Изобретение относится к катализаторам и способам получения закиси азота (N2O) путем окисления аммиака кислородом или кислородсодержащим газом. Закись азота находит широкое применение в различных областях народного хозяйства: в полупроводниковой, парфюмерной, медицинской и пищевой промышленности. Описан катализатор и способ получения закиси азота путем окисления аммиака кислородом или кислородсодержащим газом, включающим марганецсодержащий активный компонент, оксид железа, оксид щелочноземельного металла и оксид алюминия. Катализатор содержит в качестве активного компонента композицию, представляющую собой смешанную аморфную оксидную фазу нестехиометрического состава MnBixOy (0,05
x
2,24; 2,08
y
5,36) или смесь MnBixOy и марганецсодержащей кристаллической фазы. Процесс получения закиси азота путем окисления аммиака кислородом или кислородсодержащим газом в присутствии марганецсодержащего катализатора вышеуказанного состава проводят при температуре 250-450oС. Технический эффект - получение активного и селективного в отношении закиси азота катализатора с пониженным содержанием активного компонента. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к катализаторам и способам получения закиси азота (N2O) путем окисления аммиака кислородом или кислородсодержащим газом. Закись азота находит широкое применение в различных областях: в полупроводниковой, парфюмерной, медицинской и пищевой промышленности. В последние годы появилась еще одна область применения - каталитическое окисление закисью азота бензола в фенол.
Потребности закиси азота в различных сферах обусловили повышенный интерес к разработке различных методов ее получения. Известно несколько способов получения закиси азота, среди которых можно выделить ряд каталитических методов: 1. Каталитическое восстановление монооксида азота (NO) либо оксидом углерода (СО), либо водородом, либо смесью монооксида углерода и водорода (синтез-газ) в присутствии гомогенных катализаторов [ЕР 054965, С 01В 21/22, 1982].
2. Каталитическое восстановление монооксида азота либо монооксидом углерода, либо водородом, либо смесью оксида углерода и водорода (синтез-газ) в присутствии гетерогенных катализаторов, в качестве которых используют благородные металлы платиновой группы, нанесенные на носители, например, 1-5 мас.% Ru-Pt/Al
2O
3 (SiO
2, ZrO
2, TiO
2) [ЕР 036761, С 01 В 21/22, 2000].
3. Каталитическое окисление аммиака кислородом в присутствии гетерогенных катализаторов на основе оксидов металлов.
Известен ряд оксидных катализаторов для получения закиси азота путем окисления аммиака, в частности, на основе диоксида марганца: МnO
2-Вi
2О
3 [pat. DE, No 503200, 1930; Pat. CSR, No 158091, 1973]; MnO
2-CuO [ЕР 799792, С 01 В 21/22, 1997]; МnO
2-Вi
2О
3-Fе
2O
3 [рat. DE, No. 503200, 1930; ЕР 799792, C 01 B 21/22, 1997]; MnO
2-CoO-NiO [ЕР 799792, C 01 B 21/22, 1997].
Известен ряд катализаторов, не содержащих оксида марганца, а именно: Со
3O
4-Аl
2O
3 [Справочник: Каталитические свойства веществ./Под ред. В.А. Ройтера, 1968]; Pr
2O
3-Nd
2O
3-CeO
2 [ЕР 799792, C 01 B 21/22, 1997].
Наиболее близким к предлагаемому катализатору является катализатор для получения закиси азота, в состав которого входят оксиды марганца, висмута и алюминия при содержании компонентов, мас.%: МnO
2 5,0-35,0; Вi
2O
3 4,5-30,0, Аl
2O
3 90,5-35 [патент РФ 2102135, B 01 J 23/18, 1998; WO 9825698, B 01 J 23/18, 1998]. Катализатор применяют для получения закиси азота путем окисления аммиака кислородсодержащим газом. В частности, на катализаторе, содержащем, мас. %: МnO
2 13 Вi
2O
3 11 Аl
2O
3 76, при обработке реакционной смеси состава 9 об. % NH
3, 9 об.%, O
2 82 об.% Не, при времени контакта 0,7 с и температуре реакции 350
oС получают следующие показатели процесса: степень превращения аммиака (Х
NH3) 99,2%, селективность по N
2O (S
N2O) и по NO (S
NO) - 87 и 2,8% соответственно.
К недостаткам этого катализатора относится относительно высокая нижняя граница содержания оксидов МnO
2 и Bi
2O
3 в составе катализатора, не менее 9,5 мас.%, для получения необходимой селективности по N
2O. Известный катализатор показывает достаточно высокий выход NO в процессе окисления аммиака, который является вредной примесью для последующего использования целевого продукта. Известный катализатор имеет достаточно высокий насыпной вес в пределах 0,9-1,4 г/см
3, что затрудняет его использование в аппаратах кипящего слоя из-за невозможности реализации турбулентного режима работы.
Изобретение решает задачу получения активного и селективного катализатора в отношении закиси азота путем окисления аммиака кислородом или кислородсодержащим газом, в том числе с пониженным содержанием активного компонента.
Задача решается катализатором получения закиси азота, включающим марганецсодержащий активный компонент, оксид щелочноземельного металла, оксид железа и оксид алюминия. Катализатор содержит в качестве активного компонента композицию, представляющую собой смешанную аморфную Mn-Bi оксидную фазу нестехиометрического состава MnBi
xO
y(0,05

х

2,24; 2,08

у

5,36), или смесь аморфной фазы MnBi
xO
y и кристаллической марганецсодержащей фазы.
Содержание компонентов в катализаторе, мас.%: MnBi
xO
y или смесь MnBi
xO
y и кристаллической марганецсодержащей фазы - 0,75-65,0; оксид алюминия 0,005-99,24; оксид железа 0,005-99,24, оксид или смесь оксидов щелочноземельных металлов 0,005-99,24.
В качестве кристаллической марганецсодержащей фазы он содержит оксид марганца Мn
2O
3 и/или соединение состава Bi
2Mn
4O
10.
Содержание кристаллической марганецсодержащей фазы составляет, мас.%: 0,005-25,0.
Катализатор содержит оксид или смесь оксидов щелочноземельных металлов, выбранных из ряда: Mg, Ca, Sr, Ba.
Катализатор может дополнительно содержать шпинель вида MAl
2O
4, где М - щелочноземельный металл.
Задача решается также способом получения закиси азота путем окисления аммиака кислородом или кислородсодержащим газом в присутствии марганецсодержащего катализатора вышеуказанного состава, процесс проводят при температуре 250-450
oС.
Катализатор готовят пропиткой оксида алюминия азотнокислым раствором солей марганца, висмута, железа и щелочноземельного металла с последующими стадиями сушки при 120-150
oС и прокаливания при 400-750
oС. Либо готовят пропиткой гранул, содержащих оксиды щелочноземельных металлов и оксид алюминия с последующими стадиями сушки при 120-150
oС и прокаливания при 400-750
oС, либо осаждением с последующим смешением и формовкой компонентов катализатора в гранулы нужной формы с последующими стадиями сушки при 120-150
oС и прокаливания при 400-750
oС. Готовые катализаторы после прокалки по данным РФА не содержат в своей структуре фаз оксидов MnO
2 и Bi
2O
3, наблюдается присутствие характерного "галло" смешанной аморфной фазы MnBi
xO
y.
В случае прокалки катализаторов при температурах выше 550-600
oС в структуре катализатора может наблюдаться образование кристаллических фаз оксида Мn
2O
3 и/или смешанного соединения Bi
2Mn
4O
10. Полученные катализаторы характеризуются достаточно высокой селективностью по N
2O в реакции окисления аммиака кислородсодержащими смесями, даже для образцов с относительно низким содержанием активного компонента: смешанной аморфной Mn-Bi оксидной фазы; дают пониженный выход NO после реакции; могут иметь низкий насыпной вес. Так, при содержании активного компонента в катализаторе МnВi
хО
у/МО-Fе
2O
3-Аl
2O
3 существенно меньшем, чем в катализаторе прототипа МnO
2-Вi
2O
3/Аl
2O
3, селективность в закись азота в реакции окисления аммиака на указанном выше катализаторе составляет 87-88% при температуре реакции 350-360
oС.
Существенными отличительными признаками предлагаемого катализатора являются состав катализатора и структура активного компонента.
Каталитические свойства предлагаемых катализаторов в реакции окисления аммиака кислородсодержащими смесями исследуют в проточной установке и оценивают по селективности в целевой продукт N
2O и на присутствие побочных примесей NO. Реакционную смесь состава: 8 об.% МН
3, 9 об.% O
2, He - остальное, пропускают через слой катализатора фракционного состава 0,25-0,50 мм при объемной скорости 3600 ч
-1. Температура реакции составляет 350
oС. Состав исходной реакционной смеси и продуктов реакции анализируют хроматографически; концентрацию NO определяют с помощью анализатора ECOM-Omega (Австрия).
Каталитические свойства образцов предлагаемых катализаторов и прототипа приведены в таблице.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. 60 г гранул носителя Аl
2О
3, содержащего 0,0024 г MgO, 0,024 г СаО и 0,004 г Fе
2O
3, пропитывают азотнокислым раствором, полученным растворением 39,59 г соли Мn(NО
3)
2
6Н
2O и 16,65 г соли Вi(NO
3)
3
5Н
2O в 5% растворе HNO
3. Влажные гранулы сушат под ИК сушилкой до сухого сыпучего состояния, затем сушат в сушильном шкафу при температуре 120
oС в течение 4 часов. Затем образец прокаливают в печи при температуре 400-650
oС в течение 6 часов. Полученный катализатор имеет состав, мас. %: MnBi
0,25O
2,38 25,0; Аl
2О
3 74,962; MgO 0,003; СаО 0,03; Fе
2O
3 0,005. РФА образца показывает отсутствие в составе катализатора кристаллических фаз оксидов МnO
2 и Вi
2O
3. Катализатор испытывают в реакции окисления аммиака кислородсодержащей смесью в тестовых условиях, описанных выше. Селективность по закиси азота (S
N2O) и оксиду азота (S
NO) составляет соответственно 87,4 и 2,4%.
Пример 2. 58,4 г гранул носителя Аl
2О
3, содержащего 0,004 г Fе
2O
3 пропитывают азотнокисльм раствором, полученным растворением 39,59 г соли Мn(NO
3)
2
6Н
2O, 16,65 г соли Вi(NO
3)
3
5Н
2O и 10,24 г соли Mg(NО
3)
2
6H
2O в 5% растворе HNO
3. Влажные гранулы сушат под ИК сушилкой до сухого сыпучего состояния, затем сушат в сушильном шкафу при температуре 120
oС в течение 4 часов. Затем образец прокаливают в печи при температуре 400-650
oС в течение 6 часов. Полученный катализатор имеет состав, мас.%: MnBi
0,25O
2,38 25,0; MgO 2,0; Fe
2О
3 0,005; Аl
2О
3 72,995. РФА образца катализатора показывает отсутствие в составе катализатора кристаллических фаз оксидов МnО
2 и Вi
2O
3. Катализатор испытывают в реакции окисления аммиака кислородсодержащей смесью в тестовых условиях, описанных выше. Селективность по закиси азота (S
N2O) и оксиду азота (S
NO) составляет соответственно 87,8 и 0,2%.
Пример 3. 60 г гранул носителя MgO, содержащего 0,004 г Аl
2О
3 и 0,004 г Fе
2О
3, пропитывают азотнокислым раствором, полученным растворением 39,59 г соли Мn(NО
3)
2
6Н
2O и 16,65 г соли Вi(NO
3)
3
5Н
2O в 5% растворе НNО
3. Влажные гранулы сушат под ИК сушилкой до сухого сыпучего состояния, затем сушат в сушильном шкафу при температуре 120
oС в течение 4 часов. Затем образец прокаливают в печи при температуре 400-650
oС в течение 6 часов. Полученный катализатор имеет состав, мас.%: MnBi
0,25O
2,38 25,0; MgO 74,99; Fе
2O
3 0,005; Аl
2О
3 0,005. РФА образца катализатора показывает отсутствие в составе катализатора кристаллических фаз оксидов МnO
2 и Вi
2O
3. Катализатор испытывают в реакции окисления аммиака кислородсодержащей смесью в тестовых условиях, описанных выше. Селективность по закиси азота (S
N2O) и оксиду азота (S
NO) составляет соответственно 87,0 и 0,3%.
Пример 4. 60 г гранул носителя Аl
2О
3, содержащего 0,003 г Fе
2O
3, 0,0024 г MgO и 0,024 г СаО, пропитывают азотнокислым раствором, полученным растворением 1,0 г соли Мn(NО
3)
2
6Н
2O и 0,32 г соли Вi(NО
3)
3
5Н
2O в 5% растворе HNО
3. Влажные гранулы сушат под ИК сушилкой до сухого сыпучего состояния, затем сушат в сушильном шкафу при температуре 120
oС в течение 4 часов. Затем образец прокаливают в печи при температуре 400-650
oС в течение 6 часов. Полученный катализатор имеет состав, мас.%: MnBi
0,19O
2,29 0,75; Fе
2O
3 0,005; MgO; СаО 0,04; Аl
2О
3 99,201. РФА образца катализатора показывает отсутствие в составе катализатора кристаллических фаз оксидов МnO
2 и Вi
2O
3. Катализатор испытывают в реакции окисления аммиака кислородсодержащей смесью в тестовых условиях, описанных выше. Селективность по закиси азота (S
N2O) и оксиду азота (S
NO) составляет соответственно 80,5 и 1,1%.
Пример 5. 60 г гранул носителя Аl
2О
3, содержащего 0,0024 г MgO и 0,0016 г СаО, пропитывают азотнокислым раствором, полученным растворением 39,59 г соли Мn(NО
3)
2
6Н
2O, 13,32 г соли Вi(NO
3)
3
5Н
2O и 8,08 г соли Fе(NО
3)
3
9Н
2O в 5% растворе НNО
3. Влажные гранулы сушат под ИК сушилкой до сухого сыпучего состояния, затем сушат в сушильном шкафу при температуре 120
oС в течение 4 часов. Затем образец прокаливают в печи при температуре 400-650
oС в течение 6 часов. Полученный катализатор имеет состав, мас.%: MnBi
0,25O
2,38 25,0; Аl
2О
3 72,995; MgO 0,003; СаО 0,002; Fе
2O
3 2,0. РФА образца показывает отсутствие в составе катализатора кристаллических фаз оксидов МnO
2 и Вi
2O
3. Катализатор испытывают в реакции окисления аммиака кислородсодержащей смесью в тестовых условиях, описанных выше. Селективность по закиси азота (S
N2O) и оксиду азота (S
NO) составляет, соответственно, 87,9 и 0,25%.
Пример 6. Суспензию, содержащую, г; Аl
2О
3 30,0; Fе
2О
3 0,004; Мn(NО
3)
2
6Н
2O 104,97; Вi(NО
3)
3
5Н
2O 56,76 в азотнокислом растворе, нейтрализуют известковой водой до рН 7. Оставляют стоять в течение 30 мин и фильтруют. Влажный осадок формуют в гранулы и сушат на воздухе. Затем сушат в сушильном шкафу при 120-140
oС и покаливают при 400-500
oС в течение 4 часов. Полученный катализатор имеет состав, мас.%: MnBi
0,32O
2,48 65,0; CaO 2,0; Fе
2O
3 0,005; Аl
2О
3 32,995. РФА образца катализатора показывает отсутствие в составе катализатора кристаллических фаз оксидов МnО и Вi
2O
3. Катализатор испытывают в реакции окисления аммиака кислородсодержащей смесью в тестовых условиях, описанных выше. Селективность по закиси азота (S
N2O) и оксиду азота (S
NO) составляет соответственно 82,2 и 2,0%.
Пример 7. 60 г гранул носителя MgAl
2O
4 пропитывают азотнокислым раствором, полученным растворением 29,69 г соли Мn(NО
3)
2
6Н
2O, 10,93 г соли Bi(NO
3)
3
5H
2O и 3,79 г соли Fe(NО
3)
3
9H
2O в 5% растворе НNО
3. Влажные гранулы сушат под ИК сушилкой до сухого сыпучего состояния, затем сушат в сушильном шкафу при температуре 120
oС в течение 4 часов. Затем образец прокаливают в печи при температуре 400-650
oС в течение 6 часов. Полученный катализатор имеет состав, мас. %: MnBi
0,22O
2,33 19,0; Fе
3О
3 1,0; MgO 22,5; Аl
2О
3 57,5. РФА образца показывает отсутствие в составе катализатора кристаллических фаз оксидов МnO
2 и Вi
2O
3. Катализатор испытывают в реакции окисления аммиака кислородсодержащей смесью в тестовых условиях, описанных выше. Селективность по закиси азота (S
N2O) и оксиду азота (S
NO) составляет соответственно 87,5 и 0,5%.
Пример 8. 60 г гранул носителя Аl
2О
3, содержащего 0,0024 г MgO, 0,024 г CaO и 0,004 г Fе
2O
3, пропитывают азотнокислым раствором, полученным растворением 42,23 г соли Mn(NO
3)
2
6H
2O и 15,32 г соли Вi(NO
3)
3
5Н
2O в 5% растворе НNО
3. Влажные гранулы сушат под ИК сушилкой до сухого сыпучего состояния, затем сушат в сушильном шкафу при температуре 120
oС в течение 4 часов. Затем образец прокаливают в печи при температуре 400-650
oС в течение 6 часов. Полученный катализатор имеет состав, мас.%: MnBi
0,25O
2,38 23,0; Мn
2O
3 2,0; Аl
2О
3 74,962; MgO 0,003; CaO 0,03; Fе
2O
3 0,005. РФА образца показал отсутствие в составе катализатора кристаллических фаз оксидов МnO
2 и Вi
2O
3. Катализатор испытывают в реакции окисления аммиака кислородсодержащей смесью в тестовых условиях, описанных выше. Селективность по закиси азота (S
N2O) и оксиду азота (S
NO) составляет соответственно 87,2 и 1,2%.
Пример 9. 60 г гранул носителя Аl
2О
3, содержащего 0,0024 г MgO, 0,024 г СаО и 0,004 г Fе
2О
3, пропитывают азотнокислым раствором, полученным растворением 40,2 г соли Мn(NО
3)
2
6Н
2O и 16,65 г соли Вi(NО
3)
3
5Н
2О в 5% растворе HNO
3. Влажные гранулы сушат под ИК сушилкой до сухого сыпучего состояния, затем сушат в сушильном шкафу при температуре 120
oС в течение 4 часов. Затем образец прокаливают в печи при температуре 400-650
oС в течение 6 часов. Полученный катализатор имеет состав, мас.%: MnBi
0,25O
2,38 20,0;, Мn
4О
3 1,58; Bi
2Mn
4O
10 3,42; Аl
2О
3 74,962; MgO 0,003; СаО 0,03; Fе
3О
3 0,005. РФА образца показал отсутствие в составе катализатора кристаллических фаз оксидов MnO
2 и Вi
2O
3. Катализатор испытывают в реакции окисления аммиака кислородсодержащей смесью в тестовых условиях, описанных выше. Селективность по закиси азота (S
N2O) и оксиду азота (S
NO) составляет соответственно 87,0 и 1,1%.
Пример 10. 60 г гранул носителя Аl
2О
3, содержащего 28,4 г алюмомагниевой шпинели MgAl
2O
4 и 0,004 г Fе
2О
3, пропитывают азотнокислым раствором, полученным растворением 39,59 г соли Мn(NО
3)
2
6Н
2О, 13,32 г соли Вi(NO
3)
3
5Н
2О и 1,6 г оксида La
2O
3 в 8% растворе HNO
3. Влажные гранулы сушат под ИК сушилкой до сухого сыпучего состояния, затем сушат в сушильном шкафу при температуре 120
oС в течение 4 часов. Затем образец прокаливают в печи при температуре 400-650
oС в течение 6 часов. Полученный катализатор имеет состав, мас. %: MnBi
0,20La
0,07O
2,4 25,0; MgAlO
4 35,5; Аl
2O
3 39,495; Fе
2O
3 0,005. РФА образца показал отсутствие в составе катализатора кристаллических фаз оксидов МnO
2 и Вi
2O
3. Катализатор испытывают в реакции окисления аммиака кислородсодержащей смесью в тестовых условиях, описанных выше. Селективность по закиси азота (S
N2O) и оксиду азота (S
NO) составляет соответственно 87,5 и 1,0%.
Пример 11. 60 г гранул носителя MgAl
2O
4, содержащего 0,004 г Fе
3О
3, пропитывают азотнокислым раствором, полученным растворением 39,59 г соли Mn(NO
3)
2
6H
2O и 13,32 г соли Вi(NO
3)
3
5Н
2O и 1,6 г оксида La
2O
3 в 8% растворе HNО
3. Влажные гранулы сушат под ИК сушилкой до сухого сыпучего состояния, затем сушат в сушильном шкафу при температуре 120
oС в течение 4 часов. Затем образец прокаливают в печи при температуре 400-650
oС в течение 6 часов. Полученный катализатор имеет состав, мас.%: MnBi
0,20La
0,07O
2,4 25,0; MgAl
2O
4 74,995; Fе
2O
3 0,005. РФА образца показал отсутствие в составе катализатора кристаллических фаз оксидов МnO
2, Lа
2O
3 и Вi
2O
3. Катализатор испытывают в реакции окисления аммиака кислородсодержащей смесью в тестовых условиях, описанных выше. Селективность по закиси азота (S
N2O) и оксиду азота (S
NO) составляет соответственно 87,6 и 0,8%.
Пример 12. 60 г гранул носителя Аl
2О
3, содержащего 0,0024 г MgO, 0,024 г СаО и 0,004 г Fе
2O
3, пропитывают азотнокислым раствором, полученным растворением 30,45 г соли Мn(NO
3)
2
6Н
2O и 7,7 г оксида La
2O
3 в 8% растворе НNО
3. Влажные гранулы сушат под ИК сушилкой до сухого сыпучего состояния, затем сушат в сушильном шкафу при температуре 120
oС в течение 4 часов. Затем образец прокаливают в печи при температуре 400-650
oС в течение 6 часов. Полученный катализатор имеет состав, мас.%: MnLa
0,14O
2,21 10,0; МnLаО
3 12; Аl
2О
3 74,962; MgO 0,003; СаО 0,03; Fе
3О
3 0,005 РФА образца показал отсутствие в составе катализатора кристаллических фаз оксидов МnO
2, Вi
2O
3 и Lа
2O
3, присутствие фазы МnLаО
3 со структурой искаженного перовскита с параметрами а= 5,520; с= 13,380. Катализатор испытывают в реакции окисления аммиака кислородсодержащей смесью в тестовых условиях, описанных выше. Селективность по закиси азота (S
N2O) и оксиду азота (S
NO) составляет соответственно 85,8 и 1,0%.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет снизить выход NO в процессе окисления аммиака, а также позволяет готовить катализаторы с пониженным содержанием активного компонента и с более низким насыпным весом на уровне 0,65-0,7 г/см
3.
Формула изобретения
1. Катализатор для получения закиси азота путем окисления аммиака кислородом или кислородсодержащим газом, включающий марганецсодержащий активный компонент и оксид алюминия, отличающийся тем, что он содержит в качестве активного компонента композицию, представляющую собой смешанную аморфную оксидную фазу нестехиометрического состава MnBi
xO
y (0,05

x

2,24; 2,08

y

5,36) или смесь MnBi
xO
y и марганецсодержащей кристаллической фазы, а также оксид железа и оксид или смесь оксидов щелочноземельных металлов при содержании компонентов, мас.%: MnBi
xO
y - 0,75-65,0 Оксид алюминия - 99,24-0,005
Оксид железа - 0,005-99,24
Оксид или смесь оксидов щелочноземельных металлов - 0,005-99,24
2. Катализатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве кристаллической марганецсодержащей фазы он содержит оксид марганца Mn
2O
3 и/или соединение состава Bi
2Mn
4O
10.
3. Катализатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что содержание кристаллической марганецсодержащей фазы составляет 0,005-25,0 мас.%.
4. Катализатор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что он содержит оксид или смесь оксидов щелочноземельных металлов, выбранных из ряда: Mg, Са, Sr, Ва.
5. Катализатор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что он дополнительно содержит шпинель вида МАl
2O
4, где М - щелочноземельный металл.
6. Способ получения закиси азота путем окисления аммиака кислородом или кислородсодержащим газом в присутствии марганецсодержащего катализатора, отличающийся тем, что процесс проводят при температуре 250-450
oС, а в качестве катализатора используют катализатор по любому из пп.1-5.
РИСУНКИ
Рисунок 1