DE2130732C3 - Ammonia synthesis catalyst - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Katalysator zur Ammoniaksynthese sowie auf dessen Verwendung.The invention relates to a catalyst for ammonia synthesis and to its use.
Bei der Synthese von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff nach bekannten Verfahren wird üblicherweise ein Eisenkatalysator verwendet Ein solcher Katalysator enthält als Hauptbestandteil Eisen und als Hilfsbestandteil ein kaum reduzierbares Oxid, wie beispielsweise Aluminiumtrioxid, Thoriumdioxid, Zirkonoxid und dergleichen sowie ein Alkalimetall- oder Erdalkalimetalloxid, wie Kaliumoxid, Kalziumoxid und dergleichen, zwischen den Eisenkristalliten verteilt Ein derartiger Katalysator besitzt beispielsweise folgende Zusammensetzung: 94Gew.-% Fe, 4Gew.-% Al2O3, 1 Gew.-% CaO und 1 Gew.-% K2O. Nachteilig an derartigen Katalysatoren ist jedoch, daß sie nicht immer die gewünschte Aktivität entfalten. So reicht beispielsweise ihre katalytische Aktivität bei niedriger Temperatur, beispielsweise bei Temperaturen unterhalb 300° C nicht aus, um im Sinne des chemischen Gleichgewichts die Bildung von Ammoniak zu begünstigen. Folglich müssen also die üblichen Industrieanlagen trotz Beeinträchtigung des chemischen Gleichgewichts zwangsläufig bei hohen Temperaturen, beispielsweise bei Temperaturen von 400 bis 4500C, gefahren werden. Um nun die mit hohen Temperaturen einhfcrgehenden Nachteile auszuschalten, mußte in den bekannten Industrieanlagen bei hohen Drucken, beispielsweise bei Drucken von 300 bis 500 kg/cm2 gearbeitet werden. Trotz dieser hohen Drucke ist die direkte Umwandlung wegen des nachteiligen Einflusses der hohen Temperatur auf das chemische Gleichgewich und aufgrund der Hemmwirkung des gebildeten Ammoniaks auf etwa 20% beschränkt. Dies hat einen enormen Zuwachs in der Menge an Rückführgas zur Folge, was weiterhin zu einer Steigerung der Betriebskosten, wie beispielsweise der Aufwendungen für Betriebskraft, Wärmeübertragung, Ammoniakgewinnung und dergleichen führt.In the synthesis of ammonia from nitrogen and hydrogen by known processes, an iron catalyst is usually used.Such a catalyst contains iron as its main component and a hardly reducible oxide as an auxiliary component, such as aluminum trioxide, thorium dioxide, zirconium oxide and the like, and an alkali metal or alkaline earth metal oxide such as potassium oxide , Calcium oxide and the like, distributed between the iron crystallites. Such a catalyst has the following composition, for example: 94% by weight Fe, 4% by weight Al 2 O 3 , 1% by weight CaO and 1% by weight K 2 O. Disadvantageous However, such catalysts are that they do not always display the desired activity. For example, their catalytic activity at low temperatures, for example at temperatures below 300 ° C., is insufficient to promote the formation of ammonia in terms of chemical equilibrium. As a result, the usual industrial plants must necessarily be operated at high temperatures, for example at temperatures of 400 to 450 ° C., in spite of the impairment of the chemical equilibrium. In order to eliminate the disadvantages associated with high temperatures, the known industrial plants had to work at high pressures, for example pressures of 300 to 500 kg / cm 2 . Despite these high pressures, the direct conversion is limited to about 20% because of the adverse influence of the high temperature on the chemical equilibrium and because of the inhibiting effect of the ammonia formed. This results in an enormous increase in the amount of recycle gas, which furthermore leads to an increase in operating costs, such as, for example, the expenditure for operating power, heat transfer, ammonia production and the like.
Ähnliche Nachteile zeigt der aus der DT-AS 1300520 bekannte Katalysator, der durch Reduktion eines Kaliumoxid, Aluminiumoxid, gegebenenfalls Lithiumoxid und sonstige Oxide sowie in der Hauptsache Eisenoxid enthaltenden Granulats und anschließende Weiterbehandlung des reduzierten Granulats hergestellt wird. Im Verlaufe der Reduktion wird jedoch lediglich das Eisenoxid in den metallischen Zustand überführt, während unter den einzuhaltenden Verfahrensbedingungen die jeweils gleichfalls eingesetzten Alkalioxide nicht reduziert werden.The one from DT-AS 1300520 shows similar disadvantages known catalyst, the reduction of a potassium oxide, aluminum oxide, optionally lithium oxide and other oxides as well as granules containing mainly iron oxide and then Further treatment of the reduced granulate is produced. However, in the course of the reduction only the iron oxide is converted into the metallic state, while under the process conditions to be observed the alkali oxides also used in each case are not reduced.
Die CH-PS 251380 beschäftigt sich mit einem Katalysator zur Ammoniaksynthese, der aus einer Mischung von Stickstoff Nitride bildenden und mit Wasserstoff Hydride bildenden Stoffen, wobei es sich um solche Stoffe handeln muß, die unter den jeweiligen Reaktionsbedingungen ein labiles Hydrid und/oder Nitrid bilden. Bei der Verwendung dieses bekannten Katalysators laufen also vor der eigentlichen Synthesereaktion noch zwei weitere chemische Reaktionen ab, die die Verfahrensführung sowie auch die Herstellung des Katalysators schwieriger gestalten.The CH-PS 251380 deals with a catalyst for the synthesis of ammonia, which forms nitrides from a mixture of nitrogen and hydrogen Substances that form hydrides, which must be those substances which under the respective reaction conditions form a labile hydride and / or nitride. When using this known catalyst So, before the actual synthesis reaction, two more chemical reactions take place Make process management and the production of the catalyst more difficult.
Schließlich sind aus der DT-OS 1939665 sowie aus »Chemistry and Industrie«, 1960. Seite 130 ff. Katalysatoren bekannt, die ein Alkalimetall in Oxidform enthalten. Ihre Aktivität bei der Ammoniaksynthese ist unbefriedigend.Finally, from DT-OS 1939665 and from "Chemistry and Industry", 1960. page 130 ff. Catalysts known that contain an alkali metal in oxide form. Their activity in the synthesis of ammonia is unsatisfactory.
Ein anderer bisher bei der großtechnischen Ammoniaksynthese verwendeter Katalysator besteht im wesentlichen aus einem Cyanatkomplex. Dieser Katalysator ist schlechthin kein geeigneter Katalysator für die Ammoniaksynthese, da seine Aktivität nicht nur in starkem Maße von der Reinheit der Speisegase, sondern auch von praktisch denselben Faktoren wie die Aktivitäten der eingangs genannten Katalysatoren abhängig ist.Another catalyst previously used in large-scale ammonia synthesis is essentially from a cyanate complex. This catalyst is simply not a suitable catalyst for the synthesis of ammonia, as its activity depends not only to a large extent on the purity of the feed gases, but also from practically the same factors as the activities of the catalysts mentioned at the beginning is dependent.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Katalysator für die Ammoniaksynthese zu schaffen, der diese bei niedrigeren Temperaturen und geringeren Kosten als die bisher bekannten Katalysatoren gestattet und der selbst bei hohen Ammoniakkonzentrationen eine allenfalls geringfügige Erniedrigung der Reaktionsgeschwindigkeit zuläßtThe invention is based on the object of providing a catalyst for the synthesis of ammonia which this allowed at lower temperatures and lower costs than the previously known catalysts and even at high ammonia concentrations a slight decrease in the reaction rate allows
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Katalysator zur Ammoniaksynthese, hergestellt durch Aufdampfen eines Alkalimetalls auf die Oberfläche mindestens eines in metallischem Zustand vorliegenden und durch Reduktion einer reduzierbaren Übergangsmetallverbin-The invention thus relates to a catalyst for the synthesis of ammonia, produced by vapor deposition an alkali metal on the surface of at least one present in the metallic state and by reduction a reducible transition metal compound
dung hergestellten Übergangsmetalls der Gruppen VIB, VIIB oder VIII des Periodensystems in Gegenwart eines Trägers im Vakuum bei einer Temperatur von 300 bis 5000C oder durch Einweichen mindestens eines im metallischen Zustand vorliegenden Übergangsmetalls der Gruppen VIB, VIIB oder VIII des Periodensystems zusammen mit einem Träger in einer Lösung eines Alkalimetalls in flüssigem Ammoniak und anschließendes Verdampfen des Ammoniaks.Preparation produced transition metal of groups VIB, VIIB or VIII of the periodic table in the presence of a support in vacuo at a temperature of 300 to 500 0 C or by soaking at least one transition metal present in the metallic state of groups VIB, VIIB or VIII of the periodic table together with a support in a solution of an alkali metal in liquid ammonia and then evaporating the ammonia.
Der erfindungsgemäße Katalysator entfaltet selbst bei niedrigeren Temperaturen eine hohe Aktivität und ermöglicht die Ammoniaksynthese aus Stickstoff und Wasserstoff bei weit geringeren Herstellungskosten als dies bisher der Fall war. Bei seiner Verwendung ist selbst bei hohen Ammoniakkonzentrationen eine allenfalls geringfügige Erniedrigung der Reaktionsgeschwindigkeit zu beobachten. Bei den jeweils ermittelten optimalen Arbeitsbedingungen besitzt der erfindungsgemäße Katalysator einen hervorragenden Wirkungsgrad. The catalyst according to the invention exhibits high activity and even at lower temperatures enables ammonia synthesis from nitrogen and hydrogen with far lower production costs than was previously the case. When using it is, at best, a slight decrease in the rate of reaction even at high ammonia concentrations to observe. With the optimal working conditions determined in each case, the inventive Catalyst excellent efficiency.
Bei einem erfindungsgemäßen Katalysator wird von der einzigartigen Wirkungsweise des metallischen Zustands von Alkalimetallen optimal Gebrauch gemacht Er unterscheidet sich in seinen charakteristischen Eigenschaften von zur Ammoniaksynthese bisher verwendeten üblichen Katalysatoren erheblich. Durch die Aktivierung mit einem im metallischen Zustand vorliegenden Alkalimetall erhält ein Übergangsmetallbestandteil eine lOmal höhere spezifische katalytische Aktivität (pro Oberflächenbereich) als sie das Übergangsmetall vor der Aktivierung aufweist Erfindungswesentlich ist demzufolge die Kombination eines Übergangsmetallbestandteils mit einem Alkalimetallbestandteil jeweils in metallischem Zustand.A catalyst according to the invention is based on the unique mode of action of the metallic state made optimal use of alkali metals It differs in its characteristic Properties of the customary catalysts previously used for ammonia synthesis are considerable. Through the Activation with an alkali metal present in the metallic state contains a transition metal component a 10 times higher specific catalytic activity (per surface area) than the transition metal prior to activation has essential to the invention is therefore the combination of a transition metal component with an alkali metal component each in a metallic state.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß einige bisher zur Ammoniaksynthese verwendete Katalysatoren ebenfalls alkalimetallhaltig sind. Das Alkalimetall liegt jedoch in den bekannten Katalysatoren als Oxid, z.B. als Kaliumoxid, vor und bleibt auch im »Betriebszustand« dieser Katalysatoren in der Oxidform. Die Wirkung eines solchen in üblichen bekannten Katalysatoren verwendeten Alkalimetalloxids stellt sich lediglich in Zusammenarbeit mit den anderen Oxiden, wie beispielsweise Aluminiumtrioxid, Siliziumdioxid und dergleichen, ein. Dies wird besonders deutlich, wenn man sich vergegenwärtigt, daß beim Vermischen eines Alkalimetalloxids (allein) mit Eisen, dessen Aktivität ziemlich stark beeinträchtigt wird (vgl. J.A.Almquist, und E.D. Crittenden in »Ind. Eng. Chem.« 18, Seite 1307 - 1926 -). Die Wirkungsweise der Alkalimetalloxide in den bekannten Katalysatoren unterscheidet sich folglich von der Wirkung des Zusatzes eines in metallischem Zustand vorliegenden Alkalimetalls ganz erheblich.In this context, it should be noted that some have been used previously for ammonia synthesis Catalysts also contain alkali metals. However, the alkali metal is in the known catalysts as an oxide, e.g. as potassium oxide, and remains in the "operating state" of these catalysts Oxide form. The effect of such an alkali metal oxide used in conventionally known catalysts arises only in cooperation with the other oxides, such as aluminum trioxide, Silicon dioxide and the like. This is going to be special clearly if one realizes that when mixing an alkali metal oxide (alone) with iron, whose activity is rather severely impaired (see J.A.Almquist, and E.D. Crittenden in »Ind. Closely. Chem. «18, page 1307 - 1926 -). The mode of action of the alkali metal oxides in the known Catalysts are thus different from the effect of adding one in the metallic state present alkali metal quite considerably.
Die in dem erfindungsgemäßen Katalysator enthaltene Kombination eines Übergangsmetalls mit einem Alkalimetall zeigt selbst schon eine genügend hohe katalytische Aktivität bei der Ammoniaksynthese. Zur weiteren Verbesserung der katalytischer! Aktivität enthält der Katalysator gemäß der Erfindung jedoch als dritten Bestandteil bzw. Träger Substanzen, wie Aktivkohle oder poröse Kohle, ein kaum reduzierbares Oxid, ein Metallkarbid und dergleichen.The combination of a transition metal with one contained in the catalyst according to the invention Alkali metal itself shows a sufficiently high catalytic activity in the synthesis of ammonia. To the further improve the catalytic! However, the catalyst according to the invention contains activity as third component or carrier substances, such as activated carbon or porous carbon, a hardly reducible oxide, a metal carbide and the like.
In erfindungsgemäßen Katalysatoren wirksame Übergangsmetalle sind Molybdän (Mo), Wolfram (W), Chrom (Cr) und Uran (U), aus der Gruppe VIl B des Periodensystems Mangan (Mn), Rhenium (Re) und aus der Gruppe VIII des Periodensystems Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh) und Osmium (Os). Am besten eignen sich als Übergangsmetalle Fe, Co, Re, Ru, Os, Mo oder Mischungen dieser Metalle.Transition metals effective in catalysts according to the invention are molybdenum (Mo), tungsten (W), Chromium (Cr) and uranium (U), from group VIl B of the periodic table manganese (Mn), rhenium (Re) and from group VIII of the periodic table iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), ruthenium (Ru), rhodium (Rh) and Osmium (Os). The most suitable transition metals are Fe, Co, Re, Ru, Os, Mo or Mixtures of these metals.
5 Obwohl der Gehalt an Übergangsmetallen in den Katalysatoren gemäß der Erfindung von 0,3 bis 99 Gew.-% reichen kann, sollte diesbezüglich zwischen den beiden im folgenden definierten Übergangsmetallgruppen A und B ein Unterschied gemacht werden:5 Although the content of transition metals in the catalysts according to the invention from 0.3 to 99% by weight should be sufficient in this regard between the two transition metal groups defined below A and B a difference can be made:
ίο A. Rhenium, Ruthenium oder Osmium,ίο A. rhenium, ruthenium or osmium,
B. andere Übergangsmetalle, nämlich Eisen, Molybdän oder KobaltB. other transition metals, namely iron, molybdenum or cobalt
Der bevorzugte Gehalt der Katalysatoren gemäß der Erfindung an Übergangsmetallen der Gruppe A beträgt 0,3 bis 10Gew.-% und der Gruppe B 5 bis 99 Gew.-%. Bezüglich der zunehmenden Eignung der Alkalimetalle gilt, daß die Aktivität mit zunehmender Atomzahl des Elements steigt; aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten ist es jedoch üblich, als Alkalimetall Kalium zu verwendeaThe preferred content of group A transition metals in the catalysts according to the invention is 0.3 to 10% by weight and group B 5 to 99% by weight. Regarding the increasing suitability of the Alkali metals, that the activity with increasing Atomic number of the element increases; however, from an economic point of view, it is common as an alkali metal Potassium to use a
Die Menge an benötigtem Alkalimetall hängt von der Art des Übergangsmetallbestandteils und/oder des dritten Bestandteils ab. Zweckmäßigerweise verwendet man jedoch das Alkalimetall in einer Menge von 0,1 bis 50Gew.-%. Das geeignete Gewichtsverhältnis von Alkalimetall zu Übergangsmetall in den Katalysatoren gemäß der Erfindung liegt bei der Gruppe A zwischen 0,3 und 100, vorzugsweise zwischen 2 und 10, und bei der Gruppe B zwischen 0,01 und 3, vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,1 oder 1 und 3.The amount of alkali metal required depends on the type of transition metal component and / or the third component. However, it is expedient to use the alkali metal in an amount of 0.1 up to 50% by weight. The appropriate weight ratio of alkali metal to transition metal in the catalysts According to the invention, group A is between 0.3 and 100, preferably between 2 and 10, and of group B between 0.01 and 3, preferably between 0.01 and 0.1 or 1 and 3.
Als dritter Bestandteil in Katalysatoren gemäß der Erfindung eignen sich Aktivkohle, Aluminiumoxid,
Siliziumdioxid, CeMt, Diatomeerde, Thoriumdioxid, Zirkonoxid, Siliziumkarbid. Besonders gut geeignet
sind Aktivkohle, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Thoriumdioxid und Zirkonoxid. Die Menge an dem
dritten Bestandteil ist nicht kritisch. Er besitzt bereits in geringsten Mengen eine deutliche positive Wirkung.
In einigen Fällen hängt die Menge an dem dritten Bestandteil von der Art des Übergangsmetalls ab. Bei
Verwendung größerer Mengen an dem dritten Bestandteil läßt sich auch eine Erhöhung des Wirkungsgrades
feststellen.
Zum Vereinigen des Alkalimetalls mit dem Übergangsmetall kann man ein Adsorptionsverfahren, bei
welchem das Alkalimetall im Vakuum verdampft oder mit einem Inertgasstrom mitgerissen wird oder ein
Einweichverfahren unter Verwendung einer Lösung des Alkalimetalls in flüssigem Ammoniak oder einer
Dispersion des Alkalimetalls in einem Kohlenwasserstoffanwenden.
Obwohl sich als Möglichkeit des Alkalimetallzusatzes zu dem in einem Reaktor befindlichen
Katalysator auch das Adsorptionsverfahren, bei welchem das Alkalimetall mit einem Inertgasstrom mitgerissen
wird, als geeignet erwiesen hat, wird unter Berücksichtigung der erreichbaren Aktivität der Katalysatoren
gemäß der Erfindung und aus Gründen einer wirtschaftlichen Massenproduktion das Einweichverfahren
in einer Lösung des Alkalimetalls in flüssigem Ammoniak bevorzugt. Die Verfahrensbedingungen bei
der Durchführung des Vakuumverdampfungsverfahrens ändern sich mit dem jeweiligen Alkalimetall;
dieses Verfahren wird jedoch in der Regel bei einer Temperatur zwischen 300 und 5000C durchgeführt.Activated carbon, aluminum oxide, silicon dioxide, CeMt, diatomaceous earth, thorium dioxide, zirconium oxide, silicon carbide are suitable as the third component in catalysts according to the invention. Activated carbon, aluminum oxide, silicon dioxide, thorium dioxide and zirconium oxide are particularly suitable. The amount of the third ingredient is not critical. Even in the smallest amounts, it has a clearly positive effect. In some cases, the amount of the third ingredient depends on the type of transition metal. If larger amounts of the third component are used, an increase in the degree of efficiency can also be determined.
For combining the alkali metal with the transition metal, one can employ an adsorption method in which the alkali metal is evaporated in vacuo or entrained with an inert gas stream, or a soaking method using a solution of the alkali metal in liquid ammonia or a dispersion of the alkali metal in a hydrocarbon. Although the adsorption process, in which the alkali metal is entrained with an inert gas stream, has also proven to be suitable as a possibility of adding alkali metal to the catalyst located in a reactor, taking into account the achievable activity of the catalysts according to the invention and for reasons of economical mass production Soaking method in a solution of the alkali metal in liquid ammonia is preferred. The process conditions in carrying out the vacuum evaporation process change with the particular alkali metal; this method is carried out usually at a temperature between 300 and 500 0 C.
Die Anwendung höherer Temperaturen als 500°C ist nicht ratsam, da sie die Kristallisation der Übergangsmetalle beschleunigen. Bei dem Einweichverfahren unter Verwendung von flüssigem Ammoniak wird derThe use of temperatures higher than 500 ° C is not advisable as they accelerate the crystallization of the transition metals. In the soaking process using liquid ammonia, the
mit dem Übergangsmetall imprägnierte dritte Bestandteil, z.B. mit Ruthenium imprägnierte Aktivkohle, in einer Lösung eines Alkalimetalls in flüssigem Ammoniak eingeweicht; bei der anschließenden Verdampfung des Ammoniaks bleibt das Alkalimetall mit dem Übergangsmetall vereinigt Das geschilderte Verfahren läßt sich unter Atmosphärendruck oder bei erhöhtem Druck durchführen. Im Falle, daß es bei Atmosphärendruck durchgeführt wird, soll es zweckmäßigerweise bei einer Temperatur unterhalb von -34°C, dem Siedepunkt von ilüssigem Ammoniak durchgeführt werden; arbeitet man dagegen bei erhöhtem Druck, kann das Verfahren gemäß der Erfindung bei Raumtemperatur durchgeführt werden. Grundsätzlich kann die Ammoniaklösung das Alkalimetall bis zur Sättigungskonzentration enthalten; der Verlust an Alkalimetall steigt jedoch mit zunehmender Konzentration, sodaß man sich vorzugsweise einer 1 bis 10gew.-%igen Lösung des betreffenden Alkalimetalls in flüssigem Ammoniak bedientthird component impregnated with the transition metal, E.g. activated carbon impregnated with ruthenium in a solution of an alkali metal in liquid ammonia soaked; during the subsequent evaporation of the ammonia, the alkali metal remains with the transition metal united The process described can be carried out under atmospheric pressure or at elevated pressure execute. In the event that it is carried out at atmospheric pressure, it should expediently at a Temperatures below -34 ° C, the boiling point of liquid ammonia, can be carried out; is working on the other hand, at elevated pressure, the process according to the invention can be carried out at room temperature be performed. Basically, the ammonia solution contain the alkali metal up to saturation concentration; the loss of alkali metal increases however, with increasing concentration, so that a 1 to 10% strength by weight solution is preferred of the alkali metal in question in liquid ammonia
Die Katalysatoren gemäß der Erfindung lassen sich nach den geschilderten Verfahren ohne Schwierigkeiten herstellen. Bei Verwendung dieser Katalysatoren läßt sich hochkonzentriertes Ammoniak bei niedrigeren Temperaturen synthesieren.The catalysts according to the invention can be easily processed by the processes outlined produce. When using these catalysts, highly concentrated ammonia can be found at lower Synthesize temperatures.
Es versteht sich von selbst, daß die Anwendung niedriger Reaktionstemperaturen und hoher Reaktionsdrucke vom thermodynamischen Standpunkt aus zweckmäßig ist Bei Verwendung eines Katalysators gemäß der Erfindung arbeitet man zweckmäßigerweise bei Reaktionstemperaturen von 150 bis 4500C und Reaktionsdrucken von 1 bis 1000 kg/cm2 (absolut) und vorzugsweise bei Reaktionstemperaturen von 250 bis 450°C und Reaktionsdrucken von 50 bis 300kg/cm2 (absolut).It goes without saying that the use of low reaction temperatures and high reaction pressures from the thermodynamic point of view, useful when using a catalyst according to the invention is carried out conveniently at reaction temperatures of 150 to 450 0 C and reaction pressures of 1 to 1000 kg / cm 2 (absolute ) and preferably at reaction temperatures of 250 to 450 ° C and reaction pressures of 50 to 300 kg / cm 2 (absolute).
Die Zufuhrgeschwindigkeit des Reaktionsgases beträgt bei Verwendung eines Katalysators gemäß der Erfindung zweckmäßigerweise 2000 bis lOOOOOStd"1, vorzugsweise 5000 bis 30000Std.~'.When a catalyst according to the invention is used, the feed rate of the reaction gas is expediently from 2000 to 10000 OST " 1 , preferably from 5000 to 30,000 hours.
Das Molverhältnis von Wasserstoff zu Stickstoff kann im Bereich zwischen 0,1 und 4 liegen. Insbesondere bei rutheniumhaltigen Katalysatoren gemäß der Erfindung führt eine Erniedrigung des Wasserstoffanteils zu einer Erhöhung der Ammoniakbildung, was eine Steigerung der direkten Wasserstoffumwandlung zur Folge hatThe molar ratio of hydrogen to nitrogen can range between 0.1 and 4. In particular in the case of ruthenium-containing catalysts according to the invention, the hydrogen content is reduced to an increase in ammonia formation, resulting in an increase in direct hydrogen conversion has the consequence
Wenn man beispielsweise einen aus Ruthenium, Aktivkohle und Kalium gebildeten Katalysator gemäß der Erfindung verwendet, kann mau bei Zufuhr des Reaktionsgases in einem Molverhältnis Wasserstoff zu Stickstoff von 1:1, bei einer Reaktionstemperatur von 3500C und einem Reaktionsdruck von 100 kg/cm2 am Reaktorauslaß 20Vol.-% Ammoniak abziehen. Wenn man einen aus Eisen, Aluminiumtrioxid und Kalium gebildeten Katalysator gemäß der Erfindung verwendet, kann man bei Zufuhr des Reaktionsgases in einem Mol verhältnis von Wasserstoff zu Stickstoff von 3:1, einer Reaktionstemperatur von 4000C und einem Reaktionsdruck von 100 kg/cm2 am Reaktorauslaß 18 Vol.-% Ammoniak abziehen. Diese Werte erhellen deutlich den technischen Fortschritt, der sich bei Verwendung von Katalysatoren gemäß der Erfindung bei der Ammoniaksynthese erreichen läßt. Mit üblichen zur Ammoniaksynthese verwendeten Eisenkatalysatoren, die Kaliumoxid, Klaziumoxid, Aluminiumoxid und dgl. enthalten, lassen sich unter nahezu denselben Temperatur- und Druckbedingungen lediglich etwa 10Vol.-% Ammoniak gewinnen. Es sei besonders darauf hingewiesen, daß sich bei Verwendung von Katalysatoren gemäß der Erfindung der Druckeinfluß auf die Geschwindigkeit der Ammoniakbildung mit der Art des im Katalysator enthaltenen Übergangsmetalls ändert; die rutheniumhaltigen Katalysatoren gemäß der Erfindung zeigen im Vergleich zu den eisenhaltigen Katalysatoren gemäß der Erfindung eine bessere Aktivität bei relativ niedrigem Druck; die Geschwindigkeit der Ammoniakbildung steigt jedoch beiIf, for example, a catalyst according to the invention formed from ruthenium, activated carbon and potassium is used, when the reaction gas is fed in in a molar ratio of hydrogen to nitrogen of 1: 1, at a reaction temperature of 350 ° C. and a reaction pressure of 100 kg / cm 2 Take off 20% by volume of ammonia at the reactor outlet. If you use a catalyst formed from iron, aluminum trioxide and potassium according to the invention, you can with the supply of the reaction gas in a molar ratio of hydrogen to nitrogen of 3: 1, a reaction temperature of 400 0 C and a reaction pressure of 100 kg / cm 2 Take off 18% by volume of ammonia at the reactor outlet. These values clearly illuminate the technical progress which can be achieved when using catalysts according to the invention in the synthesis of ammonia. With conventional iron catalysts used for ammonia synthesis, which contain potassium oxide, calcium oxide, aluminum oxide and the like, only about 10% by volume of ammonia can be obtained under almost the same temperature and pressure conditions. It should be particularly pointed out that when using catalysts according to the invention, the influence of pressure on the rate of ammonia formation changes with the type of transition metal contained in the catalyst; the ruthenium-containing catalysts according to the invention show, compared to the iron-containing catalysts according to the invention, a better activity at relatively low pressure; however, the rate of ammonia formation increases
■ο den eisenhaltigen Katalysatoren gemäß der Erfindung mit zunehmenden Druck, wobei die eisenhaltigen Katalysatoren letztlich eine bessere Aktivität aufweisen als die rutheniumhaltigen Katalysatoren.■ ο the iron-containing catalysts according to the invention with increasing pressure, the iron-containing catalysts ultimately having better activity than the ruthenium-containing catalysts.
Die vorherigen Ausführungen dürften klar und deut-The previous statements should be clear and unambiguous
■s lieh gezeigt haben, daß die erfindungsgemäßen Katalysatoren eine derart hohe Aktivität, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, aufweisen, wie sie bei üblichen bekannten Katalysatoren niemals zu erwarten sind. Um jedoch die Aktivität der Katalysatoren gemäß der Erfindung optimal nutzbar zu machen, müssen die Verfahrensbedingungen möglichst gut aufeinander abgestimmt werden.■ s have shown that the catalysts of the invention have such a high activity, in particular at low temperatures, as they are at conventional known catalysts are never to be expected. However, to the activity of the catalysts according to To make optimal use of the invention, the process conditions must match each other as well as possible be matched.
Bei Verwendung von Katalysatoren gemäß der Erfindung kann als Reaktionsgas ohne irgendwelche Reinigung ein übliches Ammoniaksynthesegas verwendet werden. Darüberhinaus sind die Katalysatoren gemäß der Erfindung weit weniger gegen Katalysatorgifte, wie Kohlenmonoxid und Sauerstoff, anfällig als die üblichen bekannten Katalysatoren.When using catalysts according to the invention can be used as the reaction gas without any Purification a common ammonia synthesis gas can be used. In addition, the catalysts are according to the invention far less susceptible to catalyst poisons such as carbon monoxide and oxygen than the usual known catalysts.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher veranschaulichen.The following examples are intended to illustrate the invention in more detail.
In den Beispielen 1 bis 5, 8 bis 10 und in den Vergleichsbeispielen 1, 2 und 4 wurde die Umsetzung in einem aus rostfreiem Stahl bestehenden, von außen beheizten Reaktionsrohr einer lichten Weite von 3 mm durchgeführt. Soweit nicht anderes angegeben, wurde das Synthesegas, bestehend aus Wasserstoff und Stickstoff in Molverhältnis 3:1 in das Reaktionsrohr mit einer Geschwindigkeit von 51/Std. zugespeist Die Menge an Ammoniak im Abgas wurde durch Titrieren ermitteltIn Examples 1 to 5, 8 to 10 and in the comparative examples 1, 2 and 4 was implemented in a stainless steel, exterior heated reaction tube carried out with a clearance of 3 mm. Unless otherwise stated, was the synthesis gas, consisting of hydrogen and nitrogen in a molar ratio of 3: 1, into the reaction tube a speed of 51 / hour. fed in The amount of ammonia in the exhaust gas was determined by titration determined
In den Beispielen 6 und 7 und im Vergleichsbeispiel 3 wurde die Umsetzung in einem mit einem Katalysator beschickten Glasrohr einer lichten Weite von 18 mm unter einem Druck von einer Atmosphäre und bei einer Fließgeschwindigkeit des Synthesegases, bestehend aus Wasserstoff und Stickstoff im Molverhältnis 3:1, von 51/Std. durchgeführt Die Menge an Ammoniak im Abgas wurde durch Kondensation einer mit flüssigem Stickstoff beschickten Kühlfalle ermitteltIn Examples 6 and 7 and in Comparative Example 3, the reaction was carried out in one with a catalyst charged glass tube with a clear width of 18 mm under a pressure of one atmosphere and at a flow rate of the synthesis gas, consisting of hydrogen and nitrogen in a molar ratio 3: 1, from 51 / h The amount of ammonia in the exhaust gas was carried out by condensation with liquid nitrogen charged cold trap determined
Unter Verwendung verschiedener Katalysatoren, die durch Zugabe einer vorgegebenen Menge eines kaum reduzierbaren Oxids als drittem Bestandteil zu entweder dem Chlorid oder Oxid des jeweiligen Über-Using various catalysts, which by adding a given amount of one hardly reducible oxide as a third component to either the chloride or oxide of the respective super-
- gangsmetalls, anschließende vollständige Reduktion des jeweiligen Übergangsmetallchlorids oder -oxids bei einer Temperatur von 300 bis 6000C und Vereinigung des jeweiligen Übergangsmetalls mit 2Gew.-% Kalium durch Verdampfen desselben im Vakuum bei , einer Temperatur von 4000C hergestellt wurden, wurde bei einer Temperatur von 4000C und einem Druck von 30 kg/cm2 Ammoniak synthetisiert. Die Zusammensetzung der einzelnen Katalysatoren und die bei Verwendung derselben erzielten Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle I zusammengestellt:- transition metal, subsequent complete reduction of the respective transition metal chloride or oxide at a temperature of 300 to 600 0 C and combination of the respective transition metal with 2 wt .-% potassium by evaporation of the same in a vacuum at a temperature of 400 0 C were produced at a temperature of 400 0 C and a pressure of 30 kg / cm 2 ammonia is synthesized. The composition of the individual catalysts and the results obtained using the same are summarized in Table I below:
halt an dem
dritten BestandteilPercentage Ge
hold on to that
third component
Ammoniak
mengeEducated
ammonia
crowd
RutheniumIron-
Ruthenium
RheniumRuthenium ■
rhenium
MolybdänIron
molybdenum
*) Bei Normaldruck und -temperatur*) At normal pressure and temperature
Unter Verwendung verschiedener Katalysatoren, die durch Zusatz einer vorgegebenen Menge eines kaum reduzierbaren Oxids als drittem Bestandteil zu entweder dem Chlorid oder Oxid eines Übergangsmetalls, anschließende vollständige Reduktion des jeweiligen Gemisches bei einer Temperatur von 300 bis 6000CUsing various catalysts, obtained by adding a predetermined amount of a hardly reducible oxide as a third component to either the chloride or oxide of a transition metal, followed by complete reduction of the respective mixture at a temperature of 300 to 600 0 C.
und Vereinigung des jeweiligen Übergangsmetalls mit 2Gew.-% Natrium durch Verdampfen desselben im Vakuum bei einer Temperatur von 4000C hergestellt wurden, wurde bei einer Temperatur von 4000C und einem Druck von 30 kg/cm2 Ammoniak synthetisiert. Die Zusammensetzung derselben erzielten Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle II zusammengestellt:were and association of the respective transition metal with 2 wt .-% sodium by evaporating the same under vacuum at a temperature of 400 0 C produced was measured at a temperature of 400 0 C and synthesizes a pressure of 30 kg / cm 2 ammonia. The composition of the same results obtained is summarized in the following table II:
halt an dem
dritten BestandteilPercentage Ge
hold on to that
third component
Ammoniak
mengeEducated
ammonia
crowd
ίοίο
halt an dem
dritten BestandteilPercentage Ge
hold on to that
third component
Ammoniak
mengeEducated
ammonia
crowd
*) Bei Normaldruck und -temperatur*) At normal pressure and temperature
Unter Verwendung verschiedener Katalysatoren, die entsprechend Beispiel 1, jedoch unter Vereinigen des jeweiligen Übergangsmetalls mit Kalium nach dem Einweichverfahren unter Verwendung einer 10gew.-%-igen Lösung von Kalium in flüssigem AmmoniakUsing various catalysts which are similar to Example 1, but combining the respective transition metal with potassium after the soaking process using a 10 wt .-% - Solution of potassium in liquid ammonia
hergestellt wurden, wurde bei einer Temperatur von 400°C und einem Druck von 30 kg/cm2 Ammoniak synthetisiert. Die Zusammensetzung der einzelnen Katalysatoren und die bei Verwendung derselben erzielten Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle III zusammengestellt: ammonia was synthesized at a temperature of 400 ° C. and a pressure of 30 kg / cm 2. The composition of the individual catalysts and the results obtained using the same are listed in Table III below:
halt an dem
dritten BestandteilPercentage Ge
hold on to that
third component
Ammoniak
mengeEducated
ammonia
crowd
*) Bei Normaldruck und -temperatur*) At normal pressure and temperature
Unter Verwendung verschiedener Katalysatoren, die entsprechend Beispiel 2, jedoch unter Vereinigen des jeweiligen Übergangsmetalls mit Natrium nach dem Einweichverfahren unter Verwendung einer 10gew.-%-igen Lösung von Natrium in flüssigem AmmoniakUsing various catalysts that according to Example 2, but with combining the respective transition metal with sodium according to the Soaking method using a 10% by weight solution of sodium in liquid ammonia
hergestellt wurden, wurde bei einer Temperatur von 4000C und einem Druck von 30 kg/cm2 Ammoniak synthetisiert Die Zusammensetzung der einzelnen Katalysatoren und die bei Verwendung derselben erzielten Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle IV zusammengestellt: ammonia was synthesized at a temperature of 400 ° C. and a pressure of 30 kg / cm 2. The composition of the individual catalysts and the results obtained using the same are summarized in Table IV below:
Nr.No.
ÜbergangsmetallTransition metal
Dritter BestandteilThird component
Prozentualer Ge- Gebildete
halt an dem AmmoniakPercentage educated
hold on to the ammonia
dritten Bestandteil mengethird ingredient quantity
(ml*)/Std.)(ml *) / hour)
halt an dem
dritten BestandteilPercentage Ge
hold on to that
third component
Ammoniak-
mengeEducated
Ammonia-
crowd
Unter Verwendung verschiedener Katalysatoren, die entsprechend Beispiel 4, jedoch unterVereinigen des jeweiligen Übergangsmetalls mit einer Mischung aus gleichen Teilen Kalium und Natrium nach dem Einweichverfahren unter Verwendung jeweils 5gew.-%iger Lesungen von metallischem Kalium und metallischemUsing different catalysts, which are the same as in Example 4, but with combining the respective transition metal with a mixture of equal parts potassium and sodium after the soaking process using 5 wt% readings each of metallic potassium and metallic
Natrium in flüssigem Ammoniak hergestellt wurden, wurde bei einer Temperatur von 400°C und einem Druck von 30 kg/cm2 Ammoniak synthetisiert. Die Zusammensetzung der einzelnen Katalysatoren und die bei Verwendung derselben erzielten Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle V zusammengestellt:Sodium prepared in liquid ammonia was synthesized at a temperature of 400 ° C. and a pressure of 30 kg / cm 2 ammonia. The composition of the individual catalysts and the results obtained using the same are shown in Table V below:
Unter Verwendung verschiedener Katalysatoren, die durch Imprägnieren von Aktivkohle mit, bezogen auf das Gewicht der Aktivkohle, 10Gew.-% an verschiedenen Übergangsmetallen, anschließende Reduktion mit Wasserstoff bei einer Temperatur von 350 bis 4000C und Vereinigen des jeweiligen Übergangsmetalls mit, bezogen auf das Gewicht der Aktivkohle 35Gew.-% Kalium durch Verdampfen desselben im Vakkum bei einer Temperatur von 4000C hergestellt wurden, wurde unter Atmosphärendruck bei verschiedenen Temperaturen Ammoniak synthetisiert. Die Zusammensetzung der einzelnen Katalysatoren und die bei Verwendung derselben erzielten Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle VI zusammengestellt:Using different catalysts, the impregnation of activated carbon with, based on the weight of the activated carbon, 10% by weight of various transition metals, subsequent reduction with hydrogen at a temperature of 350 to 400 0 C and combining the respective transition metal with, based on the weight of activated carbon were 35Gew .-% potassium by evaporation of the same in vacuo at a temperature of 400 0 C prepared was synthesized under atmospheric pressure at various temperatures ammonia. The composition of the individual catalysts and the results obtained using the same are summarized in Table VI below:
Nr.No.
Übergangsmetall Transition metal
Reaktionstemperatur Reaction temperature
(0C)( 0 C)
Gebildete Ammoniakmenge Amount of ammonia formed
(ml*)/Std.)(ml *) / hour)
*) Normaldruck und -temperatur*) Normal pressure and temperature
*) Normaldruck und -temperatur*) Normal pressure and temperature
Unter Verwendung verschiedener Katalysatoren, die entsprechend Beispiel 6, jedoch unter Ersatz des Kaliums durch Natrium hergestellt wurden, wurde unter Atmosphärendruck bei verschiedenen Temperaturen Ammoniak synthetisiert. Die Zusammensetzung der einzelnen Katalysatoren und die bei Verwendung derselben erzielten Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle VII zusammengestellt:Using various catalysts, the same as in Example 6, but replacing the potassium Made by sodium, was under atmospheric pressure at various temperatures Synthesized ammonia. The composition of the individual catalysts and the use of the same The results obtained are summarized in the following table VII:
Unter Verwendung eines 2Gew.-% Aluminiumoxid enthaltenden Eisenkatalysators, welchem durch Verdampfen von Kalium im Vakuum bei einer Temperatur von 4000C 2Gew.-% Kalium einverleibt worden waren, wurde bei einer Temperatur von 4000C und einem Druck von 100 kg/cm2 Ammoniak synthetisiert. Hierbei wurden bei Normaldruck und -temperatur pro Std. 900 ml Ammoniak gebildet. Wurde die Synthese bei einer Temperatur von 3000C und einem Druck von 100 kg/cm2 durchgeführt, wurden bei Normaldruck und -temperatur pro Std. 360ml Amn.oniak erhalten.Had been using a 2 wt .-% aluminum oxide containing iron catalyst, which incorporated by vaporizing potassium under vacuum at a temperature of 400 0 C 2 wt .-% of potassium, was at a temperature of 400 0 C and a pressure of 100 kg / cm 2 synthesized ammonia. At normal pressure and temperature, 900 ml of ammonia were formed per hour. If the synthesis was carried out at a temperature of 300 ° C. and a pressure of 100 kg / cm 2 , 360 ml of ammonia were obtained per hour at normal pressure and temperature.
VergleiclUibeispiei 1Comparative example 1
Unter Verwendung verschiedener Katalysatoren, die durch Reduktion entweder des Chlorids oder Oxids verschiedener Übergangsmetalle bei einer Temperatur von 300 bis 6000C und ohne Alkalimetallzusatz hergestellt wurden, wurde bei einer Temperatur von 4000C und einem Druck von 30 kg/cm2 Ammoniak synthetisiert. Die Zusammensetzung der einzelnen Katalysatoren und die bei Verwendung derselben erzielten Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle VIII zusammengestellt: Using various catalysts which were produced by reducing either the chloride or oxide of various transition metals at a temperature of 300 to 600 ° C. and without the addition of alkali metals, ammonia was synthesized at a temperature of 400 ° C. and a pressure of 30 kg / cm 2. The composition of the individual catalysts and the results obtained using the same are summarized in Table VIII below:
Unter Verwendung eines Katalysators, der durch Imprägnieren von Aktivkohle mit, bezogen auf das Gewicht der Aktivkohle, 10 Gew.-% Ruthenium, anschließende Reduktion mit Wasserstoff bei einer Temperatur von 3500C und Vereinigen des Rutheniums mit, bezogen auf das Gewicht der Aktivkohle, 20 Gew.-% Kalium nach dem Einweichverfahren unter Verwendung einer 5gew.-%igen Lösung von Kalium in flüssigem Ammoniak hergestellt worden war, wurde bei einer Temperatur von 375°C und einem Druck von 100 kg/cm2 Ammoniak synthetisiert. Hierbei wurden bei Normaldruck und -temperatur pro Std. 1000 ml Ammoniak erhalten.Using a catalyst which is produced by impregnating activated carbon with, based on the weight of the activated carbon, 10% by weight ruthenium, subsequent reduction with hydrogen at a temperature of 350 ° C. and combining the ruthenium with, based on the weight of the activated carbon, 20% by weight of potassium had been prepared by the soaking method using a 5% by weight solution of potassium in liquid ammonia, ammonia was synthesized at a temperature of 375 ° C. and a pressure of 100 kg / cm 2 . At normal pressure and temperature, 1000 ml of ammonia were obtained per hour.
6060
Unter Verwendung des gemäß Beispiel 8 hergestellten Katalysators wurde aus einem Synthesegas, bestehend aus Wasserstoff und Stickstoff im Molverhältnis 1:1, bei einer Temperatur von 3500C und einem Druck von 100 kg/cm2 Ammoniak synthetisiert Hierbei wurden bei Normaldruck und -temperatur pro Std. lOOOml Ammoniak synthetisiert.Using the catalyst prepared according to Example 8, ammonia was synthesized from a synthesis gas consisting of hydrogen and nitrogen in a molar ratio of 1: 1, at a temperature of 350 ° C. and a pressure of 100 kg / cm 2 Hours 1000 ml of ammonia synthesized.
*) Normaldruck und -temperatur*) Normal pressure and temperature
Die spezifische Oberfläche des in Versuch 1 verwendeten Eisenkatalysators betrug, bestimmt nach dem B.E.T.-Verfahren, 2 nr/g; die Aktivtät pro Oberflächeneinheit betrug 17,5ml/(Normaldruck und -Temperatur)/Std. ■ m2 ■ Katalysator.The specific surface area of the iron catalyst used in Experiment 1, determined by the BET method, was 2 nr / g; the activity per surface unit was 17.5 ml / (normal pressure and temperature) / hour. ■ m 2 ■ catalyst.
Vergleichsbeispiel 2Comparative example 2
Unter Verwendung verschiedener Katalysatoren, die durch Zusatz einer gegebenen Menge eines kaum reduzierbaren Oxids als drittem Bestandteil zu entweder dem Chlorid oder Oxid eines Übergangsmetalls, anschließende vollständige Reduktion des jeweiligen Gemisches bei einer Temperatur von 300 bis 6000C und ohne Alkalimetallzusatz hergestellt worden waren, wurde bei einer Temperatur von 4000C und einem Druck von 30kg/cm2 Ammoniak synthetisiert. Die Zusammensetzung der einzelnen Katalysatoren und die bei Verwendung derselben erzielten Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle IX zusammengestellt:Using various catalysts which had been prepared by adding a given amount of a hardly reducible oxide as a third component to either the chloride or oxide of a transition metal, followed by complete reduction of the respective mixture at a temperature of 300 to 600 ° C. and without the addition of alkali metals cm 2 synthesized ammonia at a temperature of 400 0 C and a pressure of 30kg /. The composition of the individual catalysts and the results obtained using the same are shown in Table IX below:
*) Normaldruck und -temperatur*) Normal pressure and temperature
Vergleichsbeispiel 3Comparative example 3
Atmosphärendruck auf seine Aktivität bei der Ammoniaksynthese untersucht, konnte bei keinem der in Tabelle XI genannten Übergangsmetalle im Tempe-35 raturbereich von 350 bis 4000C eine Ammoniaksynthese festgestellt werden.Atmospheric pressure was examined for its activity in the ammonia synthesis, an ammonia synthesis could not be found in any of the transition metals mentioned in Table XI in the temperature range from 350 to 400 0 C.
Ein Katalysator, der durch Imprägnieren von Aktivkohle mit, bezogen auf das Gewicht der Aktivkohle,
10Gew.-% eines Übergangsmetalls und ohne Alkalimetallzusatz hergestellt worden war, wurde vor seiner
Verwendung bei einer Temperatur von 4000C mit
WasserstolT reduziert. Wurde dieser Katalysator unterA catalyst made by impregnating activated carbon with, based on the weight of the activated carbon,
10% by weight of a transition metal and no alkali metal addition was produced before its
Use at a temperature of 400 0 C with
Reduced water pressure. This catalyst was taking
Vergleichsbeispiel 4Comparative example 4
Wurde ein üblicher, großtechnisch verwendeter 40 und -temperatur pro Std. 550 ml Ammoniak syntheti-Was a conventional, large-scale 40 and temperature per hour 550 ml of ammonia synthesized
Eisenkatalysator mit Kaliumoxid, Kalziumoxid und siert werden. Im Falle, daß bei einer Reaktionstempe-Iron catalyst with potassium oxide, calcium oxide and be sated. In the event that at a reaction temperature
Aluminiumoxid bei einer Temperatur von 45O0C voll- ratur von 3000C und einem Reaktionsdruck vonAlumina at a temperature of 45O 0 C temperature complete 300 0 C and a reaction pressure of
ständig reduziert und anschließend auf seine Aktivität 100 kg/cm2 gearbeitet wurde, konnten bei Normaldruckconstantly reduced and then worked to its activity 100 kg / cm 2 , could at normal pressure
bei einer Temperatur von 4000C und einem Druck und -temperatur pro Std. lediglich 100 ml Ammoniakat a temperature of 400 ° C. and a pressure and temperature per hour, only 100 ml of ammonia
von 100 kg/cm2 untersucht, konnten bei Normaldruck 45 synthetisiert werden.of 100 kg / cm 2 examined, 45 could be synthesized at normal pressure.
Claims (4)
Applications Claiming Priority (6)
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Publications (3)
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