DE2213935A1

DE2213935A1 - Katalysator

Info

Publication number: DE2213935A1
Application number: DE19722213935
Authority: DE
Inventors: John Edward London. BOIj 11-12 Philpott
Original assignee: Johnson Matthey PLC
Current assignee: Johnson Matthey PLC
Priority date: 1971-03-23
Filing date: 1972-03-22
Publication date: 1972-09-28
Also published as: NL7203790A

Description

Katalysator Die Erfindung betrifft einen Katalysator aus Katalysator-und Trägermaterial.
Katalysatoren aus auf einem feuerfesten Trägermaterial aufgebrachtem Katalysatormaterial sind bekannt und bestehen in der Regel aus einem Katalysatormetall, z. B. Platin, das auf einem vorgeformten feuerfesten Substrat, z. B. einem solchen mit Pellet-, also stückiger oder kugelförmiger Struktur oder zellenartiger Struktur, das beispielsweise aus gebranntem Aluminiumoxyd oder Siliziumdioxyd besteht, aufgebracht ist. Diese feuerfesten Substrate der bekannten Katalysatoren besitzen jedoch den Nachteil, daß sie in die gewünscht endgültige Form verformt und gebrannt werden müssen, daß es schwierig ist, ihre Form nach dem Brennen zu verändern, daß sie spröde sind und während des Gebrauchs zum Zerstäuben neigen und daß es aufgrund ihrer geringen thermischen Leitfähigkeit schwierig ist, die Katalysatoren mit Wärme zu versorgen oder Wärme von diesen abzuleiten.
Ein weiterer Nachteil der bekannten, auf Trägermaterialien aufgebrachten Katalysatoren, den diese mit den meisten anderen Katalysatoren des verschiedensten Typs gemeinsam haben, ist, daß es oftmals schwierig ist, bei Reaktionen, die mit ihrer Hilfe katalysiert werden, eine maximale Ausbeute zu erzielen. Die Ausbeute der meisten katalysierten Reaktionen wird bestimmt von der Temperatur des Katalysators und in der Regel ist eine maximale Ausbeute nur erzielbar innerhalb eines engen Temperaturbereichs. Derartige katalysierte Reaktionen sind sehr oft stark exotherm (weniger häufig stark endotherm) und bisher ließ sich die Temperatur des Katalysators innerhalb des erforderlichen Bereichs nur dadurch aufrecht erhalten, daß erstens die Temperatur der Reaktionspartner kurz vor deren Auf treffen auf den Katalysator und zweitens die Zufülirraten, mit denen die Reaktionspartner dem Katalysator zugeführt wurden, gesteuert wurden. Die angegeb#-ne Steuerung der Katalysa-tdrtemperatur ist in der Praxis oftmals schwierig durchzuführen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Katalysator anzugeben, der leicht in der gewünschten Form herstellbar ist, dessen Temperatur leicht steuerbar und dem Wärme leicht zuführbar und von dem Wärme leicht abführbar ist, der sich durch eine vergleichsweise hohe Robustheit auszeichnet, nicht spröde ist, nicht zum Zerstäuben neigt und: zu verbesserten Ausbeuten führt.-Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die angegebene Aufgabe in besonders vorteilhafter Weise dadurch lösbar ist daß ein Katalysator- und wärmeleitfähiges Träger Trägermaterial genau definierten Typs in genau definierter Weise miteinander verbunden werden.
Gegenstand der Erfindung ist ein Katalysator aus Katalysator- und Trägermaterial, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Katalysatormaterial einen integralen' B integralenXBestandteilfl eines thermisch leitfähigen Trägermaterials bildet--dder mit~ einem solchen in wärmeleitfähiger Verbindung steht.
Durch die Erfindung wird erreicht, daß ein Katalysator-zur Verfügung steht,- dessen Temperatur leicht-steuerbar ist und der aufgrund seiner Robustheit auch an solchen Steilen verwendbar ist, an denen er einer dauernden Vibration-ausge-, setzt ist, z. B. in Kraftwagen-Auspuffsystemen, und der solch ferner dadurch auszeichnet, daß das: zu seiner Herstellung verwendbare Grundmetall-Trägermaterial leicht in Formen verformbar ist, deren Herstellung"bei-Verwendung vofl-b-ekannten gebrannten feuerfesten Stoffen Schwierigkeiten bereitet, und Stoffen Schwierigkeiten bereitet, und der ferner den Vorteil -besitzt', daß als Trägermaterial ein Metallsubstrat verwendbar ist,: so daß dessen Oberfläche leicht abgestreift und mit frischem Katalysator versehen versehén werden kann und von der Oberfläche entfernte wertvolle Stoffe anschließend isolierbar sind.
Das Katalysatormaterial des Katalysators nach der Erfindung besteht vorzugsweise aus Metallen der Platingruppe, aus Metallegierungen der Platingruppe, aus Gold, Goldlegierungen, Nickel oder Nickel und Chrom enthaltenden Legierungen.
Das thermisch leitfähige Trägermaterial des Katalysators nach der Erfindung besteht vorzugsweise aus Grundmetall oder unedlem Metall, das zweckmäßig in Form eines Metallstreifens oder eines zellartigen oder wabenartigen Formkörpers oder einer Flüssigkeitsleitung eines Wärmeaustauschers vorliegt.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das Katalysatormaterial auf dem thermisch leitfähigen Trägermaterial aufgebracht ist.
Mit "Grundmetall" werden bezeichnet Aluminium, Magnesium, Chrom, Molybdän, Wolfram, Mangan, Eisen, Cobalt, Nickel, Titan, Vanadium, Thorium, Uran, Kupfer, Silber, Zink, Cadmium, Quecksilber, Indium, Thallium, Wismut , Zinn, Blei, Antimon, die Lanthaniden und die Actiniden.
Auf einen Katalysator nach der Erfindung, bei dem das Katalysatormaterial auf einem thermisch leitfähigen Trägermaterial in der angegebenen Weise vorliegt, kann Hitze beliebig aufgebracht oder davon entfernt werden, so daß er bei einer vorbestimmten Temperatur oder innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs arbeitet, wenn eine bestimmte Umsetzung katalysiert wird. Handelt es sich bei dem thermisch leitfähigen Trägermaterial um einen geeigneten Teil, z. B. um eine Flüssigkeitsleitung, eines Wärmeaustauschers, so kann ferner die Temperatur des Katalysators während der Katalyse einer derartigen Umsetzung leicht gesteuert werden durch Regulierung der Einlaßtemperatur und Zuflußrate der Wärmeaustauscherflüssigkeit, so daß eine optimale Ausbeute bei der Umsetzung erzielbar ist. Verläuft die Umsetzung endotherm underweist es sich als erforderlich, den Katalysator mit Wärme zu versorgen, so kann dies in der Weise erfolgen, daß eine aufgeheizte Flüssigkeit im Wärmeaustauscher verwendet und/ oder das das Katalysatormaterial tragende Trägermaterial elektrisch aufgeheizt wird.
Soll das Katalysatormaterial auf einem Wärmeaustauscher oder einem anderen thermisch leitfähigen Urägrrmaterial getragen werden, so kann es auf diesem in übliche) bekannter Weise abgelagert werden. So ist es z. B. möglich, auf dem Wärmeaustauscher eine Oxydschicht zu bilden oder abzulagern und auf der erhaltenen Oxydschicht anschließend ein Katalysatormetall, z. B. Platin, abzulagern.
Gegebenenfalls kann eine derartige Oxyischicht durch Eloxierung der Wärmeaustauscheroberfläche gebildet und danach auf der erhaltenen eloxierten Oxydschicht das Eatalysatormetall, z. B. Platin, elektrolytisch abgelagert werden. In dieser Weise gebildete Katalysatoren haben praktisch dieselben katalytischen Eigenschaften wie übliche bekannte Katalysatoren aus auf Aluminiumoxyd aufgebrachten Metallen.
Eine derartige Oxydschicht, die z. B. aus Aluminiumoxyd und/ oder einem oder mehreren anderen Oxyden bestehen kann, läßt sich wahlweise auch durch direkte Oxydation des thermisch leitfähigen Trägerkörpers bilden oder sie kann auf diesem elektrophoretisch abgeschieden werden.
Zur Ablagerung eines Katalysatormetalls sind neben der bereits angegebenen Elektroablagerung z. B. noch die folgenden Verfahren geeignet: chemische Ablagerung, Vakuumablagerung, Kathodenzerstäubung, Metallaprüh und Metalleinhülltechniken e Es erweist sich nicht als erforderlich, das Katalysatormetall auf einer Oxydschicht aufzubringen. Es ist vielmehr jede beliebige andere-eignete Zwischenschicht verwendbar und in einigen Fällen kann das Katalysatormetall direkt auf das thermisch leitfähige Trägermaterial aufgebracht werden. Außerdem kann das Trägermaterial aus demselben Metall bestehen, insbesonderte im Falle von Grundmetallkatalysatoren, z. B. Nicken katalysatoren.
Der Katalysator nach der Erfindung kann in Kombination mit Wärmeaustauschern üblicher bekannter Ausgestaltung angewandt werden. Typische geeignete Wärmeaustauscher sind z. B. solche vom Typ gerader Röhren, gewundener Röhren und Platten.
Die Katalysatoren nach der Erfindung sind zur Durchführung der verschiedensten Reaktionen geeignet, aufgrund ihrer Robustheit und leichten Temperatursteuerung z. B. zur Durchführung der folgenden Reaktionen: (a) Steuerung der Reaktionstemperatur während der katalytischen Oxydation von Methanol zu Formaldehyd unter Verwendung eines Silberpulverkatalysators. In Abwesenheit besonderer Vorsichtsmaßnahmen wird während dieser Reaktion so viel Hitze erzeugt, daß die Silberpartikel zusammenschmelzen können, was zu einer Verminderung des wirksamen Katalysatorbereichs und zu einer Verlangsamung der Umsetzung führt.
Durch erfindungsgemäße Verwendung von Silberpulver, das von einem mit Silber überzogenen Kupferrohr getragen wird, und Aufrechterhaltung einer Temperatur von etwa 52O0C durch Pumpen von gesättigtem Dampf durch den Wärmeaustauscher, wird die R>aktionsrate und Ausbeute an Formaldehyd bei einem Maximalwert gehalten.
(b) Steuerung der Reaktionstemperatur während der katalytischen Oxydation von Ammoniak zu Stickoxyd und Wasser bei der Salpetersäureherstellung. Zur Katalysierung dieses Prozesses werden in der Regel eine oder mehrere Pt-oder Pt/Rh-Gazen verwendet. Da die Reaktion stark exotherm ist, wird die Temperatur der Gazen nieder gehalten auf etwa 85000 durch Pumpen eines komprimierten Gemisches aus Ammoniak und Luft durch die Gazen bei einer Durchströmungsrate, die in Tonnen pro Stunde gemessen wird. Trotz dieses Aufwands ist es oftmals schwierig, die Temperatur der Gaze auf einem so niedrigen Wert zu halten, daß Platinverluste aus der Gaze aufgrund von Verdampfung des Metalls und/oder Oxydation des Metalls und Verdampfung der Oxyde in akzeptablen Grenzen liegen.
Unter Verwendung eines Katalysators nach der Erfindung werden demgegenüber die Gazen ersetzt durch einen Wärmeaustauscher, z. B. einen solchen aus rostfreiem Stahl, der praktisch wie ein Kraftwagenradiator oder -kühler ausgestaltet und versehen ist mit Platin oder einer Platin-Rhodiumlegierung, die auf den Oberflächen der zellenartigen Rippen des Wärmeaustauschers abgelagert sind, entweder direkt oder auf einer zuvor auf den Rippenoberflächen aufgebrachten Oxydschicht, z. B. Aluminiumoxydschicht. Durch Zirkulieren einer Kühlflüssigkeit durch den Wärmeaustauscher kann die Katalysatortemperatur während des Betriebes auf einem so niedrigen Wert gehalten werden, daß die katalytische Reaktion wirksam abläuft, Katalysatorverluste jedoch minimal sind. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, ein System von Leitrippen zwischen jedem Zellkanal vorzusehen, um den Kontakt zwischen den Reaktionsgasen und dem Katalysator zu verbessern.
(c) Katalytische Abgasverminderungseinrichtungen die die Abhitze aus katalytischen Oxydationsprozessen zurückzugewinnen ermöglichen.

Claims

Patentansprüche

1. Katalysator aus Katalysator- und Trägermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatormaterial einen integralen Bestandteil eines thermisch leitfähigen Trägermaterials bildet oder mit einem solchen in wärmeleitfähiger Verbindung steht.

2. Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatormaterial aus Metallen der Platingruppe, Metallegierungen der Platingruppe, Gold, Goldlegierungen, Nickel oder Nickel und Chrom enthaltenden Legierungen besteht.

3. Katalysator nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch leitfähige Trägermaterial aus einem Grundmetall besteht.

4. Katalysator nach Ansprüchen 1 bis~3, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch leitfähige Trägermaterial fest oder röhrenförmig ist.

5. Katalysator nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem thermisch leitfähigen Trägermaterial und dem Katalysatormaterial eine Oxydschicht angeordnet ist.

6. Katalysator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxydschicht aus einer eloxierten Schicht besteht.

7. Katalysator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxydschicht aus Aluminiwmoxyd besteht.

8. Katalysator nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatormaterial durch Elektroablagerung, chemisehe Ablagerung, Vakuumablagerung, Kathodenzerstäubung, fletallversprühung oder Metallumhüllung abgelagert ist.

9. Katalysator nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatormaterial direkt auf das thermisch leitfähige Trägermaterial aufgebracht ist.

10. Katalysator nach Ansprüchen 1-und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatormaterial aus Silber in teilchenförmiger Form besteht, das auf einem mit metallischem Silber beschichteten Kupferrohr abgelagert ist.

11. Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch leitfähige Trägermaterial aus rostfreiem Stahl besteht und das Katalysatormaterial aus Platin oder einer PlatTn-Rhodiumlegierung besteht.

12. Katalysator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial aus rostfreiem Stahl vorbeschichtet ist mit einer OxzdscMcht aus Aluminiumoxyd.

13. Katalysator-nach Anspruch 1 in Form eines Wärmeaustauschers mit einer Vielzahl von Wärmeaustauschgliedern, von denen Jedes aus einem thermisch leitfähigen Trägerkörper besteht, der ein Katalysatormaterial, bestehend. aus Metallen der Platingruppe, Netallegierunsen der Platingruppe, Gold, Goldlegierungen, Nickel-oder Nickel und Chrom enthaltenden Begierungen, trägt.