[发明专利]铁基费-托催化剂

说明书

关于联邦资助的研究或开发的陈述

不适用。

技术领域

本申请一般涉及费-托(Fischer-Tropsch(FT))催化剂。更具体地，涉及铁基费-托催化剂及其制备和使用方法。更具体地，本发明涉及大体上包括磁铁矿的铁基费-托催化剂。

背景技术

费-托合成被认为是提供液体化石燃料的代替品的有效途径。费-托(FT)合成将为包括氢和一氧化碳的气体(也称为“合成气”)的合成气体催化转换成高分子量烃产品。费-托合成被本领域中已知的多种费-托催化剂催化，并且生成从甲烷到链烷烃蜡具有多达一百多个碳原子的脂肪族烃。

通过费-托合成转换的合成气体通常从煤或天然气中得到，并且合成的液烃可被进一步处理以提供想要的化工产品、API重燃料等。费-托催化的选择取决于将要被转换的合成气体中的烃与一氧化碳的摩尔比率。该摩尔比率取决于产生成合成气体的材料和用于生成合成气体的方法。从天然气得到的合成气体通常具有范围从约1.8到约2.5的烃与一氧化碳的摩尔比率。因此，通常理想的是，用于从煤得到的合成气体合成烃的费-托催化剂具有充分大的水煤气变换(water gas shift，WGS)活性，借此水和一氧化碳被转化成氢和二氧化碳，从而为费-托催化剂提供额外的氢。

铁基费-托催化剂助催水煤气变换反应，从而使得它们对于与煤型合成气体一起使用来说是有吸引力的。通常通过沉淀诸如硝酸铁等水溶铁类物料，可选地在诸如硝酸钾和硝酸亚铜等助催剂和诸如二氧化硅等粘合剂存在时，制备铁基费-托催化剂。煅烧和活化被用于制备在费-托合成中使用的沉淀铁粉。沉淀铁粉的煅烧通常包括加热以将金属转化成诸如赤铁矿(Fe₂O₃)等相应的氧化物。

在存在活性气体时，煅烧的催化剂的活化通常在费-托生产反应器外(非原位)或生产反应器内(原位)经过预处理执行。活化将催化剂成分改变到活性更好的形式。所形成的催化剂的活性取决于活化条件，例如但不限于活性气体、活化温度概要(profile)、活化压力、和活性气体的流速。传统上大家相信，铁基费-托催化剂是氧化铁、碳化铁(Fe_xC,2≤x≤3)、和金属铁(α-Fe)的混合物，其中氧化铁包括赤铁矿(Fe₂O₃)、磁铁矿(Fe₃O₄)等。迄今为止，对于活化的铁基费-托催化剂和为催化费-托合成负责的相的性质，还没有共识。

因此，工业上非常需要活化铁基费-托催化剂的方法和为延长费-托合成呈现适当的活性和耐久性的活化的铁基费-托催化剂。

发明内容

本文披露了一种包括磁铁矿的铁基费-托催化剂，其特征是对应于(311)、(511)、(440)和(400)的可积X射线衍射，使得(400)反射与(300)反射的相对强度小于约39％。在实施例中，(400)反射与(311)反射的相对强度小于约37％。在实施例中，(400)反射到(311)反射的相对强度约小于35％。在实施例中，(511)反射、(440)反射、或二者相对于(311)反射的强度在所期望的磁铁矿的强度范围内。在实施例中，(511)反射相对于(311)反射的强度在从约24到约29的范围内，(440)反射相对于(311)反射的强度在从约44到约68的范围内，或二者都是。在实施例中，铁基费-托催化剂进一步包括χ-Fe₅C₂。在实施例中，铁基费-托催化剂具有在至少400个小时内小于约1％/周的失活率。在实施例中，铁基费-托催化剂具有在至少700个小时内小于约1％/周的失活率。

在实施例中，催化剂是进一步包括铜和钾的沉淀的铁催化剂。在实施例中，铁基费-托催化剂包括每100gFe约1g到约6g铜。铁基费-托催化剂可进一步包括每100gFe约1g到约6g钾。铁基费-托催化剂可包括每100gFe约6g到约30g二氧化硅。

在实施例中，所披露的铁基费-托催化剂用于在提供多于1000小时的运行催化活性(catalytic activity on stream)，同时有至少85％的一氧化碳转化。在实施例中，铁基费-托催化剂用于产生平均α值至少为0.95的费-托合成产品。在实施例中，铁基费-托催化剂用于产生二氧化碳选择性小于40摩尔百分数(±3摩尔百分数)的费-托合成产品。在实施例中，铁基费-托催化剂用于产生甲烷选择性小于1.5摩尔百分数的费-托合成产品。