Способ получения медно-алюминиевых шпинелевых экструдатов
Изобретение касается способа получения медно-алюминиевых шпинелевых экструдатов, в частности экструдатов в виде сот, которые после сушки и кальцинирования могут быть использованы в качестве катализаторов. Описывается способ получения медно-алюминиевых шпинелевых экструдатов путем экструзии порошка медно-алюминиевой шпинели, а в случае необходимости и вспомогательных средств, используемых при прессовании, стабилизаторов, антиусадочных средств, порообразователей или формовочных масс, содержащих их смеси, исходная формовочная масса дополнительно содержит окислы алюминия или гидраты окиси алюминия и нитраты металлов в весовом соотношении, соответствующем весовому соотношению медно-алюминиевой шпинели, а кальцинирование осуществляют при температурах в диапазоне от 700 до 900o. Описаны также изделия в виде сотовых профилей, получаемые описанным выше способом, причем исходный экструдат сушат при температурах в диапазоне от 10 до 2000oС или сублимируют при температурах в диапазоне от минус 40 до 0oС при давлении от 0,05 до 0,8 бар и кальцинируют при температурах в диапазоне от 500 до 900o Технический эффект - получение ровных, недеформированных изделий, не имеющих трещин, обладающих высокой механической стабильностью и длительной прочностью и являющихся нечувствительными к изменению температурных нагрузок. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 1 табл.
Настоящее изобретение касается способа получения шпинелевых экструдатов, в частности экструдатов в виде сот, которые после сушки и кальцинирования могут быть использованы в качестве катализаторов.
При сжигании углеводородов с воздухом, используемом в качестве окислителя, в результате окисления азота, содержащегося в воздухе, образуются, особенно при избытке воздуха и при высоких температурах, окислы азота. Примерами таких окислов являются NO, NO2, NO3, N2О3, N2O4 и N2O5. Для предотвращения загрязнения окружающей среды эти окислы азота как вредные вещества должны быть по возможности максимально выведены из отработанных газов. И если учесть, что вредные выбросы от промышленных предприятий и ТЭЦ резко сокращаются за счет использования установок очистки отработанных газов, то все большее значение приобретает проблема сокращения содержания вредных веществ в выхлопных газах автотранспорта и, в первую очередь, на основании увеличения количества самих автомобилей. Для снижения количества выбросов окислов азота от автомобильных двигателей было предложено много решений. Эффективные решения должны удовлетворять выполнению многочисленных критериев, особенно при использовании катализаторов должны, например, обеспечиваться: - высокая степень конверсии, то есть значительное выведение окислов азота, что должно гарантироваться также при высоких и низких температурах, при частой смене нагрузок во время эксплуатации, - возможность предотвращения использования вспомогательных реагентов таких, как аммиак или мочевина, - низкие производственные и эксплуатационные расходы, - большой срок эксплуатации, - образование незначительного количества закиси азота, - высокая механическая прочность катализатора. Известен ряд катализаторов, используемых для снижения содержания окислов азота. При этом одна из областей разработок соответствующих катализаторов направлена на создание катализаторов, выполненных на основе шпинелей. Использование шпинелей СuАl2O4, пропитанных медью, в качестве катализатора отработанных газов описано в заявке на патент ФРГ А-19546482. Эти шпинели используются в виде крошки. И в заявке на европейский патент А-0779093 также описаны соответствующие катализаторы из шпинелей для снижения содержания окислов азота и для окисления углеводородов. Эти шпинели выполнены на основе цинка, меди и алюминия и используются в виде крошки. В заявке на европейский патент А-0676232 также описаны катализаторы из шпинелей, которые могут быть использованы для обработки выхлопных газов, снижая в них содержание окислов азота. Речь идет о цинк-алюмошпинелях, которые могут быть получены из исходных растворов путем осаждения. Продукты осаждения могут быть высушены при помощи распылительной сушки или мгновенного испарения растворителя и выделены в виде порошка. Можно также смешать исходный раствор катализатора, например, с мочевиной или глицином и сжечь эту смесь, при этом наряду с образованием шпинелей в результате действия высокой температуры одновременно происходит и кальцинирование продукта. Указывается, что катализаторы могут быть получены в виде сот, но не указывается технологический способ, при помощи которого это может быть выполнено. Катализаторы, выполненные из шпинелей, используются в автомобилях в основном не в виде крошки или гранулята, а в виде сот, состоящих из материала катализатора и имеющих в основном параллельные друг другу каналы, через которые проходят обрабатываемые выхлопные газы. Такие соты могут соответствовать в разрезе, например, пчелиным сотам. Отдельные каналы могут иметь круглое или прямоугольное, в частности, квадратное сечение, в результате чего сечение этих сот соответствует прямоугольной решетчатой структуре. Были предложены различные способы получения сот из шпинелей. В заявке на патент ФРГ С-3619337 описан способ получения окисных соединений TiO2-SiO2, которые, кроме того, могут содержать также и двуокись циркония. Для этого подмешивают водный раствор, содержащий такие активные компоненты, как ванадий и медь, или порошок активных компонентов в виде окислов, вместе с формовочным материалом к такому окислу, содержащему титан, как TiO2, TiO2-SiO2 и TiO2-SiO2-ZrO2. Затем эти компоненты вымешивают, добавляя соответствующее количество воды, после чего смесь формуется на экструдерном устройстве. Полученный продукт сушат и подвергают кальцинированию. Заявка на патент ФРГ А-4419974 касается способа получения формованного катализатора на основе двуокиси титана, а также его применения. Этот катализатор может быть получен в виде сот. Для его получения вымешивают кальцинированную двуокись титана в виде порошка в смеси с водой, аммониевым раствором метавольфрамата, полиэтиленгликолем в качестве пластификатора, моноэтаноламином и стекловолокном. Эту гомогенную вымешанную массу формуют на экструдере в сотовые профили, после чего катализаторы в виде сот сушат и подвергают кальцинированию. Патент США 5219816 касается катализаторов дегидрирования и способов их получения. Для получения материала носителя на основе шпинели вымешивают нитрат магния с материалом, содержащим окись алюминия, и продавливают полученную массу на экструдере с получением соответствующих профилей. После сушки выполняется кальцинирование при температурах от 600 до 700oС. Изготовление сотовых профилей, в частности, из медно-алюминиевых шпинелей, известными способами связано с рядом недостатков. Изготовление сот из формовочной массы на экструдере требует длительного времени в соответствии с малой скоростью подачи материала. Зачастую скорость подачи материала составляет от 5 до 10 см в минуту. Время сушки полученных на экструдуре сот очень велико. При комнатной температуре оно зачастую составляет не менее месяца. При сушке и последующем кальцинировании, как правило, возникают различные деформации - например, параллелограммные и подушечные - и продольные, а также поперечные трещины. Увеличение времени сушки также не дает улучшения результатов. Такие соты из-за наличия трещин и деформаций не являются механически стабильными и не обеспечивают равномерного прохода газа через катализатор, в результате чего установление постоянных условий реакции на катализаторе оказывается затруднительным или невозможным. К тому же, например, катализаторы в виде сот должны быть для возможности их использования на автомобилях согласованы по форме с корпусом, в котором они устанавливаются. При наличии же параллелограммных и подушечных деформаций соты не входят заподлицо в корпус, в результате чего выхлопные газы как бы по байпасу проходят мимо катализатора, в целом резко снижая его производительность. Таким образом, при общем рассмотрении в этом случае катализатор имеет пониженную активность. Задачей настоящего изобретения является создание способа получения шпинелевых экструдатов, в частности, в виде сот, не имеющего недостатков известных технологических способов и обеспечивающего получение ровных, недеформированных изделий, не имеющих трещин, но обладающих высокой механической стабильностью и длительной прочностью и являющихся нечувствительными к изменению температурных нагрузок. Они должны хорошо входить в различные детали, например в корпуса, обеспечивая максимальную активность при эксплуатации. Кроме того, этот способ изготовления должен быть более быстрым по сравнению с известными способами. В соответствии с заявленным изобретением эта задача решается способом получения экструдатов из порошка шпинелей, а при необходимости и из вспомогательных средств, используемых при прессовании, стабилизаторов, антиусадочных средств, порообразователей, пептизирующих средств или из формовочных масс, содержащих их смеси, с последующей сушкой и кальцинированием этих экструдатов, при этом формовочная масса содержит дополнительно окислы алюминия или гидраты окиси алюминия и нитраты металлов. Предпочтительным является использование нитратов металлов, имеющих кислую реакцию водных растворов. Особенно предпочтительным является использование нитрата меди. Вместо предпочитаемого Сu(NО3)2



- использованием производственных остатков и отходов,
- смешением солей с последующими распылительной сушкой и кальцинированием. В порошок шпинелей и в полученные из него экструдаты, в частности в соты, могут вводиться и такие другие окислы, как двуокись циркония, двуокись цезия, двуокись олова, трехокись вольфрама, трехокись молибдена, двуокись титана, пятиокись ванадия, трехокись ниобия, трехокись лантана и/или благородные металлы типа платины, палладия, рутения, серебра, золота. Эти добавки принимаются в основном в диапазоне от 0 до 10 маc.% от массы кальцинированных сот. Экструзия формовочной массы для получения изделий в виде сотовых профилей производится в соответствии с заявленным способом в основном со скоростью до 80 см в минуту. Время сушки при комнатной температуре составляет в соответствии с заявленным изобретением в основном около одной недели. Изготовленные в соответствии с заявленным изобретением изделия в виде сотовых профилей могут использоваться в качестве катализатора или носителя катализатора при каталитической очистке отработанных газов от окислов азота. Таким образом, они предполагаются в первую очередь для очистки от соединений азота топливных газов, в основном от дизельных двигателей. Но они могут использоваться также и для очистки других газов, содержащих окислы азота, образующихся, например, при сжигании угля, нефтепродуктов или мусора. При соответствующем использовании сотовых катализаторов предполагается возможной также и очистка промышленных отработанных газов, содержащих закись азота. Также при соответствующем использовании двуокиси титана, пятиокиси ванадия и трехокиси вольфрама возможно и разложение диоксина, которое может выполняться одновременно с выведением окислов азота или непосредственно после него. В основном разложение диоксина может производиться в условиях окисления на катализаторе, содержащем двуокись титана, пятиокись ванадия и трехокись вольфрама, как это описано в заявке на европейский патент А-0447537. Могут быть очищены и другие отработанные газы, содержащие полигалогенидные соединения. Особенно предпочтительно использование сотовых профилей - в частности, с присадками благородных металлов - в качестве носителей с возможностью адсорбирования углеводородов для катализаторов трехразового пользования. Настоящее изобретение поясняется ниже на основании примеров. Примеры
Пример 1
Исходный материал
Берут 3000 г порошка медь-алюмошпинели, в котором содержание меди занижено против стехиометрического. Он имеет 6% потерь при прокаливании, так что собственно масса шпинели составляет 2820 г. В пересчете порошок состоит из 20% = 564 г = 7,09 молей меди и 80% = 2256 г = 22,1 молей окиси алюминия. Таким образом, он содержит 0,32 моля меди на моль окиси алюминия, находясь тем самым явно ниже стехиометрического диапазона. Порошок шпинели может быть оригинального, свежего приготовления или же рециклом из, например, текущего процесса. Свежий порошок приготавливается по способу, описанному в заявке на европейский патент А-0676232, пример 2, а именно путем смешения нитрата меди и гидрата окиси алюминия при подаче воды с последующей распылительной сушкой известным образом и кальцинированием при 800oС. Примешивание добавки АlOOН+Cu(NO3)2


Смесь из порошка шпинели и добавки к смеси содержит 796 г = 10,0 молей в пересчете на окись меди и 2553 г = 25,0 молей в пересчете на окись алюминия. Таким образом, молярное отношение окиси меди к окиси алюминия составляет 0,4 к 1. Приготовление пластической массы
3000 г порошка шпинели и 1352 г добавки тщательно перемешивают в течение 5 минут. Затем добавляют 246,4 г углеродного волокна, 41 г "валоцель

Сотовые профили экструдируют, сушат и кальцинируют на обычных экструдерах при следующих рабочих условиях. Скорость экструзии - 50 см в минуту
Время сушки - 8 дней
Внешний вид кальцинированных сот - безупречный
Механическая прочность - сопротивление - продавливанию 181 Н/см2
Стабильность при изменении температуры - очень высокая
Каталитическая активность - очень высокая, в данном случае 100%. Пример 2 (сравнительный)
Изготовление in situ из тригидрата нитрата меди и бемита. 4841 г Cu(NO3)2

Время сушки - 28 дней
Сопротивление продавливанию - 50 Н/см2
Каталитическая активность - 80% указанной в примере 1
Внешний вид - большое количество продольных трещин, сильная деформация
Стабильность при изменении температуры - наличие дополнительных трещин. Пример 3
Аналогично примеру 1, но с кордиеритом, однако без вспомогательных средств, используемых при прессовании и без порообразователей. Порошок шпинели и АlOOН, а также Сu(NО3)2

Время сушки - 10 дней
Сопротивление продавливанию - 150 Н/см2
Каталитическая активность - 95% от указанной в примере 1
Внешний вид - легкие продольные трещины, соты имеют заданные размеры
Стабильность при изменении температуры - высокая. Пример 4
Аналогично примеру 1, но с использованием кордиерита. В отличие от примера 3 в данном случае использованы вспомогательные средства, употребляемые при прессовании, и порообразователи. Материальные расходы представлены в таблице. Скорость экструзии - 50 см в минуту
Время сушки - 10 дней
Сопротивление продавливанию - 283 Н/см2
Каталитическая активность - 100% указанной в примере 1
Внешний вид - безупречный
Стабильность при изменении температуры - высокая.
Формула изобретения


РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2