Катализатор для разложения закиси азота и способ осуществления процессов, включающих образование закиси азота - RU2237514C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к катализатору для разложения закиси азота (N₂O) до азота и кислорода при температурах 250-1000^оС. Изобретение включает также способ осуществления процессов, включающих образование закиси азота.

В последние годы возрос интерес к разложению N₂O, поскольку она является газом истощения для атмосферного озона (газом парникового эффекта). N₂O образуется во время каталитического окисления аммиака при получении азотной кислоты и при окислении спиртов и кетонов, например при получении адипиновой кислоты. Кроме того, при использовании N₂O, например, в качестве анестезирующего газа, вытекающий поток N₂O должен не сбрасываться в атмосферу, а разлагаться.

Хотя N₂O разлагается равномерно до некоторой степени при высоких температурах, большинство процессов включают применение катализаторов различного типа для ее разложения. Однако катализатор, который может хорошо работать в определенном температурном интервале и/или газовой смеси, содержащей N₂O, не обязательно будет хорошо работать при других рабочих условиях. Большое значение имеет также селективность катализатора, особенно если катализатор применяют при окислении аммиака перед установкой абсорбции на заводе по производству азотной кислоты. В таком случае катализатор не должен разлагать основной продукт, т.е. окись азота (NO).

Известны многочисленные катализаторы разложения N₂O, и большинство из них основаны на использовании в качестве активного компонента оксидов различных металлов, таких как оксид церия, оксид кобальта, оксид меди, оксид хрома, диоксид марганца и оксид никеля. Кроме того, известны катализаторы на основе оксидов металлов на цеолитных носителях и цеолитах с замещением переходным металлом.

Катализатор для восстановления оксидных соединений азота известен из японской заявки JP 48089185. Хотя данная заявка не упоминает специально закись азота, ее определение охватывает также окись азота. Катализатор содержит в качестве своих основных компонентов оксиды Co и Ce. В примере смесь из 249 частей ацетата кобальта и 315 частей ацетата церия растворяли в воде. ZrO₂ пропитывали этим раствором и подвергали пиролизу при 900^oC в течение 5 часов, получая катализатор, содержащий CeO₂ и Co₃O₄ на поверхности носителя ZrO₂.

Из заявки WO 93/15824 известно контактирование содержащего N₂O газа с катализатором, содержащим оксид никеля плюс оксид кобальта на субстрате из диоксида циркония, при 280^oC. Отношение оксида никеля к оксиду кобальта составляет 0,5-1:3-1. По данной заявке могут обрабатываться газы, содержащие чистую и разбавленную N₂O.

Далее из EP 207857 B1 известен катализатор, состоящий из диоксида церия и 1-20% мас. по меньшей мере Al, Si, Zr, Th или редкоземельных металлов в виде оксидов. Данная композиция, которая состоит, в основном, из диоксида церия и предпочтительно 1-5% мас. указанных оксидов металлов, может быть использована при синтезе метанола в течение продолжительного периода времени без потери удельной поверхности.

Из US 4738947 известно, что оксид металла р-типа, диспергированный на тугоплавком оксиде, таком как диоксид церия, улучшает окисление углеводородов и моноксида углерода. Заявлено далее, что дисперсия с добавлением платины на тугоплавкий оксид дает катализатор, пригодный для каталитического восстановления окиси азота вместе с углеводородами и/или моноксидом углерода. Нет указаний на каталитическое разложение окиси азота без восстановителей. Нет примеров, относящихся к закиси азота.

Заявка WO 98/32524 описывает изобретение, относящееся к каталитическому восстановлению окиси азота и к применению катализатора для восстановления окиси азота и окисления моноксида углерода и углеводородов. Основным ингредиентом является золото, которое связано в комплекс переходным металлом и прикреплено к оксидному носителю. Нет указаний на каталитическое разложение окиси азота без восстановителей. Нет примеров, относящихся к закиси азота.

В Catalysis B: Environmental 13 (1977) 69-79, R.S.Drago et al. описывают каталитическое разложение N₂O на металлоксидных носителях. Изучалось разложение N₂O с использованием оксидов металлов, нанесенных на диоксид кремния, оксид магния, оксид кальция и носители, подобные гидроталькиту. Было найдено, что CoO является наиболее активным катализатором, когда нанесен на диоксид кремния при температурах 500^oC. Катализаторы на носителе диоксиде кремния готовили заполнением пор носителя диоксида кремния нитратами металлов, сушкой при 180^oC и разложением нитратов до оксидов при 500^oC.

При нанесении CoO на MgO был получен намного более активный катализатор. Однако активность катализатора уменьшалась при обжиге при 1000^oC. Катализаторы, прокаленные при 500^oC, давали 99%-ную конверсию N₂O, тогда как катализаторы, прокаленные при 1000^oC, давали 50%-ную конверсию N₂O. Описано также получение соединения, подобного гидроталькиту, Co₃Mg₅Al₂(OH)₂OCО₃·y·H₂O. Данный предшественник прокаливали при 500^oC или 800^oC. БЭТ-анализ катализаторов Co₂O/2MgO, прокаленных при 500^oC и 1000^oC, показал соответственно удельную поверхность 118 м²/г и 4 м²/г.

Если катализатор для разложения N₂O включает оксид кобальта, как сообщалось в Journal of Chem. Soc. Faraday Trans. 1, 74 (7), 1595-603, где изучали структуру и активность твердых растворов шпинелей Co_xMg_1-xAl₂O для применения в качестве катализаторов при разложении N₂O, активность катализатора обычно возрастает, когда в октаэдраические центры структуры вводят большее количество ионов кобальта.

Основной целью настоящего изобретения являлось получение многоцелевого активного и термостойкого катализатора для разложения N₂O при температурах выше 250^oC, в особенности при температурах 800-1000^oC.

Другой целью являлся катализатор, который должен быть стабильным и сохранять свою активность на протяжении по меньшей мере нормального цикла, т.е. отрезка времени между заменой катализатора окисления аммиака.

Следующей целью является получение катализатора, который мог бы использоваться при высоких объемных скоростях и иметь высокую селективность по разложению N₂O без разложения NO.

Целью являлась также разработка способа снижения количества закиси азота в процессах, включающих образование закиси азота, таких как процессы получения азотной кислоты, получения адипиновой кислоты и сгорания углеводородов в двигателях транспортных средств.

Другой целью являлось удаление закиси азота из хвостового газа с установок получения азотной кислоты и из других выхлопных газов.

Многочисленные известные катализаторы разложения N₂O вначале оценивали в отношении их активности и термической стабильности. Из литературы известно, что оксид кобальта обладает высокой активностью, по меньшей мере, вначале для некоторых газовых смесей и при относительно низких температурах. Сообщалось, что разложение N₂O в хвостовом газе заводов азотной кислоты осуществляют с высокой активностью при использовании катализаторов, полученных из гидроталькитных предшественников, содержащих кобальт и слабо прокаленных, т.е. при 200-500^oC. Поэтому авторы настоящего изобретения начали с дальнейших исследований катализатора данного типа для получения катализатора для технологического газа. Основным требованием к новому катализатору было то, что он должен быть термически стабильным при рабочих условиях окисления аммиака. Это означает, что катализатор должен быть активным, селективным и стабильным при температурах 800-1000^oC и в газовых смесях, образовавшихся при каталитическом окислении аммиака.

Затем несколько содержащих оксид кобальта предшественников было приготовлено и прокалено в течение по меньшей мере 5 часов при температурах примерно 900^oC. Такие катализаторы сравнивали с другими известными катализаторами в начальном опыте по разложению N₂O в случае газа, содержавшего 2932 ч./млн. N₂O и 2574 ч./млн. NO, где отношение NO:N₂O составляло 0,88, при среднечасовой скорости подачи газа, GHSV 280000 ч^-1. Константы скорости для разложения определяли при 700^оС.

Эти опыты подтвердили, что Co является основным металлом в Сo-Mg-Al (эксгидротальките). Оксиды испытывали при различных GHSV и для большинства активных оксидов при конверсии, слишком высокой для того, чтобы дать точные константы скорости. Испытания термической стабильности катализаторов на основе прокаленного гидроталькита, содержащего Co, Mg и Al, проводили в течение 48 часов при примерно 900^oC. Опыты проводили при GHSV 108440 ч^-1 и при 2932 ч./млн. N₂O и 2575 ч./млн. NO, остальную часть газовой смеси составлял аргон. Для таких типов катализаторов конверсия N₂O и ее константы скорости понижались во время периода испытаний. Удельная поверхность катализатора снижалась с 9,3 до 1,3 м²/г по Б.Э.Т. Эти результаты ясно показали, что стабильность таких катализаторов сомнительна.

Затем авторы изобретения начали исследовать катализаторы на основе активных компонентов на носителе, например оксидах металлов, подобных диоксиду циркония, окиси алюминия, диоксиду церия и их смесям. Одним из преимуществ катализаторов такого типа будет снижение стоимости материала, если будет возможно по существу снизить количество активного компонента при разложении закиси азота.

Сначала кобальт-алюминиевую систему систематически оценивали в опытах на лабораторном реакторе. Состав системы Co_3-xAl_xO₄ варьировали от x=0 до x=2.

Результаты лабораторных данных по активности показаны на фигуре 1. Было установлено, что имеется повышение активности, определенной после приблизительно 90 часов работы, когда алюминий добавляют в структуру шпинели. Однако, когда отношение кобальт/алюминий было меньше чем 1, наблюдалось понижение активности. Это было неожиданным, поскольку при увеличении содержания алюминия происходит непрерывное увеличение площади поверхности. Поэтому с точки зрения удельной скорости реакции казалось выгодным работать с богатыми кобальтом шпинелями, хотя такие материалы склонны иметь низкую удельную поверхность.

Другой оксидной системой, которую также тщательно изучали, была система Co_3-xFe_xO₄, в которой x мог варьироваться от 0 до 2. Такие материалы испытывали в лабораторном микрореакторе, и результаты показаны на фигуре 2. Наивысшую активность показала CoFe₂O₄. Данная конкретная композиция может быть описана как "стабилизированный кобальтом магнетит".

Хотя эти два типа шпинелей показали высокую активность, их практическое применение в виде чистых фаз на установках не рассматривалось по следующим трем причинам: любой катализатор, содержащий высокую концентрацию кобальта, будет недопустимо дорогим, все описанные выше активные фазы за исключением богатой алюминием шпинели имеют низкую удельную поверхность, и они также дезактивируются даже при относительно низкой температуре 800^оС.

Соответственно эти фазы могут считаться полезными, только если они могут быть успешно объединены с подходящей фазой носителя. Однако многие обычные носители катализаторов не могут быть использованы для такого применения. Требуются следующие свойства: носитель должен представлять собой тугоплавкий материал, предпочтительно с температурой плавления выше 1800^оС, так чтобы он сопротивлялся спеканию и сохранял высокую удельную поверхность при условиях процесса. Далее носитель не должен существенно взаимодействовать с активной фазой, приводя к потере активности и/или селективности. Наконец, носитель должен быть легко доступным по цене, существенно более низкой, чем цена активной фазы.

Выбор подходящего носителя оказался более сложным, чем ожидалось, и скоро было понято, что возможные комбинации активной фазы и материала носителя должны тщательно оцениваться. Первым испытанным материалом носителя был оксид магния (магнезия). Затем был проведен опыт на активность на пилотной установке с фазой кобальт-алюминатной шпинели с номинальным составом Co₂AlO₄. Было найдено, что начальная активность такого катализатора была хорошей. Однако было найдено, что во время дальнейшего испытания происходит непрерывное ухудшение характеристики во времени. Детальный анализ катализатора после пилотного испытания показал, что происходил перенос кобальта из активной фазы шпинели в магнезиевый носитель. Дальнейшие исследования показали, что богатая алюминием шпинель и твердый раствор кобальт-магнезия проявляет более низкую активность, чем шпинель Co₂AlO₄, и это объясняет дезактивацию. Такой процесс будет продолжаться до тех пор, пока химическая активность кобальта в шпинели и в магнезиевом носителе не станет одинаковой. Основываясь на этих наблюдениях и опытах, магнезия была исключена как носитель для катализатора, который должен использоваться в процессе очистки газа для сброса в атмосферу.

Другим обычно используемым материалом для носителя является оксид алюминия. Однако было обнаружено, что как и для магнезиевого носителя происходит перенос переходного металла из активной фазы в оксид алюминия, приводя к образованию богатых оксидом алюминия шпинелей, которые обладают более низкой удельной скоростью, чем активные фазы богатой кобальтом шпинели или перовскита. Поэтому оксид алюминия должен быть исключен из числа перспективных материалов носителя. Подобные аргументы были высказаны против применения алюмосиликатов и алюмомагнийсиликатных носителей.

Диоксид циркония, диоксид церия и их смеси также использовались в качестве материалов носителя в некоторых катализаторах для окисления моноксида углерода и углеводородов (WO 96/14153), причем активным катализатором является благородный металл и возможно также и переходный металл. Как указывалось выше, оксид церия используют также в катализаторе для получения метанола. Такой катализатор содержит 1-20% по меньшей мере Al, Si, Zr или Th. Исходя из физических свойств диоксида церия, было решено далее исследовать этот материал носителя. Растворимость кобальта и железа в диоксиде церия является низкой и сообщалось, что скорость диффузии данных элементов в диоксид церия очень низка, в силу чего диоксид церия остается перспективным материалом. Диоксид церия в большинстве случаев будет находиться в форме CeO₂, но может быть также в форме Ce₂O₃. Были проведены лабораторные опыты с Co₃O₄/CeO₂, и активность и стабильность катализатора были наиболее многообещающими. Затем были проведены дополнительные лабораторные опыты и опыты на пилотной установке для того, чтобы установить оптимальный состав катализатора такого типа.

Образцы чистого оксида церия без компонента активной фазы также испытывали на активность по отношению к разложению N₂O в лабораторных микрореакторах при стандартных условиях испытания. При температуре 890^oC достигали конверсию 70% по сравнению с конверсиями выше 95% для лучших нанесенных на носитель шпинельных катализаторов. Эти результаты показывают дополнительное преимущество или синергизм использования оксида церия в качестве материала носителя. Вся поверхность катализатора, и активная фаза, и материал носителя, будет вносить свой вклад в разложение закиси азота. Было найдено, что в отличие от оксида церия другие материалы носителя, такие как оксид алюминия и оксид магния, полностью инертны по отношению к разложению закиси азота.

Катализаторы, нанесенные на диоксид церия, могут быть изготовлены различными путями с использованием обычных способов изготовления катализаторов. Соли кобальта, кобальт-алюминиевые соли и кобальт-железные соли могут быть осаждены на порошок оксида церия, или порошок может быть пропитан ими, и полученная суспензия может быть высушена и прокалена. Затем частицам катализатора можно придать требуемую форму таблетированием, прессованием, экструзией, и т.п. Высокая удельная поверхность диоксида церия является благоприятной и, поскольку она будет понижаться во время прокалки, следует использовать диоксид церия с высокой начальной удельной поверхностью. При рабочей температуре удельная поверхность диоксида церия должна быть больше чем 10 м²/г, предпочтительно больше чем 50 м²/г.

Изобретение дополнительно поясняется в следующих экспериментах и соответствующих таблицах и чертежах.

Фигура 1 показывает конверсию N₂O для активных фаз Co_3-xAl_xO₄ при 890^оС в лабораторном микрореакторе.

Фигура 2 показывает конверсию N₂O для активных фаз Co_3-xFe_xO₄ при 890^оС в лабораторном микрореакторе.

Фигура 3 показывает конверсию N₂O для катализаторов Co₃O₄-СeO₂ в лабораторном микрореакторе.

Фигура 4 показывает данные пилотной установки по активности по конверсии N₂O для различных катализаторов при 5 бар, 900^оС и GHSV = 66000 ч^-1.

Фигура 5 показывает данные лабораторного микрореактора по конверсии N₂O с использованием различных катализаторов согласно изобретению.

Фигура 6 показывает влияние состава катализатора и загрузки на конверсию N₂O в лабораторном микрореакторе.

Фигура 7 показывает влияние на конверсию N₂O добавления ZrO₂ к катализатору Co₂AlO₄/CeO₂.

Катализатор согласно изобретению состоит по существу из 0,1-10% мол. Co_3-xM_xO₄, где М представляет Fe или Al и x = 0-2, на носителе из оксида церия. Предпочтительный катализатор содержит также 0,01-2% мас. ZrO₂.

Катализатор на носителе предпочтительно содержит 1-5% мол. кобальтового компонента.

Носитель из оксида церия, используемый при изготовлении катализатора, должен предпочтительно иметь удельную поверхность больше чем 10 м²/г, предпочтительно больше чем 510 м²/г, при рабочей температуре.

Предпочтительными кобальтовыми компонентами в катализаторе являются Co₃O₄, Co_3-xAl_xO₄, где x = 0,25-2, или Co_3-xFe_xO₄, где x = 0,25-2.

Основным отличительным признаком способа согласно изобретению для осуществления процессов, включающих образование N₂O, является то, что содержащий N₂O газ вводят в контакт с катализатором, содержащим 0,1-10% мол. Co_3-xM_xO₄, где М представляет Fe или Al, и x = 0-2, на носителе из оксида церия при температуре 250-1000^оС. Предпочтительно использовать катализатор, который содержит также 0,01-2% мас. ZrO₂.

Когда способ согласно изобретению применяют на установках получения азотной кислоты, аммиак окисляют в присутствии катализатора окисления, и затем образовавшуюся в результате этого газовую смесь вводят в контакт с катализатором, содержащим кобальтовый компонент на носителе оксида церия, при температуре 500-1000^оС.

Хвостовой газ из установки абсорбции на выходе из установки окисления аммиака может быть введен в контакт с катализатором разложения N₂O, содержащим 0,1-10% мол. Co_3-xM_xO₄, где М представляет Fe или Al и x = 0-2, на носителе оксиде церия при температуре 250-500^оС.

Содержащая N₂O газовая смесь из процесса получения адипиновой кислоты также может обрабатываться согласно изобретению путем ввода указанного газа в контакт с катализатором разложения N₂O, содержащим 0,1-10% мол. Co_3-xM_xO₄, где М представляет Fe или Al и x = 0-2, на носителе оксиде церия при температуре 500-800^оС.

Пример 1

Данный пример показывает результаты испытаний, проведенных в лабораторном масштабе с использованием катализаторов, имеющих соответственно концентрацию Со₃О₄ 1,5 или 10% мол. на носителе оксиде церия. Конверсия N₂O (%) как функция времени показана на фигуре 3. Испытания проводили под давлением 3 бар, GHSV = 560000 ч^-1 и составе газа:

N₂O = 1200 ч./млн.

NO 10000 ч./млн.

Кислород 4%

Н₂О = 1,7%

Остальное До 100% азот

Опыты проводили при 800^оС и 890^оС. Результаты опытов показаны на фигуре 3. Эти опыты показали, что конверсия N₂O была очень высокой, около 98%. Стабильность катализатора также была многообещающей. Наилучшие результаты были получены, когда катализатор содержал 5% мол. кобальтового компонента.

Пример 2

Затем катализаторы, использованные в опытах примера 1, испытывали на пилотной установке, имевшей условия окисления аммиака. Далее опыты включали исследования свободного катализатора Co₂AlO₄ и катализатора, представляющего собой Co₂AlO₄ на носителе MgO. Катализатор конверсии N₂O помещали непосредственно ниже катализатора окисления аммиака и платиновых сеток извлечения аммиака. Опыты проводили при следующих стандартных условиях: давление 5 бар, температура 900^оС, GHSV 55000 ч^-1-110000 ч^-1. Состав газа был следующим: N₂O = 1200-1400 ч./млн.; NO = 10%; кислород = 4%; Н₂О = 16%, и остальную часть газа составляет азот (плюс Ar, CO₂, и т.д. из воздуха).

Результаты данных опытов представлены на фигуре 4 и показывают, что для наилучшего катализатора конверсия N₂O была около 95% после 100 суток работы. Разложение NO было намного ниже 0,5%, что рассматривалось как приемлемый уровень.

Фигура 4 показывает дополнительно, что и катализатор Co₂AlO₄ без носителя и такая же активная фаза на MgO теряют большую часть своей активности после нескольких суток работы.

Пример 3

Данный пример показывает результаты опытов, проведенных в течение 90 часов в лабораторном микрореакторе. Рабочие условия были такими же, как в примере 1, и опыты проводили при температурах 800^оС и 890^оС. Результаты представлены на фигуре 5, которая показывает, что алюминат кобальта на диоксиде церия является более активным катализатором, чем оксид кобальта на диоксиде церия.

Пример 4

Данный пример показывает влияние состава катализатора и загрузки на конверсию N₂O в лабораторном реакторе. Рабочие условия были такими же, как в примере 1. Опыты проводили при температуре 890^оС. Для всех катализаторов по изобретению наилучшие результаты были достигнуты при загрузке катализатора около 2% мол., но для некоторых высокая активность достигалась уже при очень низких загрузках, как показано на фигуре 6. Конверсия N₂O более 95% может быть получена при очень низкой загрузке катализатора и даже при 10% мол., но, вероятно, не удастся достичь конверсии с увеличением загрузки катализатора выше 5% мол. Следовательно, загрузка катализатора будет зависеть также от практических и экономических оценок.

Пример 5

Данный пример показывает влияние добавления ZrO₂ на характеристики катализатора Co₂AlO₄/CeO₂, установленного на пилотной установке окисления аммиака. Катализатор готовили смешением ингредиентов, как в предыдущих примерах, плюс добавление 0,01% мас. - 2% мас. мелкого порошка ZrO₂ (размер частиц 1-3 мкм). Опыты проводили при таких же стандартных условиях, как в примере 2. На фигуре 7 представлены результаты для добавления 0,22, 0,28 и 0,90% мас. ZrO₂ в сравнении с катализаторами без ZrO₂. Оптимальная концентрация в данном случае составляла 0,2% мас. Эффектом добавления ZrO₂ являлось уменьшение падения активности катализатора во времени.

В данном изобретении авторы достигли успеха в создании многоцелевого активного и термически стабильного катализатора разложения N₂O. Катализаторы по изобретению могут применяться в широком интервале температур и будут также стабильны при изменяющемся составе газа. Было обнаружено, что присутствие воды, которое часто представляет проблему, например, в связи с катализатором для выхлопа из автомобильных двигателей, не является серьезной проблемой для таких катализаторов. Соответственно новые катализаторы могут применяться для разложения N₂O в процессах, включающих образование N₂O. Катализаторы особенно полезны в сочетании с производством азотной кислоты, поскольку N₂O может быть разложена в технологическом газе, образовавшемся после окисления аммиака, без существенного разрушения NO и могут быть также использованы на хвостовом газе после последующей установки абсорбции.

Реферат

Настоящее изобретение относится к катализатору, содержащему 0,1-10% мол. Со_3-хМ_хО₄, где М представляет Fe или Al и х=0,25-2, на носителе оксиде церия для разложения N₂O в содержащих NO газах. Изобретение включает далее способ осуществления процесса, включающего образование N₂O. Содержащий N₂O газ вводят в контакт с катализатором, содержащим 0,1-10% мол. Со_3-хМ_хO₄, где М представляет Fe или Al и х=0,25-2 на носителе оксиде церия, при температуре 250-1000°С. Способ может включать стадию, на которой аммиак окисляют в присутствии катализатора окисления, и образующуюся в результате газовую смесь вводят в контакт с катализатором, содержащим кобальтовый компонент на носителе оксиде церия, при температуре 500-1000°С. Технический эффект – создание многоцелевого активного и термически стабильного катализатора разложения N₂O. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула