Способ приготовления катализатора для глубокого окисления углеводородов

 

Использование: катализаторы, используемые в каталитических источниках тепла (обогревателях), работающих на газообразных и жидких топливах, и нейтрализаторах отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: способ включает стадии: пропитку носителя катализатора водным раствором исходных компонентов, сушку и прокалку. Первоначально носитель катализатора монтируют на газораспределительном узле изделия с приданием необходимой геометрической формы, после чего пропитывают в сборе путем погружения в раствор до полного выхода воздуха из узла, сушат лучистым тепловым потоком от каталитических нагревателей до окончания выхода пара из узла и прокаливают бегущим пламенем газа, подаваемого в узел, до естественного перехода к беспламенному каталитическому горению. 4 ил.

Изобретение относится к катализаторам для глубокого окисления углеводородов, а именно к способам приготовления окисных катализаторов для использования в таких изделиях, как каталитические источники тепла (обогреватели), нейтрализаторы отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, работающих на газообразных и жидких топливах (газ природный и сжиженный, бензин, керосин, дизельное) и необходимых для ряда отраслей народного хозяйства, например автомобильный транспорт, строительство, сельское хозяйство, а также в быту.

Известен способ приготовления катализаторов для глубокого окисления углеводородов в виде совокупностей каталитически активных оксидов металлов (активная масса), внесенных на молекулярном уровне в тонкодисперсный волокнистый термостойкий материал (носитель), включающий следующие операции: пропитка носителя водным раствором исходных компонентов, сушка в сушильном шкафу, прокалка в муфельной печи и выдержка на воздухе [1,2] Наиболее близким к изобретению является способ, характеризующийся указанной последовательностью операций для приготовления двухкомпонентного кобальто-хромового катализатора на кремнеземной плите [3] Каждая из операций выполняется в течение определенного времени при заданных физических условиях.

Приготовленные указанным способом катализаторы при монтаже их в изделия подвергаются механическому воздействию, что нарушает их пористую структуру и снижает качество, и требует уплотнений по стыкам с ограждающими их конструкциями. Используемое для сушки и прокалки конвективное тепло обеспечивает в лучшем случае равномерное распределение активной массы катализатора по толщине носителя, либо неравномерное, более концентрированное ближе к поверхности носителя, что не соответствует полному использованию катализатора в изделии, где к одной поверхности подводится топливо в газообразной фазе, которое окисляется на другой поверхности, на которой осуществляется диффузия кислорода воздуха и проявляется беспламенное каталитическое горения. Активная масса катализатора используется наполовину, т.е. неэффективно.

Задача изобретения повышение качества катализаторов для глубокого окисления углеводородов и эффективности использования их в изделиях.

Повышение качества катализатора достигается путем формирования его с замкнутой рабочей поверхностью без стыков, в виде монолита.

Повышение эффективности использования катализатора в изделии обеспечивается таким распределением активных оксидов металлов по толщине носителя, при котором середина слоя, куда поступает топливо в газопарообразной фазе, обеднена активной массой катализатора, а к внешним поверхностям концентрация активной массы увеличивается, что наиболее полно соответствует интенсивности диффузии кислорода по толщине катализатора.

Решение задачи достигается тем, что газопарораспределительный узел изделия заключают в носитель катализатора, например базальтовое волокно, равномерно по толщине покрывающее узел, который в сборе с носителем погружают в водный раствор исходных компонентов до полной пропитки носителя, после чего узел с пропитанным носителем сушат со всех сторон лучистым тепловым потоком от каталитических газовых нагревателей и затем прокаливают высушенный носитель с внесенными компонентами низкостелющимся бегущим по замкнутой поверхности пламенем газа, подаваемого через газопарораспределительный узел внутрь формируемого катализатора, до исчезновения пламени и перехода на беспламенное каталитическое горение.

Монтаж носителя на газопарораспределительном узле изделия позволяет сформировать катализатор, т. е. придать ему требуемую геометрическую форму с замкнутой рабочей поверхностью без стыков в виде монолита, что гарантирует отсутствие протечек газа или паров топлива и повышает качество катализатора в изделии. Кроме того, после сформирования катализатору не требуются дальнейшие монтажные операции, т.е. он не подвергается механическому воздействию и не ухудшается его качество.

Сушка пропитанных раствором компонентов носителя лучистым тепловым потоком от каталитических нагревателей является процессом воспроизводства катализатора, когда действующий излучающий катализатор готовит новый катализатор. Эта качественно новая операция освобождает от необходимости использования конвективного тепла сушильного шкафа, работающего на электроэнергии, и является наиболее экономичной, так как лучистый тепловой поток образуется в процессе беспламенного каталитического горения газа самого дешевого энергоносителя, при этом продолжительность сушки сокращается в 4 раза (с 5-6 ч до 1,5 ч).

Прокалка высушенных в носителе исходных компонентов катализатора осуществляется низкостелющимся бегущим пламенем газа, подаваемого через штуцер газопарораспределительного узла изделия, до естественного перехода сформированного катализатора на беспламенное каталитическое горение газа после исчезновения пламени. При этом отпадает необходимость операции выдержки на воздухе в течение 40-50 мин, а продолжительность операции прокалки сокращается в 10 раз (с 1 ч до 6 мин) с соответствующим уменьшением энергозатрат.

Распределение активной массы катализатора по толщине слоя носителя таково, что концентрация активной массы увеличивается к наружной поверхности, на которой происходит диффузия кислорода воздуха и осуществляется беспламенное каталитическое горение с передачей лучистого теплового потока.

В целом предлагаемый способ формирования катализаторов для глубокого окисления углеводородов позволяет, помимо повышения качества катализаторов и эффективности использования их в изделиях, сократить продолжительность технологического процесса в 4,5 раза (с 6-7 ч до 1,5 ч) при минимальных, сниженных в 10 раз затратах энергии и без использования электротермического оборудования сушильного шкафа и муфельной печи.

Отпадает необходимость контроля температуры процессов сушки и прокалки, так как при лучистой сушке достаточно визуально зафиксировать отсутствие выхода пара из штуцера газопарораспределительного узла, что свидетельствует об окончании процесса сушки. Процесс прокалки низкостелющимся бегущим пламенем завершается естественным переходом к беспламенному горению, что означает окончание формирования катализатора.

Использование предлагаемого способа улучшает условия труда, так как монтажу подлежит носитель катализатора в виде чистого волокна, а не сам катализатор, который при механическом воздействии и нарушении пористой структуры выделяет пыль, состоящую из частиц оксидов металлов, входящих в состав катализатора, что ухудшает условия труда.

На фиг. 1 показана операция монтажа (формования) носителя катализатора на газопарораспределительном узле изделия; на фиг. 2 операция пропитки носителя водным раствором исходных компонентов катализатора путем погружения; на фиг. 3 операция сушки лучистым тепловым потоком от каталитических газовых нагревателей; на фиг. 4 операция прокалки бегущим пламенем газа, подаваемого через газопарораспределительный узел, до появления лучистого теплового потока.

Предлагаемый способ осуществляется в следующей последовательности Газопарораспределительный узел 1 изделия заключают в носитель катализатора 2, например базальтовое волокно, равномерно распределенный по всем сторонам узла по его плоской форме. Носитель катализатора 2 покрывают сеткой 3, которую закрепляют гайками 4 к шпилькам узла 1. Узел в сборе погружают в водный раствор исходных компонентов таким образом, чтобы через штуцер узла выходил воздух при пропитке носителя. Операция пропитки завершается заполнением штуцера раствором. Узел с пропитанным носителем помещают между двумя каталитическими нагревателями 5 и сушат лучистым тепловым потоком от них до окончания выхода водяного пара из штуцера узла, что занимает по времени не более 1,5 ч. В операции прокалки штуцер узла соединяют с баллоном 6 сжиженного газа (пропан-бутановой смеси), подают газ и зажигают его на поверхности высушенного носителя. Низкостелющимся бегущим пламенем осуществляют прокалку нанесенных на носитель исходных компонентов до приведения их в активное состояние, что характеризуется исчезновением бегущего пламени и переходом к беспламенному каталитическому горению с выделением лучистого теплового потока. Операция прокалки занимает по времени не более 6 мин.

Переключением на питание жидкими топливами (бензин, керосин, дизельное) проводят испытания полученного катализатора, который в сборе с газопарораспределительным узлом 1 является источником лучистого тепла в изделии. При сборке изделия катализатор не подвергается механическому воздействию.

Аналогично готовят катализаторы с альтернативными по каталитической активности составами компонентов и другой геометрической формой цилиндрической, сферической и пр. которая определяется формой газопарораспределительного узла изделия. Опытная проверка способа показала высокое качество катализатора и его эффективную работу в изделии при сокращении продолжительности технологического процесса, минимальных энергозатратах и улучшении условий труда.

Пример формирования кобальто-хромового катализатора для глубокого окисления углеводородов газов природного и сжиженного (пропан-бутановой смеси), бензина, керосина, дизельного зимнего топлива.

Расчет потребного количества исходных материалов проводят из условия, что для получения 1 кВт теплового потока при поверхностной плотности теплового потока 3 Вт/см² требуется, г: Кобальт (II) азотнокислый 6-водный 112 Co(NO₃)₂˙6H₂O ГОСТ 4528-78 Хром (III) азотнокислый 9-водный 50 Cr(NO₃)₃˙9H₂O ГОСТ 4471-78 Базальтовое волокно БВ ТУ 21 РСФСР 660-75 75 Из указанного количества азотнокислого кобальта и азотнокислого хрома готовят 500 мл водного раствора этих солей.

Базальтовое волокно монтируют равномерно распределенным на газопарораспределительном узле с приданием требуемой формы по узлу и заключают его в сетку из нержавеющей стали с закреплением ее по контуру узла.

Проводят пропитку, сушку и прокалку согласно предлагаемому способу.

Полученный катализатор переключают на питание жидкими топливами бензином, керосином, дизельным зимним и устанавливают предельный расход краном регулирования расхода паров топлива на газопарораспределительном узле по содержанию оксида углерода и углеводородов в отходящих газах не выше предельно допустимых концентраций. Максимальная температура работающего катализатора 500^оС.

Сформированный катализатор в виде монолита на газопарораспределительном узле содержит 25 мас. оксида кобальта, 9 мас. оксида хрома, 66 мас. базальтового волокна и готов к эксплуатации в составе изделия, например каталитического обогревателя.

Формула изобретения

СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КАТАЛИЗАТОРА ДЛЯ ГЛУБОКОГО ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ, включающий пропитку носителя - кремнеземного волокна азотнокислым раствором кобальта и хрома, сушку, прокаливание, отличающийся тем, что носитель монтируют на газопарораспределительном узле изделия путем заключения его в сетку из нержавеющей стали и закреплениям ее по контуру узла с последующей пропиткой путем погружения носителя в раствор до полного выхода воздуха из узла, проведения сушки лучистым тепловым потоком от каталитических нагревателей до окончания выхода пара из узла и прокаливания низкостелющимся бегущим пламенем газа, подаваемого в узел, до естественного перехода к беспламенному каталитическому горению.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4