[發(fā)明專利]一種整體式催化劑及其制備方法和用途

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210034253.1
• 申請(qǐng)日: 2012-02-15
• 公開（公告）號(hào): CN102600853A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 路勇;陳煒;盛雯倩;劉曄;何鳴元
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華東師范大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J23/83
• 分類號(hào): B01J23/83;B01J23/89;C01B3/40
• 代理公司: 上海海頌知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31258
• 代理人: 何葆芳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種催化劑及其制備方法和用途，具體說，是涉及一種整體式催化劑及其制備方法和用途，屬于催化劑技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近幾年石油價(jià)格不斷攀升，使世界各國(guó)認(rèn)識(shí)到能源和化學(xué)工業(yè)原料不能僅以供應(yīng)不穩(wěn)定、資源有限的石油為基礎(chǔ)，促使世界各國(guó)推行實(shí)施新的能源戰(zhàn)略。天然氣以其所具有的清潔、蘊(yùn)藏量豐富、儲(chǔ)量分布廣泛和優(yōu)于其他燃料的綜合經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)而備受青睞，被認(rèn)為是未來的理想燃料和化學(xué)工業(yè)原料。天然氣中甲烷含量一般在95％左右。甲烷在常溫下不能被液化，這給存儲(chǔ)和運(yùn)輸帶來許多困難。因此，甲烷分子的活化和定向轉(zhuǎn)化，始終是科學(xué)和技術(shù)上面臨的巨大挑戰(zhàn)。

甲烷制合成氣是實(shí)現(xiàn)甲烷化工利用的重要和可行途徑之一，目前發(fā)展了蒸汽重整、部分氧化、二氧化碳重整和自熱重整等制合成氣工藝，但上述工藝均存在較強(qiáng)的熱效應(yīng)(強(qiáng)吸熱或強(qiáng)放熱)問題，針對(duì)他們的熱力學(xué)研究表明，其容易在低溫下發(fā)生副反應(yīng)積碳。事實(shí)上，由于傳統(tǒng)的固定床反應(yīng)管內(nèi)有效傳熱系數(shù)普遍較低，即使管壁溫度高達(dá)800℃，床層內(nèi)仍存在冷點(diǎn)，積碳難以避免。早在上世紀(jì)八十年代，人們就認(rèn)識(shí)到金屬顆粒催化生成的須狀積碳雖然不會(huì)影響反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，但會(huì)造成嚴(yán)重的氣堵，繼而可能引發(fā)災(zāi)難性后果。因此，為了有效控制反應(yīng)管內(nèi)的溫度，反應(yīng)器多為列管式，并且直徑被限制在80mm以下；另外，為了消除在固定床反應(yīng)器中氣體內(nèi)擴(kuò)散和外擴(kuò)散的限制，需要采用粒徑較小的催化劑顆粒和較大的氣體流速。然而以上各種促進(jìn)反應(yīng)器內(nèi)傳熱傳質(zhì)效果的措施均會(huì)造成床層兩端產(chǎn)生更大的壓降，帶來能耗和安全方面的問題，對(duì)生產(chǎn)極為不利。

整體式催化劑由于它具有幾何比表面積大、傳遞性能好、床層壓降低等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境催化及污染控制領(lǐng)域已有應(yīng)用。利用這種優(yōu)良的傳遞性能，將整體式催化劑應(yīng)用于化工領(lǐng)域中的強(qiáng)吸/放熱反應(yīng)的直接耦合，可以大幅度提高能量的利用率，實(shí)現(xiàn)流程集成化，達(dá)到過程強(qiáng)化的目的，因而在國(guó)內(nèi)外引起了研究者的高度重視。另一方面，在強(qiáng)放熱的甲烷催化燃燒體系中，傳統(tǒng)的貴金屬催化劑等存在價(jià)格昂貴，高溫穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，因而尋找一種具有高活性、高穩(wěn)定性、優(yōu)良導(dǎo)熱性、使用方便、制備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)的整體式催化材料是一個(gè)富有挑戰(zhàn)性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的研究課題。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種具有高活性、高穩(wěn)定性、優(yōu)良導(dǎo)熱性、使用方便、制備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)的整體式催化劑及其制備方法和用途，為有效解決化工領(lǐng)域中的強(qiáng)吸/放熱反應(yīng)，尤其是甲烷制合成氣反應(yīng)中的熱效應(yīng)難題提供一種新途徑。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種整體式催化劑，是由金屬微纖與催化劑顆粒組成，所述催化劑顆粒被均勻地束縛在由金屬微纖燒結(jié)形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)；且所述催化劑顆粒具有金屬相、鋁酸鈰相和氧化鋁相，其結(jié)構(gòu)通式如下：xM·yCeAlO₃·(100-x-y)Al₂O₃，通式中的M表示金屬，x表示金屬相所占的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，y表示鋁酸鈰相所占的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

作為進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述的整體式催化劑中，含金屬微纖的質(zhì)量百分比為33～99％，含催化劑顆粒的質(zhì)量百分比為1～67％。

作為更進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述的整體式催化劑中，金屬微纖所占的體積百分比為1～5％，催化劑顆粒所占的體積百分比為1～35％，余下為孔隙率。

作為更進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述的金屬微纖為銅微纖、鎳微纖或不銹鋼微纖。

作為更進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述金屬微纖的直徑為2～50μm、長(zhǎng)度為2～5mm。

作為更進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述催化劑顆粒中的M為金屬Co、Ni、Pd、Pt、Rh中的任意一種或二種的組合。

作為更進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述催化劑顆粒的結(jié)構(gòu)通式中的0.1≤x≤15，0.1≤y≤30。

作為更進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述催化劑顆粒的粒徑為20～250μm。

一種所述整體式催化劑的制備方法，包括如下步驟：

a)將金屬微纖和紙纖維加入水中攪拌成均勻分散的纖維漿；

b)制備催化劑顆粒xM·yCeAlO₃·(100-x-y)Al₂O₃

①在室溫下將Al₂O₃以等體積浸漬法浸漬于鈰鹽水溶液中，經(jīng)干燥后在空氣氛中于400～600℃下焙燒，得到改性載體；

②在室溫下將步驟①制得的改性載體以等體積浸漬法浸漬于金屬M(fèi)鹽水溶液中，經(jīng)干燥后在空氣氛中于400～700℃下焙燒，得到催化劑前驅(qū)體；