[发明专利]用于烷烃氧化脱氢或甲烷氧化偶联的非均相催化剂

说明书

本发明公开了短链烷烃或乙苯氧化脱氢(ODH)为相应烯烃的改进方法，以及甲烷氧化偶联(OCM)为乙烯和/或乙烷的改进方法。所公开的方法使用含硼或含氮化物的催化剂，并且实现比使用常规ODH或OCM催化剂的方法改进的选择性和/或副产物分布。

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年9月9日提交的美国临时申请第62/215,879号的优先权，通过引用将该申请全文纳入本文。

关于联邦资助研究或开发的声明

无

发明领域

本公开涉及使用含有硼和/或氮化物的催化剂来催化在氧化条件下发生的反应的方法，所述反应例如烷烃的氧化脱氢或甲烷的氧化偶联。

发明背景

C₃和C₄烯烃如丙烯、1-丁烯、异丁烯和丁二烯是工业合成各种重要化学产品中广泛使用的原料。生产C₃和C₄烯烃的主要工业方法是蒸汽裂化，这是一种石油化学过程，其中饱和烃被分解成更小的，通常不饱和的烃。通过蒸汽裂化获得的产品取决于进料的组成，烃与蒸汽的比例以及裂化温度和炉内停留时间。例如，主要包含乙烷的进料组合物(乙烷裂化)将导致高乙烯产率，而包含较大烃(例如石脑油)的进料组合物(石脑油裂化)将导致更高的C₃和C₄烯烃产率。

在过去的十年中，对C₃和C₄烯烃的需求超过了传统裂化装置的供应，而且这一趋势在未来十年预计会加速。例如，目前全球丙烯需求约为每年1亿吨(MTA)，并预计在未来五年内会大幅增加。这一趋势主要归因于廉价页岩气的可用性，促使许多化学公司将其石脑油裂化器转化为乙烷裂化器，从而将生产转向乙烯并远离长链C₃和C₄烯烃。因此，对C₃和C₄烯烃的需求增长速度超过仅通过裂化能够提供的速度。

由于传统蒸汽裂化生产的C₃和C烯烃没有跟上需求增长的步伐，已经开发了几种可将短链烷烃转化成相应烯烃的替代性“专用”烯烃生产技术。实例包括使用负载型CrO_x/Al₂O₃催化剂(“CATOFIN”(鲁玛斯公司(Lummus)))、负载在Al₂O₃上的Pt/Sn合金(“OLEFLEXTM”(UOP))或负载在铝酸锌上的Pt/Sn以及共进料蒸汽将短链烷烃(例如丙烷)催化脱氢(DH)为相应的烯烃(例如丙烯)((Uhde))(参见Sattler等，Chem.Rev.,2014,114(20),10613–10653)。

这些和其他目前使用的专用脱氢技术是能量密集型的，因为脱氢反应是高度吸热的。此外，因为它们需要高温条件，所以由于形成焦炭而导致实质性的催化剂失活。因此，它们需要连续的催化剂再生。另外，这些方法可能需要大幅降低的压力以将脱氢平衡移向期望的产物，这进一步导致与这些方法相关的高生产成本。

氧化脱氢(ODH)，即原料烷烃在氧存在下的催化脱氢，是传统脱氢的一种奇妙的替代方案，其解决了当前DH技术的每个缺点。当共同加入氧气作为反应物时，反应热力学会发生改变，从而导致净反应放热。因此，反应可以在低得多的反应温度下进行，导致能量成本降低和催化剂稳定性增加。进料流中的氧还消除了催化剂表面上的焦炭形成，因此不需要催化剂再生。