DE3731688A1 - Verfahren zur katalytischen umsetzung von kohlenwasserstoff, halogenkohlenwasserstoff und kohlenmonoxid enthaltenden abgasen - Google Patents
Verfahren zur katalytischen umsetzung von kohlenwasserstoff, halogenkohlenwasserstoff und kohlenmonoxid enthaltenden abgasenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur katalytischen
Umsetzung von Kohlenwasserstoff, Halogenkohlenwasserstoff
und Kohlenmonoxid enthaltenden Abgasen, insbesondere aus
Synthesen bei der Vinylchloridherstellung sowie eine
Apparatur zur Durchführung des Verfahrens.
Neben der zunehmenden Luftverschmutzung durch SO₂ und
NO x ist auch die Emission von Kohlenwasserstoffen und
insbesondere Halogenkohlenwasserstoffen zu einem ernsthaften
Problem geworden. So fallen z. B. in
Herstellungsprozessen für Vinylchlorid Abgase an, die
teilweise höchst schädliche Substanzen enthalten. Eine
Einhaltung der TA-Luft, Novelle 1986, Emissionswerte, läßt
sich am besten durch eine zusätzliche Abgasreinigung
erfüllen.
Von der Vielfalt der Maßnahmen zur Minderung von
Emissionen luftverunreinigender Stoffe kommen hierfür in
erster Linie thermische oder katalytische Reinigungsverfahren
zur Anwendung, da mit diesen besonders hohe
Reinigungsgrade erzielt werden.
Bei der thermischen Nachverbrennung werden die zu
beseitigenden Schadstoffe unter Energiezufuhr bei
Temperaturen bis 1500°C in einer Brennkammer oxidiert
(VDI-Berichte 525 Katalytische und thermische Verfahren
der Abgasreinigung, Tagung 7./8. 3. 1985, VDI-Verlag
Düsseldorf, 1985, S. 347).
Die Verweilzeit in der Brennkammer beträgt dabei mind.
1 s (VDI l. c. S. 347). Nach wirtschaftlichen
Gesichtspunkten ist die thermische Reinigung nur bei hohen
Schadstoffkonzentrationen von Vorteil. Ein wesentlicher
Nachteil liegt in den Kosten für die Erzeugung und
Aufrechterhaltung der Umsetzungstemperaturen sowie darin,
daß die bei dem Nachverbrennungsprozeß freiwerdende
Wärmeenergie nicht immer wirtschaftlich verwertet werden
kann.
Die katalytische Nachverbrennung arbeitet meist mit Hilfe
von Edelmetallkatalysatoren bei ca. 300-700°C und bei
Verweilzeiten bis 0,3 s. Sie ist bei niedrigen Schadstoffkonzentrationen
vorzuziehen und zeichnet sich im Vergleich
zum thermischen Verfahren durch deutlich niedrigere
Betriebskosten aus (VDI l. c. S. 75). Allerdings bestehen
Einschränkungen bei der Anwendung des katalytischen
Verfahrens aufgrund einer möglichen Aktivitätsminderung
des Katalysators infolge zu hoher thermischer Belastung
oder chemischer Desaktivierung durch im Abgas vorhandene
Katalysatorgifte (VDI l. c. S. 75).
Bei der Anwendung der kostengünstigeren katalytischen
Abgasreinigung für die Herstellungsprozesse für Vinylchlorid
bestand die zu lösende Aufgabe darin, durch
verfahrenstechnische Maßnahmen die thermische Belastung
des Katalysators niedrig zu halten und einer Vergiftung so
weit wie möglich entgegen zu wirken.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur katalytischen
Umsetzung von Kohlenwasserstoff, Halogenkohlenwasserstoff
und Kohlenmonoxid enthaltenden Abgasen, insbesondere aus
den Syntheseverfahren von Vinylchlorid. Das Verfahren ist
dadurch gekennzeichnet, daß man die Abgase bei 300-800,
vorzugsweise 350-730°C, zunächst durch eine einen
Katalysator zur oxidativen Spaltung enthaltende erste
Zone und dann durch eine einen
Katalysator zur oxidativen Nachverbrennung enthaltende
zweite Zone leitet. Die Eintrittstemperatur des Abgases
muß dabei oberhalb der Anspringtemperatur des Katalysators
liegen. Um ausreichende Umsetzung zu erzielen, sollte die
Abgastemperatur unmittelbar vor dem Eintritt in die erste
Zone nicht unter 300°C liegen und in beiden Zonen
800°C nicht überschreiten, damit eine thermische
Schädigung des Katalysators vermieden wird. In den
Katalysatorzonen finden oxidative Spaltung von
längerkettigen, aromatisch-aliphatischen Kohlenwasserstoffen
(1) in kleinere Moleküle, oxidative Nachverbrennung
von ungesättigten bzw. gesättigten (Halogen-)Kohlenwasserstoffen
(2) und Oxidation von CO zu CO₂ (3) statt:
Grundsätzlich sind hierfür alle in der Literatur
angegebenen, für die katalytische Abgasreinigung
gebräuchlichen Katalysatoren verwendbar. Die Erfindung
arbeitet mit bestimmten Kombinationen von an sich aus
der Literatur bekannten Katalysatoren.
Grundsätzlich können in der ersten Zone alle für
oxidative Spaltungen von organischen Verbindungen
bekannten Katalysatorsysteme eingesetzt werden. Im
vorliegenden speziellen Fall der katalytischen Umsetzung
von Kohlenwasserstoff, Halogenkohlenwasserstoff und
Kohlenmonoxid enthaltenden Abgase, insbesondere aus der
Synthese von Vinylchlorid, hat es sich als sehr wichtig
herausgestellt, einen Katalysator zu verwenden, der nur
eine Teilumsetzung bewirkt. Im einzelnen handelt es sich
bei den hier unter Luftüberschuß ablaufenden Reaktionen
um oxidative Zersetzungen, Dehalogenierungen und
Dehydrohalogenierungen, wobei Verunreinigungen wie
aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe und
Chlorkohlenwasserstoffe wie Ethylchlorid, Vinylchlorid und
1,2-Dichlorethan etc. weitgehend, Substanzen wie
Methylchlorid, Methan aber nur teilweise und Kohlenmonoxid
praktisch nicht umgesetzt werden.
Durch den Vorumsatz in der ersten Zone wird bereits dort
ein beträchtlicher Teil der Reaktionswärme freigesetzt,
so daß Temperaturspitzen in der nachfolgenden Zone des
sehr aktiven zweiten Katalysators mit einer damit
verbundenen Sinterung von Trägermaterial und katalytisch
aktiver Phase weitgehend vermieden werden; dies wirkt
sich vorteilhaft auf die Standzeit dieses Katalysators
aus.
Der relativ unempfindliche Katalysator der ersten Zone
fungiert darüber hinaus als Filter für Schwermetalle aus
Apparaten und Rohrleitungen und für sonstige Katalysatorgifte.
Aufgrund seiner Oberflächenbeschaffenheit besitzt
er die Eigenschaft, die bei der Reaktion in situ
entstehenden Cl-Atome auf der Oberfläche abzufangen und
so den nachgeschalteten, empfindlichen Katalysator der
zweiten Zone weitgehend vor Vergiftungen zu schützen.
Besonders bevorzugte, katalytisch aktive Substanzen des
Katalysators der ersten Zone sind Aluminiumoxid,
Siliciumdioxid, Aluminiumsilikat und/oder ein Zeolith,
gegebenenfalls mit einem Gehalt von 0,1-20 Gew.-% an
oxidischen Verbindungen eines oder mehrerer der Elemente
Ba, Mg, Cu, Cr, Mn, Ni.
Der Katalysator der zweiten Zone dient zur möglichst
vollständigen Umsetzung der thermisch stabilen Kohlenwasserstoffe
und Halogenkohlenwasserstoffe, sowie zur
Oxidation von Kohlenmonoxid. Er muß deshalb eine gute
Oxidationswirkung erbringen. Grundsätzlich können hier
Unedelmetallkatalysatoren oder Vollkontrakte, wie auch
Edelmetallkatalysatoren verwendet werden. Besonders gute
Ergebnisse werden erhalten, wenn die katalytisch aktive
Substanz des Katalysators der zweiten Zone Platin und/oder
Palladium oder Platin und Rhodium ist. Dabei können
Platin und Palladium im Gewichtsverhältnis 1 : 5-5 : 1
und Platin und Rhodium im Gewichtsverhältnis 5 : 1-
20 : 1 vorliegen.
Für die Katalysatoren der ersten und/oder zweiten Zone
können die unterschiedlichsten Ausführungsformen zur
Anwendung kommen. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen,
daß der Katalysator der ersten und/oder zweiten Zone als
ungeformtes oder geformtes Schüttgut aus dem Katalysatormaterial
oder in Form von mit der katalytisch aktiven
Komponente versehenen Trägerkörpern oder als mit einem
katalysefördernden Trägermaterial für die katalytisch
aktive Komponente überzogener Monolith oder als mit der
katalytisch aktiven Komponente versehener Monolith oder
als Monolith aus katalyseförderndem Material oder als
Monolith aus dem Katalysatormaterial selbst, ausgebildet
ist.
Die ungeformten oder geformten Schüttgutkörper können
z. B. als Granulat, Pellets, Kugeln, Tabletten, Extrudat,
Strangpreßlinge, Hohlstränge, Sattelkörper, Gitterkörper
oder in beliebig geformten Ausführungen vorliegen, die
durch Tauch-, Tränk- oder Sprühimprägnierung, Sputtern
oder nach allgemein üblichen Methoden mit der aktiven
Substanz versehen sind. Bei Verwendung von porösem
Trägermaterial können die katalytisch aktiven Komponenten
im gesamten Formkörper gleichmäßig verteilt oder bevorzugt
an der äußeren Oberfläche angereichert sein. Ein derartiger,
sogenannter Schalenkatalysator kann auch zur strukturellen
Verstärkung einen inerten Kern aus Vollmaterial wie z. B.
α-Al₂O₃, oder Cordierit, z. B. in Kugelform oder als
Wabenkörper, haben.
Durch die gezielt aufeinander abgestimmte Wirkungsweise
beider Katalysatorschichten werden auch mit dem
empfindlicheren Edelmetallkatalysator der zweiten Zone
Standzeiten erreicht, wie sie in herkömmlichen Einbett-
Verfahren mit solchen Katalysatoren bisher nicht möglich
waren.
Eine besonders günstige Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens sieht vor, daß die beiden Katalysatoren
als Doppelbett oder im Abstand voneinander angeordnet
sind. Die Doppelbettausführung ist besonders raumsparend
und deshalb mit den geringsten Apparatekosten verbunden.
Dagegen gewährleistet die Anordnung der Zonen im Abstand
voneinander eine durch Verwirbelung des Abgases bedingte
gleichmäßigere Temperaturverteilung vor dem Eintritt in
die zweite Zone. Darüber hinaus kann mit dieser Anordnung
vor allem bei hohem Heizwert des Abgases eine gewisse
Abkühlung des Gases (z. B. durch Einspeisen von Luft)
herbeigeführt werden, um den Katalysator der zweiten Zone
vor Überhitzung zu schützen. Der Abstand zwischen beiden
Zonen ist beliebig wählbar und nach oben nur durch die
Apparatedimensionen begrenzt.
Um eine möglichst große Anströmfläche im zur Verfügung
stehenden Reaktorinnenraum zu gewährleisten, wird das
Abgas gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform der
Erfindung, durch eine ringförmige Anordnung der beiden
Katalysatorzonen geführt, wobei die ringförmige Anordnung
zylindrisch ist. Die Strömungsrichtung kann dabei so
gewählt werden, daß das Abgas durch die zylindrische
Anordnung von außen nach innen oder umgekehrt geführt
wird. Die Katalysatorzonen können als Schüttbett und/oder
Monolithanordnung ausgebildet sein. Die Monolithen können
aus Keramik bestehen, statt dessen können aber auch übliche
Metallwaben zum Einsatz kommen. Wenn Monolith- bzw.
Schüttbettkatalysatoren oder eine Kombination dieser
verwendet werden, so können die Zonen in Form eines
Vielecks angeordnet sein. Dabei kommen Dreieck bis Oktagon
als Grundfläche des Vielecks in Frage, wobei der Ringraum
beibehalten werden kann.
Die bei der katalytischen Umsetzung entstehende Wärme
kann dazu genutzt werden, um das zu reinigende Abgas in
einem vom gereinigten Abgas beheizten Wärmeaustauscher
vorzuerhitzen.
Da chemische Raktionen von Stoffgemischen unterschiedliche
Aktivierungsenergie besitzen, muß, um die
Anspringtemperatur des weniger aktiven, mit dem Abgas
zuerst in Berührung kommenden Katalysators (der ersten
Schicht) zu erreichen, das zu reinigende Abgas bei der
Inbetriebnahme des Reaktors meist vorübergehend durch
Fremdheizung auf die Anspringtemperatur des Katalysators,
in dieser spezifischen Anwendung auf ca. 400°C, erhitzt
werden. Als mögliche Arten der Fremdheizung kommen z. B.
Gasbrenner, IR-Strahler, Zündung mittels Elektrode
(über Erzeugung und Ausbreitung eines Wärmenestes) oder
sonstige Energiequellen in Frage. Bei ausreichend hohem
Heizwert des umzusetzenden Abgases kann der Reaktor nach
Erreichen der Anspringtemperatur bei entsprechender
Abgasführung auch ohne Fremdheizung betrieben werden.
Die Druckverhältnisse bei der katalytischen
Abgasverbrennung sind unkritisch. Man kann die Umsetzung
bei Normaldruck bis 10 bar Überdruck durchführen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine einfache
und zweckmäßige Apparatur zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese, in der einzigen
Zeichnungsfigur gezeigte Apparatur ist gekennzeichnet
durch ein zylindrisches Reaktorgehäuse 1 mit einer von
einem ringförmigen Boden 2 begrenzten kreisförmigen
Öffnung 3, eine auf dem ringförmigen Boden gasdicht
aufsitzende, oben durch eine Platte 4 geschlossene
Anordnung dreier in Abständen entsprechend der Dicke
zweier aufzunehmender ringförmiger Schüttgutkatalysatorschichten
5, 6 ineinander gestellter und auf dem
ringförmigen Boden aufsitzender Zylinder 7, 8, 9 mit
perforierten Mänteln, von denen der innere erste Mantel 7
mit der Kante 10 der Bodenöffnung 3 fluchtet, der zweite
Mantel 8 die beiden Katalysatorschichten trennt und der
äußere Mantel 9 in einem einen Ringraum 11 zur Reaktorgehäusewand
ausbildenden gleichmäßigen oder sich nach
oben vergrößernden Abstand steht, eine unter dem Boden
des Reaktorgehäuses sich anschließende und mit der
Sekundärseite eines Wärmeaustauschers 12 in Verbindung
stehende Misch- und Vorheizzone 13, in welche seitlich
eine Leitung 14 für die Zufuhr eines gasförmigen
Heizmediums mündet, eine mit dem Kopfraum 15 des
Reaktorgehäuses verbundene Abgasleitung 16, welche zu
einer Abzweigung 17 führt, von der eine Zweigleitung 18
mit dem Eintrittsstutzen des Wärmeaustauschers für das
Heizmedium und eine andere über ein Schließorgan 19 mit
dem Abgasaustritt 20 der Apparatur verbunden ist, der
Austrittsstutzen des Wärmeaustauschers für das Heizmedium
über eine Leitung 21 direkt mit dem Abgasaustritt 20
verbunden ist und die Primärseite des Wärmeaustauschers
an die Zufuhrleitung 22 für das umzusetzende Abgas
angeschlossen ist.
Die vorstehend beschriebene Apparatur kann so variiert
werden, daß die beiden Katalysatorschichten aus
aufeinandergesetzten Monolithkatalysatoren und/oder
Schüttgut-Katalysatoren bestehen und die zylindrische
Halterungsanordnung von Anspruch 15 unter Ersatz der
Zylinder 7, 8, 9 durch eine mehreckige Anordnung an sich
bekannter Halterungseinrichtungen für Monolithen oder
Schüttbetten ersetzt ist.
Wenn man die Vorheizung des umzusetzenden Abgases auf
Anspringtemperatur ausschließlich im Wärmeaustauscher
durchführen will, so kann die Apparatur dahingehend
variiert werden, daß die Leitung für die Zufuhr des
gasförmigen Heizmediums nicht in der Zone 13, sondern im
Kopfraum 15 des Reaktorgehäuses mündet.
Der Betrieb der in der Zeichnung dargestellten beispielsweisen
Apparaturausführung gestaltet sich folgendermaßen:
Das umzusetzende Abgas tritt bei 22 in den Wärmeaustauscher
12 ein, gelangt dann in die Misch- und Vorheizzone 13, wo
es mittels eines über Leitung 14 zugeführten gasförmigen
Heizmediums auf die erforderliche Anspringtemperatur des
Katalysators vorerhitzt wird. Das Heizmedium wird in einer
Brenneranordnung durch Verbrennung eines Methan/Luft-
Gemisches erzeugt. Bei Bedarf kann nach dem Brenner
Sekundärluft zur Nachverbrennung zugegeben werden.
Das vorerhitzte Abgas tritt dann nacheinander durch die
Katalysatorschichten 6 und 5, wobei 6 ein Katalysator zur
oxidativen Spaltung und 5 ein Edelmetall-Oxidationskatalysator
ist. Das umgesetzte Abgas verläßt über den
Ringraum 11, den Kopfraum15 und Leitung 16 den Reaktor
und kann dann durch entsprechende Stellung von Klappe 19
ganz oder teilweise über Leitung 18 als Heizmedium dem
Wärmeaustauscher zugeführt werden. Der Ringraum 11
erweitert sich bei der
gezeigten Apparaturausführung konisch nach oben und schafft
damit verbesserte Strömungsbedingungen für das entlang der
Katalysatoranordnung unter Volumenzunahme in den Ringraum
11 übertretende gereinigte Abgas.
Bei hoher Exothermie im Reaktor kann die Abgasrückführung
praktisch unterbleiben. Das gereinigte, im Wärmeaustauscher
12 abgekühlte Abgas gelangt schließlich über Leitung 21
direkt zum Abgasaustritt 20 der Apparatur. Dieser Abgasstrom
kann einer weiteren Wärmerückgewinnung zugeführt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
weiter erläutert.
1.1 Katalysator für Zone 1
Als Katalysator für Zone 1 wurde ein handelsüblicher
SiO₂-Träger (Fa. Südchemie, Träger "KA 3", Kugeln
4-5 mm, Schüttgewicht 0,6 g/l, spezifische Oberfläche
ca. 170 m²/g) verwendet.
1.2 Katalysator für Zone 2
1000 g γ-Aluminiumoxidkugeln (Fa. Rhone-Poulenc),
"SCS 250", Durchmesser 4-6 mm, Schüttdichte 0,71 g/l,
spezifische Oberfläche 253 m²/g) werden in einer
Imprägniertrommel mit 300 ml dest. H₂O (entspricht
2/3 der Wasseraufnahmefähigkeit des Trägermaterials)
vorbelegt und anschließend mit 150 ml einer Pt-Rh-
haltigen Lösung imprägniert. Die Edelmetall-Lösung
enthält 0,5 g 16%ige RhCl₃-Lösung (entspricht 0,08 g
Rh) und 6,4 g 25%ige H₂PtCl₆-Lösung (entspricht
1,6 g Pt) und ist mit 10%iger Na₂CO₃-Lösung so
vorneutralisiert, daß sich in der mit dest. H₂O auf
150 ml verdünnten Imprägnierlösung pH-Wert 6 einstellt.
Nachdem die Edelmetall-Lösung vom porösen
Trägermaterial vollständig aufgenommen ist, wird der
Katalysator bei 120°C bis zur Gewichtskonstanz
getrocknet und anschließend 4 h bei 400°C unter
Formiergas (95 Vol.-% N₂, 5 Vol.-% H₂) reduziert. Der
fertige Katalysator enthält 0,16 Gew.-% Pt und 0,008
Gew.-% Rh.
1.3 Umsetzung einer Testgasmischung aus CO, Ethylen und
Ethylchlorid in einem Laborreaktor
Ein beheizbarer Rohrreaktor aus temperaturbeständigem
Stahl wird mit jeweils 38 cm³ (entspricht 10 cm
Schichtdicke) der beiden Katalysatoren (s. Pkt. 1.1
und 1.2) gefüllt, so daß eine Doppelbett-Anordnung
vorliegt. Die Katalysatorkombination wird bei
unterschiedlichen Gaseintrittstemperaturen in die
erste Katalysatorzone und konstanter Belastung
(GHSV = 15 000 h-1) mit einer Testgasmischung aus
1 Vol.-% CO
0,7 Vol.-% Ethylen
0,5 Vol.-% Ethylchlorid
Rest Luft
0,7 Vol.-% Ethylen
0,5 Vol.-% Ethylchlorid
Rest Luft
beaufschlagt und der erreichte Umsatzgrad hinter der
zweiten Katalysatorzone gemessen (Ergebnisse s. Tab.
1). Je nach Katalysatorkombination der im folgenden
genannten Beispiele treten dabei innerhalb der
Reaktionszonen Temperaturspitzen auf, die bis zu
300°C über der Gaseintrittstemperatur in Zone 1
liegen können.
2.1 Katalysator für Zone 1
Als Katalysator für Zone 1 dienten handelsübliche
γ-Aluminiumoxid-Kugeln (Fa. Rhone-Poulenc, "SCS 250",
Durchmesser 2,4-4 mm, Schüttdichte 0,71 g/cm³,
spezifische Oberfläche 253 m²/g, Gesamtporenvolumen
52,2 cm³/100 g).
2.2 Katalysator für Zone 2
Ein Bohrkern (Durchmesser 20 mm, Länge 120 mm) aus
einem wabenförmigen Träger aus Cordierit (Fa. Corning,
400 Zellen/inch², ungefähre Zusammensetzung: 14,0
Gew.-% MgO, 35,4 Gew.-% Al₂O₃, 49,6 Gew.-% SiO₂) wird mit
einer 30%igen wäßrigen Dispersion von γ-Aluminiumoxid
mehrfach gespült und jeweils zwischen den
einzelnen Spülvorgängen 2 h bei 200°C im Heißluftstrom
getrocknet. Anschließend erfolgt eine Temperung
bei 700°C. Der Al₂O₃-beschichtete Träger (Wasseraufnahme
14%) wird dann in eine Lösung folgender
Zusammensetzung getaucht
71,4 g H₂PtCl₆ (25% Pt 17,85 g Pt)
22,3 g RhCl₃ (16% Rh 3,57 g Rh)
in 1000 ml Lösung,
22,3 g RhCl₃ (16% Rh 3,57 g Rh)
in 1000 ml Lösung,
die mit 10%iger NaOH auf pH-Wert 6 eingestellt ist.
Nach der Trocknung ist der Träger mit 0,3 Gew.-%
Edelmetall im Gewichtsverhältnis Pt : Rh = 5 : 1
belegt. Schließlich erfolgt die Reduktion der
abgeschiedenen Edelmetallverbindungen im Wasserstoffstrom
bei einer Temperatur von 500°C für die Dauer
von 1 h. Die spezifische Oberfläche des so gefertigten
Katalysators betrug 24 m²/g.
2.3 Katalysatortestung analog Beispiel 1.3
(Ergebnisse s. Tab. 1)
3.1 Katalysator für Zone 1
Der in Beispiel 2.2 genannte Cordierit-Träger wird
mit einer 30%igen wäßrigen Dispersion von γ-Aluminiumoxid
und Magnesiumoxid (Gewichtsverhältnis Al₂O₃ :
MgO = 3 : 1) mehrfach gespült, jeweils zwischen den
einzelnen Spülvorgängen 2 h bei 200°C im Heißluftstrom
getrocknet und dann bei 600°C getempert. Der
so beschichtete Träger (Wasseraufnahme 18,6%) wird
anschließend in eine Lösung von 60 g Ba(NO₃)₂ in
1000 ml dest. H₂O getaucht. Nach Trocknung bei 200°C
und 3stündiger Temperung bei 600°C im Luftstrom
enthält der fertige Katalysator 3,5 Gew.-% Mg und 0,56
Gew.-% Ba.
3.2 Katalysator für Zone 2
200 g γ-Aluminiumoxid-Kugeln (Fa. Rhone-Poulenc,
"SCS 79", Durchmesser 2,4-4 mm, Schüttdichte 0,67 g/l,
spezifische Oberfläche 80 m²/g) werden in einer
Imprägniertrommel mit 60 ml dest. H₂O (entspricht 2/3
der Wasseraufnahmefähigkeit des Trägermaterials)
vorbelegt und anschließend mit 30 ml einer Pd-
Pt-haltigen Lösung imprägniert. Die Edelmetall-Lösung
enthält 7,5 g 20%ige H₂PdCl₄-Lösung (entspricht 1,5
g Pd) und 1,2 g 25%ige H₂PtCl₆-Lösung (entspricht
0,3 g Pt) und ist mit 10%iger Na₂CO₃-Lösung so weit
vorneutralisiert, daß sich in der mit dest. H₂O auf
30 ml verdünnten Lösung pH-Wert 6 einstellt.
Nach Trocknung und Reduktion gemäß Beispiel 1.2
enthält der fertige Katalysator 0,75 Gew.-% Pd und
0,15 Gew.-% Pt.
3.3 Katalysatortestung analog Beispiel 1.3
(Ergebnisse s. Tab. 1)
4.1 Katalysator für Zone 1 - analog Beispiel 3.1.
4.2 Katalysator für Zone 2
Die Herstellung des Katalysators erfolgte wie in
Beispiel 2.2 beschrieben, jedoch wurde eine
Imprägnierlösung folgender Zusammensetzung gewählt:
71,4 g H₂PtCl₆ (25% Pt 17,85% Pt)
17,85 g H₂PdCl₄ (20% Pd 3,57 g Pd)
in 1000 ml Lösung
17,85 g H₂PdCl₄ (20% Pd 3,57 g Pd)
in 1000 ml Lösung
Der fertige Katalysator war mit 0,3 Gew.-% Edelmetall
im Gewichtsverhältnis Pt : Pd = 5 : 1 belegt.
4.3 Katalysatortestung analog Beispiel 1.3
(Ergebnis s. Tab. 1)
5.1 Katalysator für Zone 1
100 g des ringförmigen Al₂O₃-Extrudates "Al 3996 R"
von Fa. Harshaw (Schüttdichte 0,5-0,75 g/cm³,
spezifische Oberfläche 200 m²/g, Gesamtporenvolumen
ca. 0,69 cm³/g) werden zunächst mit 70 ml einer Lösung
von 60 g Ni(NO₃)₂×6 H₂O in dest. H₂O imprägniert
und bei 110°C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet.
Der so vorimprägnierte Träger wird anschließend
erneut mit einer Imprägnierlösung von 60 g
Ni(NO₃)₂×6 H₂O in 24 ml dest. H₂O getränkt, abermals
bei 110°C getrocknet und schließlich im Luftstrom
bei steigender Temperatur calciniert:
15 min bei 200°C
15 min bei 300°C
15 min bei 400°C
35 min bei 500°C
15 min bei 300°C
15 min bei 400°C
35 min bei 500°C
Der fertige Katalysator enthält 20 Gew.-% Nickel.
5.2 Katalysator für Zone 2
200 g des in Beispiel 3.2 genannten Trägermaterials
werden mit einer Lösung getränkt, die durch Verdünnen
von 4 g einer 25%igen H₂PtCl₆-Lösung mit dest. H₂O
auf 90 ml hergestellt wurde.
Nach Trocknung bei 120°C und dreistündiger Reduktion
mit Formiergas (95 Vol.-% N₂, 5 Vol.-% H₂) bei 500°C
enthält der fertige Katalysator 0,5 Gew.-% Pt.
5.3 Katalysatortestung analog Beispiel 1.3
(Ergebnisse s. Tab. 1)
6.1 Katalysator für Zone 1 - analog Beispiel 2.1.
6.2 Katalysator für Zone 2
200 g des in Beispiel 3.2 genannten Trägermaterials
werden mit einer Lösung imprägniert, die 5 g einer
20%igen H₂PdCl₄-Lösung enthält und mit 10%iger NaOH
so weit vorneutralisiert ist, daß sich in der mit dest.
H₂O auf 90 ml verdünnten Lösung pH-Wert 4 einstellt.
Nach Trocknung bei 120°C und Reduktion mit Formiergas
(95 Vol.-% N₂, 5 Vol.-% H₂) bei 250°C enthält der fertige
Katalysator 0,5 Gew.-% Pd.
6.3 Katalysatortestung analog Beispiel 1.3, jedoch bei
10 bar Absolutdruck und einmal, nach Erreichen der
Anspringtemperatur, ohne Reaktorbeheizung. Die
Exothermie der Umsetzung reicht aus, um auch ohne
zusätzliche Wärmezufuhr die Reaktion in Gang zu
halten (Ergebnisse s. Tab. 1).
7.1 Katalysator für Zone 1
Als Katalysator für Zone 1 wurden handelsübliche
q-Aluminiumoxid-Kugeln (Fa. Rhone-Poulenc, "SCS 250",
Durchmesser 6-8 mm, Schüttdichte 0,69 g/cm³,
spezifische Oberfläche 253 m²/g) verwendet.
7.2 Katalysator für Zone 2
50 kg q-Aluminiumoxid-Kugeln (Fa. Rhone-Poulenc,
"SCS 79", Durchmesser 2,4-4 mm, Schüttdichte 0,67 g/l,
spezifische Oberfläche 80 m²/g) werden zunächst in
einer rotierenden Imprägniertrommel mit 15 l dest.
H₂O (entspricht 2/3 der Wasseraufnahmefähigkeit des
Trägermaterials) vorbelegt und anschließend mit 7,5 l
einer Pd-Pt-haltigen Lösung imprägniert. Die
Edelmetall-Lösung enthält im einzelnen 375 g 20%ige
H₂PdCl₄-Lösung (entspricht 75 g Pd) und 300 g 25%ige
H₂PtCl₆-Lösung (entspricht 75 g Pt). Sie ist mit ca.
2,25 l 10%iger Na₂CO₃-Lösung auf pH 6 vorneutralisiert
und mit dest. H₂O auf 7,5 l verdünnt.
Sobald die Edelmetall-Lösung vollständig vom Träger
aufgenommen ist, wird der Katalysator bei 120°C bis
zur Gewichtskonstanz getrocknet und anschließend 3 h
bei 400°C unter Formiergas (95 Vol.-% N₂, 5 Vol.-% H₂)
reduziert. Der fertige Katalysator enthält 0,15 Gew.-%
Pd und 0,15 Gew.-% Pt.
7.3 Umsetzung eines Abgases aus einer großtechnischen
Vinylchlorid-Produktion in einem Pilotreaktor
Die erste Zone des in der einzigen Abbildung
dargestellten ringförmigen Doppelbettreaktors wird
mit 60 l der unter 7.1 genannten Aluminiumoxid-Kugeln,
die zweite Zone mit 70 l des, wie unter 7.2 beschrieben
hergestellten Edelmetall-Katalysators gefüllt. Nach
der Aufheizphase wird der Pilotreaktor mit Abgas aus
einer großtechnischen VCM-Anlage bei unterschiedlichen
Temperaturen und Belastungen betrieben.
Die Brennereinstellung bleibt während der gesamten
Versuchsdauer unverändert:
Methan: | |
6 Nm³/h | |
Brennluft: | 75 Nm³/h |
Aus Werkstoffgründen werden die heißen Brennergase mit
320 Nm³/h Sekundärluft etwas abgekühlt. Einige
Versuchseinstellungen und Testergebnisse sind in Tab.
2 zusammengefaßt.
8.1 Katalysator für Zone 1 - analog Beispiel 7.1.
8.2 Katalysator für Zone 2
50 kg γ-Aluminiumoxid-Kugeln (Fa. Rhone-Poulenc,
"SCS 250", Durchmesser 4-6 mm, Schüttdichte 0,71 g/l,
spezifische Oberfläche 253 m²/g) werden mit 15 l dest.
H₂O vorbelegt und anschließend mit 7,5 l einer Pt-
Rh-haltigen Lösung imprägniert. Die Edelmetall-Lösung
enthält 25 g 16%ige RhCl₃-Lösung und 250 g 25%ige
H₂Cl₆-Lösung, ist mit 500 ml 10%iger Na₂CO₃-Lösung
auf pH 6 vorneutralisiert und mit destilliertem Wasser
auf 7,5 l verdünnt.
Nachdem die Edelmetall-Lösung vollständig vom Träger
aufgenommen ist, wird der Katalysator bei 120°C bis
zur Gewichtskonstanz getrocknet und anschließend 4 h
bei 400°C unter Formiergas (95 Vol.-% N₂, 5 Vol.-% H₂)
reduziert. Der fertige Katalysator enthält 0,125 Gew.-%
Pt und 0,008 Gew.-% Rh.
8.3 Umsetzung eines Abgases aus einer großtechnischen
Vinylchlorid-Produktion in einem Pilotreaktor
Die Testung der o. g. Katalysatoren erfolgt gemäß
Beispiel 7 im ringförmigen Doppelbettreaktor bei
unveränderter Brennereinstellung, jedoch unter
Zudosieren von 240 Nm³/h Sekundärluft. Typische
Versuchseinstellungen und Ergebnisse sind in Tab. 3
zusammengefaßt.
Claims (17)
1. Verfahren zur katalytischen Umsetzung von Kohlenwasserstoff,
Halogenkohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid
enthaltenden Abgasen, insbesondere aus der Synthese
von Vinylchlorid,
dadurch gekennzeichnet,
daß man die Abgase bei 300-800, vorzugsweise 350-
730°C, zunächst durch eine einen Katalysator zur
oxidativen Spaltung enthaltende erste Zone und dann
durch eine einen Katalysator zur oxidativen Nachverbrennung
enthaltende zweite Zone leitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die katalytisch aktive Substanz des Katalysators
der ersten Zone Aluminiumoxid, Siliciumdioxid,
Aluminiumsilikat und/oder ein Zeolith, gegebenenfalls
mit einem Gehalt von 0,1-20 Gew.-% an oxidischen
Verbindungen eines oder mehrerer der Elemente Ba, Mg,
Cu, Cr, Mn, Ni ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die katalytisch aktive Substanz des Katalysators
der zweiten Zone Platin und/oder Palladium oder Platin
und Rhodium ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß Platin und Palladium im Gewichtsverhältnis
1 : 5-5 : 1 und Platin und Rhodium im Gewichtsverhältnis
5 : 1-20 : 1 vorliegen.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Katalysator der ersten und/oder zweiten Zone
als ungeformtes oder geformtes Schüttgut aus dem
Katalysatormaterial oder in Form von mit der katalytisch
aktiven Komponente versehenen Trägerkörpern
oder als mit einem katalysefördernden Trägermaterial
für die katalytisch aktive Komponente überzogener
Monolith oder als mit der katalytisch aktiven Komponente
versehener Monolith oder als Monolith aus katalyseförderndem
Material oder als Monolith aus dem
Katalysatormaterial selbst, ausgebildet ist.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Katalysatoren als Doppelbett oder im
Abstand voneinander angeordnet sind.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Abgas durch eine ringförmige Anordnung der
beiden Katalysatorzonen geführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die ringförmige Anordnung zylindrisch ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Abgas durch die zylindrische Anordnung
von außen nach innen oder umgekehrt, geführt wird.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Katalysatorzonen als Schüttbett und/oder
Monolithanordnung ausgebildet sind.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Monolithkatalysatoren oder eine Kombination
dieser mit Schüttbetten in Form eines Vielecks
angeordnet sind.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß das zu reinigende Abgas in einem vom gereinigten
Abgas beheizten Wärmeaustauscher vorerhitzt wird.
13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß das zu reinigende Abgas vorübergehend durch
Fremdheizung auf die Anspringtemperatur der
Katalysatoren erhitzt wird.
14. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß man die Umsetzung bei Normaldruck bis 10 bar
Überdruck durchführt.
15. Apparatur zur Durchführung des Verfahrens nach einem
oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
ein zylindrisches Reaktorgehäuse (1) mit einer von
einem ringförmigen Boden (2) begrenzten kreisförmigen
Öffnung (3), eine auf dem ringförmigen Boden gasdicht
aufsitzende, oben durch eine Platte (4) geschlossene
Anordnung dreier in Abständen entsprechend
der Dicke zweier aufzunehmender ringförmiger
Schüttgutkatalysatorschichten (5), (6) ineinander
gestellter und auf dem ringförmigen Boden aufsitzender
Zylinder (7), (8), (9) mit perforierten Mänteln, von
denen der innere erste Mantel (7) mit der Kante (10)
der Bodenöffnung (3) fluchtet, der zweite Mantel (8)
die beiden Katalysatorschichten trennt und der äußere
Mantel (9) in einem einen Ringraum (11) zur Reaktorgehäusewand
ausbildenden gleichmäßigen oder sich nach
oben vergrößernden Abstand steht, eine unter dem
Boden des Reaktorgehäuses sich anschließende und mit
der Sekundärseite eines Wärmeaustauschers (12) in
Verbindung stehende Misch- und Vorheizzone (13), in
welche seitlich eine Leitung (14) für die Zufuhr eines
gasförmigen Heizmediums mündet, eine mit dem Kopfraum
(15) des Reaktorgehäuses verbundene Abgasleitung (16),
welche zu einer Abzweigung (17) führt, von der eine
Zweigleitung (18) mit dem Eintrittsstutzen des
Wärmeaustauschers für das Heizmedium und eine andere
über ein Schließorgan (19) mit dem Abgasaustritt (20)
der Apparatur verbunden ist, der Austrittsstutzen des
Wärmeaustauschers für das Heizmedium über eine Leitung
(21) direkt mit dem Abgasaustritt (20) verbunden ist
und die Primärseite des Wärmeaustauschers an die
Zufuhrleitung (22) für das umzusetzende Abgas
angeschlossen ist.
16. Apparatur nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Katalysatorschichten aus aufeinandergesetzten
Monolithkatalysatoren und/oder Schüttgut-
Katalysatoren bestehen und die zylindrische
Halterungsanordnung von Anspruch 15 unter Ersatz
der Zylinder (7), (8), (9) durch eine mehreckige
Anordnung an sich bekannter Halterungseinrichtungen
für Monolithen oder Schüttbetten ersetzt ist.
17. Apparatur nach Anspruch 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Leitung für die Zufuhr des gasförmigen
Heizmediums zwecks Durchführung der Vorheizung des
umzusetzenden Abgases auf Anspringtemperatur
ausschließlich im Wärmeaustauscher, nicht in der Zone
(13), sondern im Kopfraum (15) des Reaktorgehäuses
mündet.
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