PL240039B1 - Method for the catalytic conversion of carbon monoxide or dioxide to methane and a catalyst bed for carrying out the method - Google Patents

Method for the catalytic conversion of carbon monoxide or dioxide to methane and a catalyst bed for carrying out the method Download PDF

Info

Publication number
PL240039B1
PL240039B1 PL432591A PL43259120A PL240039B1 PL 240039 B1 PL240039 B1 PL 240039B1 PL 432591 A PL432591 A PL 432591A PL 43259120 A PL43259120 A PL 43259120A PL 240039 B1 PL240039 B1 PL 240039B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
catalytic
catalyst
methane
conversion
reactor
Prior art date
Application number
PL432591A
Other languages
Polish (pl)
Other versions
PL432591A1 (en
Inventor
Jarosław Polański
Jarosła W Polański
Tomasz Siudyga
Tomas Z Siudyga
Maciej Kapkowski
Piotr Bartczak
Original Assignee
Univ Slaski
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Univ Slaski filed Critical Univ Slaski
Priority to PL432591A priority Critical patent/PL240039B1/en
Publication of PL432591A1 publication Critical patent/PL432591A1/en
Publication of PL240039B1 publication Critical patent/PL240039B1/en

Links

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób katalitycznej konwersji tlenku lub dwutlenku węgla do metanu, w połączeniu z sorpcją wody, w oparciu o nanocząstki fazy aktywnej (rutenu Ru, renu Re, palladu Pd) naniesione na ziarnach niklu (Ni). Wykazano, że taki układ reakcji może przebiegać z konwersją CO2 lub CO do 100%, przy pełnej selektywności syntezy metanu w temperaturze tylko nieznacznie przekraczającej temperaturę wrzenia wody, to jest 130°C.The subject of the invention is a method of catalytic conversion of carbon monoxide or dioxide into methane, in combination with water sorption, based on nanoparticles of the active phase (ruthenium Ru, rhenium Re, palladium Pd) deposited on nickel (Ni) grains. It has been shown that such a reaction system can run with CO2 or CO conversion up to 100%, with full selectivity of methane synthesis at a temperature only slightly above the boiling point of water, i.e. 130 ° C.

Węgiel jest kluczowym elementem ludzkiego życia i cywilizacji. W szczególności rosnące obawy dotyczące antropogenicznego wpływu na zmiany klimatu zwróciły uwagę twórców niniejszego wynalazku na delikatną równowagę środowiskową dwutlenku węgla. Z jednej strony produkcja CO2 zagraża bezpieczeństwu dostaw energii, ze względu na potencjalną potrzebę znacznego obniżenia poziomu emisji spalin energetycznych. Z drugiej jednak strony dostępność CO2 jest szansą na rozwój nowych przyjaznych dla środowiska, zrównoważonych technologii opartych na tym surowcu [Z. W. Seh, J Kibsgaard, C. F. Dickens, I. Chorkendorff, J. K. N0rskov, T. F. Jaramillo, Science 355 (2017) 1-12]. W związku z tym CO2 może być atrakcyjnym, odnawialnym, bezpiecznym i tanim składnikiem Ci dla inżynierii paliwowej lub chemii organicznej. Jednak potencjał ten jest ograniczony przez wysoką stabilność termodynamiczną cząsteczki CO2, dlatego do ekonomicznie wydajnego przetwarzania CO2 wymagana jest zarówno nowa chemia (nowe rozwiązania wybiegające poza utarte dotychczas schematy myślenia) jak i technologia. Metanizacja, proces, w którym CO2 poddaje się reakcji z wodorem z wytworzeniem metanu i wody, stanowi modelowy przykład zagospodarowania nadwyżek tego surowca. W rzeczywistości metan jest ważnym produktem masowym, poszukiwanym w chemii i energetyce. Ponadto proces metanizacji został zasugerowany jako metoda magazynowania energii, w szczególności energii odnawialnej, w tak zwanej metodzie zamiany energii na gaz [M. Gotz, J. Lefebvre, F. Mors, A. McDaniel Koch, F. Graf, S. Bajohr, R. Reimert, T. Kolb, Renewable Energy 85 (2016) 1371-1390]. Wyjaśnia to, dlaczego pomimo kontrowersyjnej niekorzystnej ekonomii wyraźnie hamującej postęp technologiczny w tej dziedzinie, potencjał metanizacji CO2 przyciąga wiele uwagi, zwłaszcza w dziedzinie katalizy środowiskowej. Procesy metanizacji stanowią złożone wieloetapowe procesy angażujące różne mechanizmy [B. Miao, S.S. Khine Ma, X. Wang, H. Su, S. H. Chan, Catal. Sci. Technol. 6 (2016) 4048-4058]. Na przykład szczegółowe badanie metanizacji katalizowanej przez Ni [C. W. Hu, J. Yao, H. Q. Yang, Y. Chen, A. M. Tian, J. Catal., 166 (1997) 1-7] ujawnia co najmniej sześć etapów tworzenia węgla i metanizacji węgla [S. J. Choe, H. J. Kang, S. J. Kim, S. B. Park, D. H. Park, D. S. Huh, Bull. Korean Chem. Soc., 26 (2005) 1682-1688]. Warto zauważyć, że temperatura odgrywa rolę w mechanizmach reakcji, a następnie ich termodynamice i kinetyce. Odpowiednio, na podstawowym poziomie termodynamika metanizacji jest o wiele bardziej korzystna w niskich temperaturach, gdzie metanizacja dominuje nad odwrotnym procesem reakcji przesunięcia woda-gaz (WGSR) [J. Gao, Q. Liu, F. Gu, B. Liu, Z. Zhongc, F. Su., RSC Adv., 5 (2015) 22759-22776]. Odkryto różnorodne metale, na przykład Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Ir, Pt, zwykle aktywne w 300-400°C, jako użyteczne katalizatory metanizacji [A. L. Kustov, A. M. Frey, K. E. Larsen, T. Johannessen, J. K. Norskov, C. H. Christensen, Appl. Catal. A 320 (2007) 98-104 oraz F. Solymosi, A. Erdohelyi, M. Kocsis, J. Chem. Soc., Faraday Trans. 77 (1981) 1003-1012 oraz A. Erdohelyi, M. Pasztor, F. Solymosi, J. Catal. 98 (1986) 166-177 oraz Z. Zhang, A. Kladi, X. E. Verykios, J. Catal. 148 (1994) 737-747]. Z kolei inżynierię różnych katalizatorów na bazie tlenku metalu, a także mechanizmy ich aktywności, szczegółowo omówiono w ogólnodostępnym piśmiennictwie [J. Jia, C. Qian, Y. Dong, Y. F. Li, H. Wang, M. Ghoussoub, K. T. Butler, A. Walsh, G, A. Ozin, Chem. Soc. Rev. 46 (2017) 4631-4644]. W szczególności opisano w nim znaczenie wad struktur tlenkowych. W praktyce najniższą temperaturę roboczą dla katalitycznej metanizacji odnotowano dla katalizatora Ru, a mianowicie układu Ru/TiO2, w którym nanocząstki Ru montowano na nośniku przy użyciu wielobocznej metody rozpylania baryłkowego (ang. polygonal barrel-sputtering method) z początkową temperaturą roboczą 160°C. Jednocześnie analogiczny katalizator Ru/TiO2 wytworzony metodą mokrą wymagał wyższej o około 100°C temperatury reakcji, to jest około 260°C [T. Abe, M. Tanizawa, K. Watanabe, A. Taguchi, Energy Environ. Sci. 2 (2009) 315-321]. Z kolei pasywowane tlenkiem nanocząstki Ru na nośnikach stanowiących SiO2 lub Ni mogą być wydajnym katalizatorem metanizacji przy początkowej temperaturze reakcji około 150°C [J. Polański, T. Siudyga, P. Bartczak, M. Kapkowski, W. Ambrożkiewicz, A. Nobis, R. Sitko, J. Klimontko, J. Szade, J. Lelątko, Appl. Catal., B 206 (2017) 16-23].Coal is a key element of human life and civilization. In particular, increasing concerns about the anthropogenic effects of climate change have brought the present inventors' attention to the delicate environmental balance of carbon dioxide. On the one hand, CO2 production poses a threat to the security of energy supply, due to the potential need to significantly reduce the level of energy exhaust emissions. On the other hand, the availability of CO2 is an opportunity for the development of new environmentally friendly, sustainable technologies based on this raw material [Z. W. Seh, J Kibsgaard, C. F. Dickens, I. Chorkendorff, J. K. N0rskov, T. F. Jaramillo, Science 355 (2017) 1-12]. Consequently, CO2 can be an attractive, renewable, safe and low-cost component Ci for fuel engineering or organic chemistry. However, this potential is limited by the high thermodynamic stability of the CO2 molecule, and therefore both new chemistry (new solutions that go beyond the hitherto accepted patterns of thought) and technology are required for economically efficient processing of CO2. Methanation, a process in which CO2 is reacted with hydrogen to form methane and water, is a model example of managing the surplus of this raw material. In fact, methane is an important mass product that is in demand in chemistry and energy. Moreover, the methanation process has been suggested as a method of storing energy, in particular renewable energy, in the so-called method of converting energy into gas [M. Gotz, J. Lefebvre, F. Mors, A. McDaniel Koch, F. Graf, S. Bajohr, R. Reimert, T. Kolb, Renewable Energy 85 (2016) 1371-1390]. This explains why, despite the controversial unfavorable economy clearly hampering technological progress in this field, the potential of CO2 methanation has attracted a lot of attention, especially in the field of environmental catalysis. Methanation processes are complex multi-stage processes involving various mechanisms [B. Miao, S.S. Khine Ma, X. Wang, H. Su, S. H. Chan, Catal. Sci. Technol. 6 (2016) 4048-4058]. For example, a detailed study of Ni-catalyzed methanation [C. W. Hu, J. Yao, H. Q. Yang, Y. Chen, A. M. Tian, J. Catal. 166 (1997) 1-7] disclose at least six steps of carbon formation and carbon methanation [S. J. Choe, H. J. Kang, S. J. Kim, S. B. Park, D. H. Park, D. S. Huh, Bull. Korean Chem. Soc., 26 (2005) 1682-1688]. It is worth noting that temperature plays a role in the reaction mechanisms and then in their thermodynamics and kinetics. Accordingly, at a fundamental level, the thermodynamics of methanation is much more favorable at low temperatures, where methanation dominates the reverse process of the water-gas shift reaction (WGSR) [J. Gao, Q. Liu, F. Gu, B. Liu, Z. Zhongc, F. Su., RSC Adv., 5 (2015) 22759-22776]. Various metals, for example Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Ir, Pt, usually active at 300-400 ° C, have been discovered as useful methanation catalysts [A. L. Kustov, A. M. Frey, K. E. Larsen, T. Johannessen, J. K. Norskov, C. H. Christensen, Appl. Catal. A 320 (2007) 98-104 and F. Solymosi, A. Erdohelyi, M. Kocsis, J. Chem. Soc., Faraday Trans. 77 (1981) 1003-1012 and A. Erdohelyi, M. Pasztor, F. Solymosi, J. Catal. 98 (1986) 166-177 and Z. Zhang, A. Kladi, X. E. Verykios, J. Catal. 148 (1994) 737-747]. In turn, the engineering of various metal oxide-based catalysts, as well as the mechanisms of their activity, are discussed in detail in the publicly available literature [J. Jia, C. Qian, Y. Dong, Y. F. Li, H. Wang, M. Ghoussoub, K. T. Butler, A. Walsh, G, A. Ozin, Chem. Soc. Rev. 46 (2017) 4631-4644]. In particular, it describes the significance of the disadvantages of the oxide structures. In practice, the lowest operating temperature for catalytic methanation was recorded for the Ru catalyst, namely the Ru / TiO2 system, in which Ru nanoparticles were mounted on a support using the polygonal barrel-sputtering method with an initial operating temperature of 160 ° C. At the same time, the analogous Ru / TiO2 catalyst produced by the wet method required a reaction temperature higher by about 100 ° C, i.e. about 260 ° C [T. Abe, M. Tanizawa, K. Watanabe, A. Taguchi, Energy Environ. Sci. 2 (2009) 315-321]. On the other hand, Ru nanoparticles passivated with oxide on SiO2 or Ni supports can be an efficient methanation catalyst at the initial reaction temperature of about 150 ° C [J. Polański, T. Siudyga, P. Bartczak, M. Kapkowski, W. Ambrożkiewicz, A. Nobis, R. Sitko, J. Klimontko, J. Szade, J. Lelątko, Appl. Catal., B 206 (2017) 16- 23].

Na poziomie technicznym temperatura jest ważnym parametrem decydującym o potencjale wykorzystania ciepła egzotermicznego procesu metanizacji, a także pękania lub spiekania katalizatora.On a technical level, temperature is an important parameter that determines the potential for using the exothermic heat of the methanation process, as well as for cracking or sintering the catalyst.

PL 240 039 B1PL 240 039 B1

Reaktory do katalitycznej metanizacji zazwyczaj pracują w zakresie temperatur 200-550°C pod ciśnieniem w zakresie od 1-100 barów [M. Gotz, J. Lefebvre, F. Mors, A. McDaniel Koch, F. Graf, S. Bajohr, R. Reimert, T. Kolb, Renewable Energy 85 (2016) 1371-1390]. Dezaktywacja katalizatora obejmuje różnorodne procesy, w tym zatrucie, koksowanie i spiekanie, ogólnie intensyfikujące się wraz ze wzrostem temperatury procesu [M. Gotz, J. Lefebvre, F. Mors, A. McDaniel Koch, F. Graf, S. Bajohr, R. Reimert, T. Kolb, Renewable Energy 85 (2016) 1371-1390 oraz A.L. Roes, M.K. Patel, J. Clean. Prod. 19 (2011) 1659-1667]. Odkładanie depozytu węglowego może rozpocząć się w temperaturach tak niskich jak 200-450°C [J. Engbaek, O. Lytken, J. H. Nielsen, I. Chorkendorff, Surf. Sci. 602 (2008) 733-743], na przykład specyficzne formy węgla powstałe na powierzchni Ni-AEOs w temperaturze około 220°C zostały zbadane przez McCarty i wsp., [J. G. McCarty and H. Wise, J. Catal. 1979, 57, 406-416]. Z kolei spiekanie metalu okazało się kolejną komplikacją powodującą dezaktywację katalizatora na bazie Ni, która może przebiegać w stosunkowo niskiej temperaturze 230°C. Procesy te mogą obejmować złożone mechanizmy, na przykład migrację karbonylków Ni [M. Agnelli, H. M. Swaan, C. Marquez-Alvarez, G. A. Martin, C. Mirodatos, J. Catal. 175 (1998) 117-128].Catalytic methanation reactors typically operate in the temperature range of 200-550 ° C and pressures in the range of 1-100 bar [M. Gotz, J. Lefebvre, F. Mors, A. McDaniel Koch, F. Graf, S. Bajohr, R. Reimert, T. Kolb, Renewable Energy 85 (2016) 1371-1390]. Catalyst deactivation involves a variety of processes, including poisoning, coking and sintering, generally intensifying with increasing process temperature [M. Gotz, J. Lefebvre, F. Mors, A. McDaniel Koch, F. Graf, S. Bajohr, R. Reimert, T. Kolb, Renewable Energy 85 (2016) 1371-1390, and A.L. Roes, M.K. Patel, J. Clean. Prod. 19 (2011) 1659-1667]. The deposition of the carbon deposit can begin at temperatures as low as 200-450 ° C [J. Engbaek, O. Lytken, J. H. Nielsen, I. Chorkendorff, Surf. Sci. 602 (2008) 733-743], for example, specific forms of carbon formed on the surface of Ni-AEOs at about 220 ° C were investigated by McCarty et al., [J. G. McCarty and H. Wise, J. Catal. 1979,57,406-416]. The sintering of the metal, in turn, turned out to be a further complication causing the deactivation of the Ni-based catalyst, which can proceed at a relatively low temperature of 230 ° C. These processes may involve complex mechanisms, for example migration of Ni carbonyls [M. Agnelli, H. M. Swaan, C. Marquez-Alvarez, G. A. Martin, C. Mirodatos, J. Catal. 175 (1998) 117-128].

Odpowiednio, skuteczny katalizator metanizacji pracujący w niskiej temperaturze ma kluczowe znaczenie dla zachowania korzystnej termodynamiki, a także minimalizacji dezaktywacji katalizatora. Niższe temperatury zapobiegają naprężeniom oraz spiekaniu się ziaren katalizatora z centrami aktywnymi. W obecnej praktyce przemysłowej katalizatory zaprojektowano do pracy w temperaturze poniżej 320°C, w której pojawiają się produkty uboczne reakcji odwrotnego przesunięcia woda-gaz (RWGS) [X. Xu, J. Moulijn, Energy Fuels 10 (1996) 305-325]. Wysoka porowatość i równomierne rozproszenie centrów aktywnych na nośniku o dużej powierzchni właściwej zostały wskazane wśród najbardziej kluczowych technicznych kwestii decydujących o udanej budowie katalizatorów niskotemperaturowych. W kontekście tych rozważań należy wspomnieć, że ostatnio przetestowano użycie szkieletu metalowo-organicznego o bardzo dużej powierzchni (2961 m2g-1) jako potencjalnego nośnika Ni. Selektywność CH4 wynosiła 100%, a katalizator testowano w zakresie temperatur 200-300°C, podczas, gdy konwersja w temp 300°C osiągnęła około 75% [W. Zhen, B. Li, G. Lu, J. Maa, Chem. Commun. 51 (2015) 1728-1731]. Sorpcja wody, która towarzyszy produkcji metanu jako produkt uboczny reakcji CO2 z H2, jest kolejną ideą usprawnienia reakcji. Opracowane układy katalityczne pozwoliły osiągnąć 100% konwersję w temperaturze 250-350°C w układach Ni/zeolit [A. Borgschulte, N. Gallandat, B. Probst, R. Suter, E. Callini, D. Ferri, Y. Arroyo, R. Erni, H. Geerlings, A. Zuttel, Phys. Chem. Chem. Phys. 15 (2013) 9620-9625].Accordingly, an effective low temperature methanation catalyst is critical to maintaining favorable thermodynamics as well as minimizing catalyst deactivation. Lower temperatures prevent stresses and sintering of the catalyst grains with active centers. In current industrial practice, catalysts are designed to operate at temperatures below 320 ° C, where by-products of the reverse water-gas shift (RWGS) reaction appear [X. Xu, J. Moulijn, Energy Fuels 10 (1996) 305-325]. High porosity and uniform dispersion of active centers on a support with a large specific surface area were indicated among the most key technical issues determining the successful construction of low-temperature catalysts. In the context of these considerations, it should be mentioned that the use of a metal-organic backbone with a very large surface area (2961 m 2 g -1 ) as a potential Ni carrier has been recently tested. The selectivity of CH4 was 100%, and the catalyst was tested in the temperature range of 200-300 ° C, while the conversion at 300 ° C reached about 75% [W. Zhen, B. Li, G. Lu, J. Maa, Chem. Commun. 51 (2015) 1728-1731]. Water sorption, which accompanies the production of methane as a by-product of the reaction of CO2 with H2, is another idea for improving the reaction. The developed catalytic systems allowed to achieve 100% conversion at a temperature of 250-350 ° C in Ni / zeolite systems [A. Borgschulte, N. Gallandat, B. Probst, R. Suter, E. Callini, D. Ferri, Y. Arroyo, R. Erni, H. Geerlings, A. Zuttel, Phys. Chem. Chem. Phys. 15 (2013) 9620-9625].

W opisie patentowym EP0044740A1 [W. J. Ball, D. G. Stewart, 1980] opisano katalizatory na bazie krzemianów zawierające jeden lub więcej metali stanowiących: kobalt, żelazo, mangan, nikiel, ruten, pallad, cynk, chrom i miedź w procesach wytwarzania lekkich węglowodorów C1-C4 lub ich utlenionych pochodnych (metanol, etanol). Produkty wytwarza się poprzez przepuszczanie gazu syntezowego (CO:H2 = 1:2 molowo) przez reaktor przepływowy w zakresie temperatur 150-450°C pod ciśnieniem 1-700 barów uzyskując konwersję CO w zakresie 4-22%.In the patent description EP0044740A1 [W. J. Ball, D. G. Stewart, 1980] describes silicate-based catalysts containing one or more metals: cobalt, iron, manganese, nickel, ruthenium, palladium, zinc, chromium and copper in the production of C1-C4 light hydrocarbons or their oxidized derivatives (methanol, ethanol). The products are prepared by passing synthesis gas (CO: H 2 = 1: 2 molar) through a flow reactor in the temperature range 150-450 ° C at 1-700 bar, achieving a CO conversion in the range 4-22%.

W zagranicznej literaturze patentowej opisano również proces wzbogacania gazu syntezowego w wodór przez konwersję tlenku węgla i pary wodnej na katalizatorze zawierającym struktury spinelowe stanowiące głównie tlenki cynku i glinu oraz promotory (Na, K, Rb, Cs, Cu, Ti, Zr, pierwiastki ziem rzadkich i ich mieszaniny). Katalizatory testowano w zakresie temperatur 300-400°C w zakresie ciśnień 2,3-6,5 MPa, w którym gaz syntezowy ma stosunek molowy tlenu do węgla wynoszący 1,69 do 2,25. Skład suchego gazu wynosił około 15% CO, 10% CO2, 72% H2 i 3% Ar. Stosunek molowy para/gaz (S/G) wynosił 0,07, co odpowiada stosunkowi molowemu tlen/węgiel (O/C) wynoszącemu 1,69. [N.C. Schi0dt, WO2010000387A1,2008].The foreign patent literature also describes the process of enriching synthesis gas with hydrogen by converting carbon monoxide and water vapor on a catalyst containing spinel structures consisting mainly of zinc and aluminum oxides and promoters (Na, K, Rb, Cs, Cu, Ti, Zr, rare earth elements and mixtures thereof). The catalysts were tested in the temperature range of 300-400 ° C in the pressure range of 2.3-6.5 MPa, in which the synthesis gas has an oxygen to carbon molar ratio of 1.69 to 2.25. The dry gas composition was approximately 15% CO, 10% CO2, 72% H2 and 3% Ar. The steam / gas mole ratio (S / G) was 0.07, corresponding to an oxygen / carbon mole ratio (O / C) of 1.69. [N.C. Schi0dt, WO2010000387A1,2008].

Ujawniono również rozwiązanie dotyczące katalizatorów oraz ich prekursorów do selektywnej konwersji tlenków węgla do metanu i/lub innych węglowodorów. Prekursory katalizatora obejmują jeden lub więcej tlenków ogniotrwałych wybranych z grupy składającej się z tlenków metali ziem rzadkich (Tb, Er, Pr, Sm, Y, Yb, La, Dy, Ce, Eu, Ho, Lu, Tm, Gd) i perowskitów zawierających metale ziem rzadkich, przy czym prekursor zawiera głównie nikiel lub kationy niklu lub inne metale (Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pt, Mg, Ca, Ba, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Mn, Al, Ga, In) wystarczające do uzyskania katalizatora przez redukcję prekursora, aby był w stanie przynajmniej częściowo zredukować tlenek węgla do produktu węglowodorowego. Ujawniono również sposoby wytwarzania takich katalizatorów i prekursorów katalizatorów, podobnie jak procesy konwersji tlenków węgla w metan i/lub inne węglowodory. Katalizatory testowano w zakresie temperatur 250-550°C pod ciśnieniem atmosferycznym uzyskując w mieszaninie gazowej od 21 do 58% metanu [K.E. Henville, G.J. Millar, J. A. Alarco, WO2000016901A1, 1998].Also disclosed is a solution relating to catalysts and their precursors for the selective conversion of carbon oxides to methane and / or other hydrocarbons. The catalyst precursors include one or more refractory oxides selected from the group consisting of rare earth oxides (Tb, Er, Pr, Sm, Y, Yb, La, Dy, Ce, Eu, Ho, Lu, Tm, Gd) and perovskites containing Rare earth metals, the precursor containing mainly nickel or nickel cations or other metals (Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pt, Mg, Ca, Ba, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Mn , Al, Ga, In) sufficient to provide a catalyst by reducing the precursor to be able to at least partially reduce the carbon monoxide to a hydrocarbon product. Methods for making such catalysts and catalyst precursors are also disclosed, as are processes for converting carbon oxides to methane and / or other hydrocarbons. The catalysts were tested in the temperature range of 250-550 ° C under atmospheric pressure, obtaining 21 to 58% methane in the gas mixture [K.E. Henville, G.J. Millar, J. A. Alarco, WO2000016901A1, 1998].

PL 240 039 B1PL 240 039 B1

W opisie patentowym US2019151825A1 [H.Kim, B.K. Kim, H.W. Lee, J.H. Lee, J.W. Son, K.J. YOON, S J. CHOI, S.M. Choi, 2017] opisano również katalizator stanowiący metal/nośnik do konwersji dwutlenku węgla w metan. W rozwiązaniu tym metal stanowi pierwiastek z grupy metali przejściowych (Ni, Ti, V, Cr, Mn, Le, Co, Cu i Zn) natomiast nośnik zawiera tlenek typu perowskitu (typ ABO3), na którym osadzono metal aktywny. Perowskit (typ ABO3) stanowi cyrkoniany bądź ceraty Ba, Sr lub ich kompozycje domieszkowane Y, Nd, Sm, Yt, In, Eu, Gd. Katalizator stanowiący metal/nośnik pozwala na przekształcenie dwutlenku węgla w metan poprzez zwiększenie aktywności katalitycznej w reakcji Sabatiera w wyniku sprzyjania tworzeniu się jonów wodorotlenkowych oraz mrówczanu, stanowiącego produkt przejściowy w konwersji dwutlenku węgla do metanu. W rozwiązaniu jako metal aktywny nie stosowano żadnych metali szlachetnych wymienionych z grupy: Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt i Au. Reakcję Sabatiera prowadzono w zakresie temperatur 300-600°C uzyskując stopień konwersji CO2 do metanu w zakresie 40-100%.In the patent specification US2019151825A1 [H. Kim, B.K. Kim, H.W. Lee, J.H. Lee, J.W. Son, K.J. YOON, S. J. CHOI, S.M. Choi, 2017] also describes a metal / support catalyst for the conversion of carbon dioxide to methane. In this solution, the metal is an element from the group of transition metals (Ni, Ti, V, Cr, Mn, Le, Co, Cu and Zn), while the support contains a perovskite type oxide (ABO3 type) on which the active metal is deposited. Perovskite (ABO3 type) is made of zirconates or Ba, Sr ceramics or their compositions doped with Y, Nd, Sm, Yt, In, Eu, Gd. The metal / carrier catalyst allows the conversion of carbon dioxide into methane by increasing the catalytic activity in the Sabatier reaction to as a result of promoting the formation of hydroxide ions and formate, which is an intermediate product in the conversion of carbon dioxide to methane. In the solution, no noble metals mentioned from the group: Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt and Au were used as the active metal. The Sabatier reaction was carried out in the temperature range of 300-600 ° C, obtaining a CO2 conversion to methane in the range of 40-100%.

W kolejnym opisie patentowym US2017056861A1 [M. Landau, M. Herskowitz, R. Vidruk, 2013] ujawniono również katalizator stanowiący strukturę spinelową o wzorze [Le2+(Le3+yAl3+1-y)2O4] z możliwością jej aplikacji w reakcji uwodorniania gazu zawierającego dwutlenek węgla. Przykładowo dla katalizatora Fe2O3-Fe-Al-O-spinel o zawartości do 40% fazy Fe2O3 (hematyt) uzyskano około 52% konwersję CO2 do CH4 w temperaturze 300°C, ciśnieniu 10 atm. i stosunku H2/CO2 = 4.In another patent specification US2017056861A1 [M. Landau, M. Herskowitz, R. Vidruk, 2013] also disclosed a catalyst having a spinel structure of formula [Le 2+ (Le 3+ yAl 3+ 1-y) 2O4] with the possibility of its application in the hydrogenation reaction of a gas containing carbon dioxide. For example, for the Fe2O3-Fe-Al-O-spinel catalyst with the content of up to 40% of the Fe2O3 (hematite) phase, about 52% conversion of CO2 to CH4 was obtained at the temperature of 300 ° C, pressure of 10 atm. and the ratio of H2 / CO2 = 4.

Z polskiego opisu patentowego nr 220538 znany jest sposób otrzymywania niklowych katalizatorów metanizacji w procesie strącania metodą ciągłą, kalcynacji, redukcji i pasywacji. Charakteryzuje się tym, że jako surowiec wyjściowy stosuje się prekursor katalizatora zawierający w przeliczeniu na tlenki: więcej niż 75% wag. niklu, 10-20%wag. glinu, 1-5%, korzystnie 1,5-3,5%wag. ceru i/lub lantanu i nie więcej niż 0,5% korzystnie 0,1% wag. metali alkalicznych, o strukturze hydrotalkitowej, co najmniej w 70%, korzystnie powyżej 90%, który kalcynuje się. Następnie miesza się z aktywnym wodorotlenkiem glinu, a powstałą mieszaninę zawierającą 50-88% wodorotlenku glinu formuje w wytłoczki i suszy lub miesza z tlenkiem glinu i cementem glinowym, a powstałą mieszaninę zawierającą 10-80% tlenku glinu i 10-30% cementu glinowego formuje się w kulki metodą granulacji talerzowej, sezonuje w atmosferze pary wodnej i suszy.Polish patent description No. 220538 describes a method of obtaining nickel methanation catalysts in the process of continuous precipitation, calcination, reduction and passivation. It is characterized in that a catalyst precursor containing, expressed as oxides, more than 75 wt. % nickel, 10-20 wt. % of aluminum, 1-5%, preferably 1.5-3.5% by weight. cerium and / or lanthanum and not more than 0.5%, preferably 0.1% by weight. alkali metals having a hydrotalcite structure of at least 70%, preferably more than 90%, which is calcined. Then it is mixed with active aluminum hydroxide and the resulting mixture containing 50-88% aluminum hydroxide is formed into extrudates and dried or mixed with aluminum oxide and aluminum cement, and the resulting mixture containing 10-80% aluminum oxide and 10-30% aluminum cement is formed into is balled by the disc granulation method, seasoned in an atmosphere of water vapor and dried.

Z polskiego opisu patentowego nr 220558 znany jest sposób otrzymywania niklowych katalizatorów metanizacji małych ilości tlenków węgla, promotorowanych dodatkiem ceru i/lub lantanu, charakteryzujących się tym, że jako surowiec wyjściowy stosuje się prekursor katalizatora zawierający, w przeliczeniu na tlenki, więcej niż 75% niklu, 10-20% glinu, 1-5% ceru i/lub lantanu i poniżej 0,5% metali alkalicznych, strukturze hydrotalkitowej powyżej 70%, korzystnie 90%, który miesza się z technicznym wodorotlenkiem glinu i kalcynuje się w temperaturze do 900°C w czasie do 10 s lub prekursor katalizatora kalcynuje się w temperaturach 350-450°C i miesza z aktywnym tlenkiem glinu, po czym mieszaninę proszku zawierającą 66-83% tlenku glinu formuje się w kulki metodą granulacji talerzowej, sezonuje w atmosferze pary wodnej i suszy otrzymując gotowy produkt.Polish patent description No. 220558 describes a method of obtaining nickel methanation catalysts of small amounts of carbon oxides, promoted by the addition of cerium and / or lanthanum, characterized in that the starting material is a catalyst precursor containing, calculated as oxides, more than 75% of nickel , 10-20% aluminum, 1-5% cerium and / or lanthanum and less than 0.5% alkali metals, hydrotalcite structure more than 70%, preferably 90%, mixed with technical aluminum hydroxide and calcined at a temperature of up to 900 ° C within 10 s or the catalyst precursor is calcined at temperatures of 350-450 ° C and mixed with active alumina, then the powder mixture containing 66-83% alumina is formed into spheres using the disc granulation method, seasoned in a water vapor atmosphere and dries to obtain the finished product.

Z polskiego opisu patentowego nr 207415 znany jest katalizator do konwersji tlenku węgla w zakresie temperatur 300-480°C, zawierający tlenki żelaza, chromu i miedzi, który charakteryzuje się tym, że składa się z tlenku żelaza w ilości od 50% do 82%, tlenku chromu w ilości od 5% do 10%, tlenku miedzi w ilości od 1% do 3% jako zasadniczych składników oraz tlenku glinu i/lub tlenku lantanu i/lub tlenku ceru i/lub tlenku kobaltu w ilości od 0,2% do 5% jako czynników poprawiających aktywność, niewrażliwość na długotrwałe działanie podwyższonej temperatury i wytrzymałość katalizatora.The Polish patent specification No. 207 415 describes a catalyst for the conversion of carbon monoxide in the temperature range 300-480 ° C, containing iron, chromium and copper oxides, which is characterized by the fact that it consists of iron oxide in an amount from 50% to 82%, chromium oxide from 5% to 10%, copper oxide from 1% to 3% as essential ingredients and aluminum oxide and / or lanthanum oxide and / or cerium oxide and / or cobalt oxide from 0.2% to 5% as factors improving the activity, insensitivity to long-term exposure to elevated temperature and catalyst strength.

Z polskiego opisu patentowego nr 206338 znany jest katalizator do konwersji tlenku węgla otrzymywany w procesie ciągłego wytrącania prekursora katalizatora w układzie cyrkulacyjnym, równocześnie dozując do cyrkulującej zawiesiny prekursora o temperaturze od 50 do 100°C i pH od 7 do 8,5, kwaśny roztwór azotanów miedzi i cynku o stężeniu 150-250 g/dm3 i alkaliczny roztwór glinianu sodu lub potasu i ewentualnie węglanu sodu lub potasu o stężeniu 5-20 g Al/dm3 i stosunku wagowym węglanu sodu lub potasu do wodorotlenku sodu lub potasu od 0 do 20. Wytrącanie prekursora prowadzi się przy burzliwym przepływie zawiesiny przy zachowaniu liczby Reynoldsa 105 < Re < 106 i stałym stosunku objętościowym strumienia cyrkulacyjnego do strumieni dozowanych w zakresie od 10 do 100. Wytrącony prekursor poddaje się starzeniu mieszając ewentualnie z grafitem pylistym w temperaturze 50-115°C przez okres co najmniej 1 h, po czym wielokrotnie filtruje i odmywa wodą, a ostatnią filtrację prowadzi się używając wody lub ewentualnie roztworu soli i/lub wodorotlenku cezu i/lub potasu. Prekursor po wysuszeniu granuluje się i formuje, po czym uformowany prekursor kalcynuje się otrzymującPolish patent specification No. 206,338 describes a catalyst for the conversion of carbon monoxide obtained in the process of continuous precipitation of the catalyst precursor in a circulation system, simultaneously dosing the circulating suspension of the precursor with a temperature of 50 to 100 ° C and a pH of 7 to 8.5, acid solution of nitrates copper and zinc at a concentration of 150-250 g / dm 3 and an alkaline solution of sodium or potassium aluminate and possibly sodium or potassium carbonate at a concentration of 5-20 g Al / dm 3 and a weight ratio of sodium or potassium carbonate to sodium or potassium hydroxide from 0 to 20. Precipitation of the precursor is carried out under a turbulent flow of the suspension while maintaining the Reynolds number of 105 <Re <106 and a constant volume ratio of the circulation stream to the metered streams in the range from 10 to 100. The precipitated precursor is aged by optionally mixing with dust graphite at a temperature of 50-115 ° C for a period of at least 1 h, after which it is repeatedly filtered and washed with water, and the last filtration is carried out using water or optionally a solution of cesium and / or potassium salt and / or hydroxide. After drying, the precursor is granulated and molded, and then the formed precursor is calcined to obtain

PL 240 039 B1 gotowy produkt lub rozdrabnia, tabletkuje i kalcynuje otrzymując gotowy produkt lub kalcynuje, rozdrabnia i tabletkuje otrzymując gotowy produkt, przy czym zawiera on 30-60% wagowych CuO, 10-30% wagowych AI2O3 i ewentualnie 0,3-2% wagowych CS2O i/lub K2O i nie więcej niż 0,1% wagowych Na2O.The finished product or crushes, tablets and calcines to obtain the finished product, or calcines, crushes and pellets to obtain the finished product, it contains 30-60% by weight of CuO, 10-30% by weight of Al2O3 and optionally 0.3-2% by weight of CS2O and / or K2O, and no more than 0.1% by weight of Na2O.

Z polskiego opisu patentowego nr 177557 znany jest katalizator do niskotemperaturowej konwersji tlenku węgla z parą wodną w postaci monolitycznego bloku złożonego z elektrochemicznie wytrawionych folii aluminiowych pokrytych warstwą katalitycznie aktywną. W skład warstwy katalitycznej wchodzą: 25-65% wagowych CuO, 22-45% wagowych ZnO i 13-30% wagowych AI2O3. Przedmiotem wynalazku jest również sposób wytwarzania katalizatora, który polega na tym, że mieszaninę współstrącanych tlenków miedzi, cynku i glinu rozdrabnia się do średnicy ziaren mniejszej niż 0,12 mm i rozpuszcza się w temperaturze 25-120°C w 25-80% w kwasie cytrynowym o stężeniu 0,6-0,8 g/ml. Otrzymany roztwór nanosi się na wytrawione folie aluminiowe przez impregnację lub powlekanie powierzchni nośnika znanymi sposobami. Folie aluminiowe po wysuszeniu zwija się w monolit i wypala w temperaturze 400°C w ciągu 3 godzin.Polish patent description No. 177557 describes a catalyst for low-temperature conversion of carbon monoxide with steam in the form of a monolithic block composed of electrochemically etched aluminum foils covered with a catalytically active layer. The catalytic layer consists of: 25-65% by weight of CuO, 22-45% by weight of ZnO and 13-30% by weight of Al2O3. The subject of the invention is also a method of producing a catalyst, which consists in the fact that a mixture of co-precipitated oxides of copper, zinc and aluminum is ground to a grain diameter of less than 0.12 mm and dissolved at 25-120 ° C in 25-80% in acid lemon at a concentration of 0.6-0.8 g / ml. The resulting solution is applied to the etched aluminum foils by impregnating or coating the surface of the support by known methods. After drying, the aluminum foil is rolled into a monolith and fired at 400 ° C for 3 hours.

Z polskiego opisu patentowego nr 206854 znany jest sposób otrzymywania katalizatora do wysokotemperaturowej konwersji tlenku węgla polegający na przygotowaniu w temperaturze 55-90°C roztworu rozpuszczalnej soli żelaza(II) i rozpuszczalnej soli miedzi(II) oraz dichromianu(VI) sodu i wprowadzeniu go w temperaturze 55-90°C do roztworu wodorotlenku sodu przygotowanego w takiej ilości, aby końcowe pH mieszaniny mieściło się między 9 a 12. Powstały osad odfiltrowuje się, suszy i po dodaniu środka poślizgowego formuje w pożądane kształtki katalizatora.The Polish patent specification No. 206854 describes a method of obtaining a catalyst for high-temperature conversion of carbon monoxide, consisting in preparing a solution of a soluble iron (II) salt and a soluble copper (II) salt and sodium dichromate (VI) at a temperature of 55-90 ° C and introducing it into at 55-90 ° C to a sodium hydroxide solution prepared in such an amount that the final pH of the mixture is between 9 and 12. The resulting precipitate is filtered off, dried and, after adding the lubricant, formed into the desired catalyst shapes.

Znane rozwiązania w obszarze metanowania tlenków węgla prowadzi się w wysokich temperaturach, co wynika z niskiej aktywności stosowanych katalizatorów. Najczęściej proces prowadzi się w temperaturach powyżej 250°C, nawet do 600°C. Znane są badania prowadzone w temperaturze około 150°C, jednak osiągane są najczęściej niskie stopnie konwersji. Sposób prowadzenia reakcji w wysokiej temperaturze wpływa na ekonomikę procesu i wprowadza niedogodności związane z intensywnym ogrzewaniem złoża katalitycznego. W odróżnieniu od znanych rozwiązań niniejszy wynalazek pozwala znacząco ograniczyć te niedogodności poprzez prowadzenie reakcji w znacznie niższej temperaturze.The known solutions in the field of methane methane of carbon oxides are carried out at high temperatures, which results from the low activity of the catalysts used. Most often, the process is carried out at temperatures above 250 ° C, even up to 600 ° C. Tests conducted at temperatures around 150 ° C are known, but low conversion rates are usually achieved. The method of carrying out the reaction at high temperature affects the economy of the process and introduces inconveniences related to intensive heating of the catalytic bed. Contrary to the known solutions, the present invention allows these drawbacks to be significantly reduced by carrying out the reaction at a much lower temperature.

Znane sposoby katalitycznej metanizacji zazwyczaj prowadzone są w zakresie stosunkowo wysokich temperatur, co niekorzystnie wpływa na ekonomikę procesu. Celem twórców niniejszego wynalazku było opracowanie złoża katalitycznego oraz sposobu katalitycznej konwersji tlenku lub dwutlenku węgla do metanu z wykorzystaniem tego złoża, które pozwolą na efektywną metanizację w/w tlenków w procesie niskotemperaturowym.Known methods of catalytic methanation are usually carried out at relatively high temperatures, which adversely affects the economics of the process. The aim of the present inventors was to develop a catalytic bed and a method for catalytic conversion of carbon monoxide or dioxide to methane using this bed, which will allow for effective methanation of the above-mentioned oxides in a low-temperature process.

W rozwiązaniu według niniejszego wynalazku przedstawiono wyniki badań dotyczących niskotemperaturowego potencjału metanizacji tlenku lub dwutlenku węgla w połączeniu z sorpcją wody w oparciu o nanocząstki Re, Ru, Pd, pasywowane ich tlenkiem osadzone na ziarnach Ni. Wykazano, że ten układ reakcji może przebiegać z konwersją CO/CO2 do 100% przy pełnej selektywności syntezy metanu w temperaturze tylko nieznacznie przekraczającej temperaturę wrzenia wody, to jest w temperaturze 130°C.The solution according to the present invention presents the results of research on the low-temperature methanation potential of carbon monoxide or carbon dioxide in combination with water sorption based on Re, Ru, Pd nanoparticles, passivated with their oxide deposited on Ni grains. It has been shown that this reaction system can run with CO / CO 2 conversion up to 100% with full methane synthesis selectivity at a temperature only slightly above the boiling point of water, i.e. at 130 ° C.

Istotę wynalazku stanowi sposób katalitycznej konwersji tlenku lub dwutlenku węgla do metanu polegający na tym, że strumień gazu w postaci CO + H2 w proporcjach od 0,5:3 do 2:3, korzystnie 1:3, lub strumień gazu w postaci CO2 + H2 w proporcjach od 0,5:4 do 2:4, korzystnie 1:4, przepuszcza się z natężeniem przepływu w zakresie od 0,5 do 10 dm3/h, korzystnie 3 dm3/h, przez umieszczoną w reaktorze co najmniej jedną warstwę adsorpcyjną ze złożem katalitycznym mającym postać niklowego nośnika katalitycznego występującego w postaci proszku o ziarnach w rozmiarze od 2 do 170 μm, korzystnie 50 μm, na którym naniesiona jest faza aktywna w postaci nanocząstek metali przejściowych z grup 7-11 układu okresowego wybranych spośród: Re, Ru, Pd, o rozmiarach nanocząstek od 1 do 100 nm, korzystnie poniżej 20 nm, najkorzystniej < 10 nm, przy czym zawartość nanocząstek fazy aktywnej na powierzchni nośnika katalitycznego wynosi od 0,5% do 2% m/m, a proces prowadzi się w temperaturze od -20°C do 350°C, korzystnie w temperaturze powyżej 90°C, a po obniżeniu aktywności złoża katalitycznego, korzystnie przygotowuje się układ do kolejnego cyklu przeprowadzając proces jego regeneracji polegający na usunięciu zaadsorbowanych na katalizatorze pozostałości reakcji, zwłaszcza wody, poprzez przepuszczenie - w temperaturze powyżej 105°C, korzystnie powyżej 130°C - przez złoże katalityczne strumienia wodoru.The essence of the invention is a process for the catalytic conversion of carbon monoxide or dioxide to methane, consisting in a gas stream in the form of CO + H2 in the proportions from 0.5: 3 to 2: 3, preferably 1: 3, or a gas stream in the form of CO2 + H2 in proportions from 0.5: 4 to 2: 4, preferably 1: 4, are passed with a flow rate ranging from 0.5 to 10 dm 3 / h, preferably 3 dm 3 / h, through at least one an adsorption layer with a catalytic bed in the form of a nickel catalytic support in the form of a powder with a grain size of 2 to 170 μm, preferably 50 μm, on which an active phase is deposited in the form of nanoparticles of transition metals from groups 7-11 of the periodic table selected from: Re , Ru, Pd, with nanoparticle sizes from 1 to 100 nm, preferably below 20 nm, most preferably <10 nm, the content of nanoparticles of the active phase on the surface of the catalytic support is from 0.5% to 2% m / m, and the process is carried out by from -20 ° C to 350 ° C, preferably at a temperature above 90 ° C, and after lowering the activity of the catalytic bed, it is preferable to prepare the system for the next cycle by carrying out a regeneration process consisting in removing reaction residues adsorbed on the catalyst, especially water, by passing - at a temperature above 105 ° C, preferably above 130 ° C - through the catalytic bed of the hydrogen stream.

Korzystnie, warstwę adsorpcyjną katalizatora stanowią glinokrzemiany, w tym haloizyty oraz zeolity, zwłaszcza sita molekularne, najkorzystniej sita molekularne 4A.Preferably, the catalyst adsorption layer is made of aluminosilicates, including halloysite and zeolites, especially molecular sieves, most preferably 4A molecular sieves.

Korzystnie, stosunek warstwy złoża katalitycznego do warstwy adsorpcyjnej mieści się w przedziale od 1 : 0,1 cz. wag. do 1 : 10 cz. wag., korzystnie 1 : 2 cz. wag.Preferably, the ratio of the catalytic bed layer to the adsorption layer is in the range of 1: 0.1 parts. wt. up to 1: 10 pcs. wt., preferably 1: 2 pts. wt.

PL 240 039 B1PL 240 039 B1

Korzystnie, proces prowadzi się w sposób ciągły w układzie co najmniej dwóch połączonych ze sobą równolegle reaktorów wyposażonych w węzły usuwania ubocznych produktów reakcji w obrębie strefy reakcji, w taki sposób, że naprzemiennie, w czasie gdy w jednym reaktorze prowadzi się reakcję konwersji tlenku lub dwutlenku węgla do metanu to w drugim reaktorze prowadzi się równolegle proces regeneracji złoża katalitycznego, przy czym ciepło odzyskane w procesie regeneracji złoża wykorzystuje się do wstępnego podgrzewania strumienia reagentów w reaktorze znajdującym się w fazie wytwarzania metanu.Preferably, the process is carried out continuously in a system of at least two reactors connected in parallel, equipped with reaction byproduct removal nodes within the reaction zone, in such a way that alternately, while an oxide or dioxide conversion reaction is carried out in one reactor. coal to methane, the catalytic bed regeneration process is carried out in the second reactor in parallel, and the heat recovered in the bed regeneration process is used to preheat the reactant stream in the reactor in the methane production phase.

Istotę wynalazku stanowi również złoże katalityczne do katalitycznej konwersji tlenku lub dwutlenku węgla do metanu charakteryzujące się tym, że ma postać niklowego nośnika katalitycznego występującego w postaci proszku o ziarnach w rozmiarze od 2 do 170 μm, korzystnie 50 μm, na którym naniesiona jest faza aktywna w postaci nanocząstek metali przejściowych z grup 7-11 układu okresowego wybranych spośród: Re, Ru i Pd, o rozmiarach nanocząstek od 1 do 100 nm, korzystnie poniżej 20 nm, najkorzystniej < 10 nm, przy czym zawartość nanocząstek fazy aktywnej na powierzchni nośnika katalitycznego wynosi od 0,5% do 2% m/m.The essence of the invention is also a catalytic bed for the catalytic conversion of carbon monoxide or dioxide into methane, characterized in that it is in the form of a nickel catalytic support in the form of a powder with grain sizes from 2 to 170 μm, preferably 50 μm, on which is deposited an active phase in transition metal nanoparticle forms from groups 7-11 of the periodic table selected from: Re, Ru and Pd, with nanoparticle sizes from 1 to 100 nm, preferably below 20 nm, most preferably <10 nm, the content of nanoparticles of the active phase on the surface of the catalytic support is from 0.5% to 2% m / m.

Podstawowymi zaletami rozwiązania według wynalazku są:The main advantages of the solution according to the invention are:

- niska energochłonność procesu wynikająca z przebiegu reakcji w niskich temperaturach, w porównaniu do znanych rozwiązań w tej dziedzinie; prowadzenie procesu w takich warunkach znacząco zmniejsza również koszty inwestycyjne i bezpieczeństwo jego realizacji;- low energy consumption of the process resulting from the course of the reaction at low temperatures, compared to known solutions in the field; conducting the process in such conditions also significantly reduces investment costs and safety of its implementation;

- w procesie konwersji według wynalazku wykorzystywana jest entalpia resztkowa gazów zawierających tlenek i dwutlenek węgla, co pozwala zredukować zużycie energii na etapie konwersji i regeneracji złoża katalitycznego;- in the conversion process according to the invention, the residual enthalpy of gases containing carbon monoxide and carbon dioxide is used, which allows to reduce the energy consumption at the stage of conversion and regeneration of the catalytic bed;

- niskie koszty wytwarzania katalizatora, wynikające z niewielkiej zawartości metali aktywnych na powierzchni nośnika;- low catalyst production costs, resulting from the low content of active metals on the support surface;

- łatwość regeneracji katalizatora bez konieczności usuwania złoża z reaktora; regeneracja realizowana może być w sposób automatyczny na podstawie osiąganych stopni konwersji mierzonych w gazach opuszczających reaktor katalityczny.- ease of catalyst regeneration without the need to remove the bed from the reactor; the regeneration can be carried out automatically on the basis of the achieved conversion rates measured in the gases leaving the catalytic reactor.

Przedmiot wynalazku przedstawiono na poniższych przykładach realizacji oraz na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat układu uwzględniającego wykorzystanie dwufunkcyjnego katalizatora z warstwami sorpcyjnymi, umożliwiającego równoczesne prowadzenie reakcji metanizacji z sorpcją wody jak również regenerację katalizatora.The subject of the invention is presented in the following examples of implementation and in the drawing, in which Fig. 1 shows a diagram of a system that takes into account the use of a bifunctional catalyst with sorption layers, enabling the simultaneous conduct of methanation reaction with water sorption as well as catalyst regeneration.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

W reaktorze przepływowym o średnicy 7,5 mm ze stałym złożem umieszczono 200 mg katalizatora w postaci nanocząstek Ru o rozmiarach w zakresie 1-100 nm, głównie 10 nm, naniesionych na proszek Ni o wielkości ziaren 50 μm, zachowując proporcje 1% Ru/Ni. Katalizator ułożono w formie dwóch warstw po 100 mg, a każda z nich ułożona jest na warstwie adsorpcyjnej (sita molekularne 4A) pochłaniającej parę wodną, w ilości po 200 mg każda warstwa adsorpcyjna. Reaktor przepływowy zasilano strumieniem gazów CO+H2 w stosunku objętościowym 1:3 ze stałym natężeniem przepływu 2 dm3/h.In a 7.5 mm diameter flow reactor with a fixed bed, 200 mg of the catalyst in the form of Ru nanoparticles with sizes ranging from 1-100 nm, mainly 10 nm, were placed on Ni powder with a grain size of 50 μm, maintaining the ratio of 1% Ru / Ni . The catalyst is arranged in the form of two layers of 100 mg, each of them is placed on the adsorption layer (4A molecular sieves) absorbing water vapor, in the amount of 200 mg each adsorption layer. The flow reactor was fed with a stream of CO + H2 gases in a volume ratio of 1: 3 with a constant flow rate of 2 dm 3 / h.

W wypływającym z reaktora strumieniu gazów analizowano zawartość metanu za pomocą przepływowego analizatora gazów. Prowadząc proces w temperaturze 100°C po kilku milisekundach osiągnięto poziom konwersji CO na poziomie 27,1%. W trakcie 10-godzinnego testu nie zaobserwowano spadku aktywności katalizatora. Po zakończonym procesie konwersji przeprowadzono regenerację katalizatora poprzez przepuszczenie przez złoże katalityczne strumienia wodoru w temperaturze 135°C w czasie 1 godziny.In the gas stream flowing out of the reactor, the methane content was analyzed using a flow gas analyzer. Carrying out the process at a temperature of 100 ° C, after a few milliseconds, a CO conversion level of 27.1% was achieved. During the 10-hour test, no decrease in catalyst activity was observed. After the conversion process was completed, the catalyst was regenerated by passing a stream of hydrogen through the catalytic bed at the temperature of 135 ° C for 1 hour.

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

W reaktorze przepływowym o średnicy 7,5 mm ze stałym złożem katalizatora umieszczono 200 mg katalizatora w postaci nanocząstek Ru o rozmiarach w zakresie 1-100 nm, głównie 10 nm, naniesionych na proszek Ni o wielkości ziaren 50 μm (zachowując proporcje 1% Ru/Ni). Katalizator ułożono w formie pięciu warstw po 40 mg, a każda z nich ułożona jest na warstwie adsorpcyjnej (sita molekularne 4A) pochłaniającej parę wodną, w ilości po 80 mg każda warstwa adsorpcyjną. Reaktor przepływowy zasilano strumieniem gazów CO2+H2 w stosunku objętościowym 1:4 ze stałym natężeniem przepływu 2 dm3/h. W wypływającym z reaktora strumieniu gazów analizowano zawartość metanu za pomocą przepływowego analizatora gazów. Prowadząc proces w temperaturze 135°C po kilku milisekundach osiągnięto poziom konwersji CO2 na poziomie 97,9%. Po wysyceniu warstwy adsorpcyjnejIn a flow reactor with a diameter of 7.5 mm with a fixed catalyst bed, 200 mg of the catalyst in the form of Ru nanoparticles with sizes in the range 1-100 nm, mainly 10 nm, were placed on Ni powder with a grain size of 50 μm (maintaining the ratio of 1% Ru / Ni). The catalyst was arranged in the form of five layers of 40 mg, and each of them was placed on an adsorption layer (4A molecular sieves) absorbing water vapor, 80 mg each for each adsorption layer. The flow-through reactor was fed with a stream of CO2 + H2 gases in a volume ratio of 1: 4 with a constant flow rate of 2 dm 3 / h. In the gas stream flowing out of the reactor, the methane content was analyzed using a flow gas analyzer. Carrying out the process at 135 ° C, a CO2 conversion level of 97.9% was achieved after a few milliseconds. After the adsorption layer is saturated

PL 240 039 B1 obserwowano spadek konwersji CO2 i przy poziomie konwersji 70% przeprowadzono proces regeneracji katalizatora poprzez przepuszczenie przez złoże katalityczne strumienia wodoru w temperaturze 135°C w czasie 1 godziny.A decrease in CO2 conversion was observed, and at a conversion level of 70%, the catalyst regeneration process was carried out by passing a stream of hydrogen through the catalytic bed at 135 ° C for 1 hour.

P r z y k ł a d 3P r z k ł a d 3

W reaktorze przepływowym o średnicy 7,5 mm ze stałym złożem katalizatora umieszczono 200 mg katalizatora w postaci nanocząstek Pd o rozmiarach w zakresie 1-100 nm, głównie około 8 nm, naniesionych na proszek Ni o wielkości ziaren 5 μm (zachowując proporcje 1,5% Pd/Ni). Katalizator ułożono w formie trzech warstw po 66,7 mg, a każda z nich ułożona jest na warstwie adsorpcyjnej (zeolit typ ZSM-5) pochłaniającej parę wodną, w ilości po 133,4 mg każda warstwa adsorpcyjną. Reaktor przepływowy zasilano strumieniem gazów CO2+H2 w stosunku objętościowym 1:4 ze stałym natężeniem przepływu 3 dm3/h.In a flow reactor with a diameter of 7.5 mm with a fixed catalyst bed, 200 mg of catalyst in the form of Pd nanoparticles with sizes in the range 1-100 nm, mainly about 8 nm, were placed on Ni powder with a grain size of 5 μm (maintaining the proportions 1.5 % Pd / Ni). The catalyst was arranged in the form of three layers, 66.7 mg each, and each of them is placed on an adsorption layer (zeolite type ZSM-5) absorbing water vapor, 133.4 mg each adsorption layer. The flow-through reactor was fed with a stream of CO2 + H2 gases in a volume ratio of 1: 4 with a constant flow rate of 3 dm 3 / h.

W wypływającym z reaktora strumieniu gazów analizowano zawartość metanu za pomocą przepływowego analizatora gazów. Prowadząc proces w temperaturze 197°C po kilku milisekundach osiągnięto poziom konwersji CO2 na poziomie 34,4%. W trakcie 12-godzinnego testu nie zaobserwowano spadku aktywności katalizatora. Po zakończonym procesie konwersji przeprowadzono regenerację katalizatora poprzez przepuszczenie przez złoże katalityczne strumienia wodoru w temperaturze 142°C w czasie 1 godziny.In the gas stream flowing out of the reactor, the methane content was analyzed using a flow gas analyzer. Carrying out the process at a temperature of 197 ° C, after a few milliseconds, a CO2 conversion level of 34.4% was achieved. During the 12-hour test, no decrease in catalyst activity was observed. After the conversion process was completed, the catalyst was regenerated by passing a stream of hydrogen through the catalytic bed at the temperature of 142 ° C for 1 hour.

P r z y k ł a d 4P r z k ł a d 4

W reaktorze przepływowym o średnicy 7,5 mm ze stałym złożem katalizatora umieszczono 200 mg katalizatora w postaci nanocząstek Re o rozmiarach w zakresie 1-100 nm, głównie około 5 nm, naniesionych na proszek Ni o wielkości ziaren 150 μm (zachowując proporcje 0,8% Re/Ni). Katalizator ułożono w formie czterech warstw po 50 mg, a każda z nich ułożona jest na warstwie adsorpcyjnej (haloizyt) pochłaniającej parę wodną, w ilości po 100 mg każda warstwa adsorpcyjną. Reaktor przepływowy zasilano strumieniem gazów CO+H2 w stosunku objętościowym 1:3 ze stałym natężeniem przepływu 3 dm3/h.In a flow reactor with a diameter of 7.5 mm with a fixed catalyst bed, 200 mg of catalyst in the form of nanoparticles Re with sizes in the range 1-100 nm, mainly about 5 nm, were placed on Ni powder with a grain size of 150 μm (maintaining the proportions 0.8 % Re / Ni). The catalyst is arranged in the form of four layers of 50 mg, each of them is placed on the adsorption layer (halloysite) absorbing water vapor, in the amount of 100 mg each adsorption layer. The flow reactor was fed with a stream of CO + H2 gases in a volume ratio of 1: 3 with a constant flow rate of 3 dm 3 / h.

W wypływającym z reaktora strumieniu gazów analizowano zawartość metanu za pomocą przepływowego analizatora gazów. Prowadząc proces w temperaturze 229°C po kilku milisekundach osiągnięto poziom konwersji CO na poziomie 72,0%. W trakcie 10-godzinnego testu nie zaobserwowano spadku aktywności katalizatora. Po zakończonym procesie konwersji przeprowadzono regenerację katalizatora poprzez przepuszczenie przez złoże katalityczne strumienia wodoru w temperaturze 133°C w czasie 1 godziny.In the gas stream flowing out of the reactor, the methane content was analyzed using a flow gas analyzer. Conducting the process at a temperature of 229 ° C, after a few milliseconds, a CO conversion level of 72.0% was achieved. During the 10-hour test, no decrease in catalyst activity was observed. After the conversion process was completed, the catalyst was regenerated by passing a stream of hydrogen through the catalytic bed at the temperature of 133 ° C for 1 hour.

P r z y k ł a d 5P r z k ł a d 5

W reaktorze przepływowym o średnicy 7,5 mm ze stałym złożem umieszczono 200 mg katalizatora w postaci nanocząstek Ru o rozmiarach w zakresie 1-100 nm, głównie 10 nm, naniesionych na proszek Ni o wielkości ziaren 50 μm, zachowując proporcje 1% Ru/Ni. Katalizator ułożono w formie trzech warstw po 66,7 mg, a każda z nich ułożona jest na warstwie adsorpcyjnej (sita molekularne 4A) pochłaniającej parę wodną, w ilości po 133,4 mg każda warstwa adsorpcyjną. Reaktor przepływowy zasilano strumieniem gazów CO+H2 w stosunku objętościowym 1:3 ze stałym natężeniem przepływu 1,5 dm3/h.In a 7.5 mm diameter flow reactor with a fixed bed, 200 mg of the catalyst in the form of Ru nanoparticles with sizes ranging from 1-100 nm, mainly 10 nm, were placed on Ni powder with a grain size of 50 μm, maintaining the ratio of 1% Ru / Ni . The catalyst was arranged in the form of three layers, 66.7 mg each, and each of them is placed on the adsorption layer (4A molecular sieves) absorbing water vapor, 133.4 mg each adsorption layer. The flow-through reactor was fed with a stream of CO + H2 gases in a volume ratio of 1: 3 with a constant flow rate of 1.5 dm 3 / h.

W wypływającym z reaktora strumieniu gazów analizowano zawartość metanu za pomocą przepływowego analizatora gazów. Prowadząc proces w temperaturze -7°C po kilku milisekundach osiągnięto poziom konwersji CO na poziomie 1,2%. W trakcie 10-godzinnego testu nie zaobserwowano spadku aktywności katalizatora. Po zakończonym procesie konwersji przeprowadzono regenerację katalizatora poprzez przepuszczenie przez złoże katalityczne strumienia wodoru w temperaturze 135°C w czasie 1 godziny.In the gas stream flowing out of the reactor, the methane content was analyzed using a flow gas analyzer. Conducting the process at -7 ° C, after a few milliseconds, a CO conversion level of 1.2% was achieved. During the 10-hour test, no decrease in catalyst activity was observed. After the conversion process was completed, the catalyst was regenerated by passing a stream of hydrogen through the catalytic bed at the temperature of 135 ° C for 1 hour.

Claims (5)

1. Sposób katalitycznej konwersji tlenku lub dwutlenku węgla do metanu znamienny tym, że strumień gazu w postaci CO + H2 w proporcjach od 0,5:3 do 2:3, korzystnie 1:3, lub strumień gazu w postaci CO2 + H2 w proporcjach od 0,5:4 do 2:4, korzystnie 1:4, przepuszcza się z natężeniem przepływu w zakresie od 0,5 do 10 dm3/h, korzystnie 3 dm3/h, przez umieszczoną w reaktorze co najmniej jedną warstwę adsorpcyjną ze złożem katalitycznym mającym postać niklowego nośnika katalitycznego występującego w postaci proszku o ziarnach w rozmiarze A method of catalytic conversion of carbon monoxide or dioxide to methane, characterized in that the gas stream in the form of CO + H2 in the proportions from 0.5: 3 to 2: 3, preferably 1: 3, or the gas stream in the form of CO2 + H2 in the proportions 0.5: 4 to 2: 4, preferably 1: 4, is passed with a flow rate ranging from 0.5 to 10 dm 3 / h, preferably 3 dm 3 / h, through at least one adsorption layer placed in the reactor with a catalytic bed in the form of a nickel catalytic support in the form of a powder with grain sizes PL 240 039 B1 od 2 do 170 μm, korzystnie 50 μm, na którym naniesiona jest faza aktywna w postaci nanocząstek metali przejściowych z grup 7-11 układu okresowego wybranych spośród: Re, Ru, Pd, o rozmiarach nanocząstek od 1 do 100 nm, korzystnie poniżej 20 nm, najkorzystniej < 10 nm, przy czym zawartość nanocząstek fazy aktywnej na powierzchni nośnika katalitycznego wynosi od 0,5% do 2% m/m, a proces prowadzi się w temperaturze od -20°C do 350°C, korzystnie w temperaturze powyżej 90°C, a po obniżeniu aktywności złoża katalitycznego, korzystnie przygotowuje się układ do kolejnego cyklu przeprowadzając proces jego regeneracji polegający na usunięciu zaadsorbowanych na katalizatorze pozostałości reakcji, zwłaszcza wody, poprzez przepuszczenie - w temperaturze powyżej 105°C, korzystnie powyżej 130°C - przez złoże katalityczne strumienia wodoru.PL 240 039 B1 from 2 to 170 μm, preferably 50 μm, on which the active phase is deposited in the form of nanoparticles of transition metals from groups 7-11 of the periodic table selected from: Re, Ru, Pd, with nanoparticle sizes from 1 to 100 nm, preferably below 20 nm, most preferably <10 nm, the content of nanoparticles of the active phase on the surface of the catalytic support is from 0.5% to 2% m / m, and the process is carried out at a temperature of -20 ° C to 350 ° C, preferably at a temperature above 90 ° C, and after lowering the activity of the catalytic bed, it is preferable to prepare the system for the next cycle by carrying out the process of its regeneration consisting in removing reaction residues adsorbed on the catalyst, especially water, by passing - at a temperature above 105 ° C, preferably above 130 ° C - through the catalytic bed of the hydrogen stream. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwę adsorpcyjną katalizatora stanowią glinokrzemiany, w tym haloizyty oraz zeolity, zwłaszcza sita molekularne, najkorzystniej sita molekularne 4A.2. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that the catalyst adsorption layer is made of aluminosilicates, including halloysite and zeolites, especially molecular sieves, most preferably 4A molecular sieves. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek warstwy złoża katalitycznego do warstwy adsorpcyjnej mieści się w przedziale od 1 : 0,1 cz. wag. do 1 : 10 cz. wag., korzystnie 1 : 2 cz. wag.3. The method according to p. The process of claim 1, wherein the ratio of the catalytic bed layer to the adsorption layer is in the range of 1: 0.1 part. wt. up to 1: 10 pcs. wt., preferably 1: 2 pts. wt. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że proces prowadzi się w sposób ciągły w układzie co najmniej dwóch połączonych ze sobą równolegle reaktorów wyposażonych w węzły usuwania ubocznych produktów reakcji w obrębie strefy reakcji, w taki sposób, że naprzemiennie, w czasie gdy w jednym reaktorze prowadzi się reakcję konwersji tlenku lub dwutlenku węgla do metanu to w drugim reaktorze prowadzi się równolegle proces regeneracji złoża katalitycznego, przy czym ciepło odzyskane w procesie regeneracji złoża wykorzystuje się do wstępnego podgrzewania strumienia reagentów w reaktorze znajdującym się w fazie wytwarzania metanu.4. The method according to p. Process according to claim 1, characterized in that the process is carried out continuously in a system of at least two reactors connected in parallel, equipped with reaction byproduct removal nodes within the reaction zone, in such a way that the reaction is performed alternately in one reactor. the conversion of carbon monoxide or dioxide to methane, the catalytic bed regeneration process is carried out in the second reactor in parallel, and the heat recovered in the bed regeneration process is used to preheat the reactant stream in the reactor in the methane production phase. 5. Złoże katalityczne do katalitycznej konwersji tlenku lub dwutlenku węgla do metanu znamienne tym, że ma postać niklowego nośnika katalitycznego występującego w postaci proszku o ziarnach w rozmiarze od 2 do 170 μm, korzystnie 50 μm, na którym naniesiona jest faza aktywna w postaci nanocząstek metali przejściowych z grup 7-11 układu okresowego wybranych spośród: Re, Ru i Pd, o rozmiarach nanocząstek od 1 do 100 nm, korzystnie poniżej 20 nm, najkorzystniej < 10 nm, przy czym zawartość nanocząstek fazy aktywnej na powierzchni nośnika katalitycznego wynosi od 0,5% do 2% m/m.5. Catalytic bed for the catalytic conversion of carbon monoxide or dioxide to methane, characterized in that it is in the form of a nickel catalytic support in the form of a powder with a grain size of 2 to 170 μm, preferably 50 μm, on which an active phase in the form of metal nanoparticles is deposited transients from groups 7-11 of the periodic table selected from: Re, Ru and Pd, with a nanoparticle size from 1 to 100 nm, preferably below 20 nm, most preferably <10 nm, with the content of active phase nanoparticles on the surface of the catalytic support is from 0, 5% to 2% m / m.
PL432591A 2020-01-16 2020-01-16 Method for the catalytic conversion of carbon monoxide or dioxide to methane and a catalyst bed for carrying out the method PL240039B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL432591A PL240039B1 (en) 2020-01-16 2020-01-16 Method for the catalytic conversion of carbon monoxide or dioxide to methane and a catalyst bed for carrying out the method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL432591A PL240039B1 (en) 2020-01-16 2020-01-16 Method for the catalytic conversion of carbon monoxide or dioxide to methane and a catalyst bed for carrying out the method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL432591A1 PL432591A1 (en) 2021-07-19
PL240039B1 true PL240039B1 (en) 2022-02-07

Family

ID=77077804

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL432591A PL240039B1 (en) 2020-01-16 2020-01-16 Method for the catalytic conversion of carbon monoxide or dioxide to methane and a catalyst bed for carrying out the method

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL240039B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2941583A1 (en) * 2021-11-22 2023-05-23 Univ Del Pais Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea Catalyst for methanation of carbon monoxide, carbon dioxide or mixtures of both (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Also Published As

Publication number Publication date
PL432591A1 (en) 2021-07-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2924002B1 (en) Process for operating hts reactor at low o/c molar ratio
AU2006227505B2 (en) Catalysts for hydrogen production
KR101994152B1 (en) A Reduced Carbon Poisoning Perovskite Catalyst Impregnated with Metal Ion, Preparation Method Thereof and Methane Reforming Method Threrewith
JP4414951B2 (en) Catalyst for catalytic partial oxidation of hydrocarbons and process for producing synthesis gas
JP5479494B2 (en) Catalyst for use in a method for producing hydrogen by hydrocarbon reforming using steam, method for producing the catalyst, and use of the catalyst in the method for producing hydrogen
Khani et al. Hydrogen production from steam reforming of methanol over Cu-based catalysts: The behavior of ZnxLaxAl1-xO4 and ZnO/La2O3/Al2O3 lined on cordierite monolith reactors
KR20140126366A (en) Hexaaluminate-comprising catalyst for reforming of hydrocarbons and reforming process
KR101437072B1 (en) Catalyst for efficient co2 conversion and method for preparing thereof
JPH11276893A (en) Metal fine particle-supported hydrocarbon modifying catalyst and its production
PL240039B1 (en) Method for the catalytic conversion of carbon monoxide or dioxide to methane and a catalyst bed for carrying out the method
KR102092736B1 (en) Preparation Method of Reduced Carbon Poisoning Perovskite Catalyst Impregnated with Metal Ion, and Methane Reforming Method Threrewith
WO2014182020A1 (en) Monolith catalyst for carbon dioxide reforming reaction, production method for same, and production method for synthesis gas using same
KR101245484B1 (en) Water gas shift catalysts and method for producing syngas by Water gas shift reaction using the same
JP2007203159A (en) Catalyst for reforming hydrocarbon, its manufacturing method and hydrogen-manufacturing method using the catalyst
KR20170027674A (en) High Efficiency Ni-based Catalyst for Steam Methane Reforming and use thereof
CN116060020B (en) Calcium-chromium-based limonite type nickel-based catalyst for autothermal reforming of acetic acid to prepare hydrogen
JPH0371174B2 (en)
US11717812B2 (en) Catalyst
CN115920917B (en) Titanium-containing oxide supported nickel-based catalyst for autothermal reforming of acetic acid to produce hydrogen
AU2009266113B2 (en) Process for operating HTS reactor
GB2599966A (en) Catalyst
JP2023108468A (en) Method for producing methanol
AU2012258290B2 (en) Nickel based catalysts for hydrocarbon reforming
CN114477298A (en) Composite oxide and preparation method and application thereof
PL220538B1 (en) Process for the preparation of nickelized methanation catalysts