DE2009374B2 - Process for the production of high-temperature catalysts based on iron oxide - Google Patents
Process for the production of high-temperature catalysts based on iron oxideInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hochtemperatur-Katalysatoren, die besonders angewandt werden für die sogenannte Hochtemperatur-Wassergasreaktion.The invention relates to a method for the production of high-temperature catalysts, particularly are used for the so-called high temperature water gas reaction.
Diese Reaktion kann durch die folgende Gleichung angegeben werden:This response can be given by the following equation:
CO + H2O-CO2+ H2 CO + H 2 O-CO 2 + H 2
Für diese Reaktion wird häufig mit Chrom aktiviertes Eisenoxid, d. h. ein Gemisch aus Eisen- und Chromoxiden, in Pulverform verwendet.Chromium-activated iron oxide, i.e. iron oxide, is often used for this reaction. H. a mixture of iron and chromium oxides, used in powder form.
Wenn das Metalloxidgemisch in dem Katalysator die erforderliche chemische Aktivität besitzen soll, rr.uß es in einer besonderen porösen Form hergestellt werden, die eine große spezifische Oberfläche besitzt. Diese Form kann nicht durch mechanisches Zerkleinern des festen Materials erhalten werden. Ein geeignetes Verfahren, um die erforderliche Oberfläche zu erhalten, besteht darin, daß man aus einem Gemisch der wasserlöslichen Salze dieser Metalle durch basische Reagentien, wie Alkali- oder Erdalkalihydroxide oder wäßrigen Ammoniak, die Hydroxide ausfällt. Zum Beispiel ist in der GB-PS 9 40 380 die Herstellung eines eisenoxidhaltigen Katalysators beschrieben, bei dem Eisen-Il-sulfat durch Erhitzen teilweise zu Eisen-HI umgewandelt wird und aus dem gemischten Produkt durch Ausfällen mit Alkali und Calcinieren des Produktes der im wesentlichen Eisen-IIl-oxid enthaltende Katalysator gewonnen wird.When the metal oxide mixture in the catalyst the should have the necessary chemical activity, soot it be made in a special porous shape, which has a large specific surface. These Shape cannot be obtained by mechanically crushing the solid material. A suitable one A method to obtain the required surface is that of a mixture of water-soluble salts of these metals by basic reagents, such as alkali or alkaline earth hydroxides or aqueous ammonia, which precipitates hydroxides. For example, in GB-PS 9 40 380 is the production of a iron oxide-containing catalyst described in the iron (II) sulfate by heating partially to iron (HI) is converted and from the mixed product by precipitation with alkali and calcining of the Product of the essentially iron-IIl-oxide-containing catalyst is obtained.
Bei dieser üblichen Ausfällung der Hydroxide werden wesentliche Mengen unerwünschter verunreinigender Anionen mitgerissen und es ist nicht möglich, diese in einem angemessenen Maße auszuwaschen und zu entfernen, besonders wegen des außerordentlich starken Absorptionspotentials von Eisenhydroxid gegenüber verschiedenen Anionen wie Chlorid, Sulfat. Phosphat und Arsenal. Daher enthalten Eisenoxidkatalysatoren, die durch Ausfällung von Fe(OH)2 oder Fe(OH)j erhalten worden sind, selbst nach außerordentlich gründlichem Auswaschen 1500—5000 ppm derartiger unerwünschter Anionen, besonders Schwefelverbindungen. Da Eisensulfat und -chlorid billig sind, werden diese wasserlöslichen Salze bevorzugt als Ausgangsmaterialien zur Herstellung von Fe-Cr-oxid-Umsetzungskatalysatoren verwendet.In this usual precipitation of the hydroxides, substantial amounts of undesirable contaminating anions are entrained and it is not possible to wash and remove them to an adequate extent, especially because of the extremely strong absorption potential of iron hydroxide towards various anions such as chloride and sulfate. Phosphate and arsenal. Therefore, iron oxide catalysts obtained by the precipitation of Fe (OH) 2 or Fe (OH) j contain 1500-5000 ppm of such undesirable anions, especially sulfur compounds, even after extremely thorough washing. Since iron sulfate and chloride are cheap, these water-soluble salts are preferably used as starting materials for the production of Fe-Cr oxide conversion catalysts.
Diese Chloride und Sulfate sind jedoch Katalysatorßifte und setzen sowohl die Aktivität als auch dieHowever, these chlorides and sulfates are catalyst poisons and set both activity and Lebensdauer der Katalysatoren herab. Darüber hinaus werden bei der Anwendung des Katalysators Chlorid und Sulfat in flüchtige Verbindungen, wie HCl und H2S, umgewandelt Außer daß der Katalysator selbst vergiftet wird, gibt ein solcher Katalysator, der Sulfat und/oder Chlorid enthält, H2S bzw. HCI an das entstehende Gas ab und kann dadurch jeden anderen Katalysator, der bei anschließenden Verfahren verwendet wird, vergiften.The life of the catalytic converters. In addition, when using the catalyst, chloride and sulfate are converted into volatile compounds such as HCl and H 2 S. Except that the catalyst itself is poisoned, such a catalyst containing sulfate and / or chloride gives H 2 S and HCl, respectively to the resulting gas and can thereby poison any other catalyst used in subsequent processes.
Das ist z. B. der Fall bei den sogenannten Niedertemperatur-Katalysatoren, die in zunehmendem Maße in zweiten Konvertern verwendet werden, die mit den Wassergaserzeugern verbunden sind, in denen derartige Hochtemperatur-Katalysatoren verwendet werden. UmThis is e.g. B. the case with the so-called low-temperature catalysts, which are increasingly being used in Second converters are used, which are connected to the water gas generators, in which such High temperature catalysts are used. Around eine solche Verunreinigung zu vermeiden, ist es nötig, das aus einem schwefel- oder chlorhaltigen Katalysator austretende Gas zu entfernen und zu beseitige... bis das entstehende Wassergas ausreichend rein ist, was sich offensichtlich auf die Effektivität des VerfahrensTo avoid such pollution it is necessary to remove and dispose of the gas escaping from a sulfur- or chlorine-containing catalyst ... until that the resulting water gas is sufficiently pure, which obviously affects the effectiveness of the process
?n auswirkt? n affects
Bleioxid kann mit sehr gutem Erfolg als Aktivator für den Eisenoxidkatalysator verwendet werden. Wenn jedoch gleichzeitig Sulfatverunreinigungen vorhanden sind, wie sie normalerweise bei der Herstellung vonLead oxide can be used with very good success as an activator for the iron oxide catalyst can be used. However, if sulphate impurities are present at the same time are how they are normally used in the manufacture of Fe2Oj auftreten, verschwindet die Aktivierungswirkung von PbO, die bei einem frischen Katalysator deutlich ist nach einer gewissen Zeit, so daß der Zusatz von PbO keinen deutlichen Vorteil mehr bringt Man kann mit PbO jedoch eine nachhaltige Wirkung erzielen, wennFe 2 Oj occur, the activating effect of PbO disappears, which is clear after a certain time with a fresh catalyst, so that the addition of PbO no longer brings any clear advantage. However, a lasting effect can be achieved with PbO if ein Eisenoxidkatalysator aktiviert wird, der sehr rein ist und nicht mehr als 20 bis 50 ppm Schwefel enthält.an iron oxide catalyst is activated which is very pure and contains no more than 20 to 50 ppm sulfur.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Hochtemperatur-Katalysatoren zu entwickeln, die einen deutlich geringeren Schwefelgehalt besitzen, d. h.It is the object of the present invention to develop improved high-temperature catalysts which have a significantly lower sulfur content, d. H.
is Eisenoxid- bzw. -hydroxidniederschläge mit einem vernachlässigbar kleinen Schwefelgehalt herzustellen, wobei möglichst ein Reagens verwendet werden soll, das zurückgewonnen werden kann und dadurch ein kontinuierliches Verfahren ermöglicht.is iron oxide or hydroxide precipitates with a produce negligibly low sulfur content, using a reagent if possible, that can be recovered, thereby enabling a continuous process.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Hochtemperatur-Katalysatoren auf Eisenoxid-Grundlage durch Behandeln von löslichen Eisen(ll)-Salzen mit einer alkalischen Lösung, Abfiltrieren, Waschen und Trocknen, das dadurch gekennzeich-This object is achieved by a method for the production of high-temperature catalysts Iron oxide base by treating soluble iron (II) salts with an alkaline solution, filtering off, washing and drying, which is characterized by net ist, daß man zu Lösungen von löslichen Eisen(ll)-Salzen ein Ammonium- oder Alkalisalz von Oxalsäure zusetzt den entstehenden grobkristallinen Niederschlag zur Entfernung löslicher Verunreinigungen wäscht und anschließend mit einer alkalischen Lösung behandelt,What is net is that an ammonium or alkali metal salt of oxalic acid is added to solutions of soluble iron (II) salts adds the resulting coarsely crystalline precipitate to remove soluble impurities, washes and then treated with an alkaline solution, das entstehende flockige Eisenoxid bzw. -hydroxid abfilti iert, wäscht und trocknet sowie aus dem Filtrat die wasserlöslichen Oxalate zurückgewinnt.the resulting flaky iron oxide or hydroxide filtered off, washes and dries as well as from the filtrate recovers water-soluble oxalates.
Gemäß der Erfindung ist es möglich, Hochtemperatur-Katalysatoren herzustellen, die durch AusfällenAccording to the invention it is possible to produce high-temperature catalysts by precipitation erhaltenes Eisenoxid mit einem Schwefelgehalt von weniger als 50 ppm, günstigerweisc weniger als 20 ppm, enthalten und mit PbO aktiviert sein können.obtained iron oxide with a sulfur content of less than 50 ppm, advantageously less than 20 ppm, and can be activated with PbO.
Katalysatoren aus gemischten Oxiden können natürlich gemäß der Erfindung hergestellt werden, indemMixed oxide catalysts can of course be prepared according to the invention by man von gemischten Lösungen ausgeht, die außer den löslichen Eisensalzen noch andere lösliche Salze enthalten. Bei dem ersten Schritt nach der Erfindung werden die wasserlöslichen Eisensalze in gering lösliche grob kristalline Eisensalze übergeführt, die leichtone starts from mixed solutions which, in addition to the soluble iron salts, also contain other soluble salts contain. In the first step according to the invention, the water-soluble iron salts become slightly soluble coarsely crystalline iron salts that easily vollständig von Verunreinigungen befreit werden können, da der grob kristalline Niederschlag im Gegensatz zu den Eisenoxiden bzw. -hydroxiden nicht dazu neigt, Anionen zu absorbieren und festzuhalten.be completely freed from impurities can, as the coarsely crystalline precipitate, in contrast to the iron oxides or hydroxides, cannot tends to absorb and hold onto anions.
Wenn man Natriumoxalat und Eisen-II-suIfat verwendet, kann man mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Eisenoxid mit einer hohen spezifischen Oberfläche erhalten, das einen Schwefelgehalt von nur 10 ppm besitzt Zunächst wird aus einer Lösung von Eisen-U-sulfat mit Natriumoxalat das Eisen-II-oxalat ausgefällt Die überstehende Natriumsulfat-haltige Lösung wird abgegossen und der grob kristalline Niederschlag von Eisenoxalat sehr gründlich gewaschen, um Spuren von Sulfat zu entfernen. Bei der Hydrolyse des Eisenoxalats mit Natriumhydroxid entsteht dann ein geeigneter Niederschlag von Eisenoxid bzw. -hydroxid und das Natriumoxalat wird zurückgewonnen.When using sodium oxalate and ferrous sulfate, you can use the inventive method an iron oxide with a high specific Obtained surface that has a sulfur content of only 10 ppm. First, a solution of Iron-U-sulfate with sodium oxalate the iron-II-oxalate precipitated The supernatant sodium sulfate-containing solution is poured off and the coarsely crystalline Iron oxalate precipitate washed very thoroughly to remove traces of sulfate. In the Hydrolysis of the iron oxalate with sodium hydroxide then results in a suitable precipitate of iron oxide or hydroxide and the sodium oxalate is recovered.
Es zeigt, sich, daß die Eigenschaften von Eisenoxalat für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet sind. Es ist gering löslich, kristallisiert leicht in regelmäßigen Kristallen, deren Oberfläche nicht zur Absorption neigt, und erleichtert dadurch die Entfernung von Sulfat- üsd Chloridionen von dem Niederschlag und hydrolysiert leicht, ohne daß sich die Säure dabei zersetzt, wodurch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erhöht wird.It turns out that the properties of iron oxalate are particularly suitable for the process according to the invention. It is sparingly soluble, easily crystallizes in regular crystals, the surface of which does not tend to be absorbed, making it easier to remove of sulphate and chloride ions from the precipitate and readily hydrolyzes without decomposing the acid, thereby reducing the economics of the Procedure is increased.
Nach dem Ausfällen des Eisen-H-oxalats ist es nicht notwendig, den gering löslichen Niederschlag von der flüssigen Phase zu isolieren.After the iron-H-oxalate has precipitated, it is not necessary to isolate the slightly soluble precipitate from the liquid phase.
Nach der vollständigen Entfernung des Sulfats und/oder Chlorids von der Eisenoxalatsuspension kann der Hydrolyseschritt wie folgt durchgeführt werden: Zu der reinen Suspension wird eine Menge NaOH, KOH oder NH4OH zugegeuen, die der Menge des Eisenoxalats äquivalent ist Das Gemhch wir', dann auf einer Temperatur zwischen 50 und 100°C gehalten, bis die Hydrolyse eintritt und ein flockiger , id ultrareiner Fe(OH)rNiederschlag entsteht, der durch Abfiltrieren von der alkalischen Na-, K- oder NH4-Oxalatlösung abgetrennt werden kann. Nach dem Auswaschen wird die entstehende Fe(OH)2-Suspension mit wasserlöslichen Verbindungen, besonders Nitraten, zusammengebracht, die die zur Aktivierung des Eisenoxids erwünschten Oxide, wie Cr2O3 und PbO, ergeben. Die bei der Hydrolyse freigesetzten wasserlöslichen Oxalate werden gesammelt und wieder zur Ausfällung verwendet. After the sulfate and / or chloride has been completely removed from the iron oxalate suspension, the hydrolysis step can be carried out as follows: An amount of NaOH, KOH or NH4OH is added to the pure suspension that is equivalent to the amount of iron oxalate Maintained temperature between 50 and 100 ° C until hydrolysis occurs and a flaky, id ultra-pure Fe (OH) precipitate is formed, which can be separated from the alkaline Na, K or NH 4 oxalate solution by filtering off. After washing out, the resulting Fe (OH) 2 suspension is combined with water-soluble compounds, especially nitrates, which give the oxides desired for activating the iron oxide, such as Cr 2 O3 and PbO. The water-soluble oxalates released during hydrolysis are collected and reused for precipitation.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert, bei denen unter Teilen immer Gewichtsteile zu verstehen sind.The invention is explained in more detail by the following examples, in which under parts always Parts by weight are to be understood.
100 Teile FeSO4 · 7 HjO wurden in 264 Teilen reinem kalten Wasser gelöst. 48 Teile Natriumoxalat (Na2C2O4) wurden dann unter Rühren zugesetzt. Es war nicht nötig, zu erhitzen. Nach einer Stunde hatte sich ein Niederschlag von Eisenoxalat FeC2O4 · 2 H2O gebildet. Die Sulfatkonzentration wurde durch wiederholtes Dekantieren und Auswaschen auf einem Filter herabgesetzt, bis eine qualitative Sulfatanalyse negativ war. Das gereinigte Eisenoxalat wurde in 300 Teilen reinem Wasser aufgeschlämmt und 29 Teile NaOH oder 41 Teile KOH wurden zugesetzt. Das Gemisch wurde I h auf 95°C erhitzt und anschließend das gebildete Fe(OH)2 abfiltriert und gewaschen. Das Filtrat wurde zur Rückgewinnung des Oxalats aufgefangen. Nach dem Waschen wurde das reine Fe(OH)2 in Wasser aufgeschlämmt. Hierzu wurden 2 Teile Chromsäure zugegeben und das Gemisch '/2h auf 1000C erhitzt. Der Niederschlag wurde abfiltriert und getrocknet.100 parts of FeSO 4 · 7 HjO were dissolved in 264 parts of pure cold water. 48 parts of sodium oxalate (Na 2 C 2 O 4 ) were then added with stirring. There was no need to heat. After one hour a precipitate of iron oxalate FeC 2 O 4 · 2 H 2 O had formed. The sulfate concentration was decreased by repeated decanting and washing on a filter until a qualitative sulfate analysis was negative. The purified iron oxalate was slurried in 300 parts of pure water and 29 parts of NaOH or 41 parts of KOH were added. The mixture was heated to 95 ° C. for 1 h and the Fe (OH) 2 formed was then filtered off and washed. The filtrate was collected to recover the oxalate. After washing, the pure Fe (OH) 2 was slurried in water. To this end, 2 parts of chromic acid were added and the mixture was heated to 100 ° C. for 1/2 hour. The precipitate was filtered off and dried.
Der fertige Katalysator wurde 2 h bei 4000C gebrannt Ausbeute 28,4 Teile (theoretische Ausbeute 30,2 Teile).The finished catalyst was calcined at 400 ° C. for 2 hours. Yield 28.4 parts (theoretical yield 30.2 parts).
Es wurde wie in Beispiel 1 verfahren, mit der Ausnahme, daß 71 Teile FeCl2 · 4 H2O als Ausgangsnaterial verwendet wurden. Die Ausbeute betrug 29,0 Teile (theoretische Ausbeute 30,2 Teile).The procedure was as in Example 1, with the exception that 71 parts of FeCl 2 · 4 H 2 O were used as starting material. The yield was 29.0 parts (theoretical yield 30.2 parts).
Es wurde wie in Beispiel 1 verfahren, jedoch wurden nach der Zugabe der Chromsäure und nach >/2-stündigem Erhitzen auf 1000C 6 Teile Bleinitrat zugegeben. Ausbeute 33,0 Teile (theoretische Ausbeute 34,2 Teile).The procedure was as in Example 1 but heating -stündigem 6 parts of lead nitrate was added to 100 0 C after the addition of the chromic acid, and after> / 2. Yield 33.0 parts (theoretical yield 34.2 parts).
Es wurde wie in Beispiel 3 verfahren, jedoch nur 2'/2 Teile Bleinitrat zugesetzt Ausbeute 31,2 Teile (theoretische Ausbeute 32,2 Teile).The procedure was as in Example 3, but only 2 1/2 Parts of lead nitrate added. Yield 31.2 parts (theoretical yield 32.2 parts).
Es wurden die folgenden chemischen Zusammensetzungen für die einzelnen Beispiele gefunden.The chemical compositions were as follows found for each example.
Beispiel 1: 94,2% Fe2O3, 4,8% Cr2O3 Example 1: 94.2% Fe 2 O 3 , 4.8% Cr 2 O 3
Beispiel 2: 94,2% Fe2O3, 4,8% Cr2O3 Example 2: 94.2% Fe 2 O 3 , 4.8% Cr 2 O 3
Beispiel 3: 843% Fe2O3, 4,0% Cr2O3, 11,7% PbOExample 3: 843% Fe 2 O 3 , 4.0% Cr 2 O 3 , 11.7% PbO
Beispiel 4: 89,5% Fe2O3, 43% Cr2O3, 6,2% PbOExample 4: 89.5% Fe 2 O 3 , 43% Cr 2 O 3 , 6.2% PbO
Zum Vergleich wurde eine Reihe von Katalysatoren hergestellt, die identische Zusammensetzungen besaßen wie die entsprechend den Beispielen 1, 2, 3 und 4 hergestellten, bei deren Herstellung jedoch die Stufe der FeC2O4 · 2 H2O Ausfällung weggelassen wurde. Das heißt, diese Vergleichsbeispiele wurden durch direkte Ausfällung von Fe(OH)2 aus einer Eisensulfat- oder Eisenchloridlösung hergestellt Diese Niederschläge wurden auf die gleiche Weise wie oben beschrieben ausgewaschen, bis das Waschwasser kein Sulfat mehr enthielt. Die Aktivierung mit PbO und Cr2O3 wurde auf die gleiche Weise durchgeführt.For comparison, a number of catalysts were prepared which had identical compositions to those prepared according to Examples 1, 2, 3 and 4, but in the preparation of which the step of FeC 2 O 4 · 2 H 2 O precipitation was omitted. That is, these comparative examples were prepared by directly precipitating Fe (OH) 2 from an iron sulfate or ferric chloride solution. These precipitates were washed out in the same manner as described above until the washing water no longer contained sulfate. Activation with PbO and Cr 2 O 3 was carried out in the same way.
Diese Beispiele werden als Vergleichsbeispiele 1, 2, 3 und 4 bezeichnet. Die Tabelle 1 zeigt den Chlor- und Schwefelgehalt in allen Katalysatoren.These examples are referred to as Comparative Examples 1, 2, 3 and 4. Table 1 shows the chlorine and Sulfur content in all catalysts.
Die chemische Aktivität der Proben wurde berechnet, indem man die Umsetzung eines trockenen Gases der
Zusammensetzung 60% H2,20% N2,10% CO und 10%
2O2 bestimmte. Das Verhältnis von Dampf: trockenem
Gas war 1:1. Die Reaktionstemperatur betrug 4000C jnd der Druck 1 Atmosphäre. Die gemessene
Umwandlung wurde zur Berechnung der Geschwindigkeitskonstanten nach der Gleichung
r= k(Pco-PcaG) The chemical activity of the samples was calculated by determining the conversion of a dry gas with the composition 60% H 2 , 20% N 2 , 10% CO and 10% 2O 2 . The steam: dry gas ratio was 1: 1. The reaction temperature was 400 0 C jnd the pressure is 1 atmosphere. The measured conversion was used to calculate the rate constant according to the equation
r = k (Pco-Pca G )
berechnet, in der Pcoai der CO-Partialdruck im Gleichgewichtszustand ist Diese Geschwindigkeitskonstanten sind in Tabelle 2 angegeben.calculated, in which Pcoai is the CO partial pressure at equilibrium. These rate constants are given in Table 2.
Aus Tabelle 1 wird deutlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren sehr wirksam ist, um den Schwefelgehalt herabzusetzen und den bekannten Ausfällverfahren weit überlegen ist.From Table 1 it can be seen that the process of the invention is very effective in reducing the sulfur content and is far superior to the known precipitation process.
Tabelle 2 zeigt, daß, wenn der Schwefelgehalt herabgesetzt wird, der Katalysator durch Zusatz von PbO noch weiter aktiviert werden kann, während schwefelhaltige Katalysatoren nur kurzzeitig durch PbO aktiviert werden.Table 2 shows that when the sulfur content is decreased, the catalyst is increased by the addition of PbO can be activated even further, while sulfur-containing catalysts can only be activated for a short time by PbO to be activated.
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