RU2329100C2 - Method of obtaining oxide catalysts on a substrate - Google Patents

Method of obtaining oxide catalysts on a substrate Download PDF

Info

Publication number
RU2329100C2
RU2329100C2 RU2006101148/04A RU2006101148A RU2329100C2 RU 2329100 C2 RU2329100 C2 RU 2329100C2 RU 2006101148/04 A RU2006101148/04 A RU 2006101148/04A RU 2006101148 A RU2006101148 A RU 2006101148A RU 2329100 C2 RU2329100 C2 RU 2329100C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
suspension
catalyst
pore
substrate
catalysts
Prior art date
Application number
RU2006101148/04A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2006101148A (en
Inventor
Арне Халльвард ЭЙГАРДЕН (NO)
Арне Халльвард Эйгарден
Хавьер ПЕРЕС-РАМИРЕС (NO)
Хавьер Перес-Рамирес
Дэвид УОЛЛЕР (NO)
Дэвид Уоллер
Клаус ШЕФФЕЛЬ (NO)
Клаус Шеффель
Дэвид М. БРЭКЕНБЕРИ (NO)
Дэвид М. БРЭКЕНБЕРИ
Original Assignee
Яра Интернэшнл Аса
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 Яра Интернэшнл Аса filed Critical Яра Интернэшнл Аса
Priority to RU2006101148/04A priority Critical patent/RU2329100C2/en
Publication of RU2006101148A publication Critical patent/RU2006101148A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2329100C2 publication Critical patent/RU2329100C2/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/52Improvements relating to the production of bulk chemicals using catalysts, e.g. selective catalysts

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention pertains to the method of obtaining porous substances on a substrate for catalytic applications, to the method of obtaining porous catalysts for decomposition of N2O and their use in decomposing N2O, oxidising ammonia and reforming methane with water vapour. Description is given of the method of obtaining porous substances on a substrate for catalytic applications, in which one or more soluble precursor(s) metal of the active phase is added to a suspension, consisting of an insoluble phase of a substrate in water or an organic solvent. The suspension undergoes wet grinding so as to reduce the size of the particles of the substrate phase to less than 50 mcm. The additive is added, which promotes treatment before or after grinding. A pore-forming substance is added and the suspension, viscosity of which is maintained at 100-5000 cP, undergoes spray drying, is pressed and undergoes thermal treatment so as to remove the pore-forming substance, and is then baked. Description is also given of the method of obtaining porous catalysts on a substrate for decomposing N2O, in which a soluble cobalt precursor is added to a suspension of cerium oxide and an additive, promoting treatment, in water. The suspension is ground to particle size of less than 10 mcm. A pore-forming substance, viscosity of which is regulated to approximately 1000 cP, is added before the suspension undergoes spray drying with subsequent pressing. The pore-forming substance is removed and the product is baked. Description is given of the use of the substances obtained above as catalysts for decomposition of N2O, oxidation of ammonia and reforming of methane with water vapour.
EFFECT: obtaining catalysts with homogenous distribution of active phases and uniform and regulated porosity for optimisation of characteristics in catalytic applications.

Description

Область изобретенияField of Invention

Настоящее изобретение относится к универсальному способу получения гранулированных катализаторов с различным распределением активных фаз и регулируемой пористостью. Требования распределения активных фаз и регулируемой пористости определяются характеристиками, присущими данной каталитической реакции (применения), и могут варьироваться в соответствии с предложенным способом.The present invention relates to a universal method for producing granular catalysts with different active phase distributions and controlled porosity. The requirements for the distribution of active phases and controlled porosity are determined by the characteristics inherent in a given catalytic reaction (application), and may vary in accordance with the proposed method.

Описание предшествующего уровня техникиDescription of the Related Art

Изготовление катализатора осуществляется в несколько довольно сложных стадий, зависящих от большого числа переменных, которые трудно регулировать одновременно.The manufacture of the catalyst is carried out in several rather complex stages, depending on a large number of variables that are difficult to control simultaneously.

Традиционно крупномасштабное изготовление катализатора включает два главных подхода. Первый - это способ соосаждения. Второй включает пропитку предварительно полученного носителя (подложки) предшественником активной фазы либо методом начальной влажности, либо методом ионного обмена.Traditionally, large-scale catalyst fabrication involves two main approaches. The first is a coprecipitation method. The second involves the impregnation of the previously obtained carrier (substrate) with a precursor of the active phase either by the initial moisture method or by ion exchange method.

При изготовлении катализатора соосаждением компоненты катализатора получают в виде раствора и смешивают в соответствующих соотношениях и концентрациях. Фазу предшественника катализатора, обычно карбонат, гидроксид или оксид, получают добавлением осаждающего агента к раствору катализатора. Обычно в качестве осадителя используют гидроксиды или карбонаты щелочных металлов. Критическими параметрами являются перемешивание, регулирование рН и температура. Суспензию предшественника катализатора выдерживают, чтобы она приобрела более благоприятную морфологию или структуру. Для облегчения фильтрации или центрифугирования можно добавлять флоккулянты, и твердый предшественник отделяют от жидкой фазы.In the manufacture of the catalyst by coprecipitation, the components of the catalyst are obtained in the form of a solution and mixed in appropriate ratios and concentrations. The catalyst precursor phase, typically a carbonate, hydroxide or oxide, is obtained by adding a precipitating agent to the catalyst solution. Typically, alkali metal hydroxides or carbonates are used as precipitant. The critical parameters are mixing, pH control and temperature. The catalyst precursor slurry is maintained so that it acquires a more favorable morphology or structure. Flocculants can be added to facilitate filtration or centrifugation, and the solid precursor is separated from the liquid phase.

Предшественник промывают для удаления нежелательных катионов или анионов. Может возникнуть необходимость в повторном суспендировании и проведении ионного обмена для удаления адсорбированных ионов щелочных металлов. Предшественник сушат и затем прокаливают для получения оксидной фазы. На этой стадии катализатор может быть повторно суспендирован для осаждения дополнительных фаз.The precursor is washed to remove unwanted cations or anions. It may be necessary to re-suspend and conduct ion exchange to remove adsorbed alkali metal ions. The precursor is dried and then calcined to obtain an oxide phase. At this stage, the catalyst may be resuspended to precipitate additional phases.

Если гранулы должны быть образованы прессованием в форме, оксид гранулируют для получения текучего порошка, например, путем повторного суспендирования и распылительной сушки или в псевдоожиженном слое или во вращающемся грануляторе. Добавляют добавки для обработки, например лубриканты, и затем гранулят формуют в гранулы, после чего проводят термообработку для придания гранулам необходимой прочности.If the granules are to be formed by compression in a mold, the oxide is granulated to obtain a flowing powder, for example, by resuspension and spray drying in either a fluidized bed or a rotary granulator. Additives for processing, for example, lubricants, and then the granulate is formed into granules, and then heat treatment is carried out to give the granules the necessary strength.

Основные типовые операции получения катализатора пропиткой представляют собой следующие.The main typical operations for preparing a catalyst by impregnation are as follows.

Пропитку по начальной влажности:Impregnation by initial moisture:

Готовят подложку для катализатора. Этот процесс включает много единичных операций, в том числе либо экструзию и термообработку пасты подложки, либо грануляцию, таблетирование и термообработку пасты подложки. Активную фазу получают в виде раствора. Фазу подложки пропитывают раствором активной фазы. Пропитанные гранулы сушат и подвергают термообработке.A catalyst support is prepared. This process involves many single operations, including either the extrusion and heat treatment of the paste paste, or the granulation, tabletting and heat treatment of the paste paste. The active phase is obtained in the form of a solution. The substrate phase is impregnated with a solution of the active phase. The impregnated granules are dried and heat treated.

Загрузку активного металла можно регулировать, изменяя концентрацию предшественника металла в растворе. Если требуется высокая концентрация активной фазы или если растворимость предшественника низкая, могут понадобиться несколько циклов пропитки - термообработки. Кроме того, трудно точно установить содержание металла. Несколько циклов могут также потребоваться, когда необходимо получить биметаллические катализаторы. Наиболее важной стадией этого способа является процесс сушки. Если желательно достичь равномерного распределения активной фазы, необходима быстрая сушка. Ее трудно осуществить в крупномасштабном способе. Медленная сушка ведет к сегрегации активной фазы на внешнюю сторону гранулы и неравномерному распределению активной фазы. Это может оказать негативное влияние на каталитические характеристики этого вещества.The loading of the active metal can be controlled by changing the concentration of the metal precursor in the solution. If a high concentration of the active phase is required or if the solubility of the precursor is low, it may take several cycles of impregnation - heat treatment. In addition, it is difficult to accurately determine the metal content. Several cycles may also be required when it is necessary to obtain bimetallic catalysts. The most important step in this process is the drying process. If it is desired to achieve a uniform distribution of the active phase, rapid drying is required. It is difficult to implement in a large-scale way. Slow drying leads to segregation of the active phase on the outer side of the granule and an uneven distribution of the active phase. This may adversely affect the catalytic performance of this substance.

Ионный обмен:Ion Exchange:

Готовят подложку для катализатора. Подложку погружают в разбавленный раствор активной фазы. Устанавливают такой рН, что ионный обмен активной фазы происходит с поверхностными группами на поверхности подложки. Гранулы промывают для удаления ионов активной фазы, не адсорбированных на поверхности подложки, и после этого обрабатывают термически. Активная фаза будет иметь тенденцию равномерно распределяться по грануле, но ее концентрация будет низкой. Максимальная концентрация активной фазы, которая может быть получена, будет ограничиваться ионообменной емкостью фазы подложки и/или растворимостью насыщения раствора активной фазы.A catalyst support is prepared. The substrate is immersed in a dilute solution of the active phase. The pH is adjusted such that ion exchange of the active phase occurs with surface groups on the surface of the substrate. The granules are washed to remove active phase ions not adsorbed on the surface of the substrate, and then heat treated. The active phase will tend to be evenly distributed throughout the granule, but its concentration will be low. The maximum concentration of the active phase that can be obtained will be limited by the ion exchange capacity of the substrate phase and / or the saturation solubility of the solution of the active phase.

Известны также другие способы получения оксидных катализаторов.Other methods for producing oxide catalysts are also known.

Из патента US №6107238 известен способ производства катализатора с повышенной устойчивостью к истиранию, содержащего обогащенный оксидом поверхностный слой, включающий получение суспензии, содержащей частицы катализатора, предшественника катализатора или подложки для катализатора (например, оксидов переходных металлов), коллоидного золя оксида (например, коллоидного диоксида кремния) и раствора из растворителя и растворенного вещества, в котором растворенное вещество состоит по существу из предшественника указанной обогащенной оксидом поверхности с размером частиц не больше 5 нм (например, водной кремниевой кислоты или поликремниевой кислоты) и затем распылительную сушку суспензии с образованием пористых микросфер катализатора, устойчивого к истиранию, и прокаливание микросфер после распылительной сушки. Такой катализатор особенно полезен в процессах окисления, в которых окисление проводят посредством окисленной формы катализатора и полученную восстановленную форму катализатора отдельно регенерируют (например, двухстадийные парофазные способы, проводимые в реакторах с рециркуляцией твердых веществ, реакторах с переносом слоя или циркуляционных реакторах с псевдоожиженным слоем и т.п.).US Pat. No. 6,107,238 discloses a method for producing a catalyst with increased abrasion resistance, comprising an oxide-enriched surface layer, comprising preparing a suspension containing catalyst particles, a catalyst precursor or catalyst support (e.g., transition metal oxides), a colloidal oxide sol (e.g., colloidal silica) and a solution of a solvent and a solute in which the solute consists essentially of a precursor of said enriched oxide the surface of a particle size not greater than 5 nm (e.g., aqueous silicic acid or polysilicic acid) and then spray drying the slurry to form porous microspheres of the catalyst which is resistant to abrasion, and calcining the microspheres after spray drying. Such a catalyst is especially useful in oxidation processes in which the oxidation is carried out by means of an oxidized form of the catalyst and the resulting reduced form of the catalyst is separately regenerated (for example, two-stage vapor-phase processes carried out in solid-state recycling reactors, bed-transfer reactors or fluidized-bed circulation reactors, etc. .P.).

Патент US №6130184 описывает способ получения кобальтсодержащего катализатора или предшественника катализатора, включающий (а) процесс смешения (1) оксида титана или предшественника оксида титана, (2) жидкости и (3) соединения кобальта, которое, по меньшей мере частично, не растворяется в используемом количестве жидкости, с образованием смеси, (b) формование и сушку полученной таким образом смеси и (с) прокаливание полученной композиции. Процесс смешения может представлять перемешивание, размалывание или разминание в зависимости от содержания твердых веществ в смеси. Формование катализатора может включать таблетирование, гранулирование, экструзию, распылительную сушку или метод закапывания горячего масла. Этот способ не приводит к катализатору с заданными свойствами, в частности, с регулируемым распределением металлических центров и пористостью. Регулирование этих параметров существенно для оптимизации характеристик в каталитических применениях.US patent No. 6130184 describes a method for producing a cobalt-containing catalyst or catalyst precursor comprising (a) a process of mixing (1) titanium oxide or titanium oxide precursor, (2) a liquid and (3) a cobalt compound that is at least partially insoluble in the amount of liquid used to form a mixture; (b) molding and drying the mixture thus obtained; and (c) calcining the resulting composition. The mixing process may be stirring, grinding or kneading depending on the solids content of the mixture. The molding of the catalyst may include tabletting, granulation, extrusion, spray drying, or a hot oil drip method. This method does not lead to a catalyst with desired properties, in particular, with a controlled distribution of metal centers and porosity. Regulation of these parameters is essential for optimizing performance in catalytic applications.

Объект изобретенияObject of invention

Объектом изобретения является обеспечение простого способа получения катализаторов вообще, пригодного для промышленного применения. Следующим объектом является получение оксидных катализаторов на подложке с определенным распределением активной фазы и регулируемой пористостью. Другим объектом является воспроизводимый и простой способ получения катализаторов разложения N2O. Еще одним объектом является применение полученных катализаторов в различных каталитических процессах.The object of the invention is to provide a simple method for producing catalysts in general, suitable for industrial use. The next object is to obtain oxide catalysts on a substrate with a certain distribution of the active phase and controlled porosity. Another object is a reproducible and simple method for producing N 2 O decomposition catalysts. Another object is the use of the obtained catalysts in various catalytic processes.

Эти и другие объекты изобретения реализуются способом, описанным ниже. Кроме того, изобретение характеризуется формулой изобретения.These and other objects of the invention are implemented by the method described below. In addition, the invention is characterized by the claims.

Изобретение далее будет проиллюстрировано фиг.1-9, на которых:The invention will be further illustrated by figures 1-9, in which:

фиг.1 показывает сравнение единичных операций в традиционном способе соосаждения для получения оксидных катализаторов на подложке и в способе нанесения распылением (SDM), описанном в данной заявке.FIG. 1 shows a comparison of unit operations in a conventional coprecipitation method for producing oxide catalysts on a substrate and in a spray application method (SDM) described herein.

Фиг.2 показывает микрофотографии, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ), катализаторов Со/СеО2, полученных методом SDM, c различной дисперсностью металла при использовании (А) растворимого предшественника кобальта (высокая дисперсность) или (В) нерастворимого предшественника кобальта (низкая дисперсность).Figure 2 shows microphotographs obtained by transmission electron microscopy (TEM) of Co / CeO 2 catalysts obtained by SDM with different metal fineness using (A) a soluble cobalt precursor (high dispersion) or (B) an insoluble cobalt precursor (low dispersion).

Фиг.3 представляет пористость катализаторов Со/СеО2 (цилиндрические гранулы 5 мм × 5 мм), полученных методом SDM, в зависимости от содержания крахмала (относительно содержания СеО2) после спекания в течение шести часов при различных температурах.Figure 3 represents the porosity of the Co / CeO 2 catalysts (cylindrical granules 5 mm × 5 mm) obtained by SDM, depending on the starch content (relative to the content of CeO 2 ) after sintering for six hours at various temperatures.

Фиг.4 представляет влияние пористости катализатора на коэффициент диффузии газа и радиальную прочность на раздавливание катализаторов Со/СеО2 (цилиндрические гранулы 5 мм × 5 мм), полученных методом SDM.Figure 4 represents the influence of the porosity of the catalyst on the diffusion coefficient of gas and the radial crushing strength of Co / CeO 2 catalysts (cylindrical granules 5 mm × 5 mm) obtained by the SDM method.

Фиг.5 показывает конверсию N2O в зависимости от температуры в лабораторных испытаниях катализаторов Со/СеО2 (частицы 125-200 мкм), полученных разными методами: (а) SDM с растворимым предшественником кобальта, (b) SDM с нерастворимым предшественником кобальта и (с) методом начальной влажности. Условия эксперимента: подача = 3 мбар N2O, 20 мбар NOх, 80 мбар О2, 50 мбар Н2О, общее давление = 2 бар, часовая объемная скорость газа = 140000 ч-1.Figure 5 shows the N 2 O conversion as a function of temperature in laboratory tests of Co / CeO 2 catalysts (particles 125-200 μm) obtained by different methods: (a) SDM with a soluble cobalt precursor, (b) SDM with an insoluble cobalt precursor, and (c) the initial moisture method. Experimental conditions: feed = 3 mbar N 2 O, 20 mbar NO x , 80 mbar O 2 , 50 mbar H 2 O, total pressure = 2 bar, hourly gas space velocity = 140,000 h -1 .

Фиг.6 представляет селективность по NO и образование N2O в зависимости от времени работы в ходе окисления аммиака в пилотных испытаниях катализаторов Со/СеО2 (цилиндрические гранулы 3 мм × 3 мм), полученных методом SDM c растворимым предшественником кобальта и нерастворимым предшественником кобальта. Условия эксперимента: подача = 10,5 об.% NH3 в воздухе, температура = 900°С, общее давление = 5 бар, часовая объемная скорость газа = 60000 ч-1.6 represents NO selectivity and N 2 O formation as a function of operating time during the oxidation of ammonia in pilot tests of Co / CeO 2 catalysts (3 mm × 3 mm cylindrical pellets) prepared by SDM with a soluble cobalt precursor and an insoluble cobalt precursor . Experimental conditions: feed = 10.5 vol.% NH 3 in air, temperature = 900 ° C, total pressure = 5 bar, hourly gas space velocity = 60,000 h -1 .

Фиг.7 представляет конверсию N2O в зависимости от времени работы в пилотных испытаниях катализаторов Со2AlO4/СеО2 (цилиндрические гранулы 5 мм × 5 мм), изготовленных методом SDM с растворимым предшественником кобальта c добавлением кукурузного крахмала или без него. Условия эксперимента: подача = 6,5 мбар N2О, 50 мбар NOх, 30 мбар О2, 80 мбар Н2О, температура = 900°С, общее давление = 5 бар, часовая объемная скорость газа = 100000 ч-1.Fig.7 represents the conversion of N 2 O depending on the operating time in pilot tests of Co 2 AlO 4 / CeO 2 catalysts (cylindrical granules 5 mm × 5 mm) manufactured by SDM with soluble cobalt precursor with or without added corn starch. Experimental conditions: feed = 6.5 mbar N 2 O, 50 mbar NO x , 30 mbar O 2 , 80 mbar H 2 O, temperature = 900 ° C, total pressure = 5 bar, hourly gas space velocity = 100000 h -1 .

Фиг.8 представляет конверсию N2O в зависимости от времени работы в пилотных испытаниях катализаторов Со2AlO4/СеО2 (цилиндрические гранулы 5 мм × 5 мм), изготовленных методом SDM c растворимым Со-предшественником и кукурузным крахмалом, а также соосаждением. Условия эксперимента: подача = 6,5 мбар N2О, 50 мбар NOх, 30 мбар О2, 80 мбар Н2О, температура = 900°С, общее давление = 5 бар, часовая объемная скорость газа = 100000 ч-1.Fig. 8 represents the conversion of N 2 O as a function of operating time in pilot trials of Co 2 AlO 4 / CeO 2 catalysts (5 mm x 5 mm cylindrical pellets) prepared by SDM with soluble Co precursor and corn starch, as well as coprecipitation. Experimental conditions: feed = 6.5 mbar N 2 O, 50 mbar NO x , 30 mbar O 2 , 80 mbar H 2 O, temperature = 900 ° C, total pressure = 5 bar, hourly gas space velocity = 100000 h -1 .

Фиг.9 представляет активность катализаторов Ni/Al2O3, изготовленных методом SDM, в реакции реформинга метана с водяным паром в лабораторных испытаниях и сравнение с промышленным катализатором на основе Ni (G91-HGS, Sud-Chemie). Испытания проводили на частицах катализатора 300-500 мкм. Условия эксперимента: температура = 650°С, подача = различные соотношения Н2О/CO2/CH4, общий поток газа = 125 нл ч-1, 2 г катализатора + 10 г α-Al2O3 (разбавитель), общее давление = 25 бар, массовая часовая объемная скорость = 1000 нл ч-1 г-1, предварительная обработка катализатора = чистый Н2 при 600°C в течение 12 час.Fig. 9 shows the activity of Ni / Al 2 O 3 catalysts manufactured by SDM in a methane steam reforming reaction in a laboratory test and comparison with a Ni based industrial catalyst (G91-HGS, Sud-Chemie). Tests were carried out on catalyst particles of 300-500 microns. Experimental conditions: temperature = 650 ° C, feed = different ratios of H 2 O / CO 2 / CH 4 , total gas flow = 125 nl h -1 , 2 g of catalyst + 10 g of α-Al 2 O 3 (diluent), total pressure = 25 bar, mass hourly space velocity = 1000 nl h -1 g -1 , pre-treatment of the catalyst = pure H 2 at 600 ° C for 12 hours.

Таким образом, изобретение относится к способу получения пористых веществ на подложке для каталитических применений, в котором один или более растворимого(ых) предшественника(ов) активных фаз добавляют к суспензии, состоящей из нерастворимой фазы подложки в воде или в органическом растворителе. Суспензию измельчают для уменьшения размера частиц фазы подложки(носителя) до величины менее 50 мкм, до или после измельчения добавляют добавки, способствующие обработке, добавляют порообразующее вещество и суспензию подвергают распылительной сушке, прессуют и обрабатывают термически для удаления порообразующего вещества. После этого вещество спекают и предпочтительно подвергают предварительной обработке водородом, газом-восстановителем или инертным газом.Thus, the invention relates to a method for producing porous substances on a support for catalytic applications, in which one or more soluble active phase precursor (s) are added to a suspension consisting of an insoluble phase of the support in water or in an organic solvent. The suspension is crushed to reduce the particle size of the substrate (carrier) phase to a value of less than 50 μm, processing aids are added before or after grinding, the pore-forming substance is added and the suspension is spray dried, compressed and thermally treated to remove the pore-forming substance. After this, the substance is sintered and preferably subjected to pretreatment with hydrogen, a reducing gas or an inert gas.

Предпочтительно суспензию подвергают мокрому измельчению и размер частиц уменьшают до 0,1-10 мкм, предпочтительно 1 мкм. Вязкость суспензии поддерживают на уровне 100-5000 сП, предпочтительно примерно 1000 сП. Порообразующим веществом предпочтительно является целлюлоза, крахмал или полимерные волокна, удаляется при давлении 10-20 мбар О2, разбавленного инертным газом, при 300-400°С. Скорость нагревания предпочтительно выбирают по возможности низкой, обычно 1°С·мин-1.Preferably, the suspension is wet milled and the particle size is reduced to 0.1-10 μm, preferably 1 μm. The viscosity of the suspension is maintained at 100-5000 cP, preferably about 1000 cP. The pore-forming substance is preferably cellulose, starch or polymer fibers, is removed at a pressure of 10-20 mbar O 2 diluted with an inert gas at 300-400 ° C. The heating rate is preferably selected as low as possible, usually 1 ° C · min -1 .

Фаза подложки (носителя) представляет собой один или более компонентов, которые выбирают из Al2O3, SiO2, ZrO2, TiO2, ZnO, MgO, MgAl2O4, CoAl2O4 и CeO2. Металл активной фазы выбирают из переходных металлов (например, Co, Ni, Cu, Fe), благородных металлов (например, Pt, Rh, Ru), лантанидов (например, La, Ce), а также других элементов Периодической таблицы, которые могут действовать как стабилизаторы или промоторы (щелочные земли, например, Na, Mg, K, Cs) или другие трехвалентные невосстанавливающиеся металлы (например, Al, Ga). Предшественник активной фазы представляет собой одно или более соединений, выбранных из ацетатов, нитратов, сульфатов, оксалатов, ацетилацетонатов, предпочтительно ацетатов. Катионы активной фазы перед добавлением к суспензии подложки могут быть связаны в комплексы с органической фазой. Можно также осуществить частичное комплексообразование катионов, которое осуществляют для предотвращения образования крупных кристаллов. Добавки, способствующие обработке, могут представлять диспергаторы, связующие, пластификаторы, лубриканты, модификаторы рН и т.д.The substrate (carrier) phase is one or more components that are selected from Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 , TiO 2 , ZnO, MgO, MgAl 2 O 4 , CoAl 2 O 4 and CeO 2 . The metal of the active phase is selected from transition metals (e.g., Co, Ni, Cu, Fe), noble metals (e.g., Pt, Rh, Ru), lanthanides (e.g., La, Ce), as well as other elements of the Periodic Table that may act as stabilizers or promoters (alkaline earths, for example, Na, Mg, K, Cs) or other trivalent non-reducing metals (for example, Al, Ga). The active phase precursor is one or more compounds selected from acetates, nitrates, sulfates, oxalates, acetylacetonates, preferably acetates. The cations of the active phase can be complexed with the organic phase before being added to the suspension. It is also possible to carry out partial complexation of cations, which is carried out to prevent the formation of large crystals. Processing aid additives may include dispersants, binders, plasticizers, lubricants, pH modifiers, etc.

Изобретение также относится к способу получения пористых катализаторов на подложке для разложения N2O, в котором растворимый предшественник кобальта добавляют к суспензии оксида церия и добавок, способствующих обработке, в воде. После этого суспензию измельчают до размера частиц менее 10 мкм, добавляют порообразующее вещество, вязкость регулируют до уровня примерно 1000 сП до того, как суспензию подвергают распылительной сушке, затем прессуют, удаляют порообразующее вещество и продукт спекают. Можно добавить оксид циркония и/или растворимое соединение алюминия. Предпочтительно использовать в качестве предшественника ацетат кобальта.The invention also relates to a method for producing porous catalysts on a N 2 O decomposition substrate, in which a soluble cobalt precursor is added to a suspension of cerium oxide and processing aids in water. After that, the suspension is crushed to a particle size of less than 10 μm, a pore-forming substance is added, the viscosity is adjusted to about 1000 cP before the suspension is spray dried, then pressed, the pore-forming substance is removed and the product is sintered. Zirconia and / or a soluble aluminum compound may be added. It is preferable to use cobalt acetate as a precursor.

Вещество, полученное согласно способу, можно использовать, например, в качестве катализатора разложения N2O, окисления аммиака или реформинга метана с водяным паром.The substance obtained according to the method can be used, for example, as a catalyst for the decomposition of N 2 O, the oxidation of ammonia or the reforming of methane with water vapor.

Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Настоящее изобретение раскрывает новый простой, недорогой, воспроизводимый, универсальный способ, который легко использовать в крупных масштабах, получения высококачественных пористых веществ на подложке для каталитических применений. Авторы назвали его способом нанесения распылением (SDM). На фиг.1 представлено сравнение единичных операций в способе SDM и обычном способе соосаждения.The present invention discloses a new simple, inexpensive, reproducible, universal method that is easy to use on a large scale to produce high-quality porous substances on a substrate for catalytic applications. The authors called it spray application method (SDM). Figure 1 presents a comparison of single operations in the SDM method and the conventional coprecipitation method.

Основная новизна способа SDM - это введение одной основной операции, т.е. распылительной сушки, для одновременного проведения большого числа операций по изготовлению катализатора:The main novelty of the SDM method is the introduction of one basic operation, i.e. spray drying, for the simultaneous conduct of a large number of operations for the manufacture of the catalyst:

i) нанесение предшественника(ов) металла на подложку равномерно за одну стадию;i) applying the metal precursor (s) to the substrate uniformly in one step;

ii) сушка предшественника катализатора (избегая последующие операции разделения твердое вещество - жидкость, например фильтрации, центрифугирования);ii) drying the catalyst precursor (avoiding subsequent solid-liquid separation operations, such as filtration, centrifugation);

iii) введение добавок, способствующих обработке (диспергаторов, связующих, пластификаторов, лубрикантов, модификаторов рН и т.п.);iii) the introduction of processing aids (dispersants, binders, plasticizers, lubricants, pH modifiers, etc.);

iv) гранулирование порошка для получения легко прессуемого порошка.iv) granulating the powder to obtain an easily compressible powder.

После выбора активной формы (соединений) и подложки для нее возникает задача построить из предшественников этих активных форм каталитическую структуру со свойствами и характеристиками, которые будут отвечать требованиям промышленного заказчика. Было показано, что масштабность производства катализаторов разложения N2O по способу нанесения распылением исчисляется многими тоннами. Такие способы, как соосаждение и пропитка/ионный обмен, приводят ко многим серьезным техническим проблемам при масштабировании по сравнению с SDM. Другие методы, такие как золь-гель, прививка (сцепление), гетерогенизация комплексов и нанесение-осаждение до сих пор применяли только в лабораторном масштабе и только для ограниченного числа составов. Катализаторы, синтезированные этими способами, не производятся в промышленном масштабе.After choosing the active form (compounds) and substrate for it, the task arises to build from the precursors of these active forms a catalytic structure with properties and characteristics that will meet the requirements of an industrial customer. It has been shown that the scale of production of N 2 O decomposition catalysts by the spray application method is estimated at many tons. Methods such as coprecipitation and impregnation / ion exchange lead to many serious technical problems when scaling compared to SDM. Other methods, such as sol-gel, grafting (adhesion), complex heterogenization, and deposition-deposition have so far been applied only on a laboratory scale and only for a limited number of formulations. Catalysts synthesized by these methods are not manufactured on an industrial scale.

Растворимый предшественник активной фазы сначала добавляют к суспензии, состоящей из фазы подложки в воде или другом органическом растворителе в соответствующих количествах и концентрациях. Суспензию подвергают мокрому измельчению в мельнице с постоянно перемешиваемой средой или шаровой мельнице для уменьшения размера частиц фазы подложки, предпочтительно до менее 1 мкм, таким образом достигая стабильной дисперсии. Чтобы подготовить катализатор для формования, добавки, способствующие обработке, такие как диспергаторы, связующие, пластификаторы, лубриканты и модификаторы рН, можно добавлять до или после измельчения. После измельчения к суспензии можно добавить порообразующее вещество, такое как крахмал, целлюлоза или полимерные волокна. Суспензию подвергают распылительной сушке с получением гранул, пригодных для формования посредством прессования в форме, т.е. с распределением по размерам от 50 до 400 мкм.The soluble precursor of the active phase is first added to the suspension, consisting of the phase of the substrate in water or another organic solvent in appropriate quantities and concentrations. The suspension is subjected to wet grinding in a mill with a continuously stirred medium or a ball mill to reduce the particle size of the substrate phase, preferably to less than 1 μm, thereby achieving a stable dispersion. To prepare the catalyst for molding, processing aid additives such as dispersants, binders, plasticizers, lubricants and pH modifiers can be added before or after grinding. After grinding, a pore-forming substance such as starch, cellulose or polymer fibers can be added to the suspension. The suspension is spray dried to obtain granules suitable for molding by compression molding, i.e. with a size distribution of from 50 to 400 microns.

Чрезвычайно быстрая сушка, достигаемая при распылительной сушке, позволяет получить предшественник активной фазы, нанесенный на поверхность фазы подложки равномерно по всей высушенной распылением грануле. Эта стадия играет решающую роль в возникновении тесного контакта между активной фазой и предшественником, что ведет к равномерному распределению металлов в конечном катализаторе. Затем вещество прессуют. Удаление порообразующих веществ следует проводить в регулируемой атмосфере (10-20 мбар О2, разбавленного инертным газом, таким как N2, He или Ar). Термическое разложение порообразующей фазы в окислительной атмосфере может катализироваться металлом активной фазы, приводя к термическому удалению. Это происходит не только при окислении крахмалов и целлюлозы, которое протекает экзотермично. Многие полимерные обрабатывающие добавки, которые разлагаются эндотермически, даже при нагревании на воздухе, такие как полиметилметакрилат (РММА), разлагаются экзотермически при нагревании при контакте с каталитическими фазами. Предложенный способ удаления порообразующих веществ также рассматривается как новый аспект настоящего изобретения, который вообще применим в производстве катализаторов. После этого процесса вещество спекают при высокой температуре и получают конечный катализатор. Равномерность распределения активной фазы в гранулах, высушенных распылением, сохраняется в конечном продукте - гранулах катализатора.The extremely fast drying achieved by spray drying allows one to obtain an active phase precursor deposited on the surface of the substrate phase uniformly throughout the spray dried granule. This stage plays a decisive role in the occurrence of close contact between the active phase and the precursor, which leads to a uniform distribution of metals in the final catalyst. Then the substance is pressed. The removal of pore-forming substances should be carried out in a controlled atmosphere (10-20 mbar O 2 diluted with an inert gas such as N 2 , He or Ar). The thermal decomposition of the pore-forming phase in an oxidizing atmosphere can be catalyzed by the metal of the active phase, leading to thermal removal. This occurs not only during the oxidation of starches and cellulose, which proceeds exothermally. Many polymer processing aids that decompose endothermally even when heated in air, such as polymethyl methacrylate (PMMA), decompose exothermically when heated by contact with the catalytic phases. The proposed method of removing pore-forming substances is also considered as a new aspect of the present invention, which is generally applicable in the manufacture of catalysts. After this process, the substance is sintered at high temperature and get the final catalyst. The uniformity of the distribution of the active phase in the granules, dried by spraying, is preserved in the final product - granules of the catalyst.

Способ нанесения распылением требует 3-5 единичных операций, т.е. меньше, чем традиционные методы, например соосаждение и пропитка (см. фиг.1). Некоторые единичные операции в новом способе являются многоцелевыми, что делает его весьма привлекательным (см. выше).The spray application method requires 3-5 unit operations, i.e. less than traditional methods, such as coprecipitation and impregnation (see figure 1). Some single operations in the new method are multi-purpose, which makes it very attractive (see above).

Способ нанесения распылением дает возможность получать широкий диапазон катализаторов на подложке. Единственное требование состоит в том, чтобы иметь растворимую активную фазу и нерастворимую подложку. Существует много возможностей найти соответствующие предшественники металлов. Можно использовать металлы различной природы из Периодической таблицы элементов, в то время как другие способы отличаются большими ограничениями.The spray application method makes it possible to obtain a wide range of catalysts on a substrate. The only requirement is to have a soluble active phase and an insoluble support. There are many possibilities to find suitable metal precursors. You can use metals of various nature from the Periodic table of the elements, while other methods have great limitations.

Этому требованию удовлетворяют традиционные подложки, используемые в катализе (например, Al2O3, SiO2, ZrO2, TiO2, ZnO, CeO2, MgO, MgAl2O4, CoAl2O4). Активную фазу выбирают из переходных металлов (например, Co, Ni, Cu, Fe), благородных металлов (например, Pt, Rh, Ru), лантанидов (например, La, Ce), а также других элементов Периодической таблицы, которые могут действовать как стабилизаторы или промоторы (щелочные земли, например, Na, Mg) или Al, Ga. Предпочтительно использовать ацетаты, нитраты, сульфаты, оксалаты или ацетилацетонаты. Другой особенностью способа нанесения распылением является возможность получения полиметаллических катализаторов с высокой дисперсностью компонентов. Это делает его привлекательным, например, для бифункционального катализа или промотированных реакций. Классическая совместная пропитка или последовательная пропитка двумя солями металлов, как было показано, не эффективна для достижения тесного взаимодействия двух металлов. Испытываются и новые методы. Во всех случаях ищут способ получения монометаллического катализатора (т.е. исходного катализатора), который затем модифицируют добавлением второго металла. Это модифицирование осуществляется через селективную реакцию, которая протекает только на монометаллических частицах исходного катализатора. Способ SDM предлагает посредством операции в одном резервуаре простой способ, позволяющий преодолеть этот тяжелый и трудоемкий процесс изготовления, достигнув очень тесного контакта введенных металлов.Traditional substrates used in catalysis satisfy this requirement (for example, Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 , TiO 2 , ZnO, CeO 2 , MgO, MgAl 2 O 4 , CoAl 2 O 4 ). The active phase is selected from transition metals (e.g., Co, Ni, Cu, Fe), noble metals (e.g., Pt, Rh, Ru), lanthanides (e.g., La, Ce), as well as other elements of the periodic table, which can act as stabilizers or promoters (alkaline earths, for example, Na, Mg) or Al, Ga. Acetates, nitrates, sulfates, oxalates or acetylacetonates are preferred. Another feature of the spray application method is the ability to obtain polymetallic catalysts with a high dispersion of components. This makes it attractive, for example, for bifunctional catalysis or promoted reactions. Classical co-impregnation or sequential impregnation with two metal salts, as has been shown, is not effective for achieving close interaction of two metals. New methods are also being tested. In all cases, they are looking for a method for producing a monometallic catalyst (i.e., a starting catalyst), which is then modified by the addition of a second metal. This modification is carried out through a selective reaction, which proceeds only on monometallic particles of the initial catalyst. The SDM method offers, through single-tank operation, a simple method to overcome this difficult and labor-intensive manufacturing process, achieving very close contact of the introduced metals.

Для синтеза биметаллических фаз на подложке способ синтеза нанесения распылением можно дополнительно улучшить путем связывания в комплекс катионов активной фазы с органической фазой перед добавлением к суспензии подложки. Это представляет собой модификацию хорошо известного способа Pechini для получения смешанных оксидов металлов, в котором катионы связываются в комплексы с органическими молекулами, которые подвергаются процессу полимеризации. Такой подход приводит к образованию фазы предшественника, содержащей хаотическую дисперсию ионов металлов, которую затем наносят на подложку во время распылительной сушки. Это обеспечивает образование фазы смешанных оксидов при низких температурах. Подходящие комплексообразователи включают лимонную кислоту, глицин, EDTA и т.п.For the synthesis of bimetallic phases on a substrate, the method of synthesis by spray application can be further improved by binding the active phase to the organic phase complex of cations before adding the substrate to the suspension. This is a modification of the well-known Pechini method for producing mixed metal oxides, in which cations bind to complexes with organic molecules that undergo a polymerization process. This approach leads to the formation of a precursor phase containing a chaotic dispersion of metal ions, which is then applied to the substrate during spray drying. This provides the formation of a phase of mixed oxides at low temperatures. Suitable complexing agents include citric acid, glycine, EDTA and the like.

При высокой концентрации активной фазы во время сушки в грануле могут образоваться крупные кристаллы активной фазы. Этого можно избежать при добавлении небольшого количества монодентатного комплексообразователя, например триэтаноламина (ТЕА). Это количество должно быть меньше количества, достаточного для полного связывания в комплексы катионов активной фазы, предпочтительно достаточного для связывания каждого катиона только одной молекулой комплексообразователя. Результатом такого частичного комплексообразования катиона является то, что оно препятствует образованию крупных кристаллов предшественника активной фазы из-за прерывания кристаллической решетки.At a high concentration of the active phase during drying, large crystals of the active phase can form in the granule. This can be avoided by adding a small amount of a monodentate complexing agent, for example triethanolamine (TEM). This amount should be less than the amount sufficient for complete binding to the cation complexes of the active phase, preferably sufficient for the binding of each cation to only one complexing agent molecule. The result of this partial complexation of the cation is that it prevents the formation of large crystals of the active phase precursor due to interruption of the crystal lattice.

Способ SDM универсален в том, что может быть непрерывным или периодическим, что контрастирует с высокими требованиями, чтобы сделать способ соосаждения непрерывным. Увеличение масштаба от пилотной установки до полномасштабного производства сравнительно просто осуществить в рамках способа SDM, что и было продемонстрировано. Самые важные единичные операции, измельчение суспензии и распылительная сушка, являются стандартными операциями в обработке керамики и хорошо изучены.The SDM method is universal in that it can be continuous or batch, which contrasts with high requirements to make the coprecipitation method continuous. Zooming from a pilot installation to full-scale production is relatively simple to implement as part of the SDM method, which has been demonstrated. The most important single operations, slurry grinding and spray drying, are standard operations in ceramic processing and are well understood.

Способ нанесения распылением хорошо подходит для достижения равномерного распределения компонентов катализатора или создания предшественников с определенной стехиометрией. Конечный катализатор состоит из мелких и диспергированных смешанных кристаллитов компонентов вследствие хорошего контакта активной фазы (например, в биметаллических системах) и подложки до и после стадии распылительной сушки/нанесения. Соосаждение также ведет к высокой дисперсности, но технологические требования здесь значительно выше, так же как и трудности качества осажденного продукта и проблем поддержания постоянного качества продукта во время всего процесса осаждения. Превосходные характеристики катализатора, нанесенного распылением, по сравнению с другими способами были показаны для разложения N2O в присутствии катализаторов на основе Со.The spray application method is well suited to achieve uniform distribution of catalyst components or to create precursors with a specific stoichiometry. The final catalyst consists of small and dispersed mixed crystallites of the components due to good contact of the active phase (for example, in bimetallic systems) and the substrate before and after the spray drying / coating step. Co-precipitation also leads to high dispersion, but the technological requirements here are much higher, as are the difficulties of the quality of the precipitated product and the problems of maintaining a constant quality of the product during the entire precipitation process. The superior characteristics of the spray supported catalyst compared with other methods have been shown to decompose N 2 O in the presence of Co-based catalysts.

Способ SDM также позволяет точно конструировать макроструктуру полученного катализатора (размер пор и объем пор) для достижения оптимальных характеристик. Этим методом были получены прочные гранулы с пористостью 70%.The SDM method also allows you to accurately design the macrostructure of the resulting catalyst (pore size and pore volume) to achieve optimal performance. Strong granules with a porosity of 70% were obtained by this method.

Способ получения катализатораThe method of producing catalyst

В дальнейшем описан способ получения катализатора, названный «Способ нанесения распылением» и раскрытый в формуле изобретения. Способ получения описан со ссылкой на получение катализатора разложения N2O, содержащего порообразующую фазу. Освещены также другие каталитические применения. Описано также влияние порообразующей фазы на свойства катализатора к переносу газа. Далее подробно описана каждая единичная операция в способе SDM, представленная на фиг.1 для катализатора Со-Al/CeO2.The following describes a method for producing a catalyst, called "Spray Application Method" and disclosed in the claims. The preparation method is described with reference to the preparation of a N 2 O decomposition catalyst containing a pore-forming phase. Other catalytic applications are also highlighted. The influence of the pore-forming phase on the properties of the catalyst to gas transfer is also described. Each unit operation in the SDM method described in FIG. 1 for the Co-Al / CeO 2 catalyst is described in detail below.

СуспензияSuspension

Водную суспензию оксида церия или другой фазы подложки готовят добавлением к воде свежеполученного порошка оксида церия c размером агломератов d50, которые обычно находятся в интервале 10-20 мкм. Для диспергирования суспензии и предотвращения седиментации используют энергичное перемешивание. К этой суспензии добавляют поливиниловый спирт (PVA) в виде 5-10 мас.% водного раствора. Как правило, для растворения PVA раствор PVA необходимо нагревать. После добавления PVA к суспензии ее перемешивают в течение 12 час. При этом PVA адсорбируется на поверхности оксида церия. Роль PVA двоякая. В суспензии он действует как стерический стабилизатор оксида церия, снижая тенденцию к седиментации. На более поздней стадии изготовления он действует как временное связующее для гранул, полученных распылительной сушкой.An aqueous suspension of cerium oxide or another phase of the substrate is prepared by adding to the water a freshly obtained cerium oxide powder with an agglomerate size of d 50 , which is usually in the range of 10-20 μm. Vigorous stirring is used to disperse the suspension and prevent sedimentation. Polyvinyl alcohol (PVA) is added to this suspension in the form of a 5-10 wt.% Aqueous solution. Generally, to dissolve PVA, the PVA solution needs to be heated. After adding PVA to the suspension, it was stirred for 12 hours. In this case, PVA is adsorbed on the surface of cerium oxide. The role of PVA is twofold. In suspension, it acts as a steric stabilizer of cerium oxide, reducing the tendency to sedimentation. At a later stage of manufacture, it acts as a temporary binder for spray dried granules.

К суспензии оксида церия добавляют при энергичном перемешивании ацетат кобальта, гидроксиацетат алюминия и оксид циркония. Для некоторых составов можно использовать нитрат или другие соли. Суспензию измельчают с помощью шаровой мельницы или мельницы с непрерывной перемешиваемой средой для уменьшения размера агломератов оксида церия, так что d50 уменьшается до 0,1-10 мкм (предпочтительно 1 мкм). Это позволяет получить суспензию, устойчивую к седиментации, что является практическим преимуществом и может улучшить характеристики катализатора благодаря улучшенной однородности катализатора. Вязкость суспензии следует поддерживать на уровне 100-5000 сП, предпочтительно примерно 1000 сП.With vigorous stirring, cobalt acetate, aluminum hydroxyacetate and zirconium oxide are added to the cerium oxide suspension. For some formulations, nitrate or other salts may be used. The suspension is crushed using a ball mill or a mill with a continuous stirred medium to reduce the size of the cerium oxide agglomerates, so that d 50 is reduced to 0.1-10 μm (preferably 1 μm). This allows you to get a suspension that is resistant to sedimentation, which is a practical advantage and can improve the characteristics of the catalyst due to the improved uniformity of the catalyst. The viscosity of the suspension should be maintained at a level of 100-5000 cP, preferably about 1000 cP.

Порообразующее веществоPore-forming substance

К устойчивой суспензии добавляют порообразующее вещество. Используют кукурузный крахмал со средним размером частиц 10-15 мкм. Размер пор можно регулировать выбором крахмала. Другие крахмалы, например рисовый или картофельный, можно использовать для получения более мелких или более крупных пор соответственно. Можно также использовать другие порообразующие вещества, отличные от крахмала. При изготовлении катализаторов по способу SDM с успехом применяли микрокристаллическую целлюлозу Avicel.A pore-forming substance is added to the stable suspension. Corn starch with an average particle size of 10-15 microns is used. The pore size can be adjusted by selecting starch. Other starches, such as rice or potato, can be used to produce smaller or larger pores, respectively. Other pore-forming substances other than starch may also be used. In the manufacture of the catalysts by the SDM method, Avicel microcrystalline cellulose was successfully used.

В принципе можно использовать любое вещество, которое является нерастворимым и термически разлагается, не оставляя неорганического остатка. В прошлом в качестве альтернативы крахмалу использовали микрокристаллическую целлюлозу, хотя это не давало особых преимуществ. Можно также использовать полимерные шарики или волокна, но если они плавятся до терморазложения, то это может вызвать трудности при термообработке. Крахмал добавляют после измельчения, так что структура зерен крахмала, которые обуславливают размер пор, сохраняется. Содержание воды в суспензии устанавливают таким образом, чтобы вязкость суспензии составляла 1000 сП.In principle, any substance that is insoluble and thermally decomposes without leaving an inorganic residue can be used. In the past, microcrystalline cellulose was used as an alternative to starch, although this did not give particular advantages. You can also use polymer balls or fibers, but if they melt before thermal decomposition, this can cause difficulties in heat treatment. Starch is added after grinding, so that the structure of the starch grains, which determine the pore size, is maintained. The water content in the suspension is set so that the viscosity of the suspension is 1000 cP.

Распылительная сушкаSpray drying

Распылительную сушку проводили на пилотной установке с использованием двухжидкостного распылителя и центробежных распылителей. Полномасштабную распылительную сушку осуществляют с использованием как центробежных распылителей, так и распылителей высокого давления. В каждом случае не возникает серьезных проблем, и всегда получают хороший текучий порошок. При полномасштабном производстве было установлено, что при использовании распылителя высокого давления в противоточном режиме слишком высокая температура на входе может привести к возгоранию порошка. В этом случае используют температуры на входе выше 400°С. Противоточная модель не является идеальной для веществ, чувствительных к нагреву. Поэтому или температура на входе должна быть ниже, что приведет к уменьшению скорости производства, или надо использовать модель распыления в параллельных потоках.Spray drying was carried out in a pilot plant using a two-fluid atomizer and centrifugal atomizers. Full-scale spray drying is carried out using both centrifugal sprayers and high-pressure sprayers. In each case, there are no serious problems, and always get a good flowing powder. In full-scale production, it was found that when using a high-pressure spray gun in countercurrent mode, too high an inlet temperature can lead to powder ignition. In this case, inlet temperatures above 400 ° C are used. The counterflow model is not ideal for heat sensitive substances. Therefore, either the inlet temperature should be lower, which will lead to a decrease in the production rate, or it is necessary to use a model of spraying in parallel flows.

В наших пилотных испытаниях температура на входе обычно составляла от 250 до 180°С в зависимости от скорости подачи суспензии, а температура на выходе обычно находилась в интервале 105-110°С. Это приводило к содержанию влаги 0,2-0,5% и среднему размеру гранул d50 60-80 мкм.In our pilot tests, the inlet temperature was usually from 250 to 180 ° C, depending on the feed rate of the suspension, and the outlet temperature was usually in the range 105-110 ° C. This led to a moisture content of 0.2-0.5% and an average granule size d 50 of 60-80 microns.

ПрессованиеPressing

Перед прессованием к порошку, высушенному распылением, добавляли 0,5% стеарата алюминия и содержание воды доводили до 0,5-2%. Эту операцию проводили в смесителе Forberg. Вода действует как пластификатор для PVA, и оптимальное содержание воды зависит от точного состава катализатора. Необходимое количество воды зависит от площади поверхности оксида церия и степени чистоты PVA. Гранулы прессовали посредством одноосного прессования на прессе Pentronix PTX 612. Для гранул 5 мм или менее приемлема пресс-форма однократного действия, но для изготовления более крупных гранул, например 9 мм рифленых гранул, необходимо использовать операцию двойного прессования. Коэффициент сжатия (отношение между глубиной заполнения и высотой прессованной гранулы) обычно равен 2,2.Before pressing, 0.5% aluminum stearate was added to the spray dried powder, and the water content was adjusted to 0.5-2%. This operation was carried out in a Forberg mixer. Water acts as a plasticizer for PVA, and the optimum water content depends on the exact composition of the catalyst. The amount of water required depends on the surface area of cerium oxide and the degree of purity of the PVA. The pellets were pressed by uniaxial pressing on a Pentronix PTX 612 press. For pellets of 5 mm or less, a single-action mold is acceptable, but for the manufacture of larger pellets, for example 9 mm grooved pellets, a double pressing operation is necessary. The compression ratio (the ratio between the filling depth and the height of the pressed pellet) is usually 2.2.

Удаление порообразующего веществаRemoval of a pore-forming substance

После прессования гранулы подвергают термообработке для удаления порообразующей фазы, после чего их спекают для конечного получения гранул катализатора. Термообработка для удаления порообразующего крахмала является наиболее критичной и ответственной стадией изготовления катализатора. Нагревание на воздухе гранул, содержащих крахмал, приводит к быстрому подъему температуры в слое гранул и нерегулируемому горению крахмала, что отрицательно влияет на целостность гранул. Нагревание гранул в азоте, к которому добавляют небольшое количество воздуха, регулирует удаление крахмала. Интервал концентраций кислорода на начальных стадиях составляет 0,1-0,5 об.%. На всех стадиях удаления крахмала основными продуктами разложения крахмала являются СО2 и пары воды даже при содержании кислорода 0,5%.After pressing, the granules are subjected to heat treatment to remove the pore-forming phase, after which they are sintered for the final preparation of catalyst granules. Heat treatment to remove pore-forming starch is the most critical and critical stage in the manufacture of the catalyst. Heating in air of granules containing starch leads to a rapid rise in temperature in the layer of granules and uncontrolled burning of starch, which negatively affects the integrity of the granules. The heating of the granules in nitrogen, to which a small amount of air is added, regulates the removal of starch. The range of oxygen concentrations in the initial stages is 0.1-0.5 vol.%. At all stages of starch removal, the main starch decomposition products are CO 2 and water vapor, even with an oxygen content of 0.5%.

После удаления основной массы крахмала, о чем свидетельствует отсутствие СО2 в отходящем газе, содержание кислорода повышают до 20 об.%. Крахмал состоит из двух полимеров; один из них разлагается около 170°С и другой в интервале 250-300°С. Скорость нагревания должна быть максимально низкой, обычно 1°С·мин-1. Гранулы загружают в перфорированные корзинки и пропускают через слой гранул снизу газовую смесь азот-кислород. До продувки через гранулы газ нагревают. Температуру гранул регулируют с помощью температуры газа и концентрации кислорода. Во время этой операции температура слоя более чувствительна к концентрации кислорода, чем температура газа на входе, так что она является средством, посредством которого температура регулируется во время разложения. На первой стадии гранулы нагревают до 170°С в газовом потоке с содержанием 0,1 об.% кислорода. Как только достигнута стабильная температура, концентрацию кислорода медленно повышают. За развитием реакции можно следить по подъему температуры в корзинках, расположенных вертикально последовательно. Как только первый полимер крахмала разложится, концентрацию кислорода уменьшают и температуру повышают до 250°С. По достижении стабильной температуры концентрацию кислорода снова увеличивают до тех пор, пока во всех корзинках не завершится вторая стадия разложения. Температуру повышают до 300°С и концентрацию кислорода увеличивают до 20%, пока реакция не прекратится. Корзинки охлаждают в течение ночи в токе кислорода. Общее время процесса обычно составляет 2,5 дня.After removing the bulk of the starch, as evidenced by the absence of CO 2 in the exhaust gas, the oxygen content is increased to 20 vol.%. Starch consists of two polymers; one of them decomposes around 170 ° C and the other in the range of 250-300 ° C. The heating rate should be as low as possible, usually 1 ° C · min -1 . The granules are loaded into perforated baskets and a nitrogen-oxygen gas mixture is passed through a layer of granules from below. Before blowing through the granules, the gas is heated. The temperature of the granules is controlled by gas temperature and oxygen concentration. During this operation, the temperature of the layer is more sensitive to oxygen concentration than the temperature of the inlet gas, so that it is the means by which the temperature is controlled during decomposition. In the first stage, the granules are heated to 170 ° C in a gas stream containing 0.1 vol.% Oxygen. Once a stable temperature is reached, the oxygen concentration is slowly increased. The development of the reaction can be monitored by the rise in temperature in baskets arranged vertically in series. As soon as the first polymer of starch decomposes, the oxygen concentration is reduced and the temperature is raised to 250 ° C. Upon reaching a stable temperature, the oxygen concentration is again increased until the second decomposition stage is completed in all baskets. The temperature is increased to 300 ° C. and the oxygen concentration is increased to 20% until the reaction stops. The baskets are cooled overnight in a stream of oxygen. The total process time is usually 2.5 days.

После удаления из печи для выжигания порообразующего вещества корзинки помещают в вертикальную трубчатую печь. Их нагревают на воздухе со скоростью 1°С·мин-1 до 950-1000°С. Спустя 6-12 час при максимальной температуре печь охлаждают. Процесс спекания обычно занимает 2 суток. Спеченные гранулы представляют собой конечный продукт.After removal from the furnace for burning out the pore-forming substance, the baskets are placed in a vertical tube furnace. They are heated in air at a speed of 1 ° C · min -1 to 950-1000 ° C. After 6-12 hours at maximum temperature, the oven is cooled. The sintering process usually takes 2 days. Sintered granules represent the final product.

Далее изобретение будет проиллюстрировано следующими примерами:The invention will now be illustrated by the following examples:

Пример 1. Получение катализаторов Co/CeO2 с различным распределением активных фаз и загрузками металла способом SDMExample 1. Obtaining Co / CeO 2 catalysts with different distribution of active phases and metal loads by SDM method

Пример 1а. Катализатор с высокой дисперсией оксида кобальта, нанесенного на оксид церияExample 1a High dispersion cerium oxide supported catalyst

Водную суспензию фазы подложки оксида церия готовили добавлением 5 кг свежеполученного порошка оксида церия (Rhodia HSA15) c размером агломератов d50 обычно в интервале 10-20 мкм к 5 л воды, содержащей 40 г PVA (Rhodoviol 25/140). Для диспергирования оксида церия использовали энергичное перемешивание, и затем ее перемешивали в течение 15 час, чтобы позволить PVA адсорбироваться на поверхности оксида церия.An aqueous suspension of the phase of the cerium oxide support was prepared by adding 5 kg of freshly obtained cerium oxide powder (Rhodia HSA15) with an agglomerate size d 50 usually in the range of 10-20 μm to 5 l of water containing 40 g of PVA (Rhodoviol 25/140). Vigorous stirring was used to disperse cerium oxide, and then it was stirred for 15 hours to allow PVA to be adsorbed on the surface of cerium oxide.

К суспензии оксида церия добавляли 289 г ацетата кобальта (Fluka) при энергичном перемешивании. Суспензию измельчали в мельнице с непрерывно перемешиваемой средой для уменьшения размера агломератов оксида церия таким образом, что d50 составляет меньше 1 мкм.To the cerium oxide suspension, 289 g of cobalt acetate (Fluka) was added with vigorous stirring. The suspension was ground in a mill with a continuously stirred medium to reduce the size of the cerium oxide agglomerates so that the d 50 is less than 1 μm.

Содержание воды в суспензии регулировали так, что вязкость суспензии составляет 1000 сП. Обычно содержание влаги в суспензии составляет 40-50%.The water content in the suspension was adjusted so that the viscosity of the suspension is 1000 cP. Typically, the moisture content in the suspension is 40-50%.

Распылительную сушку можно проводить в сушителе с центробежным распылителем. Температура на входе составляла обычно 180-400°С в зависимости от скорости инжекции суспензии, а температура на выходе обычно была равна 105-110°С. В результате содержание влаги составило 0,2-0,5 мас.% и гранулы имели размер d50 от 60 до 200 мкм в зависимости от типа распылителя.Spray drying can be carried out in a centrifugal spray dryer. The inlet temperature was usually 180-400 ° C, depending on the injection speed of the suspension, and the outlet temperature was usually 105-110 ° C. As a result, the moisture content was 0.2-0.5 wt.% And the granules had a size d 50 from 60 to 200 microns, depending on the type of atomizer.

Перед прессованием к порошку, высушенному распылением, добавляли 0,5 мас.% стеарата алюминия и содержание воды доводили до 0,5 мас.%. Эту операцию проводили в смесителе Forberg. Вода действует как пластификатор для PVA, и оптимальное содержание воды зависит от точного состава катализатора. Необходимое количество воды зависит от площади поверхности оксида церия и степени чистоты PVA. Гранулы прессовали путем одноосного прессования на прессе Pentronix PTX 612. Получали рифленые гранулы с семью каналами (dm=9 мм, dh=1,7 мм). Могут быть получены гранулы различной геометрии, от простых цилиндров до многослойных гранул. Прессованные гранулы спекали на воздухе, используя обычную муфельную печь. Гранулы нагревали со скоростью 1°С·мин-1 до 900-1000°С и выдерживали при максимальной температуре в течение 6-12 час. Химический состав конечных катализаторов включал 1,9 мас.% Со2О3 и 98,1 мас.% СеО2.Prior to compression, 0.5 wt.% Aluminum stearate was added to the spray dried powder, and the water content was adjusted to 0.5 wt.%. This operation was carried out in a Forberg mixer. Water acts as a plasticizer for PVA, and the optimum water content depends on the exact composition of the catalyst. The amount of water required depends on the surface area of cerium oxide and the degree of purity of the PVA. The granules were pressed by uniaxial pressing on a Pentronix PTX 612 press. Corrugated granules with seven channels were obtained (d m = 9 mm, d h = 1.7 mm). Granules of various geometries can be obtained, from simple cylinders to multilayer granules. Pressed granules were sintered in air using a conventional muffle furnace. The granules were heated at a rate of 1 ° C · min -1 to 900-1000 ° C and kept at maximum temperature for 6-12 hours. The chemical composition of the final catalysts included 1.9 wt.% Co 2 O 3 and 98.1 wt.% CeO 2 .

Пример 1b. Катализатор с низкой дисперсией оксида кобальта, нанесенного на оксид церияExample 1b Low dispersion catalyst for cobalt oxide supported on cerium oxide

Получали суспензию оксида церия, как описано в примере 1а, с использованием 5 кг оксида церия (Rhodia HSA15) и 5 л воды, содержащей 40 г растворенного PVA (Rhodoviol 25/140). К водной суспензии оксида церия добавляли 93 г оксида кобальта (Со3О4, Merck) при энергичном перемешивании. Через 1 час перемешивания, чтобы убедиться в равномерном диспергировании оксида кобальта, суспензию измельчали в шаровой мельнице для уменьшения размера агломератов оксида церия до величины d50 меньше 1 мкм. Содержание воды в суспензии регулировали так, что вязкость суспензии составляла 1000 сП. Распылительную сушку, добавление лубриканта, прессование гранул и спекание проводили так, как описано в примере 1а. Химический состав конечного катализатора включал 2,0 мас.% Со2О3 и 98,0 мас.% СеО2.A suspension of cerium oxide was prepared as described in Example 1a using 5 kg of cerium oxide (Rhodia HSA15) and 5 L of water containing 40 g of dissolved PVA (Rhodoviol 25/140). To an aqueous suspension of cerium oxide was added 93 g of cobalt oxide (Co 3 O 4 , Merck) with vigorous stirring. After 1 hour of stirring, to ensure uniform dispersion of cobalt oxide, the suspension was crushed in a ball mill to reduce the size of cerium oxide agglomerates to a d 50 value of less than 1 μm. The water content in the suspension was adjusted so that the viscosity of the suspension was 1000 cP. Spray drying, adding a lubricant, pressing granules and sintering was carried out as described in example 1A. The chemical composition of the final catalyst included 2.0 wt.% Co 2 O 3 and 98.0 wt.% CeO 2 .

На фиг.2 показан различный состав катализаторов относительно активной фазы в зависимости от природы предшественника кобальта, используемого при получении. Применение растворимого предшественника кобальта (ацетат кобальта, пример 1а) приводит к высокодиспергированному катализатору (фиг.2А). На микрофотографии, полученной методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, не видно частиц оксида кобальта, и это показывает, что частицы оксида кобальта имеют размер менее 1 нм. При использовании нерастворимого предшественника кобальта (Со3О4, пример 1b) наблюдаются крупные агломераты оксида кобальта на подложке СеО2 (фиг.2В), что указывает на меньшую дисперсию активной фазы в конечном катализаторе. Различный состав кобальта несомненно повлияет на каталитические характеристики веществ, как показано в примерах 4 и 5.Figure 2 shows the different composition of the catalysts relative to the active phase, depending on the nature of the cobalt precursor used in the preparation. The use of a soluble cobalt precursor (cobalt acetate, Example 1a) leads to a highly dispersed catalyst (FIG. 2A). The micrograph obtained by high resolution transmission electron microscopy does not show cobalt oxide particles, and this shows that cobalt oxide particles have a size of less than 1 nm. When using an insoluble cobalt precursor (Co 3 O 4 , Example 1b), large agglomerates of cobalt oxide are observed on a CeO 2 substrate (FIG. 2B), which indicates a lower dispersion of the active phase in the final catalyst. The different composition of cobalt will undoubtedly affect the catalytic characteristics of the substances, as shown in examples 4 and 5.

Пример 2. Получение катализатора Ni/Al2O3 способом SDMExample 2. Obtaining a catalyst Ni / Al 2 O 3 method SDM

Катализатор оксид никеля, нанесенный на гамма-оксид алюминия, можно получить по способу, описанному в примере 1а. В 5 л воды растворяли 40 г PVA (Rhodoviol 25/140). При энергичном перемешивании добавляли 5 кг гамма-оксида алюминия (Sigma-Aldrich). Суспензию перемешивали в течение 15 час и затем к суспензии оксида алюминия добавляли 3,175 кг нитрата никеля (Fluka). После перемешивания в течение 1 час суспензию измельчали с использованием шаровой мельницы до величины d50, равной 1 мкм. После измельчения содержание влаги в суспензии составляло 42,9% и вязкость была равна 960 сП, что подходит для распылительной сушки. Суспензию подвергали распылительной сушке и гранулировали по методике, описанной в примере 1а. Гранулы спекали в стандартной муфельной печи на воздухе. Гранулы нагревали со скоростью 1°С·мин-1 до 700°С и выдерживали при этой температуре в течение 6 час. Химический состав конечных катализаторов включал 16,6 мас.% NiO и 83,4 мас.% Al2O3.The nickel oxide catalyst supported on gamma-alumina can be obtained by the method described in example 1A. 40 g of PVA (Rhodoviol 25/140) was dissolved in 5 L of water. With vigorous stirring, 5 kg of gamma-alumina (Sigma-Aldrich) was added. The suspension was stirred for 15 hours and then 3.175 kg of nickel nitrate (Fluka) was added to the suspension of alumina. After stirring for 1 hour, the suspension was crushed using a ball mill to a d 50 value of 1 μm. After grinding, the moisture content in the suspension was 42.9% and the viscosity was 960 cP, which is suitable for spray drying. The suspension was spray dried and granulated according to the procedure described in example 1a. The granules were sintered in a standard muffle furnace in air. The granules were heated at a rate of 1 ° C · min -1 to 700 ° C and kept at this temperature for 6 hours. The chemical composition of the final catalysts included 16.6 wt.% NiO and 83.4 wt.% Al 2 O 3 .

Пример 3. Получение катализаторов Со/СеО2 с разной пористостью способом SDMExample 3. Obtaining catalysts Co / CeO 2 with different porosity by the SDM method

Способ SDM получения катализаторов позволяет получать катализаторы с регулируемыми объемами и размерами пор. Это достигается введением нестойкой порообразующей фазы, например крахмала, целлюлозы или полимера, в суспензию катализатора до распылительной сушки. После прессования высушенных распылением гранул в гранулы или таблетки порообразующую фазу удаляют с помощью регулируемых термообработок.The SDM method of producing catalysts allows to obtain catalysts with controlled volumes and pore sizes. This is achieved by introducing an unstable pore-forming phase, for example starch, cellulose or polymer, into the catalyst slurry before spray drying. After pressing the spray-dried granules into granules or tablets, the pore-forming phase is removed by controlled heat treatments.

Водную суспензию оксида церия и ацетата кобальта, как описано в примере 1а, готовили и измельчали до нужного размера частиц. К суспензии добавляли при быстром перемешивании нестойкую порообразующую фазу - кукурузный крахмал (Collamyl). Суспензию, содержащую фазы катализатора и порообразующую фазу из кукурузного крахмала, подвергают распылительной сушке по методике, описанной в примере 1b. После добавления лубриканта, стеарата алюминия, и регулирования содержания влаги в гранулах, высушенных распылением, получали гранулы или таблетки путем одноосного прессования в форме, как описано в примере 1а.An aqueous suspension of cerium oxide and cobalt acetate, as described in example 1A, was prepared and crushed to the desired particle size. An unstable pore-forming phase, corn starch (Collamyl), was added to the suspension with rapid stirring. The suspension containing the phases of the catalyst and the pore-forming phase of corn starch is spray dried according to the procedure described in example 1b. After adding a lubricant, aluminum stearate, and controlling the moisture content of the spray dried granules, granules or tablets were obtained by uniaxial compression in the form as described in Example 1a.

Для создания регулируемой пористости при сохранении механической целостности гранул порообразующую фазу необходимо удалить регулируемым способом. Это достигается термическим окислением порообразующего вещества при низком парциальном давлении кислорода. Атмосфера состоит из воздуха, разбавленного азотом, так что концентрация кислорода составляет 0,1-2 об.%. Кукурузный крахмал состоит из двух разных полимеров - амилозы и амилопектина. Амилоза состоит из линейных цепочек альфа-связанной глюкозы, а амилопектин состоит из разветвленного полимера альфа-связанной глюкозы. Обычно кукурузный крахмал состоит из 75% амилопектина и 25% амилозы. Оба полимера разлагаются при 240 и 380°С соответственно при контакте с твердыми веществами, например оксидом алюминия. В присутствии катализатора окисления температуру разложения можно понизить на 80-100°С. Выжигание кукурузного крахмала из катализатора кобальт/оксид церия, полученного способом SDM, включает медленное нагревание поверхностного слоя гранул до 170°С. Во время процесса нагревания через слой пропускают газ, состоящий из воздуха, разбавленного азотом, так что концентрация кислорода ниже 1 об.%. Низкая концентрация кислорода ограничивает подъем температуры в слое гранул вследствие окисления амилопектина, менее чем до 50°С. После завершения разложения амилопектина, о чем свидетельствует низкий уровень оксидов углерода в отходящем газе, температуру медленно повышают до 300°С и поддерживают эту температуру до полного разложения амилозы. После удаления крахмала гранулы нагревают на воздухе до 900-1000°С для спекания.To create an adjustable porosity while maintaining the mechanical integrity of the granules, the pore-forming phase must be removed in an adjustable manner. This is achieved by thermal oxidation of the pore-forming substance at a low partial pressure of oxygen. The atmosphere consists of air diluted with nitrogen, so that the oxygen concentration is 0.1-2 vol.%. Corn starch consists of two different polymers - amylose and amylopectin. Amylose consists of linear chains of alpha-linked glucose, and amylopectin consists of a branched polymer of alpha-linked glucose. Typically, corn starch consists of 75% amylopectin and 25% amylose. Both polymers decompose at 240 and 380 ° C, respectively, in contact with solids, such as alumina. In the presence of an oxidation catalyst, the decomposition temperature can be lowered by 80-100 ° C. Burning corn starch from a cobalt / cerium oxide catalyst obtained by the SDM method involves slowly heating the surface layer of the granules to 170 ° C. During the heating process, a gas consisting of air diluted with nitrogen is passed through the layer, so that the oxygen concentration is below 1 vol.%. A low oxygen concentration limits the temperature rise in the granule layer due to the oxidation of amylopectin to less than 50 ° C. After the decomposition of amylopectin is completed, as evidenced by the low level of carbon oxides in the exhaust gas, the temperature is slowly increased to 300 ° C and this temperature is maintained until the amylose is completely decomposed. After starch is removed, the granules are heated in air to 900-1000 ° C for sintering.

Содержание крахмала в суспензии варьировали от 0 до 25 мас.% в расчете на массу оксида церия. Можно изготовить гранулы катализатора с более высоким содержанием порообразующего вещества, но механические свойства гранул после удаления порообразующего вещества весьма низкие.The starch content in the suspension ranged from 0 to 25 wt.% Based on the weight of cerium oxide. It is possible to produce catalyst granules with a higher pore-forming substance content, but the mechanical properties of the granules after removal of the pore-forming substance are very low.

Изменяя количество порообразующей фазы, можно регулировать объем пор. На фиг.3 показано влияние содержания крахмала на пористость гранул в системе Со/СеО2 (номинальный состав: 2 мас.% Со2О3 и 98% СеО2) при различных температурах спекания. По мере увеличения содержания крахмала в составе выше 9% пористость гранул увеличивается. Два свойства критически определяются пористостью катализатора: эффективный коэффициент диффузии внутри гранул по сравнению с коэффициентом диффузии газа в свободном пространстве, и прочность гранул. Эти два свойства для системы Со/СеО2 показаны на фиг.4. Увеличение пористости приводит к увеличению эффективного коэффициента диффузии в грануле с пониженной прочностью. Следовательно, оптимум зависит от конкретного применения.By varying the amount of pore-forming phase, you can adjust the pore volume. Figure 3 shows the effect of starch content on the porosity of the granules in the Co / CeO 2 system (nominal composition: 2 wt.% Co 2 O 3 and 98% CeO 2 ) at various sintering temperatures. As the starch content in the composition exceeds 9%, the porosity of the granules increases. Two properties are critically determined by the porosity of the catalyst: the effective diffusion coefficient inside the granules compared to the diffusion coefficient of gas in free space, and the strength of the granules. These two properties for the Co / CeO 2 system are shown in FIG. 4. The increase in porosity leads to an increase in the effective diffusion coefficient in the granule with reduced strength. Therefore, the optimum depends on the specific application.

При получении гранул или таблеток прессованием или экструзией в отсутствие порообразующей фазы получают пористость в интервале 40-55% при условии, что температуры спекания не очень высоки. Размер пор определяется размером первичных частиц, который зависит от степени измельчения. Чем более эффективен процесс размельчения, тем меньше размер пор между частицами. Однако, если размер частиц меньше одного микрона, большая доля пористости будет составлять меньше 0,1-0,2 мкм. Путем введения порообразующей фазы можно увеличить и пористость и размер пор.When producing granules or tablets by compression or extrusion in the absence of a pore-forming phase, porosity in the range of 40-55% is obtained, provided that the sintering temperatures are not very high. The pore size is determined by the size of the primary particles, which depends on the degree of grinding. The more efficient the grinding process, the smaller the pore size between the particles. However, if the particle size is less than one micron, a large proportion of porosity will be less than 0.1-0.2 microns. By introducing a pore-forming phase, both porosity and pore size can be increased.

Пример 4. Характеристики катализаторов Со/СеО2 в прямом разложении N2OExample 4. Characteristics of the catalysts Co / CeO 2 in the direct decomposition of N 2 O

Катализаторы Со/СеО2 (номинальный состав: 2 мас.% Со2О3 и 98% СеО2) в виде частиц размером 125-200 мкм, изготовленные разными методами, были испытаны в разложении N2O. Результаты приведены на фиг.5. Видна четкая корреляция между активностью катализаторов и дисперсией фазы кобальта. Катализатор, полученный способом SDM с использованием ацетата кобальта, в качестве предшественника показывает наибольшую активность благодаря высокой степени дисперсии кобальта в катализаторе. Катализатор, полученный способом SDM из оксида кобальта в качестве предшественника, показал значительно меньшую активность вследствие низкой дисперсии активной фазы, образующей крупные агломераты оксида кобальта на подложке СеО2 (см. фиг.2В). Катализатор Со/СеО2, полученный методом начальной влажности с использованием ацетата кобальта, приводит к самой низкой активности, которая коррелирует с низкой дисперсией, достигаемой этим способом.Catalysts Co / CeO 2 (nominal composition: 2 wt.% Co 2 O 3 and 98% CeO 2 ) in the form of particles with a size of 125-200 μm, manufactured by different methods, were tested in the decomposition of N 2 O. The results are shown in figure 5 . A clear correlation is seen between the activity of the catalysts and the dispersion of the cobalt phase. The catalyst obtained by the SDM method using cobalt acetate as a precursor shows the highest activity due to the high degree of dispersion of cobalt in the catalyst. The catalyst obtained by the SDM method from cobalt oxide as a precursor showed significantly lower activity due to the low dispersion of the active phase forming large cobalt oxide agglomerates on a CeO 2 substrate (see FIG. 2B). The Co / CeO 2 catalyst obtained by the initial moisture method using cobalt acetate leads to the lowest activity, which correlates with the low dispersion achieved by this method.

Пример 5. Влияние предшественника кобальта на характеристики катализаторов Со/СеО2 в окислении аммиакаExample 5. The influence of the cobalt precursor on the characteristics of the catalyst Co / CeO 2 in the oxidation of ammonia

Катализаторы Со/СеО2 в виде цилиндрических гранул размером 3 мм × 3 мм, полученные способом SDM с использованием растворимых и нерастворимых предшественников кобальта, были испытаны в окислении аммиака (фиг.6). Оба катализатора имели химический состав: 20 мас.% Со2О3 и 80 мас.% СеО2. Катализаторы показали сходные начальные селективности по NO (~85%). Однако начальное образование N2O на катализаторе, полученном с использованием ацетата кобальта как предшественника, было значительно ниже по сравнению с катализатором, полученным с использованием оксида кобальта в качестве предшественника. Более того, оба катализатора сильно различаются по стабильности. Катализатор Со/СеО2, полученный с использованием нерастворимого предшественника кобальта, дезактивируется гораздо быстрее, что ведет к более низкой селективности по NO и повышенному образованию N2O.Catalysts Co / CeO 2 in the form of cylindrical granules of 3 mm × 3 mm in size, obtained by the SDM method using soluble and insoluble cobalt precursors, were tested in the oxidation of ammonia (Fig.6). Both catalysts had a chemical composition: 20 wt.% Co 2 O 3 and 80 wt.% CeO 2 . Catalysts showed similar initial NO selectivities (~ 85%). However, the initial formation of N 2 O on the catalyst obtained using cobalt acetate as a precursor was significantly lower compared to the catalyst obtained using cobalt oxide as a precursor. Moreover, both catalysts vary greatly in stability. The Co / CeO 2 catalyst obtained using the insoluble cobalt precursor deactivates much faster, which leads to lower NO selectivity and increased formation of N 2 O.

Пример 6. Влияние пористости гранул на характеристики катализаторов Со2AlO4/CeO2 в разложении N2OExample 6. The influence of the porosity of the granules on the characteristics of the catalysts Co 2 AlO 4 / CeO 2 in the decomposition of N 2 O

Катализаторы CoAl2O4/CeO2 были получены способом SDM с использованием ацетата кобальта в качестве предшественника с добавлением кукурузного крахмала или без него. Оба катализатора имели химический состав: 1 мас.% Со2О3, 0,3 об.% Al2O3 и 98 мас.% СеО2. Катализаторы в виде цилиндрических гранул 5 мм × 5 мм были испытаны в прямом разложении N2O, чтобы оценить влияние пористости гранул на активность при разложении N2O. Результаты показаны на фиг.7. Добавление крахмала доказало благоприятное влияние на характеристики; катализатор с крахмалом (пористость гранул 65%) показал несколько более высокую конверсию N2O, чем катализатор с 15 мас.% крахмала (пористость гранул 50%).CoAl 2 O 4 / CeO 2 catalysts were prepared by the SDM method using cobalt acetate as a precursor with or without corn starch. Both catalysts had a chemical composition: 1 wt.% Co 2 O 3 , 0.3 vol.% Al 2 O 3 and 98 wt.% CeO 2 . Catalysts in the form of cylindrical granules of 5 mm × 5 mm were tested in direct decomposition of N 2 O to evaluate the effect of the porosity of the granules on the activity during decomposition of N 2 O. The results are shown in Fig.7. The addition of starch has proven to have a beneficial effect on performance; a starch catalyst (granule porosity of 65%) showed a slightly higher N 2 O conversion than a catalyst with 15 wt.% starch (granule porosity of 50%).

Пример 7. Влияние способа получения катализаторов Со2AlO4/CeO2 на разложение N2OExample 7. The influence of the method of producing catalysts Co 2 AlO 4 / CeO 2 on the decomposition of N 2 O

Катализатор CoAl2O4/CeO2 был получен способом SDM с использованием ацетата кобальта в качестве предшественника и с добавлением кукурузного крахмала (15 мас.% в расчете на массу СеО2). Конечный катализатор имел химический состав: 1 мас.% Со2О3, 0,3 об.% Al2O3 и 98 мас.% СеО2. Кроме того, катализатор CoAl2O4/CeO2 был получен соосаждением из раствора предшественников Со, Al и Се (растворимых) раствором основания гидроксида натрия и карбоната натрия. Соосажденный катализатор имел химический состав: 42 мас.% Со2О3, 13,9 мас.% Al2O3 и 42,7 мас.% СеО2. Для оценки активности в разложении N2O использовали катализаторы в виде цилиндрических гранул 5 мм × 5 мм. На фиг.8 проведено сравнение результатов. Катализаторы, полученные способом SDM, проявляют высокую начальную активность и стабильность в течение всей работы. Наблюдается значительная дезактивация (~20% от начальной активности через 30 дней) катализатора, полученного соосаждением. Высокая дисперсность кобальта в оксиде церия облегчает сильное взаимодействие между активной фазой и подложкой, которое стабилизирует состав. Этого невозможно достичь обычными методами, такими как соосаждение, как показано на фигуре.The CoAl 2 O 4 / CeO 2 catalyst was obtained by the SDM method using cobalt acetate as a precursor and with the addition of corn starch (15 wt.% Based on the weight of CeO 2 ). The final catalyst had a chemical composition: 1 wt.% Co 2 O 3 , 0.3 vol.% Al 2 O 3 and 98 wt.% CeO 2 . In addition, the CoAl 2 O 4 / CeO 2 catalyst was prepared by coprecipitation from a solution of Co, Al and Ce precursors (soluble) with a solution of sodium hydroxide base and sodium carbonate. The coprecipitated catalyst had a chemical composition: 42 wt.% Co 2 O 3 , 13.9 wt.% Al 2 O 3 and 42.7 wt.% CeO 2 . To evaluate the activity in the decomposition of N 2 O, catalysts in the form of cylindrical granules of 5 mm × 5 mm were used. On Fig a comparison of the results. The catalysts obtained by the SDM method exhibit high initial activity and stability throughout the work. Significant deactivation (~ 20% of the initial activity after 30 days) of the catalyst obtained by coprecipitation is observed. The high dispersion of cobalt in cerium oxide facilitates a strong interaction between the active phase and the substrate, which stabilizes the composition. This cannot be achieved by conventional methods, such as coprecipitation, as shown in the figure.

Пример 8. Характеристики катализаторов на основе Ni в реформинге метанаExample 8. Characteristics of Ni-based catalysts in methane reforming

Активность катализатора Ni/Al2O3, полученного способом SDM согласно примеру 2, в реформинге метана при различных соотношениях подачи Н2О/CO2/CH4 сравнили с активностью промышленного катализатора реформинга (G91-HGS, Süd-Chemie). Оба катализатора содержали схожие количества никеля: 16,6 мас.% NiO в Ni/Al2O3 и 19 мас.% NiO в промышленных катализаторах. Этот катализатор также содержит другие промоторы, такие как К. Каталитические испытания проводили на частицах 300-500 мкм и получали величины собственной активности. Активность непромотированного катализатора Ni/Al2O3, полученного способом SDM, при 650°С, выраженная как мольная доля продукта (на сухую основу), выше, чем активность современного промышленного Ni-катализатора (фиг.9). Были получены конверсии метана 26% (SDM) и 23% (промышленный). Активность катализатора SDM уменьшается при увеличении относительного содержания СО2 в подаваемой смеси (сухой реформинг). Активность промышленного катализатора в смеси Н2О/CO2/CH4=1/1/1 выше, чем катализатора Ni/Al2O, полученного методом SDM. Это может быть обусловлено присутствием промоторов в промышленном катализаторе, которые уменьшают скорость образования кокса, в то время как в составе катализатора SDM не присутствовали другие металлы, чем Ni.The activity of the Ni / Al 2 O 3 catalyst obtained by the SDM method according to Example 2 in methane reforming at various feed ratios of H 2 O / CO 2 / CH 4 was compared with the activity of an industrial reforming catalyst (G91-HGS, Süd-Chemie). Both catalysts contained similar amounts of nickel: 16.6 wt.% NiO in Ni / Al 2 O 3 and 19 wt.% NiO in industrial catalysts. This catalyst also contains other promoters, such as K. Catalytic tests were carried out on particles of 300-500 microns and received the values of their own activity. The activity of the unpromoted Ni / Al 2 O 3 catalyst obtained by the SDM method at 650 ° C, expressed as the molar fraction of the product (on a dry basis), is higher than the activity of a modern industrial Ni-catalyst (Fig. 9). Methane conversions of 26% (SDM) and 23% (industrial) were obtained. The activity of the SDM catalyst decreases with increasing relative CO 2 content in the feed mixture (dry reforming). The activity of an industrial catalyst in a mixture of H 2 O / CO 2 / CH 4 = 1/1/1 is higher than the catalyst Ni / Al 2 O obtained by the SDM method. This may be due to the presence of promoters in the industrial catalyst, which reduce the rate of coke formation, while other metals than Ni were not present in the SDM catalyst.

Способ нанесения распылением позволяет получать катализаторы с однородным распределением активной фазы и равномерной и регулируемой пористостью при некотором регулировании размера пор. Превосходные характеристики катализаторов, полученных способом SDM, по сравнению с другими традиционными способами (соосаждение или пропитка) были доказаны в различных применениях, включая прямое разложение N2O, окисление аммиака и реформинг метана с водяным паром.The spray application method allows to obtain catalysts with a uniform distribution of the active phase and uniform and controlled porosity with some control of pore size. The superior performance of the catalysts obtained by the SDM method compared to other conventional methods (coprecipitation or impregnation) has been proven in various applications, including direct decomposition of N 2 O, oxidation of ammonia and methane reforming with water vapor.

Claims (17)

1. Способ получения пористых веществ на подложке для каталитических применений, в котором один или более растворимый(х) предшественник(ов) металла активной фазы добавляют к суспензии, состоящей из нерастворимой фазы подложки в воде или органическом растворителе, суспензию подвергают мокрому измельчению для уменьшения размера частиц фазы подложки до меньше 50 мкм, добавляют добавки, способствующие обработке до или после измельчения, добавляют порообразующее вещество и суспензию, вязкость которой поддерживают при 100-5000 сП, подвергают распылительной сушке, прессуют и подвергают термической обработке для удаления порообразующего вещества и спекают.1. A method of producing porous substances on a substrate for catalytic applications, in which one or more soluble (s) precursor (s) of the active phase metal is added to a suspension consisting of an insoluble phase of the substrate in water or an organic solvent, the suspension is wet milled to reduce size particles of the phase of the substrate to less than 50 microns, add additives that facilitate processing before or after grinding, add a pore-forming substance and a suspension, the viscosity of which is maintained at 100-5000 cP, subjected to Call duration dried, pressed and thermally treated to remove the pore-forming substance and sintered. 2. Способ по п.1, в котором размер частиц уменьшают до 0,1-10 мкм, предпочтительно 1 мкм.2. The method according to claim 1, in which the particle size is reduced to 0.1-10 μm, preferably 1 μm. 3. Способ по п.1, в котором вязкость суспензии поддерживают при примерно 1000 сП.3. The method according to claim 1, in which the viscosity of the suspension is maintained at about 1000 cP. 4. Способ по п.3, в котором порообразующее вещество удаляют при давлении 10-20 мбар О2, разбавленного инертным газом, при 300-400°С.4. The method according to claim 3, in which the pore-forming substance is removed at a pressure of 10-20 mbar O 2 diluted with an inert gas at 300-400 ° C. 5. Способ по п.4, в котором скорость нагревания является по возможности низкой, обычно 1°С·мин-1.5. The method according to claim 4, in which the heating rate is as low as possible, usually 1 ° C · min -1 . 6. Способ по п.1, в котором фаза подложки представляет собой одно или более соединений, выбранных из Al2O3, SiO2, ZrO2, TiO2, ZnO, MgO, MgAl2O4, CoAl2O4 и CeO2.6. The method according to claim 1, in which the phase of the substrate is one or more compounds selected from Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 , TiO 2 , ZnO, MgO, MgAl 2 O 4 , CoAl 2 O 4 and CeO 2 . 7. Способ по п.1, в котором металл активной фазы выбирают из переходных металлов, например Со, Ni, Cu, Fe, благородных металлов, например Pt, Rh, Ru, лантанидов, например La, Се, а также других элементов Периодической таблицы, которые могут действовать как стабилизаторы или промоторы - щелочные земли, например Na, Mg, K, Cs, или другие трехвалентные невосстанавливающиеся металлы, например Al, Ga.7. The method according to claim 1, in which the metal of the active phase is selected from transition metals, for example Co, Ni, Cu, Fe, noble metals, for example Pt, Rh, Ru, lanthanides, for example La, Ce, as well as other elements of the Periodic table which can act as stabilizers or promoters - alkaline earths, such as Na, Mg, K, Cs, or other trivalent non-reducing metals, such as Al, Ga. 8. Способ по п.7, в котором предшественник активной фазы представляет собой одно или более соединений, выбранных из ацетатов, нитратов, сульфатов, оксалатов, ацетилацетонатов, предпочтительно ацетатов.8. The method according to claim 7, in which the precursor of the active phase is one or more compounds selected from acetates, nitrates, sulfates, oxalates, acetylacetonates, preferably acetates. 9. Способ по п.1, в котором используемое порообразующее вещество представляет собой целлюлозу, крахмал или полимерные волокна.9. The method according to claim 1, in which the pore-forming substance used is cellulose, starch or polymer fibers. 10. Способ по п.1, в котором добавки, способствующие обработке, представляют собой диспергаторы, связующие, пластификаторы, лубриканты, модификаторы рН и т.д.10. The method according to claim 1, in which the additives that contribute to the processing, are dispersants, binders, plasticizers, lubricants, pH modifiers, etc. 11. Способ получения пористых катализаторов на подложке для разложения N2O, в котором растворимый предшественник кобальта добавляют к суспензии оксида церия и добавок, способствующих обработке, в воде, суспензию измельчают до размера частиц меньше 10 мкм, добавляют порообразующее вещество, вязкость регулируют до примерно 1000 сП перед тем, как суспензию подвергают распылительной сушке с последующим прессованием, удаляют порообразующее вещество и продукт спекают.11. A method of obtaining porous catalysts on a substrate for the decomposition of N 2 O, in which a soluble cobalt precursor is added to a suspension of cerium oxide and processing aids in water, the suspension is ground to a particle size of less than 10 μm, a pore-forming substance is added, the viscosity is adjusted to about 1000 cP before the suspension is spray dried, followed by compression, the pore-forming substance is removed and the product is sintered. 12. Способ по п.11, в котором добавляют оксид циркония и/или растворимое соединение алюминия.12. The method according to claim 11, in which zirconia and / or a soluble aluminum compound are added. 13. Способ по п.11, в котором в качестве предшественника используют ацетат кобальта.13. The method according to claim 11, in which cobalt acetate is used as a precursor. 14. Применение вещества, полученного по любому из пп.11-13, в качестве катализатора для разложения N2O.14. The use of the substance obtained according to any one of paragraphs.11-13, as a catalyst for the decomposition of N 2 O. 15. Применение вещества, полученного по любому из пп.1-10, в качестве катализатора для разложения N2O.15. The use of the substance obtained according to any one of claims 1 to 10, as a catalyst for the decomposition of N 2 O. 16. Применение вещества, полученного по любому из пп.1-10, в качестве катализатора окисления аммиака.16. The use of the substance obtained according to any one of claims 1 to 10, as a catalyst for the oxidation of ammonia. 17. Применение вещества, полученного по любому из пп.1-10, в качестве катализатора реформинга метана с водяным паром.17. The use of substances obtained according to any one of claims 1 to 10, as a catalyst for methane reforming with water vapor.
RU2006101148/04A 2003-06-13 2003-06-13 Method of obtaining oxide catalysts on a substrate RU2329100C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006101148/04A RU2329100C2 (en) 2003-06-13 2003-06-13 Method of obtaining oxide catalysts on a substrate

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006101148/04A RU2329100C2 (en) 2003-06-13 2003-06-13 Method of obtaining oxide catalysts on a substrate

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2006101148A RU2006101148A (en) 2006-06-27
RU2329100C2 true RU2329100C2 (en) 2008-07-20

Family

ID=36714570

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006101148/04A RU2329100C2 (en) 2003-06-13 2003-06-13 Method of obtaining oxide catalysts on a substrate

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2329100C2 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2580548C2 (en) * 2011-02-14 2016-04-10 Джонсон Мэтти Паблик Лимитед Компани Catalysts intended for use in steam reforming methods
RU2650495C1 (en) * 2017-05-22 2018-04-16 Акционерное общество "Ангарский завод катализаторов и органического синтеза" (АО "АЗКиОС") Catalyst for vapor hydrocarbon conversion
RU2707880C1 (en) * 2018-12-03 2019-12-02 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (ИК СО РАН) Catalyst and method of producing hydrogen-enriched gaseous mixture from dimethoxymethane and air
RU2733371C1 (en) * 2020-02-17 2020-10-01 Александр Борисович Бодрый Phenom microsphere cracking catalyst and method of preparation thereof
US10843174B2 (en) 2014-12-19 2020-11-24 Johnson Mattey Public Limited Company Catalyst manufacturing method

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2580548C2 (en) * 2011-02-14 2016-04-10 Джонсон Мэтти Паблик Лимитед Компани Catalysts intended for use in steam reforming methods
US10843174B2 (en) 2014-12-19 2020-11-24 Johnson Mattey Public Limited Company Catalyst manufacturing method
RU2744266C2 (en) * 2014-12-19 2021-03-04 Джонсон Мэтти Паблик Лимитед Компани Method of producing catalyst
RU2650495C1 (en) * 2017-05-22 2018-04-16 Акционерное общество "Ангарский завод катализаторов и органического синтеза" (АО "АЗКиОС") Catalyst for vapor hydrocarbon conversion
RU2707880C1 (en) * 2018-12-03 2019-12-02 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (ИК СО РАН) Catalyst and method of producing hydrogen-enriched gaseous mixture from dimethoxymethane and air
RU2733371C1 (en) * 2020-02-17 2020-10-01 Александр Борисович Бодрый Phenom microsphere cracking catalyst and method of preparation thereof

Also Published As

Publication number Publication date
RU2006101148A (en) 2006-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1641562B1 (en) Method for producing supported oxide catalysts
US11772076B2 (en) Preparation method of nitrogen-doped hierarchical-porous carbon-loaded nanometer Pd catalyst and product and application thereof
JP7019813B2 (en) Catalyst for producing α-phenylethanol by hydrogenation of acetophenone, its production method and application
JP2006527065A5 (en)
US5134109A (en) Catalyst for reforming hydrocarbon with steam
WO2010095599A1 (en) Copper-based catalyst manufacturing method, copper-based catalyst, and pretreatment method for same
Bankmann et al. Forming of high surface area TiO2 to catalyst supports
CN102883807B (en) Water-forming hydrogenation reactions utilizing enhanced catalyst supports and methods of use
CA2346258A1 (en) Impregnation process for catalysts
JP2008540309A (en) Material production method
JPS58193734A (en) Nickel catalyst on alumina
KR20070039886A (en) Catalyst for the dehydrogenation of ethyl benzene to styrene prepared with a high purity iron precursor
CN114829004B (en) Method for preparing Ni-X-based oxide catalyst and application of Ni-X-based oxide catalyst in transfer hydrogenation
CN112517012B (en) CO (carbon monoxide)2Preparation method and application of catalyst for preparing methanol by hydrogenation
EP4052788A1 (en) Support and ft synthetic catalyst, and preparation methods therefor and applications thereof
RU2329100C2 (en) Method of obtaining oxide catalysts on a substrate
JPS6212614A (en) Manufacture of alumina with macropores
US4598060A (en) Process for the preparation of wide pore catalysts
JP6824168B2 (en) How to prepare the catalyst
CN112275271A (en) Hydrotalcite slurry, preparation thereof, structured catalyst and preparation method thereof
CN108430629B (en) Hydrogenation catalyst and process for its preparation
JPS6331541A (en) Preparation of fluidized catalyst for synthesis of methanol
EP0019674B1 (en) Process for the production of a hollow catalyst carrier made of transition-alumina
JP3752529B2 (en) Iridium support material, iridium support method, and iridium support catalyst
US20090078157A1 (en) Inorganic sheet materials