Окисление пропана химически связанным кислородом на катализаторах, работающих в циклическом режиме тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.15, кандидат химических наук Синельников, Виктор Владимирович

• Синельников, Виктор Владимирович
• кандидат химических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат химических наук Синельников, Виктор Владимирович

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Обзор процессов, перспективных для использования 10 циклического режима подачи реагентов.

1.1.1 Окисление н-бутана в малеиновый ангидрид.

1.1.2 Окислительная конденсация метана.

1.1.3 Парциальное окисление метана кислородом в синтез-газ.

1.1.4 Окислительное дегидрирование пропана.

1.2 Проблемы, возникающие при использовании 34 циклического режима подачи реагентов и пути их решения.

1.2.1 Обзор литературных данных, посвященных исследованию емкости катализаторов по кислороду.

1.2.2 Активация катализаторов металлами платиновой группы.

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1 Синтез образцов.

2.2 Методики исследования каталитических свойств образцов.

2.2.1 Исследование каталитических свойств образцов при поочередной подаче реагентов.

2.2.2 Исследование каталитических свойств образцов при совместной подаче реагентов.

2.3 Методики проведения физико-химических исследований.

2.3.1 Изотермическая десорбция кислорода

2.3.2 Температурно-программированная десорбция кислорода.

2.3.3 Рентгенофотоэлектронная спектроскопия.

2.3.4 Температурно-программированное восстановление (ТПВ) водородом.

2.3.5 Сравнительное исследование емкости 64 по кислороду катализаторов.

2.3.5.1 Сравнительное исследование емкости по кислороду с использованием реакции окисления монооксида углерода.

2.3.5.2 Сравнительное исследование систем Pt/Mx0y/Al203 с использованием титрования С3Н8.

Глава 3. Обсуждение результатов

3.1 Сравнительное исследование емкости по кислороду систем Pt/Mx0y/Al203.

3.1.1 Сравнительное исследование емкости по кислороду систем Pt/Mx0y/Al203 с использованием реакции окисления монооксида углерода.

3.1.2 Сравнительное исследование систем

Pt/МхОу/АЬОз с использованием титрования СзН8.

3.2. Исследование каталитических свойств систем Pt/Mx0y/Al203.

3.2.1 Исследование каталитических свойств образцов в режиме совместной подачи реагентов.

3.2.2 Исследование каталитических свойств образцов 85 при поочередной подаче реагентов.

3.2.2.1 Сравнительное исследование каталитических свойств систем при 450°С.

3.2.2.2 Зависимость каталитических свойств систем от содержания (количества) компонента, запасающего кислород.

3.2.2.3 Влияние температуры на протекание окислительной конверсии пропана.

3.3 Исследование возможных путей протекания реакции.

3.3.1 Предполагаемые пути протекания реакции.

3.3.2 Изотермическая десорбция 02 (ИД 02).

3.3.3 Температурно-программируемая десорбция кислорода.

3.3.4 Исследование изменения валентного состояния Се в катализаторе Pt/Ce02/Al203 методом

Содержание рентгенофотоэлектронной спектроскопии.

3.3.5 Гипотетическая схема протекания процесса.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Окисление пропана химически связанным кислородом на катализаторах, работающих в циклическом режиме»

Одним из наиболее перспективных способов переработки легких парафинов (С1-С3) углеводородного сырья является их функционализация в каталитических процессах парциального окисления и окислительного дегидрирования с использованием кислорода воздуха в качестве окислителя. Окислительное дегидрирование является потенциально эффективным способом получения ценных олефинов, потребность в которых постоянно возрастает. Однако широкое использование окислительных процессов для функционализации легких парафинов ограничивается их относительно невысокой селективностью. В связи с этим, решение вопросов, связанных с увеличением селективности окислительной функционализации легких алканов, является актуальной задачей как в научном плане, так и в аспекте их широкого промышленного применения.

Одним из существенных факторов, ограничивающих селективность окислительных превращений, являются трудноконтролируемые процессы гомогенного или гомогенно-гетерогенного взаимодействия продуктов и полупродуктов целевой реакции с кислородом, находящимся в газовой фазе. В результате происходит доокисление целевых продуктов реакции до СО2 и Н2О, что, в итоге, снижает общую селективность процесса.

В связи с этим, весьма перспективным представляется проведение реакций каталитического окисления в циклическом (периодическом) окислительно-восстановительном режиме, т.е. при поочередной подаче реагентов (углеводорода и воздуха) на катализатор. Данный подход позволяет осуществлять окисление углеводородов кислородом, запасенным на катализаторе, в отсутствие О2 в газовой фазе, что может значительно увеличить селективность процесса. Исследование закономерностей протекания реакций в таком нестационарном, периодическом режиме, а также разработка катализаторов таких процессов представляется весьма актуальной задачей, решению которой и была посвящена данная работа.

Целью работы являлось систематическое исследование реакции окисления пропана в циклическом режиме подачи реагирующих веществ на катализатор, а также создание для данного процесса новых каталитических систем состава Pt/Mx0y/Al203, где МхОу является компонентом, запасающим кислород на стадии воздушной обработки катализатора (МхОу - Ce02, La203, Рг6Оц, Nd203, BaO, SrO, ZnO, ТЮ2).

На защиту выносятся:

1. Результаты сравнительного исследования емкости по кислороду систем состава Pt/MxOy/Al2C>3, где МхОу - Се02, La203, РгбОп, Nd203, BaO, SrO, ZnO, Ti02.

2. Результаты систематического исследования каталитических свойств систем, содержащих оксиды различных типов металлов, в реакции окисления пропана при совместной и поочередной подаче реагентов.

3. Результаты исследования возможных путей протекания процесса окисления пропана при поочередной подаче реагентов на катализатор.

Заключение диссертации по теме «Катализ», Синельников, Виктор Владимирович

ВЫВОДЫ

1. Систематически изучено протекание процесса окислительной конверсии пропана на катализаторах состава Pt/Mx0y/Al203 в циклическом окислительно-восстановительном режиме при чередующейся подаче реагентов (пропан и воздух) на катализатор. Установлено, что циклический режим работы катализатора позволяет кардинальным образом изменить характер протекания процесса по сравнению со статическим режимом одновременной подачи реагентов и достигнуть высокой селективности в образовании пропилена.

2. Найдено, что введение в состав катализатора оксидов Ti, Zn, Sr, а также оксидов редкоземельных элементов, позволяет значительно увеличить емкость по кислороду каталитических систем, что делает их перспективными для использования в режиме циклической подачи реагентов на катализатор.

3. Показано, что природа компонента, способного запасать кислород, в значительной степени определяет состав образующихся продуктов. На катализаторах, в состав которых входят оксиды редкоземельных металлов, в основном происходит образование СО и метана. При проведении реакции на системах, содержащих ZnO или ТЮ2, основным продуктом реакции является пропилен.

4. Методами ИД 02 и ТПД 02 показано, что в условиях проведения реакции вклад кислорода, десорбирующегося в газовую фазу с катализатора, пренебрежимо мал и окисление пропана осуществляется прочносвязанным кислородом катализатора, что подтверждено методом РФЭС.

5. Установлено, что присутствие платины является необходимым условием протекания процесса окислительной конверсии при температурах менее 550-600°С. Гипотетическая схема процесса включает в себя активацию пропана на Pt с дальнейшим перемещением промежуточных продуктов реакции, в том числе и через газовую фазу, на компоненты, запасающие кислород, где промежуточные соединения подвергаются окислению химически связанным кислородом.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Синельников, Виктор Владимирович, 2005 год

1. Cavani F., Trifiro F., Selective oxidation of light alkanes: interaction between the catalyst and the gas phase on different classes of catalytic materials, Catal. Today, 1999, V.51, P.561-580.

2. Пэрэушану В., Коробя M., Муска Г., Производство и использование углеводородов, М.: Химия, 1987, 288 С.

3. Арутюнов B.C., Крылов О.В. Окислительные превращения метана. М.: Наука, 1998,361с.

4. Santamaria J.M., Miro Е.Е., Wolf Е.Е., Reactor simulation studies of methane oxidative coupling on a Na/NiTi03 catalyst, Industr. Eng. Chem. Res., 1991, V.30, Iss.6, P.l 157-1165.

5. Аншиц А.Г., Шигапов A.H., Верещагин C.H., Шевнин В.В., Кинетика и катализ, 1990, Т.30, № 5, С. 1260.

6. Borges H., Giroir-Fendler A., Mirodatos C., Chanaud P., Julbe A., Catalytic membrane reactor for oxidative coupling of methane. Part II Catalytic properties of LaOCl membranes, Catal. Today, 1995, V.25, Iss. 3-4, P.377-383

7. Silveston P., Hudgins Robert Ross, Renken A., Periodic operation of catalytic reactors introduction and overview, Catal. Today, 1995, V.25, P. 91-112.

8. Stankiewich A., Kuczynski M., An industrial view on the dynamic operation of chemical converters, Chem. Eng. Proc., 1995, V.34, P.367-377.

9. Emig G., Liauw M.A., New reaction engineering concept for selective oxidation reactions, Topics in Catalysis, 2002, V.21, Nos.1-3, P.l 1-24.

10. Сеттерфилд Ч., Практический курс гетерогенного катализа, М.: Мир, 1984. 520С.

11. Крылов О.В., Гетерогенный катализ: Учебное пособие для вузов, М.: ИКЦ «Академкнига», 2004, 679 с.

12. Contractor R.M., Bergna Н.Е., Horowitz H.S., Blackstone C.M., Malone В., Torardi C.C., Griffiths В., Chowdhry U., Sleight A.W., Butane oxidation to maleic anhydride over vanadium phosphate catalysts, Catal. Today. 1987. V.l, Iss.1-2, P.49.

13. Schuurman Y., Gleaves J.T., Ebner J.R., Mummey M.J., Proc.II Congr. on selective oxidation (Benalmadena, Spain, 1993). Amsterdam: Elsevier, 1994, P.203-212.

14. Centi G., Selective Heterogeneous Oxidation of Light Alkanes What Differentiates Alkane from Alkene Feedstocks, Catal. Lett., 1993, V.22, №1-2, P. 53-63.

15. Mitchell M.L., Waghorne R.H., US Patent 4205194, Publ. 1980.

16. Fang Т., Yeh C.T., Interactions of methane with thoria/silica surface at 1073 K, J.Catal, 1981, V.69, №1, P.227-229.

17. Keller G.E.; Bhasin M.M., Synthesis of ethylene via oxidative coupling of methane I. Determination of active catalysts, J.Catal, 1982, V.73, №1, P.9 19.

18. Ito Т., Lunsford J.H., Nature, 1985, V.314, №6013, P.721-722.

19. Sofranko J.A., Jones C.A., Leonard J.J., The Oxidative Conversion of Methane to Higher Hydrocarbons, J. Catal., 1987, V.l03, № 2, P. 302-310

20. Gaffney A.M., Jones C.A., Leonard J.J., Sofranko J.A., Oxidative Coupling of Methane over Sodium Promoted Praseodymium Oxide, J. Catal., 1988, V. 114, № 2, P. 422-432.

21. Asami K., Hashimoto S., Shikada Т., Fujimoto K., Tominaga H., Selective oxidative coupling of methane over supported lead oxide catalyst, Chem. Lett., 1986, V.7, P. 1233-1236.

22. Синев М.Ю., Ширяев П.А., Корчак В.Н., Крылов О.В., Труды V Нефтехимического симпозиума Бургас, 1986, С.101-105.

23. Campbell K.D., Layered and double perovskites as methane coupling catalysts, Catal. Today, 1992, V. 13, Iss.2-3, P. 245-253.

24. Omata K., Yamazaki O., Tomita K., Fujimoto K., Chem. Commun., 1994, N.14, P.l647-1648.

25. Pyatnitsky Yu.I., Ilchenko N.I., Dolgikh L.Yu., Pavlenko N.V., Methane oxidative coupling over SrCoOs-based perovskites in periodic regime, Topics in Catalysis, 2000, V.l 1/12, P.229-237.

26. York A.P.E, Xiao Т., Green M.L.H., Topics in catalysis, 2003, V.22, Iss.3-4, P.345-358

27. Tsang S.C., Claridge J.B., Green M.L.H., Recent advances in the conversion of methane to synthesis gas, Catal. Today, 1995, V. 23, Iss.l, P. 3-15.

28. Otsuka K., Ushiyama Т., Yamanaka I., Chem. Lett., 1993, P. 1517.

29. Wen-Sheng Dong , Ki-Won Jun, Hyun-Seog Roh, Zhong-Wen Liu, and Sang-Eon Park, Comparative study on partial oxidation of methane over Ni/Zr02, Ni/Ce02 and Ni/Ce-Zr02 catalysts, Catal. Letters, 2002, V.78, №1-4, P. 215-222

30. Roh H., Dong W., Jun K., Park S., Partial Oxidation of Methane over Ni Catalysts Supported on Ce-Zr02 Mixed-Oxide, Chem. Lett., 2001, Issl.,P. 88-89.

31. Mattos L.V., Oliveira E.R., Resende P.D., Noronha F.B., Passos F.B., Partial oxidation of methane on Pt/Ce-Zr02 catalysts, Catal. Today, 2002, V.77, P. 245256.

32. Pantu P., Kim K., Gavalas G.R., Methane partial oxidation on Pt/Ce02-Zr02 in the absence of gaseous oxygen, Appl. Catal. A: General. 2000. V.193. P. 203-214.

33. Grantom R.L., Royer D.J., in: Gerhartz W. (Ed.), Ullman's Encyclopedia of Industrial Chemistry A10, VCH, Weinheim, 1987, P.45

34. Richards D., Chem. Market Reporter, 2001, V.259, 7

35. Graaf E.A., Rothenberg G., Kooyman P.J., Andreini A., Bliek A., Pto.о2S110.oo3Mgo.об on y-alumina: a stable catalyst for oxidative dehydrogenation of ethane, Appl.Catal.A: General, 2005, V.278, P. 187-194.

36. Жоров Ю.М., Термодинамика химических процессов, М.: Химия, 1985,

37. Исагулянц Г.В., Беломестных И.П., Форбек Г., Перрегаард Й., Окислительное дегидрирование алканов в олефины, Российский Химический Журнал, 2000, т.44, В.2, С.69-80.

38. Kung Н.Н., Oxidative Dehydrogenation of Light (C2 to C4) Alkanes, Adv.Catal., 1994, V.40, P.1-38.

39. Kung H.H., Kung M.C., Oxidative Dehydrogenation of Alkanes over Vanadium-Magnesium-Oxides, Appl.Catal.A: General, 1997, V. 157, Iss.1-2, P. 105-116.

40. Albonetti S., Cavani F., Trifiro F., Key Aspects of Catalyst Design for the Selective Oxidation of Paraffins, Catal. Rev. Sci. Eng., 1996, V. 38, Iss.4, P. 413438.

41. Blasco Т., Lopez Nieto J.M., Oxidative dehydrogenation of short chain alkanes on supported vanadium oxide catalysts, Appl.Catal.A: General, 1997, V. 157, P.l 17-142.

42. Stern D., Grasselli R., Propane oxydehydrogenation over Molybdate-Based catalysts, J.Catal., 1997, V.167, P.550-559.

43. Del Rosso R., Kaddouri A., Anouchinsky R., Mazzocchia C., Gronchi P., Centola P., Oxidative dehydrogenation of propane by continuous and periodic operating flow reactor with a nickel molybdate catalyst, J.Mol.Catal.A: Chemical, 1998, V.135, P. 181-186.

44. Sautel М., Thomas G., Kaddouri A., Mazzocchia C., Anouchinsky R., Kinetics of Oxidative Dehydrogenation of Propane on the Beta-Phase of Nickel Molybdate, Appl.Catal.A: General, 1997, V. 155, Iss.2, P. 217-228.

45. Del Rosso R., Kaddouri A., Fumagalli D., Mazzocchia C., Gronchi P., Centola P., Deactivation of alkane oxidative dehydrogenation catalyst by deep reduction in periodic flow reactor, Catal.Lett., 1998, V.55, P.93-95.

46. Kaddouri A., Del Rosso R., Mazzocchia C., Gronchi P., Centola P., On the reactivity of K2O-, CaO- and P20s-doped nickel molybdate catalysts in periodic-flow reactor, Catal.Lett., 1999, V.63, P. 65-71.

47. Del Rosso R., Kaddouri A., Mazzocchia C., Gronchi P., Centola P., Selective propene formation in periodic flow reactor: reducibility and catalytic activity of Ni-Mo-Co system, Catal.Lett., 2000, V.69, P.71-78.

48. Ballarini N., Cavani F., Ferrari M., Catani R., Cornaro U., Oxydehydrogenation of propane by V-Si-0 cogels: enhancement of the selectivity to propylene by operation under cyclic conditions, J.Catal., 2003, V.213, P. 95-102.

49. Larsson M., Henriksson N., Andersson В., Investigation of the kinetics of a deactivating system by transient experiments, Appl.Catal.A: General, 1998, V.l66, P. 9-19.

50. Yao H.C., Yao Y.F.Yu, Ceria in automotive exhaust catalyst: I. Oxygen Storage, J. Catal. 1984, V.86, P.254 265.

51. Su E.C., Montreull C. N., Rothshild W.G., Oxygen storage capacity of monolith three-way catalysts, Appl. Catal., 1985, V.l7, Iss.l, P.75-86. 54 Descorme C., Taha R., Mouaddib-Moral N., Duprez D. // Appl. Catal. A: General. 2002. V.223. P. 287.

52. Boaro M., Vicario M., Leitenburg C., Dolcetti G., Trovarelli A., The use of temperature-programmed and dynamic/transients methods in catalysis: characterization of ceria-based, model three-way catalysts, Catal.Today, 2003, V.77, P.407 417.

53. Luo M.F., Zheng Х.М., Redox behaviour and catalytic properties of Ce0.5Zr05O2~supported palladium catalysts, Appl.Catal.A: General, 1999, V.189. P.15-21.

54. Kaspar J., Fornasiero P., Graziani M., Use of Ce02-based oxides in the three-way catalysis, Catal.Today, 1999, V.50, P. 285-298.

55. Trovarelli A., Leitenburg С., Boaro М., Dolcetti G., The utilization of ceria in industrial catalysis, Catal.Today, 1999, V.50, P. 353-367.

56. Миначев X.M., Ходаков Ю.С., Марков M.A., Антошин Г.В., Редкие земли-в катализе, М.: Наука, 1972, 264 С.

57. Hashimoto К., Toukai N., Hamada R., Imamura S., Reduction of Rh/Ce02~Zr02 with hydrogen, Catal.Lett., 1998, V.50, P. 193-198.

58. Trovarelli A., Boaro M., Rocchini E., Dolcetti G., Some recent developments in the characterization of ceria-based catalysts, Journal of Alloys and Compounds, 2001, V.323-324, P.584-591.

59. Fornasiero P., Di Monte R., Rh-loaded Ce02~Zr02 solid solutions as highly efficient oxygen exchangers: dependence of the reduction behavior and the OSC on the structural properties, J.Catal., 1995, V.151, P.168-177.

60. Vlaic G., Fornasiero P., Geremia S., Kaspar J., Graziani M., Relationship between the Zirconia-Promoted Reduction in the Rh-LoadedCe0.5Zr0.502 Mixed Oxide and the Zr-0 Local Structure, J.Catal., 1997, V.168, Iss.2, P.386.

61. Loong C.K., Ozawa M., The role of rare earth dopants in nanophase zirconia catalysts for automotive emission control, Journal of Alloys and Compounds, 2000, V.303-304, P.60-65.

62. Logan A.D., Shelef M., Oxygen availability in mixed cerium/praseodymium oxides and the effect of noble metals, J.Mater.Res., 1994, V.9, №2, P.468-475.

63. Sinev M.Yu., Graham G.W., Haack L.P., Shelef M., Kinetic and structural studies of oxygen availability of the mixed oxides Pr{.xMxOy (M-Ce, Zrj, J.Mater.Res., 1996, V.l 1, №8, P. 1960-1071.

64. Bernal S., Blanco G., Perez-Omil J.A., Pintado J.M., Rodriguez-Izquierdo J.M., Reducibility of ceria-lanthana mixed oxides under temperature programmed hydrogen and inert gas flow conditions, Journal of Alloys and Compounds, 1997, V.250, P.449-454.

65. Vidmar P., Fornasiero P., Kaspar J., Gubitosa G., Graziani M., Effects of Trivalent Dopants on the Redox Propertiesof Ceo6ZrQ402 Mixed Oxide, J. Catal, 1997, V.171, Iss.l, P. 160-168.

66. Pijolat M., Prin M., Soustelle M., Touret O., Nortier P., Solid State Ionics,1993, V.63, 64, 65, P.781.

67. Pijolat M., Prin M„ Soustelle M., Nortier P., J.Chim.Phys. Phys-.Chim. Biol.,1994, V.91, P.51

68. Pijolat M., Prin M., Soustelle M., Touret O., Nortier P., J.Chem.Soc., Faraday Trans., 1995, V.91, P.3941.

69. Вольнов И.И. Перекисные соединения щелочноземельных металлов. М: Наука, 1983. 135С.

70. Некрасов Б.В., Основы общей химии, М.: Химия, 1973. 656С.

71. Ильченко Н.И., Успехи химии, 1972, Т.42, №1, С.84

72. Force С., Belzunegu J.P., Sanz J., Н2 adsorption in rhodium metal catalysts supported in oxides with different reducibility, Studies in Surface Science and Catalysis, 2001, V.138, P.47-53.

73. Overbury S.H., Hantley D.R., Mullins D.R., Glavee G.N., XANES studies of the reduction behavior of (Cel-yZry)02 and Rh/(Cel-yZry)02, Catal. Lett., 1998, V.51, №3, P. 133-138.

74. Бычков В.Ю., Синев М.Ю., Корчак В.Н., Аптекарь E.JL, Крылов О.В., Исследование взаимодействия метана с системами на основе оксидов V, Мо, W методом сканирующей калориметрии, Кинетика и Катализ, 1986, Т.26,1. B.5, С.1190-1195.

75. Лидин P.А., Молочко В.А., Андреева JI.JI., Химические свойства неорганических веществ: Учебное пособие для вузов. 2-е изд. испр., М.:Химия, 1997,480с.

76. Chin-Pei Hwang, Chuin-Tih Yeh, Platinum-oxide species formed by oxidation of platinum crystallites supported on alumina, J.Molec.Catal. A: Chemical, 1996, V.112, P.295-302.

77. Chen-Bin Wang, Chuin-Tih Yeh, Oxidation behavior of alumina-supported platinum metal catalysts, Appl.Catal.A: General, 2001, V.209, P. 1-9.

78. Chen-Bin Wang, Hung-Kuan Lin, Sung-Nien Hsu, Tzung-Huei Huang, Hui-Chi Chiu, Enthalpies of reduction-oxidation of alumina -supported platinum, J.Molec.Catal. A: Chemical, 2002, V.188, P.201-208.

79. Смирнов М.Ю., Калинкин А.В., Пашис А.В., Сорокин A.M., Носков А.С., Бухтияров В.И., Харас К.С., Родкин М.А. II Кинетика и Катализ. 2003. т. 44. №4 с.629.