CN105289624A - 一种低压合成氨催化剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压合成氨催化剂，其化学成分原子百分比含量如下：钕10-22%、铁50-85%、钴1-18%、镓0.3-1%、锆0.01-0.2%、硼1-11%。本发明的催化剂在100℃-300℃和0.1MPa-10MPa具有很强的催化效果，尤其在10MPa，10000h^-1空速下，100℃反应条件下，出口氨浓度达到29.2%。与现有的工业氨合成铁催化剂相比，具有低温低压高活性的特点，具有广泛的应用前景。

Description

一种低压合成氨催化剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种工业化学合成氨的催化剂，具体的说是一种低压合成氨催化剂。

背景技术

合成氨是重要的化工原料，主要用来生产化肥、硝酸、铵盐、纯碱等。作为化学工业的支柱产业之一，合成氨工业在国民经济中占有重要地位，与此同时合成氨也是一个大吨位、高能耗、低效益的产业。全球约有10%的能源用于合成氨生产，所以合成氨工艺和催化剂的改进将对矿物燃料的消费量产生巨大的影响。氨合成反应是一个可逆放热且气体体积缩小的过程，从热力学角度考虑，要达到或接近平衡转化率，催化反应应该在较低的温度和较高的压力下进行。然而温度的降低会使反应速率下降，压力的提高又会使能耗大大增加。传统的合成氨催化剂是由磁铁矿和铁为主要原料，添加少量不可还原氧化物作为促进剂采用熔融法制备的。由于铁催化剂起活温度比较高，大型氨厂通常是在400℃～500℃和20.0MPa～30.0MPa条件下使用，在氨合成生产过程中，对设备的要求也比较苛刻，能耗巨大。

合成氨催化剂已经经历了将近一个世纪的发展历程，可以说已经相当的成熟。虽然很多大型工厂仍然使用传统的熔铁催化剂，但是由于它的高温高压、活性不够高等工艺及自身的不足，已成为节能降耗的制约因素。因而，合成氨工艺和催化剂的改进将对降低能耗，提高经济效益产生巨大的影响。开发低温高活性的新型催化剂，降低反应温度，提高氨的平衡转化率和单程转化率或实现低压合成氨，一直是合成氨工业的追逐目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低压合成氨催化剂，该催化剂在低温低压条件下仍具有较高的催化活性，降低了合成氨过程中的能耗，节约原材料，提高催化效率，具有广泛的应用推广价值。

本发明采用以下技术方案：

一种低压合成氨催化剂，其特征在于，其化学成分原子百分比含量如下：钕10-22%、铁50-85%、钴1-18%、镓0.3-1%、锆0.01-0.2%、硼1-11%。

优选的，所述催化剂的化学成分原子百分比含量如下：钕12.5%、铁65.4%、钴15%、镓0.5%、锆0.1%、硼6.5%。

一种催化剂的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：

1）按照设定各组分的含量取各组分所需的原料加入中频真空熔炼炉内并混合；

2）将真空熔炼炉抽真空后加热使其中的混合原料熔融，真空度＜10^-2Pa，待所有原料熔融至液态均匀化后，冷却至室温；

3）将冷却后的熔块经破碎、球磨和筛分，即得粉末状固体催化剂。

本发明催化剂中的金属成分均来源于金属单质；所述硼的来源可以是硼单质，也可以是硼铁，使用硼铁时其含量要保硼在产品中所占原子百分比，碳含量＜0.04%。

本发明的优点是：本发明的催化剂在100℃-300℃和0.1MPa-10MPa具有很强的催化效果，尤其在10MPa，10000h^-1空速下，100℃反应条件下，出口氨浓度达到29.2%。与现有的工业氨合成铁催化剂相比，具有低温低压高活性的特点，具有广泛的应用前景。在合成氨的工艺过程中其在低温低压下可催化的原理可能是由于稀土元素钕与铁和硼形成Nd-Fe-B金属化合物，氢气先是向Nd输送电子，变成氢离子，然后氢离子进入与Nd结合的金属化合物体内，钕吸收的电子促进Fe向N:输出电子，加速氮的活性吸附，使得氨气离子在金属化合物的浓度提高，降低了氢气与氮气反应的结合能，从而降低了反应时的温度和压强。另外，钕铁硼的结构提高了催化剂的活性，钕铁硼的钕在其结构中为氨气的形成有结构优势，保留在界面,发挥其促进活性的作用,保证催化剂具有更长的使用寿命。本发明催化剂可以降低能耗，提高合成氨工业的经济效益。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的内容做进一步的详细说明。

实施例1

一种低压合成氨催化剂，其化学成分原子百分比含量为：钕12.5%、铁65.4%、钴15%、镓0.5%、锆0.1%、硼6.5%。

上述催化剂的制备方法如下：

1）按照上述各组分的含量取各组分所需的原料加入中频真空熔炼炉内并混合；

2）将真空熔炼炉抽真空后加热使其中的混合原料熔融，真空度为0.006Pa，待所有原料熔融至液态均匀化后，冷却至室温；

3）将冷却后的熔块经破碎、球磨和筛分，即得粉末状固体催化剂。

本实施例的氨合成方法是：将本实施例所制的催化剂作为催化剂，使氢气与氮气在催化剂上反应而合成氨。本实施例制备的催化剂在压力10MPa、温度100℃、空速10000h^-1、氢氮比(V/V)为3：1，该催化剂的出口氨体积百分数为29.2％。作为对比例，合成氨条件相同，催化剂采用常用A110-2型铁系催化剂，出口氨体积百分数为10.7％。经过对比可以发现，相同条件下本发明合成催化剂比传统的A110-2催化剂出口氨体积百分数提高了18.5％。

实施例2

一种低压合成氨催化剂，其化学成分原子百分比含量为：钕22%、铁50%、钴18%、镓0.3%、锆0.2%、硼9.5%。

上述催化剂的制备方法如下：

1）按照上述各组分的含量取各组分所需的原料加入中频真空熔炼炉内并混合；

2）将真空熔炼炉抽真空后加热使其中的混合原料熔融，真空度为0.001Pa，待所有原料熔融至液态均匀化后，冷却至室温；

3）将冷却后的熔块经破碎、球磨和筛分，即得粉末状固体催化剂。

本实施例的氨合成方法是：将本实施例所制的催化剂作为催化剂，使氢气与氮气在催化剂上反应而合成氨。本实施例制备的催化剂在压力0.1MPa、温度300℃、空速10000h^-1、氢氮比(V/V)为3：1，该催化剂的出口氨体积百分数为19.2％。作为对比例，合成氨条件相同，催化剂采用常用A110-2型铁系催化剂，出口氨体积百分数为7.2％。经过对比可以发现，相同条件下本发明合成催化剂比传统的A110-2催化剂出口氨体积百分数提高了12％。

实施例3

一种低压合成氨催化剂，其化学成分原子百分比含量为：钕20%、铁60%、钴12%、镓0.8%、锆0.1%、硼7.1%。上述催化剂的制备方法如下：

1）按照上述各组分的含量取各组分所需的原料加入中频真空熔炼炉内并混合；

2）将熔炼炉抽真空后加热使其中的混合原料熔融，真空度为0.005Pa，待所有原料熔融至液态均匀化后，冷却至室温；

3）将冷却后的熔块经破碎、球磨和筛分，即得粉末状固体催化剂。

本实施例的氨合成方法是：将本实施例所制的催化剂作为催化剂，使氢气与氮气在催化剂上反应而合成氨。本实施例制备的催化剂在压力8MPa、温度200℃、空速10000h^-1、氢氮比(V/V)为3：1，该催化剂的出口氨体积百分数为23.2％。作为对比例，合成氨条件相同，催化剂采用常用A110-2型铁系催化剂，出口氨体积百分数为9.4％。经过对比可以发现，相同条件下本发明合成催化剂比传统的A110-2催化剂出口氨体积百分数提高了13.8％。

实施例4

一种低压合成氨催化剂，其化学成分原子百分比含量为：钕18%、铁68.9%、钴1%、镓1%、锆0.1%、硼11%。

上述催化剂的制备方法如下：

1）按照上述各组分的含量取各组分所需的原料加入中频真空熔炼炉内并混合；

2）将熔炼炉抽真空后加热使其中的混合原料熔融，真空度为0.007Pa，待所有原料熔融至液态均匀化后，冷却至室温；

3）将冷却后的熔块经破碎、球磨和筛分，即得粉末状固体催化剂。

本实施例的氨合成方法是：将本实施例所制的催化剂作为催化剂，使氢气与氮气在催化剂上反应而合成氨。本实施例制备的催化剂在压力5MPa、温度230℃、空速10000h^-1、氢氮比(V/V)为3：1，该催化剂的出口氨体积百分数为26.8％。作为对比例，合成氨条件相同，催化剂采用常用A110-2型铁系催化剂，出口氨体积百分数为11.5％。经过对比可以发现，相同条件下本发明合成催化剂比传统的A110-2催化剂出口氨体积百分数提高了15.3％。

实施例5

一种低压合成氨催化剂，其化学成分原子百分比含量为：钕10%、铁85%、钴3%、镓0.9%、锆0.01%、硼1%。上述催化剂的制备方法如下：

1）按照上述各组分的含量取各组分所需的原料加入中频真空熔炼炉内并混合；

2）将熔炼炉抽真空后加热使其中的混合原料熔融，真空度为0.009Pa，待所有原料熔融至液态均匀化后，冷却至室温；

3）将冷却后的熔块经破碎、球磨和筛分，即得粉末状固体催化剂。

本实施例的氨合成方法是：将本实施例所制的催化剂作为催化剂，使氢气与氮气在催化剂上反应而合成氨。本实施例制备的催化剂在压力1MPa、温度280℃、空速10000h^-1、氢氮比(V/V)为3：1，该催化剂的出口氨体积百分数为22.4％。作为对比例，合成氨条件相同，催化剂采用常用A110-2型铁系催化剂，出口氨体积百分数为11.3％。经过对比可以发现，相同条件下本发明合成催化剂比传统的A110-2催化剂出口氨体积百分数提高了11.1％。

Claims (3)

1.一种低压合成氨催化剂，其特征在于，其化学成分原子百分比含量如下：钕10-22%、铁50-85%、钴1-18%、镓0.3-1%、锆0.01-0.2%、硼1-11%。

2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，其化学成分原子百分比含量如下：钕12.5%、铁65.4%、钴15%、镓0.5%、锆0.1%、硼6.5%。

3.一种权利要求1或2所述的催化剂的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：

1）按照设定各组分的含量取各组分所需的原料加入中频真空熔炼炉内并混合；

2）将真空熔炼炉抽真空后加热使其中的混合原料熔融，真空度＜10^-2Pa，待所有原料熔融至液态均匀化后，冷却至室温；

3）将冷却后的熔块经破碎、球磨和筛分，即得粉末状固体催化剂。