(54) Título: PRECURSOR DE CATALISADOR E CATALISADOR DE METAL MISTO SULFÍDICO BRUTO SEUS MÉTODOS DE FABRICAÇÃO E USO EM CONVERSÃO DE GÁS DE SÍNTESE EM ÁLCOOL.
(51) Int.CI.: B01J 23/887; B01J 27/051; B01J 37/00; B01J 37/20; C07C 29/151 (30) Prioridade Unionista: 06/03/2009 US 61/158,072 (73) Titular(es): ALBEMARLE EUROPE SPRL (72) Inventor(es): EDWIN NUBERG; STEPHAN JANBROERS; BOB GERARDUS OOGJEN; HARMANNUS WILLEM HOMAN FREE; SONA EIJSBOUTS-SPICKOVA; EDGAR EVERT WINKEL; FRANS LODEWIJK PLANTENGA r
1/20 ‘PRECURSOR DE CATALISADOR E CATALISADOR DE METAL MISTO SULFÍDICO BRUTO SEUS MÉTODOS DE FABRICAÇÃO E USO EM CONVERSÃO DE GÁS DE SÍNTESE EM ÁLCOOL”
CAMPO DA INVENÇÃO
Esta invenção se refere a catalisadores para a produção de alcoóis de gás de síntese, precursores de tais catalisadores e métodos de sua produção e uso.
FUNDAMENTOS
Catalisadores à base de cobalto-molibdênio-sulfeto brutos são muito adequados para a produção de alcoóis, incluindo alcoóis mistos a partir de gás de síntese (CO -I- H2). Gás de síntese pode ser produzido convencionalmente quase que de qualquer material carbonáceo, significando que catalisadores à base de cobalto-molibdênio-sulfeto brutos podem facilitar mais genericamente a conversão de material carbonáceo em alcoóis úteis tais como, por exemplo, o etanol. A maioria das rotas de síntese catalítica se baseia em reações usando amônio tetratiomolibdato ((NH-tbMoSú como uma matéria-prima e uma fonte de enxofre na presença de hidrogênio. Devido à sensibilidade ao ar dos catalisadores obtidos, as etapas de processo subsequentes, como moldagem e calcinação, precisam ser efetuadas em condições inertes. Em uma escala comercial, isto representa um verdadeiro desafio. Catalisadores do estado da técnica nesta área também apresentaram preocupações ambientais por causa dos materiais de partida empregados.
Assim, persiste uma necessidade de catalisadores de síntese de álcool aperfeiçoados e processos melhorados para sua produção e uso.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
Esta invenção fornece um novo processo para convenientemente formar um precursor de catalisador de cobalto-molibdênio oxídico substancialmente isento de nitrogênio adequado para uso na produção de um catalisador ativado útil em síntese de álcool de gás de síntese (também denominado neste documento “singás”). Através de uma etapa de tratamento de sulfetação de acordo com esta invenção, é possível transformar o precursor oxídico de metal (cobalto-molibdênio) misto mencionado anteriormente nas mesmas fases ativas que seriam obtidas através das rotas de precipitação sulfídica anteriormente conhecidas, tudo sem depender dos precursores “tio amônio” Γ 2/20 ambientalmente hostis tal como, por exemplo, amônio tetratiomolibdato. A invenção vantajosamente também fornece um precursor de catalisador que não é sensível a oxigênio até ele ter sido sulfetado. Outras rotas para catalisadores anteriores úteis para síntese de álcool de gás de síntese requeriam que o catalisador fosse mantido inerte desde o início da preparação. De fato, isto significa que a rota de produção desta invenção é menos complicada e mais rentável. Esta invenção também permite a reciclagem vantajosa do licor mãe de precursor de catalisador, porque o processo de produção de precursor é realizado na ausência de materiais de partida ambientalmente indesejáveis que contém contra íons que se acumulam no licor mãe. Por várias razões, o processo preferido da invenção atende aos mais altos padrões de produção de catalisador ambientalmente amigável e economicamente ótima. Além do fato de que os compostos de metal não contêm átomos de nitrogênio, também a reação não requer adição de amônia à mistura de reação como, por exemplo, em US 4.752.622, assim o processo é inteiramente isento de átomos de nitrogênio. Não há nenhum acúmulo de íons estranhos como amônio e/ou nitrato no licor mãe do precursor de catalisador nas repetidas reciclagens, não há nenhuma necessidade rigorosa para lavar as partículas oxídicas obtidas, há menos carga ambiental por causa do reduzido rejeito de metais de transição pesados. Como os materiais de partida permanecem pelo menos parcialmente sólidos durante a reação inteira, a quantidade de metais dissolvidos no licor mãe é pequena e, daí, as perdas são menores.
Assim, em uma modalidade, a invenção fornece um processo para sulfetar um precursor de catalisador bruto de cobalto-molibdênio para formar um catalisador de síntese de álcool sulfetado bruto, o processo compreendendo contatar um precursor de catalisador de cobalto-molibdênio bruto oxídico com uma quantidade de um composto contendo enxofre que está na faixa de cerca de 1 a cerca de 10 moles de enxofre por mol de metais, a uma ou mais temperaturas a ou acima de cerca de 300°C em um meio que é substancialmente desprovido de hidrogênio adicionado, de modo a formar um produto de catalisador de cobalto-molibdênio bruto sulfetado.
Em algumas modalidades da invenção, o precursor de catalisador bruto de cobalto-molibdênio é formado por um processo de formação de precursor compreendendo combinar carbonato (hidróxi) de cobalto ou carbonato de cobalto com óxido de molibdênio r
3/20 ou ácido molíbdico em um meio aquoso para formar o precursor de catalisador compreendendo cobalto e molibdênio.
Outra modalidade da invenção é um processo que compreende formar um precursor de catalisador de cobalto-molibdênio bruto oxídico combinando carbonato (hidróxi) de cobalto ou carbonato de cobalto com óxido de molibdênio ou ácido molíbdico em um meio aquoso para formar o precursor de catalisador em uma forma que é substancialmente isenta de átomos de nitrogênio e compreende cobalto e molibdênio; e moldar o precursor de catalisador assim formado.
Este processo ainda pode incluir:
sulfetar o precursor de catalisador em condições substancialmente desprovidas de hidrogênio adicionado para formar um catalisador bruto sulfetado;
impregnar o catalisador bruto sulfetado com um promotor para formar um produto de catalisador impregnado; e secar o produto de catalisador impregnado em uma atmosfera inerte.
Ainda outra modalidade da invenção é um processo que compreende contatar gás de síntese com um catalisador formado de acordo com os ensinamentos aqui enunciados, o processo sendo executado em condições de reação de síntese de álcool, de modo a formar um álcool.
Ainda outra modalidade da invenção é um catalisador bruto útil em síntese 20 de álcool de gás de síntese, o catalisador compreendendo um componente de cobalto, um componente de molibdênio, oxigênio e enxofre, o catalisador sendo substancialmente isento de átomos de nitrogênio.
Estas e outras modalidades, características e vantagens desta invenção serão ainda mais aparentes da descrição, dos desenhos e das reivindicações em anexo a seguir.
DESCRIÇÃO MAIS DETALHADA DA INVENÇÃO
Agora deve ser apreciado que a presente invenção permite a produção de um precursor de catalisador bruto oxídico substancialmente isento de nitrogênio, facilmente ativado através de sulfetação para uso na síntese de um ou mais alcoóis de gás de síntese. O texto seguinte apresentará uma descrição detalhada de modalidades ilustrativas da invenção, incluindo preparação de precursor, sulfetação de precursor, o uso r
4/20 do catalisador sulfetado preparado para produzir um ou mais alcoóis de gás de síntese e exemplos ilustrativos.
Para evitar dúvidas, as percentagens fornecidas em toda esta divulgação são percentagens em peso, a menos que indicado em contrário.
Preparação de precursor
O precursor de catalisador bruto de cobalto-molibdênio desta invenção é formado combinando em uma mistura (a) carbonato (hidróxi) de cobalto ou carbonato de cobalto com (b) óxido de molibdênio ou ácido molíbdico em um meio aquoso. Vantajosamente, estes materiais de partida são apenas ligeiramente solúveis em água.
Notem que (a) pode ser amplamente um componente do Grupo VIII (por exemplo, compreendendo Ni ou Co como o metal) e que (b) em geral pode ser amplamente um componente do Grupo VIB (por exemplo, compreendendo Mo ou W como o metal).
Pelo menos um componente de metal não nobre do Grupo VIII e um componente de metal do Grupo VIB são aplicados no processo da invenção. Metais do
Grupo VIB apropriados incluem cromo, molibdênio, tungstênio ou suas misturas, com molibdênio sendo mais preferido. Metais não nobres do Grupo VIII apropriados incluem ferro, cobalto, níquel ou suas misturas, preferencialmente cobalto e/ou níquel.
Os componentes de metal não nobre do Grupo VIII incluem oxalatos, carbonatos, hidróxi-carbonatos, hidróxidos, óxidos ou suas misturas, com hidróxi20 carbonatos e carbonatos sendo mais preferidos. Geralmente, a razão molar entre os grupos hidróxi e os grupos carbonato no hidróxi-carbonato está na faixa de 0 a 4, preferencialmente de 0 a 2, de mais preferência de 0 a 1 e de mais preferência 0,1 a 0,8. Em vista de obter um catalisador altamente ativo são ainda mais preferidos o carbonato de níquel ou o carbonato hidróxi tendo uma área de superfície de pelo menos 150 m2/g, ou um carbonato de cobalto ou carbonato hidróxi tendo uma área de superfície de pelo menos 50 m2/g.
Compostos de molibdênio adequados compreendem di e trióxido de molibdênio, ácidos molíbdicos (por exemplo, fhMoCh) ou suas misturas, com ácidos molíbdicos e di e trióxido de molibdênio sendo preferidos.
O diâmetro médio das partículas dos componentes de metal de preferência r
5/20 está na faixa de pelo menos 0,5 Om, mais preferencialmente pelo menos 1 Qm, mais mais preferencialmente pelo menos 2 Qm, mais preferivelmente não mais de 50 Qm, mais preferivelmente não mais de 100 Qm. Em geral, quanto menor o tamanho de partícula dos componentes de metal, mais alta a sua reatividade. Portanto, componentes de metal com tamanhos de partículas abaixo dos limites inferiores preferidos são, em princípio, uma modalidade preferida da presente invenção. No entanto, por razões de saúde, segurança e ambientais, a manipulação de tais partículas pequenas exige precauções especiais.
Em uma modalidade da invenção, a quantidade de (a) em relação à quantidade de (b) é suficiente para fornecer uma razão atômica de cobalto para molibdênio na faixa de cerca de 0,3 a cerca de 3. A quantidade de água empregada pode variar amplamente, mas tipicamente será pelo menos suficiente para formar uma pasta extraível. Em uma modalidade, a fonte de cobalto e a fonte de molibdênio são reunidas no meio aquoso e mantidas em mistura entre si por um período de tempo (o “tempo de reação”) que pode variar dependendo das condições ambientais, tal como temperatura e pressão. A temperatura da mistura de preferência é mantida na faixa de cerca de 25 °C a cerca de 95°C durante o tempo de reação. O óxido de metal misto desejado também pode ser obtido quando a reação entre os componentes do Grupo VIII e Grupo VIB ocorre em condições hidrotérmicas. O termo “condições hidrotérmicas” significa implicar condições de reação em que a temperatura de reação está acima da temperatura de ebulição da água presente. Com temperatura de ebulição queremos dizer a temperatura de ebulição à pressão atmosférica. Tipicamente essas condições dão origem a uma pressão acima da pressão atmosférica e, em seguida, a reação é executada preferencialmente em autoclave, preferencialmente em pressão autógena que é sem aplicar pressão adicional.
Na modalidade preferida, condições hidrotérmicas implicam uma pressão superior a 1 bar e a uma temperatura superior a 100°C. A reação é feita, de preferência, em uma autoclave em pressão elevada autógena e temperaturas entre 110°C e 170°C. De um ponto de vista de economia de processo é mais atraente para usar condições de reação atmosféricas. Tipicamente, a temperatura de reação em condições atmosféricas é inferior a 100°C.
O tempo de reação, em ambas as condições de reação hidrotérmicas e
6/20 atmosféricas, é escolhido suficientemente longo para completar substancialmente a reação. Os tempos de reação podem ser muito curtos, por exemplo, menos de 1 hora com reagentes altamente reativos. Claramente, tempos de reação mais longos, talvez tanto quanto 24 horas, podem ser necessários para matérias-primas com baixa reatividade. O tempo de reação pode, em algumas circunstâncias, variar inversamente com a temperatura.
Sem estar vinculado à teoria, acredita-se que, neste momento, o óxido de metal misto (por exemplo, de cobalto e molibdênio) é formado e só CO2 evolui.
Mediante término do tempo de reação, se necessário, o sólido pode ser separado do líquido, por exemplo, através de filtragem. Tipicamente lavagem não é necessária. Convenientemente, qualquer filtrado do licor mãe pode ser reciclado para fazer uso de componentes de mistura remanescentes no mesmo. Após filtragem da mistura resultante, a torta de filtro do precursor pode ser moldada. O precursor tipicamente será moldado antes da sulfetação. Preferencialmente, as partículas de precursor bruto sejam como tais ou compreendendo quaisquer materiais adicionais (descritos abaixo) são submetidas a uma ou mais das seguintes etapas de processo de (i) composição com um material selecionado do grupo de materiais ligantes, (ii) secagem por pulverização, secagem instantânea (flash), moagem, amassamento, mistura de pasta, mistura a seco ou úmida ou combinações das mesmas, (iii) formação, (iv) secagem e/ou tratamento térmico e (v) sulfetação.
Se assim desejado, Mo adicional pode ser adicionado ao precursor de óxido de metal misto durante ou após sua preparação, a fim de ajustar a razão atômica de Co para Mo, por exemplo, para abaixo de 1 em uma modalidade e aproximadamente 0,5 em outra modalidade. Em outra modalidade, MoO3 e/ou ácido molíbdico são adicionados à pasta do precursor de óxido de metal misto antes da separação sólido-líquido. Em outra modalidade preferida, MoO3 e/ou ácido molíbdico são adicionados à torta de filtro do precursor no amassador.
Se assim desejado, materiais ligantes podem ser adicionados durante a preparação das partículas de precursor de catalisador bruto ou às partículas após a sua preparação. As partículas de precursor de catalisador geralmente são incorporadas no t
7/20 material ligante que funciona como uma cola para reter as partículas juntas. Preferencialmente, as partículas são distribuídas homogeneamente dentro do ligante. A presença do ligante geralmente leva a uma resistência mecânica elevada da composição de catalisador final. O material ligante de acordo com esta invenção significa um ligante e/ou um precursor do mesmo. Se um precursor for adicionado na forma de uma solução, devese tomar cuidado para que o ligante seja convertido para o estado sólido durante o processo da invenção. Isto pode ser feito ajustando as condições de pH de tal forma que a precipitação do ligante ocorra. Condições adequadas para a precipitação do ligante são conhecidas daqueles versados na técnica e não precisam de mais explicações. Se a quantidade de líquido da composição de catalisador resultante for alta demais, opcionalmente, uma separação sólido-líquido pode ser efetuada.
Adicionalmente, novos materiais tais como promotores básicos, metais de transição adicionais, metais de terras raras ou suas misturas podem ser adicionados durante a preparação das partículas de precursor de catalisador bruto.
Os materiais ligantes a serem aplicados podem ser quaisquer materiais aplicados convencionalmente como ligantes em catalisadores de síntese de álcool ou catalisadores Fischer-Tropsch. Exemplos são sílica, sílica-alumina, alumina, titânia, zircônia, argilas catiônicas ou argilas aniônicas, tal como saponita, bentonita, caulim, sepiolita ou hidrotalcita ou suas misturas. Ligantes preferidos são sílica, sílica-alumina, alumina, titânia, zircônia, bentonita, atapulgita ou suas misturas. Estes ligantes podem ser aplicados como tal ou após peptização. Também é possível aplicar precursores destes ligantes que durante o processo da invenção são convertidos em qualquer um dos ligantes descritos acima.
Se desejado, o material ligante pode ser composto com um composto contendo metal do Grupo VIB (por exemplo, Mo ou W) e/ou um composto contendo metal não nobre do Grupo VIII (por exemplo, Co ou Ni) e/ou promotor básico (descrito abaixo), antes de ser composto com a composição de precursor de catalisador bruto e/ou antes de ser adicionado durante a preparação do mesmo. A composição do material ligante com qualquer um destes compostos contendo metal pode ser efetuada por impregnação do ligante com estes materiais. Técnicas de impregnação adequadas são conhecidas daqueles
8/20 versados na técnica.
Por conseguinte, pela adição de um material ligante, a atividade da composição de catalisador bruto pode ser reduzida. Além disso, a adição de material ligante leva a um aumento considerável da resistência mecânica da composição de catalisador final. Portanto, a quantidade de material ligante a ser adicionado no processo da invenção geralmente depende da atividade desejada e/ou da resistência mecânica desejada da composição de catalisador final.
O ligante pode ser adicionado durante a preparação das partículas de precursor de catalisador bruto (ver acima), após a preparação da composição de precursor de catalisador bruto, mas antes de qualquer etapa (ii) e/ou durante e/ou após qualquer etapa (ii) mas antes de qualquer etapa de formação (iii).
De preferência, o ligante é adicionado após a preparação das partículas de precursor de catalisador bruto e antes da secagem por pulverização ou qualquer técnica alternativa, ou, se secagem por pulverização ou técnicas alternativas não forem aplicadas, antes da formação. Opcionalmente, a composição de precursor de catalisador bruto preparada como descrito acima pode ser submetida a uma separação sólido-líquido antes de ser composta com o ligante. Após a separação sólido-líquido, opcionalmente, uma etapa de lavagem pode ser incluída. Além disso, é possível tratar termicamente a composição de precursor de catalisador bruto após uma etapa de separação sólido-líquido e secagem opcional e antes dela ser composta com o ligante.
Opcionalmente, mais materiais, tal como compostos promotores básicos (descritos abaixo), compostos de metais de transição adicionais, compostos de metais de terras raras ou suas misturas, podem ser incorporados na composição de precursor de catalisador. Metais de transição adicionais adequados são, por exemplo, manganês, tântalo, ródio e paládio. Metais de terras raras adequados são, por exemplo, lantânio e tório. Estes metais podem ser adicionados em qualquer estágio do processo da presente invenção antes da etapa de formação. Além da adição destes metais durante o processo da invenção, também é possível compor a composição de catalisador final com os mesmos. Assim, é possível impregnar a composição de catalisador final com uma solução de impregnação compreendendo qualquer um destes materiais.
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As partículas de precursor de catalisador bruto, opcionalmente compreendendo qualquer um dos materiais acima (adicionais), podem ser submetidas à secagem por pulverização, secagem instantânea (flash), moagem, amassamento, mistura de pasta, mistura a seco ou úmida ou combinações destes, com uma combinação de mistura úmida e amassamento ou mistura de pasta e secagem por pulverização sendo preferida. Estas técnicas podem ser aplicadas ou antes ou depois de qualquer um dos materiais acima (adicionais) ser adicionado (se for), após a separação sólido-líquido, antes ou depois de um tratamento térmico e após re-umectação subsequente.
Se assim desejado, o precursor de catalisador bruto, opcionalmente 10 compreendendo qualquer um dos materiais acima (adicionais), pode ser formado opcionalmente após a etapa (ii) ter sido aplicada. A formação compreende extrusão, pelotização, formação de contas e/ou secagem por pulverização. Deve-se notar que se a composição de catalisador tiver que ser aplicada em reatores tipo pasta, leitos fluidificados, leitos móveis ou leitos expandidos, geralmente secagem por pulverização ou formação de contas é aplicada. Para aplicações de leito fixo ou leito efervescente, geralmente a composição de catalisador é extrusada, peletizada e/ou feita em contas. A forma e o tamanho do catalisador podem variar e dependerão tipicamente da aplicação pretendida do catalisador. No último caso, em qualquer estágio antes ou durante a etapa de formação, quaisquer aditivos que convencionalmente são usados para facilitar a formação podem ser adicionados. Estes aditivos podem compreender estearato de alumínio, surfactantes, grafite, amido, metil celulose, bentonita, atapulgita, polietileno glicóis, óxidos de polietileno ou suas misturas.
Depois de uma etapa opcional de secagem, de preferência acima de 100°C, a composição de precursor de catalisador formada resultante pode ser termicamente tratada se desejado. Um tratamento térmico, no entanto, não é essencial para o processo da invenção. Um “tratamento térmico” de acordo com a invenção se refere a um tratamento realizado a uma temperatura de, por exemplo, 100 a 1000°C, de preferência de 120 a 600°C, por um período que varia de 0,5 a 48 horas em um gás inerte, tal como nitrogênio, ou em um gás contendo oxigênio, tal como o ar ou oxigênio puro. O tratamento térmico pode ser efetuado na presença de vapor d’água.
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Em todas as etapas do processo acima a quantidade de líquido deve ser controlada. Se, por exemplo, antes de submeter a composição de catalisador à secagem por pulverização a quantidade de líquido for muito baixa, líquido de adição deve ser adicionado. Se, por outro lado, por exemplo, antes da extrusão da composição de catalisador a quantidade de líquido for alta demais, a quantidade de líquido deve ser diminuída, por exemplo, por meio de separação sólido-líquido através de, por exemplo, filtragem, decantação ou evaporação e, se necessário, o material resultante pode ser secado e posteriormente re-umectado em certa medida. Para todas as etapas de processo acima, está dentro do escopo daqueles versados na técnica controlar a quantidade de líquido adequadamente.
A produção de precursor pode ser conduzida tanto como um processo em batelada, processo semicontínuo quanto processo contínuo.
Sulfetação de Precursor
Sulfetação geralmente é realizada contatando as partículas de precursor de 15 catalisador bruto diretamente após sua preparação ou após qualquer uma das etapas de processo (i) a (iv) descritas acima com um composto contendo enxofre. A etapa de sulfetação pode ser conduzida na fase líquida ou gasosa. É preferível que a sulfetação não seja realizada antes de qualquer etapa de processo pela qual os sulfetos de metal obtidos revertam para seus óxidos. Essas etapas de processo são, por exemplo, um tratamento térmico ou secagem por pulverização ou qualquer outro tratamento de alta temperatura se realizado em uma atmosfera contendo oxigênio.
O composto contendo enxofre empregado para sulfetar o precursor de catalisador bruto oxídico tipicamente será enxofre elementar, sulfeto de hidrogênio, bissulfeto de dimetil, um ou mais polissulfetos orgânicos ou uma mistura de dois ou mais dos precedentes. Exemplo de polissulfetos orgânicos adequados incluem polissulfeto de diterc-butil, polissulfeto de di-terc-dodecil, polissulfeto de di-terc-nonil. Em uma determinada modalidade, o composto contendo enxofre é sulfeto de hidrogênio. A quantidade de composto contendo enxofre empregada é suficiente· para fornecer na faixa de cerca de 1 a cerca de 10 moles de enxofre por mole de metais (Co + Mo total). Da literatura tal como, por exemplo, Catai. Lett. 121:151-157 (2008), acredita-se que o
11/20 desempenho do catalisador depende em parte da população de grupos -SH e/ou S22' na superfície disponíveis no catalisador. A população de grupos -SH e/ou S22' depende do teor de enxofre do catalisador, isto é, catalisadores com teor de enxofre mais alto eventualmente conterão um número mais alto de grupos -SH e/ou S22' nas condições de reação. Assim, a razão de enxofre para metais maior que 1 é preferida. De mais preferência, a razão de enxofre para metais é superior a 1,2.
A etapa de sulfetação é efetuada preferencialmente a uma temperatura de ou acima de 300°C. Em uma modalidade, a etapa de sulfetação é efetuada a uma temperatura de ou acima de 350°C.
O meio no qual é efetuada a sulfetação é substancialmente desprovido de hidrogênio adicionado. Pode ser utilizada uma combinação de um gás inerte (por exemplo, nitrogênio) e do composto contendo enxofre. A quantidade de composto contendo enxofre deve ser selecionada para maximizar a sulfetação do óxido de metal misto no precursor. Quando o composto contendo enxofre é H2S em mistura com gás inerte, a quantidade de
H2S está tipicamente na faixa de cerca de 20 a 100% em volume. Em outra modalidade, o precursor de óxido de metal misto é impregnado com enxofre elementar fundido e em seguida a isso aquecido até uma temperatura acima de 350 °C em atmosfera inerte.
Depois da sulfetação, elementos adicionais, opcionalmente, podem ser impregnados no substrato catalítico sulfetado para intensificar o desempenho do catalisador. A impregnação de componentes adicionais no catalisador sulfetado e a secagem posterior devem ser efetuadas em atmosfera inerte. Exemplos de elementos adicionais adequados incluem promotores, tal como compostos de metal de transição (por exemplo, manganês, tântalo, ródio, paládio), materiais de metal de terras raras (por exemplo, lantânio, tório) e/ou promotores básicos. Promotores básicos adequados incluem, por exemplo, K, Li, Na, Rb e Cs, metais alcalinos terrosos e de terras raras. Bases não metálicas também podem servir como promotores eficazes, em algumas modalidades.
Como observado anteriormente, esses metais podem ser adicionados em qualquer estágio do processo da invenção incluindo, mas não se limitando a, antes da etapa de formação do precursor ou como uma etapa final.
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Síntese de álcool de gás de síntese
A conversão de gás de síntese em um ou mais alcoóis usando catalisadores formados de acordo com esta invenção pode ser efetuada em várias condições de processo conhecidas. Todas essas condições de processo podem também ser denominadas neste documento como “condições de reação de síntese de álcool”. A esse respeito, exemplos de condições de reação de síntese de álcool adequadas são ensinados nas patentes US 4.752.622 e 4.882.360 e Pedido de Patente US 20090018371, cujas divulgações são incorporadas neste documento por referência.
O álcool produzido por meio do uso do catalisador sulfetado desta invenção em um processo de conversão de gás de síntese de preferência é um álcool alifático ou uma mistura de alcoóis alifáticos. Exemplos não limitantes adequados de alcoóis alifáticos incluem metanol, etanol, 1-propanol, 1-butanol e similares, incluindo todos os isômeros conhecidos.
Os exemplos a seguir são apresentados para fins de ilustração e não se destinam a impor limitações ao escopo desta invenção.
EXEMPLO 1
Um óxido de metal misto foi preparado misturando 1,06 kg de cobaltohidróxi-carbonato (28% em peso de Co), 1,14 kg de MoO3 (65,7 % em peso de Mo), 269 g de carbonato de potássio (99,5% de pureza), 375 g de um ligante de argila na forma de atapulgita (LOI = 20,5%), um mineral de argila tipo agulha composto de silicato de magnésio-alumínio tendo uma dimensão lateral acima de 1 micrômetro e 500 ml de água desmineralizada usando um misturador. A mistura que foi obtida tinha um LOI de 40,1% em peso e foi extrusada em uma forma de quadrilóbulo de 3 mm. Posteriormente, a amostra foi secada a 120°C durante a noite.
EXEMPLO 2 gramas de uma amostra obtida do Exemplo 1 foram sulfetados usando uma mistura de H2S (60% em volume) e N2 (40% em volume) durante aquecimento com rampa de 5°C por minuto até 350°C, mantendo a esta temperatura durante 120 minutos. Para evitar oxidação, a amostra foi armazenada em gás nitrogênio. A quantidade total de enxofre dosado, expressa em mole de enxofre por mole de metais foi de 6,0. A razão
13/20 atômica de enxofre para metais da amostra foi de 2:3. O catalisador obtido foi usado para realizar a síntese de álcool de gás de síntese usando o procedimento a seguir:
4,2 gramas de uma amostra esmagada com um tamanho de partícula entre 0,4 e 0,6 mm, foram carregados em um reator de aço inoxidável selável com diâmetro interno de 16 mm. A temperatura do catalisador foi monitorada por um termopoço (3 mm de diâmetro) dentro do leito de catalisador (que estava dentro da zona isotérmica do forno).
Toda a manipulação foi feita em caixa de luva para prevenir oxidação do catalisador. O reator foi, então, pressurizado até 95 bar usando nitrogênio e aquecido até
150°C com uma mistura de 50,7% de H2, 31,9% de CO e 17,4% de N2. A amostra foi, então, aquecida com uma rampa de 2°C/minuto até 310°C. Após um período de estabilização de 20 a 28 horas, pelo qual todos os produtos foram mantidos na fase gasosa, amostras de gás foram analisadas usando GC. Os resultados são mostrados na Tabela abaixo.
EXEMPLO 3
Um óxido de metal misto foi preparado misturando 1,691 kg de cobaltohidróxi-carbonato (44,6% em peso de Co), 0,921 kg de MoO3 (65,7% em peso de Mo), 352 g de carbonato de potássio (99,5% de pureza), 491 g de atapulgita (LOI=20,0%), um mineral de argila tipo agulha composto de silicato de magnésio-alumínio tendo uma dimensão lateral acima de 1 micrômetro e 1700 ml de água desmineralizada usando um misturador. A mistura que foi obtida tinha um LOI de 49,6% em peso e foi extrusada em uma forma de quadrilóbulo de 3 mm. Posteriormente, a amostra foi secada a 120°C durante a noite. A amostra obtida foi sulfetada usando uma mistura de H2S (60% em volume) e N2 (40% em volume) durante aquecimento com rampa de 5°C por minuto até
350°C, mantendo a esta temperatura por 180 minutos. Para evitar oxidação, a amostra foi armazenada em gás nitrogênio. A quantidade total de enxofre dosada, expressa em mole de enxofre por moles de metais foi de 6,0. A razão atômica de enxofre para metais da amostra foi de 1:5. A amostra obtida foi utilizada para realizar síntese de álcool de gás de síntese usando o procedimento descrito no Exemplo 2. Os resultados são mostrados na
Tabela abaixo. Os resultados do Exemplo 3, quando comparados ao Exemplo 2, mostram
14/20 que quando uma razão Co:Mo de 2,0 é usada, um catalisador satisfatório pode ser obtido, mas um catalisador feito com uma razão Co:Mo menor é superior.
EXEMPLO 4
100 gramas de uma amostra obtida do Exemplo 1 foram sulfetados usando 5 uma mistura de H2S (60% em volume) e N2 (40% em volume) durante aquecimento com rampa de 5°C por minuto até 350°C, mantendo a esta temperatura por 240 minutos. Para evitar oxidação, a amostra foi armazenada em gás nitrogênio. A quantidade total de enxofre dosada, expressa em mole de enxofre por moles de metais foi de 10,0. A razão atômica de enxofre para metais da amostra foi de 1:7. A amostra obtida foi utilizada para realizar a síntese de álcool de gás de síntese usando o procedimento descrito no Exemplo 2. Os resultados são mostrados na Tabela abaixo. Os resultados do Exemplo 4, quando comparados ao Exemplo 2, mostram que quando a quantidade total de enxofre dosada é de 10,0 moles de enxofre por moles de metais, um catalisador satisfatório pode ser obtido, mas um catalisador feito com um nível inferior de dosagem é superior. Sem estar vinculado a qualquer teoria, os inventores deste documento teorizam que a exotermicidade da reação pode desempenhar um papel. Em outras palavras, níveis mais elevados de enxofre levam a temperaturas superficiais de catalisador mais altas que influenciam negativamente o desempenho do catalisador final.
EXEMPLO 5
100 gramas de uma amostra obtida do Exemplo 1 foram sulfetadas usando uma mistura de H2S (60% em volume) e N2 (40% em volume) durante aquecimento com rampa de 5°C por minuto até 300°C, mantendo a esta temperatura por 180 minutos. Para evitar a oxidação, a amostra foi armazenada em gás nitrogênio. A quantidade total de enxofre dosada, expressa em mole de enxofre por moles de metais foi de 6,0. A razão atômica de enxofre para metais da amostra foi de 1:7. A amostra obtida foi utilizada para realizar a síntese de álcool de gás de síntese usando o procedimento descrito no Exemplo 2. Os resultados são mostrados na Tabela abaixo. Os resultados do Exemplo 5, quando comparados ao Exemplo 2, mostram que a temperatura de sulfetação de 300°C leva a resultados semelhantes em relação a uma temperatura de sulfetação de 350°C.
EXEMPLO 6
15/20
100 gramas de uma amostra obtida do Exemplo 1 foram sulfetadas usando uma mistura de H2S (60% em volume) e N2 (40% em volume) durante aquecimento com rampa de 5°C por minuto até 400°C, mantendo a esta temperatura por 220 minutos. Para evitar a oxidação, a amostra foi armazenada em gás nitrogênio. A quantidade total de enxofre dosada, expressa em mole de enxofre por moles de metais foi de 5,2. A razão atômica de enxofre para metais da amostra foi de 2:3. A amostra obtida foi utilizada para realizar a síntese de álcool de gás de síntese usando o procedimento descrito no Exemplo 2. Os resultados são mostrados na Tabela abaixo. Os resultados do Exemplo 5, quando comparados ao Exemplo 2, mostram que uma temperatura de sulfetação de 400°C leva a resultados semelhantes em relação a uma temperatura de sulfetação de 350°C.
EXEMPLO 7 quilogramas de água desmineralizada foram dosados em um tanque de aço de 120 litros e posteriormente aquecidos até 60°C. Uma quantidade de 9,71 kg de cobalto-hidróxi-carbonato (45,5% em peso de Co) foi adicionada. Durante agitação mantendo um vórtice, 10,82 kg de MoO3 (65,7 % em peso de Mo) foram dosados em 10 minutos. Após esta etapa, outros 20 kg de água desmineralizada foram dosados. A mistura foi aquecida até a temperatura de reação final de 95°C. Depois de 25 horas à temperatura de reação, a mistura foi filtrada.
EXEMPLO 8
Uma parte da torta de filtro do Exemplo 7 foi secada durante a noite a
120°C. 1,5 kg da torta de filtro seca (43,4% em peso de sólidos) foram adicionados a um misturador junto com 797 g de base seca MoO3 (65,7% em peso de Mo), 16 gramas de uma hidroximetiletilcelulose, 519 g de atapulgita (LOI = 20,5%), um mineral de argila tipo agulha composto de silicato de magnésio-alumínio tendo uma dimensão lateral acima de 1 micrômetro e 460 g de carbonato de potássio (99,5% de pureza). A mistura foi aquecida para evaporar o excesso de água até um LOI de extrusão de 36,3% em peso ser obtido. A mistura que foi obtida foi extrusada em uma forma de quadrilóbulo de 3 mm. Posteriormente, a amostra foi secada a 120°C durante a noite. A amostra obtida foi sulfetada com uma mistura de H2S (60% em volume) e mistura de N2 (40% em volume) durante aquecimento com rampa de 5°C por minuto até 450°C, mantendo a esta
16/20 temperatura durante 120 minutos. Para evitar oxidação, a amostra foi armazenada em gás nitrogênio. A quantidade total de enxofre dosada, expressa em mole de enxofre por moles de metais foi de 2,7. A amostra obtida foi utilizada para realizar a síntese de álcool de gás de síntese usando o procedimento como descrito no Exemplo 2. Os resultados são mostrados na Tabela abaixo.
EXEMPLO 9
4,63 kg de torta de filtro de base úmida do Exemplo 7 (contendo 32,4% em peso de sólidos) foram adicionados a um misturador juntamente com 10 gramas de uma hidroximetiletilcelulose, 375 g de atapulgita (LOI = 20,0%), um mineral de argila tipo agulha composto de silicato de magnésio-alumínio tendo uma dimensão lateral acima de 1 micrômetro e 200 g de carbonato de potássio (99,5% de pureza). A mistura foi aquecida para evaporar o excesso de água até um LOI de extrusão de 38,8% em peso ser obtido. A mistura que foi obtida foi extrusada em uma forma de quadrilóbulo de 3 mm. Posteriormente, a amostra foi secada a 120°C durante a noite. A amostra obtida foi sulfetada com uma mistura de H2S (60% em volume) e mistura de N2 (40% em volume) durante aquecimento com rampa de 5°C por minuto até 400°C, mantendo a esta temperatura por 190 minutos. Para evitar a oxidação, a amostra foi armazenada em gás nitrogênio. A quantidade total de enxofre dosada, expressa em mole de enxofre por moles de metais foi de 6.0. A amostra obtida foi utilizada para realizar a síntese de álcool de gás de síntese usando o procedimento descrito no Exemplo 2. Os resultados são mostrados na Tabela abaixo. Os resultados do Exemplo 9, quando comparados ao Exemplo 8, mostram que em uma razão de Co:Mo de 1,0 um catalisador satisfatório pode ser obtido, mas um catalisador tendo uma razão de Co:Mo de 1,0 não é tão ativo como um catalisador tendo uma razão de Co:Mo de 0,5. Além disso, aumenta a razão de MeOH/EtOH.
EXEMPLO 10 (COMPARATIVO)
Um óxido de metal misto foi preparado misturando 1,74 kg de cobaltohidróxi-carbonato (28% em peso de Co), 1,87 kg de MoO3 (65,7% em peso de Mo), 437 g de carbonato de potássio (99,5% de pureza), 616 g de atapulgita (LOI = 20,5%), um mineral de argila tipo agulha composto de silicato de magnésio-alumínio tendo uma
17/20 dimensão lateral acima de 1 micrômetro, 20,0 g de uma hidroximetiletilcelulose e 900 ml de água desmineralizada usando um misturador. A mistura que foi obtida tinha um LOI de 40,5% em peso e foi extrusada em uma forma de quadrilóbulo de 3 mm. Posteriormente, a amostra foi secada a 120°C durante a noite. A amostra obtida foi sulfetada com uma mistura de H2S (15% em volume) e N2 (85% em volume) durante aquecimento com rampa de 5°C por minuto até 350°C, mantendo a esta temperatura durante 120 minutos. Para evitar a oxidação, a amostra foi armazenada em gás nitrogênio. A quantidade total de enxofre dosada, expressa em mole de enxofre por moles de metais foi de 1,2. A amostra obtida foi utilizada para realizar a síntese de álcool de gás de síntese usando o procedimento descrito no Exemplo 2. Os resultados mostram que abaixando a quantidade de enxofre durante a ativação tem um efeito negativo na atividade e na produção de álcool total. Além disso, aumenta a razão de MeOH/EtOH.
EXEMPLO 11 (COMPARATIVO)
100 gramas de uma amostra obtida do Exemplo 1 foram sulfetadas usando uma mistura de H2S (7% em volume), H2 (5% em volume) e N2 (88% em volume) durante aquecimento com rampa de 5°C por minuto até 350°C, mantendo a esta temperatura para 190 minutos. Para evitar a oxidação, a amostra foi armazenada em gás nitrogênio. A quantidade total de enxofre dosada, expressa em mole de enxofre por moles de metais foi de 6,0. A razão atômica de enxofre para metais da amostra foi de 1:7. A amostra obtida foi utilizada para realizar a síntese de álcool de gás de síntese usando o procedimento descrito no Exemplo 2. Os resultados mostram que uma sulfetação com hidrogênio leva a uma conversão de CO inferior e uma seletividade inferior para etanol.
EXEMPLO 12
4,63 kg de torta de filtro de base úmida do Exemplo 7 (contendo 32,4% em peso de sólidos) foram adicionados a um misturador junto com 0,981 kg de MoO3 (65,7% em peso de Mo), 15 gramas de hidroximetiletilcelulose, 547 g de atapulgita (LOI = 20,0%), um mineral de argila tipo agulha composto de silicato de magnésio-alumínio tendo uma dimensão lateral acima de 1 micrômetro. A mistura foi aquecida para evaporar o excesso de água até um LOI de extrusão de 34,9% em peso ser obtido. A mistura que
18/20 foi obtida foi extrusada em uma forma de quadrilóbulo de 3 mm. Posteriormente, a amostra foi secada a 120°C durante a noite. 100 g da amostra obtida foram sulfetados usando uma mistura de H2S (60% em volume) e mistura de N2 (40% em volume) durante aquecimento com rampa de 5°C por minuto até 450°C, mantendo a esta temperatura por
190 minutos. Para evitar oxidação, a amostra foi armazenada em gás nitrogênio. A quantidade total de enxofre dosada, expressa em mole de enxofre por moles de metais foi de 5,3. 50 gramas da amostra sulfetada foram impregnados através de impregnação de umidade incipiente usando uma solução de 6,0 g de K2CO3 (99,9% de pureza) em 30,0 ml de água desmineralizada em atmosfera de nitrogênio. Depois de dosar, as amostras foram envelhecidas por 1 hora depois do que a amostra foi secada aquecendo com uma rampa de 5°C/minuto até 190°C por 1 hora. A amostra final foi armazenada em nitrogênio. A amostra obtida foi utilizada para realizar a síntese de álcool de gás de síntese usando o procedimento descrito no Exemplo 2. Os resultados são mostrados na Tabela abaixo. Em comparação com o Exemplo 8, ela mostra que a pós-impregnação com potássio leva a um desempenho de catalisador semelhante ao potássio introduzido por co-extrusão.
|
Exemplo # |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
Tempo de
corrida, Hr
Atividade |
21,8 |
23,4 |
23,1 |
23,7 |
27,3 |
23,9 |
23,7 |
24,7 |
24,6 |
24,7 |
|
Conversão CO % |
25,1 |
13,5 |
15,4 |
26,1 |
27,6 |
14,0 |
11,0 |
14,3 |
18,7 |
13,7 |
|
Seletividade |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CH4 sei. mol%
CO2 sei. mol%
MeOH sei. mol%
EtOH sei. mol%
Razão
% MeOH/% EtOH |
9,7
31,0
25.1
34.2 1,5 |
9.2
25.1
35.1
30,6
2.3 |
9,3
29.1
31.2
30,4
2,1 |
12.3
31,8
23.5
32.4
1.5 |
10,0
32,2
22.4
35.4 1,3 |
8,4
31,1
27,5
33,0
1,7 |
16,0
33,0
31.5
19.5 3,2 |
9,8
29,0
31,0
30,2
2,1 |
9,8
25,9
35,0
29,3
2,4 |
7,2
24.5
33,3
33.5 2,0 |
|
Produção
MeOH/EtOH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
g. MeOH/Hr/g. cat |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
g.EtOH/Hr/g.cat |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
19/20
|
Análise
úmida |
química |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Razão
Co:Mo |
molar |
0,5 |
2,0 |
0,5 |
0,5 |
0,5 |
0,5 |
1,0 |
0,5 |
0,5 |
0,5 |
|
Razão S/metais (mol/mol) |
2,3 |
1,4 |
1,6 |
1,6 |
2,3 |
1,8 |
0,7 |
1,7 |
1,3 |
1,3 |
Deve-se entender que os reagentes e componentes referenciados por nome ou fórmula química em qualquer lugar no presente documento, sejam referenciados no singular ou no plural, são identificados como eles existem antes de entrar em contato com outra substância referenciada pelo nome químico ou tipo químico (por exemplo, outro reagente, um solvente ou etc.). Não importa que mudanças, transformações e/ou reações químicas preliminares, se houver, ocorram na mistura resultante ou no meio de solução ou reação, pois, tais mudanças, transformações e/ou reações são o resultado natural de reunir os reagentes e/ou componentes especificados nas condições exigidas em conformidade com esta divulgação. Assim, os reagentes e componentes são identificados como ingredientes a serem reunidos em relação à execução de uma operação ou reação química desejada ou na formação de uma mistura a ser utilizada na realização de uma operação ou reação desejada. Além disso, mesmo que uma modalidade possa se referir a substâncias, componentes e/ou ingredientes no tempo presente (“é composto de”, “compreende”, “é”, etc.), a referência é à substância, ao componente ou ingrediente como eles existiam no momento pouco antes de eles serem contatados pela primeira vez, misturados ou combinados com uma ou mais outras substâncias, componentes e/ou ingredientes de acordo com a presente divulgação.
Além disso, mesmo que as reivindicações possam se referir às substâncias no tempo presente (por exemplo, “compreende”, “é”, etc.), a referência é à substância como ela existia no momento logo antes dela ser contatada pela primeira vez, misturada ou combinada com uma ou mais outras substâncias de acordo com a presente divulgação.
Exceto como possa ser expressamente indicado de outra forma, o artigo “um” ou “uma” se e como usado neste documento não se destina a limitar e não deve ser interpretado como limitando a descrição ou uma reivindicação a um único elemento ao qual se refere o artigo. Em vez disso, o artigo “um” ou “uma” se e como usado neste documento se destina a cobrir um ou mais desses elementos, a menos que o texto indique
20/20 expressamente o contrário.
Toda e qualquer patente ou outra publicação ou documento publicado referenciado em qualquer parte deste relatório é incorporada in toto nesta divulgação por referência, como se totalmente aqui enunciada.
Esta invenção é suscetível a uma variação considerável dentro do espírito e escopo das reivindicações em anexo.
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