TiO2納米管負(fù)載Ni-Mo加氫脫硫催化劑的生產(chǎn)工藝研究

劉 豐，王德慧，宋官龍，宮 哲，趙德智

（遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001）

TiO2納米管負(fù)載Ni-Mo加氫脫硫催化劑的生產(chǎn)工藝研究

劉 豐，王德慧，宋官龍，宮 哲，趙德智

（遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001）

采用水熱合成法制備TiO2納米管粉體。經(jīng)浸漬、Ni-Mo負(fù)載等工藝研究，生產(chǎn)一種具有適宜孔徑、比表面積和催化性能的加氫脫硫催化劑。取得了相關(guān)工藝參數(shù)，為工業(yè)化生產(chǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。最終確定:當(dāng)焙燒溫度為350 ℃時(shí)，得到孔徑為92.4 nm，比表面積為232.2 m2/g，孔容為0.85 mL/g，金屬含量為NiO≥2.2%，MoO3≥19.3%的加氫脫硫催化劑TNM-2。

TiO2納米管；負(fù)載；加氫脫硫催化劑；生產(chǎn)工藝

實(shí)現(xiàn)成品油的無硫和低芳是解決大氣顆粒物污染（PM2.5）的重要手段之一。已經(jīng)實(shí)施柴汽油國IV（主要指標(biāo)為硫含量從原來150×10-6下降至50 ×10-6）和即將實(shí)施的國V（硫含量低于10×10-6）標(biāo)準(zhǔn)，并且相關(guān)芳烴指標(biāo)也將下降至20%左右（保證其抗爆性）[1]。由于我國原油含硫率較低，在工藝上沒有設(shè)置專門成品油深度脫硫裝置，通過改變?cè)O(shè)備和現(xiàn)有的成套催化加氫工藝的手段來實(shí)現(xiàn)柴汽油的深度脫硫和脫芳將難有質(zhì)的改變。催化劑載體的改良成為突破這個(gè)亟需解決難題的重要手段[2-5]。

采用人工可控管徑的納米管粉體作為催化加氫材料的載體，發(fā)揮這種材料自身獨(dú)特的管狀形貌微觀結(jié)構(gòu)、可控管徑、耐高溫以及剛性較強(qiáng)等特點(diǎn)[6,7]，經(jīng)過精密的制備手段，將金屬活性中心負(fù)載于其表面，有目的的調(diào)控其微觀結(jié)構(gòu)。再通過合理的生產(chǎn)工藝調(diào)節(jié)，最終制備具有與現(xiàn)有工業(yè)化生產(chǎn)催化能力相當(dāng)?shù)拇呋託涿摿虼呋瘎8]。本文采用水熱合成法制備粉體TiO2納米管，經(jīng)浸漬、Ni-Mo負(fù)載、焙燒等工藝研究，生產(chǎn)幾種具有適宜孔徑、比表面積和催化性能的加氫脫硫催化劑。取得了工藝參數(shù)，為工業(yè)化生產(chǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。闡述該催化材料的生產(chǎn)工藝過程、重要的工藝參數(shù)及物料平衡等相關(guān)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

TiO2粉末（純度＞99.9%）；NaOH，分析純；HCl，分析純；MoO3，分析純；NiO，分析純；

高壓反應(yīng)釜（定制）；馬弗爐（上海向北實(shí)業(yè)有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)室制備TiO2納米管粉體及條件

TiO2納米管粉體的制備方法主要有電化學(xué)陽極氧化法、模板法和水熱合成法。本實(shí)驗(yàn)選用水熱合成法主要是因?yàn)楫a(chǎn)品直接在高溫高壓條件下生成、產(chǎn)品形態(tài)較好、分布均勻、能耗低、發(fā)育完整和耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。摒棄了模版法和陽極氧化法產(chǎn)品成本極高、能耗高等缺點(diǎn)，水熱合成法完全適用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

實(shí)驗(yàn)室制備方法參照文獻(xiàn)方法[9]：將10 g高純TiO2粉末加入到200 mL已配置好的10 mol·L-1的NaOH溶液中，室溫?cái)嚢?0 min。然后在反應(yīng)釜中，160 ℃下反應(yīng)2 h后，機(jī)械攪碎固體部分，繼續(xù)反應(yīng)24 h。室溫下，過濾得TiO2納米管前體。然后將固體部分加入到pH=2.5的鹽酸溶液中攪拌2 h，過濾，再用蒸餾水洗至pH值為中性，低溫烘干即得TiO2納米管粉體前體。

1.3 實(shí)驗(yàn)室金屬負(fù)載過程及條件

所得TiO2納米管前體載體采用分步共浸法均勻浸漬鉬和鎳鹽溶液，浸漬液中按組分的質(zhì)量計(jì)含25 g/100 mL的MoO3，8 g/100 mL的NiO。然后低溫烘干，壓條成型。最后分別300、350和400 ℃條件下，在馬弗爐中進(jìn)行焙燒，得到三種不同形貌數(shù)據(jù)的納米管載體催化劑TNM-1，TNM-2，TNM-3。該焙燒過程同時(shí)也是淬火過程，載體由無定形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殇J鈦礦相以穩(wěn)定所制備的TiO2納米管。其物理性質(zhì)如表1所示。

表1 三種制備脫硫催化劑基本物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of the hydrodesulfurization catalyst

工業(yè)化生產(chǎn)中需要充分考慮能耗及設(shè)備等成本等問題，本實(shí)驗(yàn)選取最催化劑為TNM-2，因?yàn)殡S著焙燒和淬火過程溫度的升高，催化劑的比表面積降低。這是因?yàn)門iO2納米管中銳鈦礦相的含量隨著溫度增加而增加。并且，TNM-2與目前工業(yè)化生產(chǎn)中相關(guān)脫硫催化劑具有相似物理性質(zhì)和相似的催化性能。

2 工業(yè)化技術(shù)路線及工藝方案

2.1 工業(yè)化技術(shù)路線

關(guān)于本工藝的具體物料數(shù)據(jù)及相關(guān)工藝流程簡圖見圖1。

2.2 工藝方案及特點(diǎn)

2.2.1 載體生產(chǎn)

TiO2納米管催化劑載體的生產(chǎn)過程主要由四個(gè)步驟組成。這四個(gè)步驟包括批量配制和混合、水熱合成、酸交換、干燥。其中最關(guān)鍵的步驟為水熱合成和酸交換。

圖1 浸漬、焙燒法制備催化劑工藝流程簡圖Fig.1 Process diagram of the preparation of catalyst

首先精確稱量物料TiO2粉末，并由橋式起重機(jī)從地面輸送到固體給料漏斗中。

NaOH液配制系統(tǒng)中，NaOH用集中混合器上的稱重秤來準(zhǔn)確稱取。水通過流量計(jì)加入集中混合機(jī)中，高速攪拌并混合。集中混合機(jī)卸料到水熱合成系統(tǒng)。水熱合成系統(tǒng)為連續(xù)式含機(jī)械攪拌裝置高壓反應(yīng)釜反應(yīng)器。水熱合成結(jié)束，降溫，卸料至過濾裝置。再經(jīng)過濾與調(diào)節(jié)pH值，水洗直至pH值到中性。再在60 ℃條件下進(jìn)行烘干。干燥機(jī)是一個(gè)被隔板分成兩個(gè)區(qū)的帶式干燥機(jī)，在兩個(gè)區(qū)都有向下流動(dòng)的空氣。

2.2.2 金屬負(fù)載

催化劑成品生產(chǎn)線用于對(duì)生成載體進(jìn)行金屬浸漬。成品生產(chǎn)線操作可分為下列幾個(gè)步驟：裝載載體、金屬浸前液配制、浸漬、壓條、干燥、焙燒、產(chǎn)品冷卻和包裝。

（1）金屬浸前液配制

金屬浸前液配制數(shù)量將滿足多批載體的浸漬需求。首先，用水溶解定量的金屬鹽或氧化物以配成浸前液。DCS系統(tǒng)控制水和粉料以及配制系統(tǒng)中一連串的操作。

（2）浸漬

載體的浸漬在轉(zhuǎn)鼓中進(jìn)行。轉(zhuǎn)鼓外部為蒸汽加熱套，用以加熱。真空泵可允許液體和氣體注入轉(zhuǎn)鼓中并將排出氣體通過排放管排出。浸漬后，干燥和壓條機(jī)壓條。

（3）活化（高溫?zé)崽幚恚?/p>

浸漬和壓條后載體已經(jīng)進(jìn)行了部分的表面干燥，最后的干燥工序?qū)⒃诨罨癄t中進(jìn)行。完全干燥的浸后載體送至活化爐高溫區(qū)進(jìn)行高溫?zé)崽幚怼魉蛶Ц鶕?jù)指定的催化劑制備方法設(shè)定操作時(shí)間?；罨癄t是一個(gè)有四區(qū)傳送帶的加熱爐。每一區(qū)都有一臺(tái)循環(huán)風(fēng)機(jī)，向每一區(qū)的帶與床從頂部提供流動(dòng)風(fēng)。每一區(qū)的循環(huán)風(fēng)溫度由管式間接火焰加熱器控制?？諝庠谶M(jìn)入加熱爐之前先進(jìn)入循環(huán)風(fēng)機(jī)。整個(gè)爐內(nèi)的空氣平衡至關(guān)重要，并且氣體排出和進(jìn)入必須適量，從而保證爐內(nèi)的負(fù)壓。負(fù)壓可以使空氣從活化爐的兩端進(jìn)入。向高溫區(qū)注入氯氣，以保證特定的產(chǎn)品質(zhì)量。活化帶將產(chǎn)品卸載到氧化卸載升降機(jī)，從升降機(jī)再送到催化劑冷卻器。

3 結(jié) 論

（1）小試采用水熱合成法制備適宜孔容和大比表面積的TiO2納米管粉體載體，將金屬活性中心Mo和Ni負(fù)載于其表面。經(jīng)載體制備、金屬浸漬和焙燒工藝，最終確定當(dāng)焙燒溫度為350 ℃時(shí)，得到孔徑為92.4 nm，比表面積為232.2 m2/g，孔容為0.85 mL/g，金屬量為NiO≥2.2%, MoO3≥19.3%的加氫脫硫催化劑TNM-2，為工業(yè)化生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)。

（2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)室小試研發(fā)成果，簡要闡述該催化材料的生產(chǎn)工藝過程、重要的工藝參數(shù)及物料平衡等相關(guān)數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)催化劑生產(chǎn)的連續(xù)性操作，為其工業(yè)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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Study on Production Technology of TiO2Nanotube Powders Loaded Ni-Mo as Hydrodesulfurization Catalyst

LIU Feng，WANG De-hui，SONG Guan-long，GONG Zhe，ZHAO De-zhi
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

The TiO2nanotube powders were synthesized by hydrothermal method. Through technology research on dipping and Ni-Mo loading, a hydrodesulfurization catalyst with big specific surface-area, suitable pore size and catalytic performance was prepared. Based this reaction, the relevant process data was obtained, which could provide basic data for industrial production. The results show that, when the calcination temperature is 350 ,℃ the catalyst TNM-2 with pore diameter of 92.4 nm, specific surface area of 232.2 m2/g and pore volume of 0.85 mL/g can be obtained.

TiO2nanotube powder; Load; Hydrodesulfurization catalyst; Production technology

TQ 426

： A

： 1671-0460（2015）01-0012-03

2013年國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：201310148006；遼寧省科技廳博士科研啟動(dòng)基金計(jì)劃，項(xiàng)目號(hào)：20131063；遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：L2012133。

2014-11-21

劉豐（1986-），男，遼寧葫蘆島人，精細(xì)化工工藝。E-mail：361808886@qq.com。

王德慧（1981-），男，講師，博士，重質(zhì)油再加工。E-mail：dhuiwang@aliyun.com。