Катализатор для глубокого окисления углеводородов

 

Изобретение относится к области химии, а именно к приготовлению катализаторов для сжигания топлива в каталитических нагревателях. Задача, решаемая изобретением, - разработка активного катализатора на основе дешевых доступных материалов для экологически чистого высокотемпературного сжигания топлив в каталитических нагревателях. Катализатор готовят путем пропитки по влагоемкости керамического носителя в виде плитки сотовой структуры на основе огнеупорной глины с добавлением волластонита и тремолита комплексными растворами солей железа заданных концентраций с последующими сушкой и прокаливанием на воздухе при 800-850^oC. В результате получают катализатор состава, мас. %: оксид железа 0,5-3,0; оксид алюминия 14-55; оксид кремния 41,5-85; другие примеси в глинистых материалах - остальное.1 табл.

Изобретение относится к области каталитического сжигания топлив, конкретнее к сжиганию газообразного углеводородного топлива, например, в каталитических нагревателях.

Известны катализаторы для сжигания топлив, содержащие хромиты магния, меди, цинка на сферическом оксиде алюминия [1] Однако катализаторы такой формы не могут быть использованы в каталитических нагревателях с неподвижным слоем катализатора из-за невысокой газопроницаемости слоя сферических гранул. Для сжигания газообразного топлива обычно применяют катализаторы на основе носителей с каналами для подачи газа блочные носители сотовой структуры, которые обладают существенно меньшим гидравлическим сопротивлением по сравнению с одинаковым по высоте слоем гранул и имеют высокие значения геометрической поверхности в единице объема [2] Исследование блочных катализаторов сотовой структуры выявило ряд жестких требований как к материалу и структуре блочного носителя, так и к составу активного компонента [3] Катализаторы должны быть устойчивы к действию адиабатических разогревов, сопровождающих сжигание топлива в неподвижном слое, и к большим температурным перепадам при длительной эксплуатации. Наличие металлов платиновой группы в составе катализаторов требует использования только чистых и очищенных топлив, не содержащих каталитических ядов.

Наиболее близким к предлагаемому катализатору является катализатор [4] содержащий оксиды железа и хрома и платину на волокнистом носителе. Однако термостабильность используемого носителя не превышает 400^oC, в состав нанесенных компонентов входят экологически опасный хром и дефицитная дорогостоящая платина. Наличие последней в составе катализатора хотя и обеспечивает его высокую активность [4] однако требует [3] использования только чистых и очищенных топлив, не содержащих каталитических ядов. Использование металлооксидных катализаторов на инертных волокнистых носителях при высоких рабочих температурах (выше 700^oC) может привести к спеканию активного компонента, уменьшению его дисперсности и активной поверхности и как результат потере активности.

Задача, решаемая изобретением, разработка активного катализатора на основе дешевых доступных материалов, не содержащего в своем составе как вредных, так и дефицитных дорогостоящих ингредиентов, для экологически чистого высокотемпературного сжигания топлив в каталитической горелке.

Для решения поставленной задачи в качестве катализатора использовали железооксидный катализатор, нанесенный на термостойкий керамический носитель из смеси дешевых природных материалов, в состав которых входит оксид алюминия: глины и каолина. Наличие оксида алюминия в составе носителя обусловливает взаимодействие наносимого железа с носителем уже на стадии пропитки с образованием изолированных ионов железа [4] В процессе дальнейшем термообработки происходит диффузия ионов железа в решетку γ-Al₂O₃ и противодиффузия ионов алюминия в нанесенные Fe-Al-O фазы с образованием твердых растворов. Известно [5, 6] что смешанные оксиды, шпинели, перовскиты проявляют более высокую активность, чем индивидуальные вещества. Кроме того, стабилизация иона переходного металла в кристаллической решетке носителя приводит, как известно [7] к повышению термостабильности и долговечности работы катализатора, что особенно важно для процессов высокотемпературного сжигания.

Катализатор готовят путем пропитки по влагоемкости керамической плитки сотовой структуры на основе огнеупорной глины с добавками волластонита в тремолита комплексными растворами солей железа [5] заданных концентраций с последующими сушкой и прокаливанием на воздухе при 800-850^oC в течение 4 ч.

Отличительным признаком предлагаемого катализатора является керамический носитель на основе природных материалов [8] содержащих в своем составе, мас. глина 30-50, каолин 16-25, тальк 15-23, волластонит или тремолит 8-30.

Носитель готовят путем измельчения исходных твердых компонентов до частиц размером не более 50 мкм, смешения этих порошков с пластифицирующими (вода, масло) и связующими добавками, формования носителя в виде плиток сотовой структуры, их провяливания, сушки и прокаливания.

Использование в качестве носителя для нанесенного железооксидного катализатора керамической плитки, содержащей оксид алюминия, позволяет увеличить термостойкость катализатора и сохранить его высокую активность за счет взаимодействия наносимого железооксидного компонента с носителем с образованием твердых растворов. При содержании в катализаторе железа в количестве более 3,0 мас. каталитическая активность начинает уменьшаться. При содержании в катализаторе железа в количестве менее 0,5 мас. его активность не отличается от таковой для исходного носителя.

Оценку каталитической активности катализаторов проводили на лабораторном стенде, имитирующем работу каталитического нагревателя. Расходы пропан-бутановой смеси и воздуха составляли 20 и 575 л/ч соответственно. Через пробоотборник, установленный на высоту 5 мм над поверхностью нагревателя, отходящие газы подавали на хроматограф "Газохром", с помощью которого определяли содержание CO в отходящих газах. Температуру излучающей поверхности контролировали с помощью хромель-алюминиевой термопары.

В таблице приведены результаты испытаний.

Пример 1. Керамический носитель состава, мас. глина 50, каолин 16, тальк 23, тремолит 11, в виде пластины размером 80х72х11 мм с "живым сечением" 0,2, пропитывают по влагоемкости водным раствором, содержащим 89 мг/мл пятиводного щавелевокислого железа и 81 мг/мл одноводного щавелевокислого аммония. После удаления избыточного раствора катализатор сушат на воздухе и затем прокаливают при 800-850^oC в течение 4 ч. Получают катализатор состава, мас. оксид железа 0,5, носитель остальное.

Пример. Керамический носитель состава, мас. глина 30, каолин 25, тальк 15, тремолит 30, в виде пластины размером 80х72х11 мм с "живым сечением" 0,2, пропитывают по влагоемкости раствором активного компонента и затем сушат и прокаливают аналогично примеру 1. Получают катализатор состава, мас. оксид железа 0,5, носитель остальное.

Пример 3. Керамический носитель состава, мас. глина 30, каолин 25, тальк 15, тремолит 30, в виде пластины размером 80х72х11 мм с "живым сечением" 0,2, пропитывают раствором, содержание активного компонента в котором увеличено в 2 раза путем двукратного увеличения концентрации. Сушка и прокаливание аналогично примеру 1. Получен катализатор состава, мас. оксид железа 1,0, носитель остальное.

Пример 4. Керамический носитель состава, мас. глина 50, каолин 19, тальк 23, тремолит 8, в виде пластины размером 80х72х11 мм с "живым сечением" 0,2, пропитывают раствором активного компонента аналогично примеру 3 с последующей сушкой и прокаливанием. Получен катализатор состава, мас. оксид железа 1,0, носитель остальное.

Пример 5. Аналогичен примеру 1, но содержание активного компонента увеличено в 4 раза путем четырехкратного увеличения концентрации пропитывающего раствора. Получен катализатор состава, мас. оксид железа 2,0, носитель остальное.

Пример 6. Аналогичен примеру 2, но содержание активного компонента увеличено в 4 раза путем четырехкратного увеличения концентрации пропитывающего раствора. Получен катализатор состава, мас. оксида железа 2,0, носитель остальное.

Пример 7. Керамический носитель в виде пластины размером 80х72х11 мм с "живым сечением" 0,2 пропитывают по влагоемкости водным раствором, содержащим 131 мг/мл пятиводного щавелевокислого железа и 121 мг/мл одноводного щавелевокислого аммония. После удаления избыточного раствора катализатор сушат на воздухе и затем прокаливают при 800-850^oC в течение 4 ч. Получен катализатор состава, мас. оксид железа 3,0, носитель остальное.

Результаты испытаний катализаторов приведены в таблице.

Как следует из представленных примеров, предлагаемые железооксидные катализаторы отличаются высокой каталитической активностью (содержание CO в отходящих газах не выше, чем у прототипа) в процессе глубокого окисления используемой в быту пропан-бутановой смеси.

Формула изобретения

Катализатор для глубокого окисления углеводородов, включающий оксид железа на пористом неорганическом носителе, отличающийся тем, что в качестве носителя он содержит керамическую плитку сотовой структуры следующего состава, мас.

Глина 30 50 Каолин 16 25 Тальк 15 23 Волластонит или тремолит 8 30 при следующем соотношении компонентов, мас.

Оксид железа 0,5-3,0 Носитель Остальноеь

РИСУНКИ

Рисунок 1