A中，在60℃下持续搅拌，待洗涤冷却后过滤得浆料B，再浆料B中加入计算量的钼酸铈悬浮液，搅拌均匀后，过滤、干燥得粉末，将得到的粉末制备成具有三叶状截面并且叶上具有通孔的圆柱状颗粒，在500℃下焙烧4小时得催化剂F9，该催化剂中以重量计含铈0.3%。
对比试验
将催化剂成品加入固定床管式反应器中，在一定温度下通入甲醇和空气，在催化剂床层甲醇被空气氧化成甲醛，反应条件及催化剂性能测试结果见下表。
样品名
甲醇/空气，mol
空速，h-1
进口温度，℃
甲醇转化率，%
甲醛收率，%
F1
0.02
20000
240
97.6
91.3
F2
0.02
15000
240
98.8
93.1
F3
0.01
20000
240
99.2
92.7
F4
0.01
20000
240
99.3
93.4
F5
0.02
15000
240
98.5
92.8
F6
0.01
20000
240
99.4
93.3
F7
0.02
20000
240
97.3
90.6
F8
0.02
15000
240
97.5
90.2
F9
0.02
20000
240
98.1
90.9