DE2009374C3 - 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 4- H2 CO + H 2 O -> CO 2 4- 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, muß 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-II-sulfat durch Erhitzen teilweise zu Eisen-Ill umgewandelt wird und aus dem gemischten Produkt durch Ausfällen mit Alkali und Calcinieren des Produktes der im wesentlichen Eisen-lll-oxid enthaltende Katalysator gewonnen wird.If the metal oxide mixture in the catalyst is to have the required chemical activity, it must 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 (III) is converted and from the mixed product by precipitation with alkali and calcining of the Product of the essentially iron-III-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 /.u 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)3 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.This usual precipitation of the hydroxides entrains significant amounts of undesirable contaminating anions and it is not possible to wash and /.u remove them to a reasonable extent, especially because of the extremely strong absorption potential of iron hydroxide towards various anions such as chloride, sulfate, phosphate and arsenal . Therefore, iron oxide catalysts obtained by the precipitation of Fe (OH) 2 or Fe (OH) 3 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 Katalysatorgifte und setzen sowohl die Aktivität als auch die Lebensdauer der Katalysatoren herab. Darüber hinaus werden bei der Anwenciung 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. HCl an das entstehende Gas ab und kann dadurch jeden anderen Katalysator, der bei anschließenden Verfahren verwendet wird, vergiften.However, these chlorides and sulfates are catalyst poisons and reduce both the activity and the service life of the catalysts. 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 or HCl, respectively to the resulting gas and can thereby poison any other catalyst used in subsequent processes.
ίο 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. Um eine solche Verunreinigung zu vermeiden, ist es nötig, das aus einem schwefel- oder chlorhaltigen Katalysator austretende Gas zu entfernen und zu beseitigen, bis das entstehende Wassergas ausreichend rein ist, was sich offensichtlich auf die Effektivität des Verfahrens auswirkt.ίο This is z. B. the case with the so-called low-temperature catalysts, which are increasingly used in second converters connected to the water gas generators in which such High temperature catalysts are used. To avoid such contamination it is necessary to remove and dispose of the gas escaping from a sulfur- or chlorine-containing catalyst until the the resulting water gas is sufficiently pure, which obviously affects the effectiveness of the process 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 von Fe2O3 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, wennLead oxide can be used as an activator for the iron oxide catalyst with very good success. If, however, sulphate impurities are present at the same time, as they normally occur in the production of Fe 2 O 3, the activating effect of PbO, which is clear with a fresh catalyst, disappears after a certain time, so that the addition of PbO no longer offers any significant advantage. However, you can achieve a lasting effect with PbO, if
jo ein Eisenoxidkatalysator aktiviert wird, der sehr rein ist und nicht mehr als 20 bis 50 ppm Schwefel enthält.jo 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.
Eisenoxid- bzw. -hydroxidniederschläge mit einem vernachlässighar kleinen Schwefelgehalt herzustellen, wobei möglichst ein Reagens verwendet werden soll, das zurückgewonnen werden kann und dadurch ein kontinuierliches Verfahren ermöglicht.To produce iron oxide or hydroxide precipitates with a negligibly low sulfur content, where possible a reagent should be used that can be recovered and thereby a enables 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 gekennzcichnet ist, daß man zu Lösungen von löslichen Eiscn(lI)-SaI-zen ein Ammonium- oder Alkalisalz von Oxalsäure zusetzt, den entstehenden grobkristallinen Niederschlag zur Entfernung löslicher Verunreinigungen wäscht und anschließend mit einer alkalischen Lösung behandelt,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 the fact that solutions of soluble ice (III) salts are obtained an ammonium or alkali salt of oxalic acid is added, the resulting coarse crystalline precipitate washes to remove soluble impurities and then treated with an alkaline solution,
V) das entstehende flockige Eisenoxid bzw. -hydroxid abfiltriert, wäscht und trocknet sowie aus dem Filtrat die wasserlöslichen Oxalate zurückgewinnt. V) the resulting flaky iron oxide or hydroxide is filtered off, washed and dried and the water-soluble oxalates are recovered from the filtrate.
Gemäß der Erfindung ist es möglich, Hochtemperatur-Katalysatoren herzustellen, die durch Ausfällen erhaltenes Eisenoxid mit einem Schwefelgchalt von weniger als 50 ppm, günstigerweise weniger als 20 ppm, enthalten und mit PbO aktiviert sein können.According to the invention it is possible to use high temperature catalysts to produce the iron oxide obtained by precipitation 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
bo man von gemischten Lösungen ausgeht, die außer den löslichen Eisensalzen noch andere lösliche Salze enthalten. Bei dem ersten Sehritt nach der Erfindung werden die wasserlöslichen Eisensalze in gering lösliche grob kristalline Eisensalze übergeführt, die leichtbo one assumes mixed solutions that, in addition to the soluble iron salts contain other soluble salts. At the first step after the invention the water-soluble iron salts are converted into slightly soluble, coarsely crystalline iron salts, which are easily
b5 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.b5 are 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-il-sulfat 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-II-sulfat mit Natriumoxalat das Eisen-II-oxalat ausgefällt. Die Oberstehende 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-II-sulfate with sodium oxalate the iron-II-oxalate failed. The above solution containing sodium sulfate is poured off and the coarse crystalline precipitate of iron oxalate washed very thoroughly, to remove traces of sulfate. In the hydrolysis of iron oxalate with sodium hydroxide Then a suitable precipitate of iron oxide or hydroxide and the sodium oxalate is formed recovered.
Es zeigt sich, daß die Eigenschaften von Eisenoxalat für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet sind. Es ist gering löslich, kristallisiert !eicht in regelmäßigen Kristallen, deren Oberfläche nicht zur Absorption neigt, und erleichtert dadurch die Entfernung von Sulfat- und 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 are. 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 sulfate and chloride ions from the precipitate and hydrolyzes easily without breaking the acid decomposed in the process, which increases the economic efficiency of the process.
Nach dem Ausfällen des Eisen-ll-oxalats ist es nicht notwendig, den gering löslichen Niederschlag von der 2r> flüssigen Phase zu isolieren.After precipitation of the iron-ll-oxalate it is not necessary to isolate the sparingly soluble precipitate of the 2 r> 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 j< > oder NH4OH zugegeben, die der Menge des Eisenoxalats äquivalent ist. Das Gemisch wird dann auf einer Temperatur zwischen 50 und 1000C gehalten, bis die Hydrolyse eintritt und ein flockiger und ultrareiner Fe(OH)2-Niederschlag entsteht, der durch Abfiltrieren r> von der alkalischen Na-, K- oder NH4-Oxalatlö!>ung 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 which is equivalent to the amount of iron oxalate. The mixture is then kept at a temperature between 50 and 100 0 C until hydrolysis occurs and a flaky and ultra-pure Fe (OH) 2 precipitate is formed, which is filtered off from the alkaline Na, K or NH 4 - Oxalate solution can be separated. 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 O 3 and PbO. The water-soluble oxalates released during hydrolysis are collected and reused for precipitation.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele 4"> näher erläutert, bei denen unter Teilen immer Gewichtsteile zu verstehen sind.The invention is illustrated by the following examples explained in more detail, in which parts are always to be understood as parts by weight.
5050
100TeUcFeSO4 · 7 H2O 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 t>o Teile KOH wurden zugesetzt. Das Gemisch wurde 1 h auf 950C 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(OHJj in Wasser aufge- b5 schlämmt. Hierzu wurden 2 Teile Chromsäure zugegeben und das Gemisch V2 h auf 1000C erhitzt. Der Niederschlag wurde abfiltriert und getrocknet.100 TeUcFeSO 4 · 7 H 2 O 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 41,000 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 (OHJj was listed in water b5 slurried. To this was added 2 parts of chromic acid was added and the mixture heated V 2 hours at 100 0 C. 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 burned at 400 ° C. for 2 h. 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 Ausgangsmaterial 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 '/j-stündigem Erhitzen auf 1000C 6 Teile Bleinitrat zugegeben. Ausbeute 33,0 Teile (theoretische Ausbeute 34,2 Teile).The procedure was as in Example 1, except that after the addition of the chromic acid and after heating to 100 ° C. for 1/2 hours, 6 parts of lead nitrate were added. Yield 33.0 parts (theoretical yield 34.2 parts).
Es wurde wie in Beispiel 3 verfahren, jedoch nur 2Ui Teile Bleinitrat zugesetzt. Ausbeute 31,2 Teile (theoretische Ausbeute 32,2 Teile).The procedure was as in Example 3, but only 2 u parts of lead nitrate were 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% Cr2O1 Example 1: 94.2% Fe 2 O 3 , 4.8% Cr 2 O 1
Beispiel 2: 94,2% Fe2O3, 4,8% Cr2O3 Example 2: 94.2% Fe 2 O 3 , 4.8% Cr 2 O 3
Beispiel 3: 84,3% Fe2O3, 4,0% Cr2O3, 11,7% PbOExample 3: 84.3% Fe 2 O 3 , 4.0% Cr 2 O 3 , 11.7% PbO
Beispiel 4: 89,5% Fe2O3, 4,3% Cr2O3, 6,2% PbOExample 4: 89.5% Fe 2 O 3 , 4.3% Cr 2 O 3 , 6.2% PbO
Zum Vergleich wurde eine Reihe von Katalysatoren hergestellt, die identische Zusammensetzungen besaßen wie die entsprechend den Beispielen I, 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 Eis;nsulfat- oder Eisenchloridlcsung 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 I, 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 direct precipitation of Fe (OH) 2 from an ice, sulfate or iron 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 I. 2, 3 und 4 bezeichnet. Die Tabelle 1 zeigt den Chlor- und Schwefelgehalt in allen Katalysatoren.These examples are referred to as comparative examples I. 2, 3 and 4 denotes. 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% CO2 bestimmte. Das Verhältnis von Dampf : trockenem Gas war 1 :1. Die Reaktionstemperatur betrug 400°C und der Druck 1 Atmosphäre. Die gemessene Umwandlung wurde zur Berechnung der Geschwindigkeitskonstanten nach der GleichungThe 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% CO 2 . The steam: dry gas ratio was 1: 1. The reaction temperature was 400 ° C. and the pressure 1 atmosphere. The measured conversion was used to calculate the rate constant according to the equation
r= kfPco-Pcocil
berechnet, in der Pcoa rfer CO-Partialdruck im
Gleichgewichtszustand ist Diese Geschwindigkeitskonstanten sind in Tabelle 2 angegeben.r = kfPco-Pcocil
calculated in which Pcoa rfer CO partial pressure is 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 SchwefelgehaltTable 2 shows that when the sulfur content
herabgesetzt wird, der Katalysator durch Zusatz von PbO noch weiter aktiviert werden kann, während schwefelhaltige Katalysatoren nur kurzzeitig durch PbO aktiviert werden.is reduced, the catalyst can be activated even further by adding PbO, while Sulfur-containing catalysts are only activated briefly by PbO.
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