RU2745741C1 - Method for producing catalyst and ammonia oxidation catalyst itself - Google Patents

Method for producing catalyst and ammonia oxidation catalyst itself Download PDF

Info

Publication number
RU2745741C1
RU2745741C1 RU2020126132A RU2020126132A RU2745741C1 RU 2745741 C1 RU2745741 C1 RU 2745741C1 RU 2020126132 A RU2020126132 A RU 2020126132A RU 2020126132 A RU2020126132 A RU 2020126132A RU 2745741 C1 RU2745741 C1 RU 2745741C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
catalyst
platinum
ammonia
alloys
aluminum
Prior art date
Application number
RU2020126132A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Александрович Ястребов
Людмила Эдуардовна Морозова
Вадим Игоревич Драчев
Илья Валерьевич Елисеев-Федоров
Андрей Михайлович Харламов
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-производственный комплекс "Суперметалл" имени Е.И. Рытвина"
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 Акционерное общество "Научно-производственный комплекс "Суперметалл" имени Е.И. Рытвина" filed Critical Акционерное общество "Научно-производственный комплекс "Суперметалл" имени Е.И. Рытвина"
Priority to RU2020126132A priority Critical patent/RU2745741C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2745741C1 publication Critical patent/RU2745741C1/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J21/00Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
    • B01J21/02Boron or aluminium; Oxides or hydroxides thereof
    • B01J21/04Alumina
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/0201Impregnation
    • B01J37/0207Pretreatment of the support
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/0201Impregnation
    • B01J37/0211Impregnation using a colloidal suspension
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/0201Impregnation
    • B01J37/0213Preparation of the impregnating solution
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/08Heat treatment
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/34Irradiation by, or application of, electric, magnetic or wave energy, e.g. ultrasonic waves ; Ionic sputtering; Flame or plasma spraying; Particle radiation
    • B01J37/341Irradiation by, or application of, electric, magnetic or wave energy, e.g. ultrasonic waves ; Ionic sputtering; Flame or plasma spraying; Particle radiation making use of electric or magnetic fields, wave energy or particle radiation
    • B01J37/347Ionic or cathodic spraying; Electric discharge

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: method for preparing a catalyst on a metal support made of iron-chromium-aluminum alloys includes oxidative annealing of the support, applying a protective and catalytic coating to its surface, and the catalytic coating is formed by impregnating the active alumina support with a hydrosol containing dispersed particles of platinum metals or alloys, and subsequent drying. In this case, the mesh is annealed at temperatures of 1050-1100 °C for 1-2 hours in air, then an aqueous sol and (or) suspension is applied containing 0.5-1.0 mass% of aluminum hydroxide and 0.1-0.2 wt.% surfactant, dried and calcined, and the hydrosol of catalytically active particles is obtained by arc electric pulse dispersion of platinum metals and alloys in water. Describes a catalyst for the oxidation of ammonia, obtained according to the above method, made on a substrate of woven metal mesh, containing 0.1-0.3 wt.% active alumina, 0.005-0.1 wt.% platinum or platinum alloy. The catalyst can also be used for other heterogeneous catalytic processes with activation by platinum metals and alloys.
EFFECT: technical result is a reduction in the time of technological processes, the absence of harmful emissions during production, a low content of platinum group metals, due to which the cost of the catalyst is significantly reduced.
2 cl, 1 tbl, 4 ex

Description

Изобретение относится к области получения гетерогенных катализаторов на носителях с покрытиями на основе активного оксида алюминия, содержащих каталитически активные металлы платиновой группы (МПГ). Такие катализаторы могут использоваться, преимущественно, для окисления аммиака в производстве азотной кислоты, гидроксила-минсульфата, синильной кислоты, а также для обезвреживания отходящих газов промышленных производств, выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания и др.The invention relates to the field of obtaining heterogeneous catalysts on supports coated with active alumina containing catalytically active platinum group metals (PGM). Such catalysts can be used mainly for the oxidation of ammonia in the production of nitric acid, hydroxylamine sulfate, hydrocyanic acid, as well as for the neutralization of industrial waste gases, exhaust gases of internal combustion engines, etc.

Каталитическое окисление аммиака для получения азотной кислоты является крупномасштабным производством, в процессе которого оксид азота (NO) в качестве первого полупродукта получают при температуре 800-950°С в газовом потоке аммиачно-воздушной смеси с использованием катализаторов в виде проволочных тканых или вязаных сеток из сплавов на основе платины с МПГ (в качестве легирующих элементов обычно используются Rh, Pd и Ru). Использование такой технологической схемы, известной как процесс Оствальда, обеспечивает достаточно высокие производительность и срок непрерывной эксплуатации оборудования. Однако при высоких температурах в реакционном газовом потоке происходят значительные потери МПГ, связанные с физико-химическим воздействием на поверхность и внутреннюю структуру проволоки (образование и унос газообразных оксидов, перекристаллизация поверхности проволоки, рост зерна, накопление примесей в сплавах и т.д.), приводящим к снижению эффективности катализатора в реакционной зоне, в том числе, и за счет механического разрушения сеток. Эти потери МПГ могут составлять более 50% от массы установленного катализатора и в значительной степени влияют на себестоимость конечного продукта.The catalytic oxidation of ammonia for the production of nitric acid is a large-scale production, during which nitrogen oxide (NO) as the first intermediate product is obtained at a temperature of 800-950 ° C in a gas stream of an ammonia-air mixture using catalysts in the form of wire woven or knitted nets made of alloys based on platinum with PGM (usually Rh, Pd and Ru are used as alloying elements). The use of such a technological scheme, known as the Ostwald process, provides a sufficiently high productivity and continuous operation of the equipment. However, at high temperatures, significant losses of PGMs occur in the reaction gas flow associated with physicochemical effects on the surface and internal structure of the wire (formation and entrainment of gaseous oxides, recrystallization of the wire surface, grain growth, accumulation of impurities in alloys, etc.), leading to a decrease in the efficiency of the catalyst in the reaction zone, including due to mechanical destruction of the nets. These losses of PGM can be more than 50% of the weight of the installed catalyst and significantly affect the cost of the final product.

Одним из путей повышения эффективности процесса каталитического окисления аммиака путем снижения вложений МПГ и их потерь является замена, по крайней мере, части сеточных катализаторов из сплавов на основе платины на более дешевые катализаторы.One of the ways to increase the efficiency of the catalytic oxidation of ammonia by reducing the investment of PGMs and their losses is to replace at least some of the gauze catalysts made of platinum-based alloys with cheaper catalysts.

Известен, так называемый, двухступенчатый процесс окисления аммиака, в котором первой ступенью являются сетки из сплавов на основе платины, второй - катализаторы на основе оксидов неблагородных металлов, таких как кобальт, железо, хром и др. Катализаторы второй ступени могут использоваться в виде слоя гранул или регулярных сотовых структур. Процесс производства азотной кислоты с конверсией при атмосферном давлении с использованием двухступенчатого окисления аммиака обеспечил 40%-ное снижение вложений и потерь МПГ.Known is the so-called two-stage ammonia oxidation process, in which the first stage is a network of platinum-based alloys, the second is catalysts based on oxides of base metals such as cobalt, iron, chromium, etc. Catalysts of the second stage can be used in the form of a layer of granules or regular honeycomb structures. Nitric acid production process with conversion at atmospheric pressure using two-stage ammonia oxidation provided a 40% reduction in the investment and loss of PGMs.

В аппаратах конверсии аммиака среднего и высокого давления, работающих при более высоких температурах, эффективность оксидных катализаторов второй ступени оказалась не столь значительной, и они не нашли широкого промышленного применения. Причина этого - нестабильность свойств катализаторов, узкий температурный рабочий интервал и недостаточная селективность (выход оксида двухвалентного азота NO).In apparatuses for the conversion of medium and high pressure ammonia, operating at higher temperatures, the efficiency of the second stage oxide catalysts was not so significant, and they did not find wide industrial application. The reason for this is the instability of the properties of the catalysts, a narrow temperature operating range, and insufficient selectivity (the yield of bivalent nitrogen oxide NO).

В настоящее время общепризнано, что платина и ее сплавы с МПГ в процессах каталитического окисления аммиака до NO значительно превосходят другие катализаторы по активности и селективности. Одним из путей снижения вложения МПГ и одновременно потерь МПГ является разработка и использование катализаторов на носителях, в которых за счет распределения дисперсных частиц активного компонента на развитой поверхности носителя создаются условия для высокоэффективного каталитического процесса.It is now generally accepted that platinum and its alloys with PGM in the catalytic oxidation of ammonia to NO are significantly superior in activity and selectivity to other catalysts. One of the ways to reduce the investment of PGMs and, at the same time, losses of PGMs is the development and use of catalysts on supports, in which, due to the distribution of dispersed particles of the active component on the developed surface of the support, conditions are created for a highly efficient catalytic process.

Перспективными основами (подложками) для носителей катализаторов окисления аммиака с дисперсными частицами МПГ являются сетчатые структуры из прецизионных жаростойких сплавов системы железо-хром-алюминий с модифицирующими добавками Ti, Y, Zr (фехраль, Fecralloy, Megapyr, Kanthal и т.п.). Установлено, что сетки из этих сплавов в условиях работы агрегатов конверсии аммиака не влияют на ход целевого превращения NH3 в NO и при этом способны улавливать часть МПГ, теряемых сеточными катализаторами из платиновых сплавов (Караваев М.М. и др. Каталитическое окисление аммиака.- М.: Химия, 1983, с. 106). В настоящее время сетки из фехралей благодаря высокой жаростойкости, удовлетворительной жаропрочности и относительной дешевизне широко используются в агрегатах окисления аммиака, например, в качестве разделительных сеток в системах улавливания МПГ на основе палладия и в составе поддерживающих устройств.Promising bases (substrates) for carriers of catalysts for the oxidation of ammonia with dispersed particles of PGM are network structures of precision heat-resistant alloys of the iron-chromium-aluminum system with modifying additives Ti, Y, Zr (Fechral, Fecralloy, Megapyr, Kanthal, etc.). It was found that grids made of these alloys under the operating conditions of ammonia conversion units do not affect the course of the target conversion of NH 3 to NO and, at the same time, are able to trap a part of the PGM lost by grid catalysts made of platinum alloys (Karavaev MM et al. Catalytic oxidation of ammonia. - M .: Chemistry, 1983, p. 106). At present, fechral nets, due to their high heat resistance, satisfactory heat resistance, and relative cheapness, are widely used in ammonia oxidation units, for example, as separating nets in palladium-based PGM collection systems and as part of supporting devices.

Основной задачей при разработке катализаторов на металлической подложке является создание на ее поверхности термостойкого пористого покрытия носителя из материала инертного к МПГ. Наличие высокой удельной поверхности носителя обеспечивает стабильность активных компонентов - МПГ, что определяет их высокую каталитическую активность и долговечность.The main task in the development of catalysts on a metal substrate is to create on its surface a heat-resistant porous coating of a support made of a material inert to PGM. The presence of a high specific surface area of the support ensures the stability of the active components - PGMs, which determines their high catalytic activity and durability.

Известен катализатор для окисления аммиака на сеточном металлическом носителе из жаростойких сталей состава: Fe - (23-25) % Cr - 5% Al - 1% Ti или Ni (здесь и далее, если не указано иное - масс. %), на поверхность которых нанесен нанокристаллический слой платины в количестве 0,20-0,40% от массы компонентов носителя (Пат. РФ №2 638 927 МПК B01J 23/42, B01J 23/881, 2017 г. ). В патенте не указано, что означает термин «нанокристаллический слой» и каким образом он может быть нанесен на поверхность сеток. По-видимому, имеется в виду исходная структура активного покрытия, которая в условиях процесса каталитического окисления аммиака на фоне обычных потерь платины будет претерпевать рекристаллиза-ционные изменения и загрязнения железом из состава носителя, приводящим к быстрой деградации исходных свойств катализатора. Заявленная длительная активность катализатора поддерживается за счет известного механизма осаждения платины на поверхности используемого металлического носителя. Таким образом, недостатком этого катализатора является низкий срок службы и высокое содержание платины.Known catalyst for the oxidation of ammonia on a mesh metal support made of heat-resistant steels of the composition: Fe - (23-25)% Cr - 5% Al - 1% Ti or Ni (hereinafter, unless otherwise indicated - wt.%), To the surface which deposited a nanocrystalline layer of platinum in the amount of 0.20-0.40% of the mass of the components of the carrier (Patent RF No. 2 638 927 IPC B01J 23/42, B01J 23/881, 2017). The patent does not specify what the term "nanocrystalline layer" means and how it can be applied to the surface of the meshes. Apparently, we mean the initial structure of the active coating, which under the conditions of the catalytic oxidation of ammonia against the background of usual losses of platinum will undergo recrystallization changes and contamination with iron from the composition of the support, leading to a rapid degradation of the initial properties of the catalyst. The claimed long-term activity of the catalyst is maintained by the known mechanism for the deposition of platinum on the surface of the metal carrier used. Thus, the disadvantages of this catalyst are the low lifetime and high platinum content.

Известен многослойный катализатор на носителе из металла или металлического сплава (Пат. США №3 907 708, 1975). Указанный носитель покрыт слоем алюминида никеля, кобальта, железа, хрома и их смеси, слой алюминида металла покрыт слоем альфа-оксида алюминия толщиной по меньшей мере 10 микрон и на слой альфа-оксида алюминия (α-Al2O3) нанесено покрытие из гамма- или эта-оксида алюминия (γ- или η-Al2O3), несущее каталитический поверхностный слой металла, выбранного из семейства МПГ или их смесей. При этом носитель из металла или металлического сплава выбирают из группы, состоящей из железа, стали, ферронике-лей, никеля, хромоникелей, ферритов, аустенитов, нержавеющих сталей, сплавов кобальт-хром и кобальт-никель-хром, а покрытия из оксида алюминия получают из щелочных алюминатов, что требует дополнительных операций очистки покрытий. Описанный способ покрытия первого слоя алюминида технологически сложен и не может быть использован в случае использования металлических сеток из тонкой проволоки в качестве основы катализатора.Known multilayer catalyst on a metal or metal alloy carrier (US Pat. No. 3 907 708, 1975). The specified support is coated with a layer of aluminide of nickel, cobalt, iron, chromium and their mixtures, the layer of metal aluminide is coated with a layer of alpha-alumina at least 10 microns thick and the layer of alpha-alumina (α-Al 2 O 3 ) is coated with a gamma - or eta-alumina (γ- or η-Al 2 O 3 ), bearing a catalytic surface layer of a metal selected from the PGM family or mixtures thereof. In this case, a metal or metal alloy carrier is selected from the group consisting of iron, steel, ferronickel, nickel, chromium-nickel, ferrite, austenite, stainless steel, cobalt-chromium and cobalt-nickel-chromium alloys, and alumina coatings are obtained from alkaline aluminates, which requires additional cleaning operations for the coatings. The described method of coating the first layer of aluminide is technologically complex and cannot be used in the case of using metal nets made of thin wire as the catalyst base.

Известен также катализатор для разложения закиси азота в процессе Оствальда, один из вариантов которого включает нанесение на сетку из FeCrAl-сплава известным способом активную поверхностную оболочку из γ-Al2O3, сушку и обжиг при высокой температуре (950°С), чтобы осуществить превращение в α-Al2O3, и затем нанесение также по известному способу покрытий Rh или Pd-Rh, или RhxOy (патент РФ №2304465 МПК B01J 23/56, B01J 21/04, 2007). Однако этот катализатор предназначен для вспомогательной функции в процессе окисления аммиака - снижения содержания вредных выбросов закиси азота, располагается под катализаторными и улавливающими системами из МПГ и практически не участвует в целевом окислении аммиака до NO.There is also known a catalyst for the decomposition of nitrous oxide in the Ostwald process, one of the variants of which includes applying an active surface shell of γ-Al 2 O 3 to a FeCrAl-alloy mesh in a known manner, drying and firing at a high temperature (950 ° C), in order to carry out transformation into α-Al 2 O 3 , and then applying also according to the known method of coatings Rh or Pd-Rh, or Rh x O y (RF patent No. 2304465 IPC B01J 23/56, B01J 21/04, 2007). However, this catalyst is intended for an auxiliary function in the process of ammonia oxidation - to reduce the content of harmful nitrous oxide emissions, is located under the catalyst and capture systems made of PGM and practically does not participate in the target oxidation of ammonia to NO.

Известен способ получения катализатора (патент РФ №2 005 538 МПК B01J 37/03, B01J 23/46, 1992), включающий нанесение на носитель из стали (сплава на основе железа с содержанием хрома 15-23% и алюминия 4,5-5,1%) слоя оксида алюминия с последующей его пропиткой водными растворами солей церия, платины, родия, сушкой и восстановлением, причем нанесение слоя оксида алюминия проводят в водном растворе едкого натра с концентрацией 0,7-1,5% при непосредственном растворении алюминия с последующей сушкой и прокалкой, а восстановление платины и родия ведут в токе водорода. При этом носитель предварительно подвергают окислительному отжигу при 900-950°С, 20 ч, а длительность последующих операций нанесения слоя оксида алюминия, сушки, пропитки и восстановления МПГ составляет несколько десятков часов (более 60 ч). К недостаткам описанного способа следует отнести то, что из-за большой толщины слоя оксида алюминия (10-20%), покрытие имеет низкие термостойкость и прочность сцепления с металлической поверхностью, а получаемое оксидное покрытие, очевидно, будет загрязнено натрием, обычно снижающим свойства катализатора. Кроме того, большая длительность технологического процесса определяет высокую стоимость катализатора.There is a known method of producing a catalyst (RF patent No. 2 005 538 IPC B01J 37/03, B01J 23/46, 1992), including applying to a support made of steel (an iron-based alloy with a chromium content of 15-23% and aluminum 4.5-5 , 1%) layer of aluminum oxide, followed by its impregnation with aqueous solutions of salts of cerium, platinum, rhodium, drying and reduction, and the application of the layer of aluminum oxide is carried out in an aqueous solution of sodium hydroxide with a concentration of 0.7-1.5% with direct dissolution of aluminum with subsequent drying and calcination, and the reduction of platinum and rhodium is carried out in a stream of hydrogen. In this case, the support is preliminarily subjected to oxidative annealing at 900-950 ° C for 20 h, and the duration of subsequent operations of applying a layer of aluminum oxide, drying, impregnation and reduction of PGM is several tens of hours (more than 60 h). The disadvantages of the described method include the fact that due to the large thickness of the aluminum oxide layer (10-20%), the coating has low heat resistance and adhesion strength to the metal surface, and the resulting oxide coating will obviously be contaminated with sodium, which usually reduces the properties of the catalyst ... In addition, the long duration of the technological process determines the high cost of the catalyst.

Известен также способ приготовления катализатора, включающий предварительную обработку инертного носителя, нанесение на его поверхность промежуточного покрытия из оксида алюминия и одного или нескольких каталитически активных металлов платиновой группы (патент РФ №2 169 614 МПК B01J 37/025, B01J 23/63, 2000), отличающийся тем, что вначале носитель, представляющий собой блок из Al-содержащей фольги, прокаливают при температуре 850-920°С в токе воздуха или кислорода в течение 12-15 ч, а затем наносят на него промежуточное покрытие - оксид алюминия из суспензии гидроксида алюминия в растворе нитратов алюминия и церия, причем конечное содержание оксида алюминия в катализаторе составляет 7-14%. Недостатком этого способа является низкие показатели термостойкости и прочности сцепления покрытия вследствие его большой толщины, а также большая длительность термической обработки (прокалки) для образования обогащенного Al2O3 оксидного слоя на поверхности сплава.There is also known a method for preparing a catalyst, including pretreating an inert carrier, applying on its surface an intermediate coating of aluminum oxide and one or more catalytically active platinum group metals (RF patent No. 2 169 614 IPC B01J 37/025, B01J 23/63, 2000) characterized in that at first the carrier, which is a block of Al-containing foil, is calcined at a temperature of 850-920 ° C in a stream of air or oxygen for 12-15 hours, and then an intermediate coating is applied to it - aluminum oxide from a hydroxide suspension aluminum in a solution of aluminum and cerium nitrates, and the final content of aluminum oxide in the catalyst is 7-14%. The disadvantage of this method is the low heat resistance and adhesion strength of the coating due to its large thickness, as well as the long duration of heat treatment (calcination) to form an Al 2 O 3- enriched oxide layer on the alloy surface.

Известен способ (патент РФ №2 378 051, МПК B01J 37/025, 2008) приготовления катализатора, который включают предварительную термическую обработку инертного носителя (в описании - это сетки из нержавеющих стали, к которым авторы ошибочно причисляют прецизионный сплав Х23Ю5Т) в токе воздуха или кислорода, а получение промежуточного покрытия оксида алюминия осуществляют нанесением геля, полученного по известной реакции взаимодействия нитрата алюминия с водным раствором аммиака с образованием гидроксида алюминия и раствора нитрата аммония. Причем, исходя из стехиометрии реакции, заявленные исходные концентрации реагентов в рассматриваемом патенте таковы, что в избытке реакции могут находиться как аммиак, так и нитрат алюминия (в этом случае образуется смесь растворов солей). В патенте нет информации о технологии нанесения на сетки полученных реагентов принципиально различных консистенций (гель и раствор), но сообщается, что при нанесении геля, получают покрытие из оксида алюминия, составляющее от 0,5 до 5,5% от массы носителя, при этом диапазон заявленных концентраций исходной соли алюминия изменяется лишь в 3,3 раза. Недостатками этого способа является длительная предварительная термическая обработка металлического носителя (900°С, 12 ч), наличие вредных выбросов при формировании оксидного покрытия (при разложении нитрата аммония, нитрата алюминия) и нанесении МПГ, низкая удельная поверхность получаемого промежуточного покрытия из оксида алюминия (20 м2/г).There is a known method (RF patent No. 2 378 051, IPC B01J 37/025, 2008) for preparing a catalyst, which includes preliminary heat treatment of an inert carrier (in the description, these are stainless steel meshes, to which the authors mistakenly classify precision alloy X23Yu5T) in a stream of air or oxygen, and obtaining an intermediate coating of aluminum oxide is carried out by applying a gel obtained by the known reaction of interaction of aluminum nitrate with an aqueous solution of ammonia with the formation of aluminum hydroxide and a solution of ammonium nitrate. Moreover, based on the stoichiometry of the reaction, the stated initial concentrations of the reagents in the patent under consideration are such that both ammonia and aluminum nitrate can be in excess of the reaction (in this case, a mixture of salt solutions is formed). The patent does not contain information about the technology of applying the obtained reagents to the mesh of fundamentally different consistencies (gel and solution), but it is reported that when the gel is applied, a coating of aluminum oxide is obtained, constituting from 0.5 to 5.5% of the mass of the carrier, while the range of stated concentrations of the starting aluminum salt changes only 3.3 times. The disadvantages of this method are long preliminary heat treatment of the metal carrier (900 ° C, 12 h), the presence of harmful emissions during the formation of an oxide coating (during the decomposition of ammonium nitrate, aluminum nitrate) and the application of PGMs, a low specific surface area of the resulting intermediate coating of aluminum oxide (20 m 2 / g).

Аналогичный предыдущему способ приготовления катализатора (патент РФ №2 703 560, МПК B01J 37/025, 2019) отличается тем, что в данном случае активные реагенты выбраны в соотношении с избытком нитрата алюминия, а в состав для нанесения оксида алюминия дополнительно введена гелеобразующая добавка. Недостатки способа - те же, что приведены выше по техническому решению, описанному в патенте РФ №2 378 051.A catalyst preparation method similar to the previous one (RF patent No. 2 703 560, IPC B01J 37/025, 2019) differs in that in this case the active reagents are selected in proportion to an excess of aluminum nitrate, and a gelling additive is additionally introduced into the composition for applying aluminum oxide. The disadvantages of the method are the same as those given above according to the technical solution described in the patent of the Russian Federation No. 2 378 051.

Необходимо отметить, что все описанные выше способы получения включают формирование активного слоя катализаторов путем нанесения на поверхность или пористые структуры из оксида алюминия растворов соединений МПГ с последующими операциями сушки и различными вариантами восстановления солей до металла. Причем, например, для термического восстановления платины, во избежание больших потерь последней, требуется длительный многоступенчатый отжиг. По этой технологии получение катализаторов из сплавов МПГ практически невозможно из-за того, что соли восстанавливаются при различных температурах и, соответственно, по крайней мере, изначально можно получить только механическую смесь МПГ на носителе. При высоких температурах эксплуатации возможна коалесценция и коагуляция нанесенных частиц МПГ с образованием сплавов, что приводит к уменьшению их активной поверхности и изменению свойств катализатора.It should be noted that all the above-described production methods include the formation of an active layer of catalysts by applying solutions of PGM compounds to the surface or porous structures of aluminum oxide, followed by drying operations and various options for reducing salts to metal. Moreover, for example, for the thermal reduction of platinum, in order to avoid large losses of the latter, a long multistage annealing is required. Using this technology, it is practically impossible to obtain catalysts from PGM alloys due to the fact that salts are reduced at different temperatures and, accordingly, at least initially, only a mechanical mixture of PGMs on a support can be obtained. At high operating temperatures, coalescence and coagulation of deposited PGM particles with the formation of alloys is possible, which leads to a decrease in their active surface and a change in the properties of the catalyst.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является катализатор и способ получения катализатора (прототип) описанный в Пат. США №4 096 095, 1979, где подложку из сплава Fecralloy на основе железа, содержащего алюминий и хром, в виде порошка, листовой сотовой структуры или сетки подвергают предварительной термообработке на воздухе при 1000°С, 2-12 ч с целью образования на его поверхности оксидной пленки, обогащенной оксидом алюминия, на которую наносят «смешанный» гидрозоль, содержащий коллоидные частицы Al2O3, полученные путем конденсации из паровой фазы, и растворимую соль Cr, термически разлагаемую до Cr2O3. После сушки и обжига получают защитное покрытие из Al2O3 в сочетании с Cr2O3 и далее на полученное покрытие наносят другую водную дисперсию с коллоидным Al2O3 и растворенными соединениями МПГ, которые впоследствии восстанавливают до металлического состояния. Недостатком этого способа является технологически сложная стадия получения коллоидного оксида алюминия. Кроме того, используемые золи с большим содержанием оксида алюминия (9-13,5 масс. %) приводят к формированию покрытий большой толщины, имеющих низкую термостойкость и, соответственно, ограниченный ресурс при высокотемпературной эксплуатации.The closest in technical essence and the achieved effect is a catalyst and a method for producing a catalyst (prototype) described in US Pat. USA No. 4 096 095, 1979, where a substrate made of Fecralloy based on iron containing aluminum and chromium, in the form of a powder, a sheet honeycomb structure or a mesh, is subjected to preliminary heat treatment in air at 1000 ° C, 2-12 hours in order to form on it the surface of an oxide film enriched with alumina, on which a "mixed" hydrosol is applied containing colloidal particles of Al 2 O 3 obtained by condensation from the vapor phase, and a soluble Cr salt, thermally decomposed to Cr 2 O 3 . After drying and firing, a protective coating of Al 2 O 3 in combination with Cr 2 O 3 is obtained, and then another aqueous dispersion with colloidal Al 2 O 3 and dissolved PGM compounds is applied to the resulting coating, which are subsequently reduced to a metallic state. The disadvantage of this method is the technologically complex stage of obtaining colloidal aluminum oxide. In addition, the used sols with a high content of aluminum oxide (9-13.5 wt.%) Lead to the formation of thick coatings with low thermal resistance and, accordingly, a limited resource during high-temperature operation.

Задачей, решаемой изобретением, является ускорение и упрощение технологии получения катализатора для окисления аммиака до оксида азота (II) и других процессов, активируемых металлами платиновой группы.The problem solved by the invention is to accelerate and simplify the technology of obtaining a catalyst for the oxidation of ammonia to nitric oxide (II) and other processes activated by platinum group metals.

Технический результат достигается за счет: 1) предварительной высокотемпературной обработки подложки из сплава на основе системы железо-хром-алюминий в окислительной атмосфере; 2) использования водного золя и (или) суспензии гидроксида алюминия определенного состава для получения покрытия из активного оксида алюминия (η-Al2O3, γ-Al2O3), прочно сцепленного с поверхностью сплава и обладающего высокими адсорбционными свойствами; 3) использование гидрозоля платиновых металлов или их сплавов для пропитки внешнего слоя оксида алюминия и получения каталитически активной поверхности катализатора; 4) гидрозоль платиновых металлов или их сплавов получают импульсным электродуговым (электроимпульсным, электроэрозионным, электроискровым) диспергированием соответствующего металла или сплава в воде.The technical result is achieved due to: 1) preliminary high-temperature treatment of a substrate made of an alloy based on the iron-chromium-aluminum system in an oxidizing atmosphere; 2) the use of an aqueous sol and (or) a suspension of aluminum hydroxide of a certain composition to obtain a coating of active aluminum oxide (η-Al 2 O 3 , γ-Al 2 O 3 ), firmly adhered to the surface of the alloy and having high adsorption properties; 3) the use of a hydrosol of platinum metals or their alloys for impregnation of the outer layer of aluminum oxide and obtaining a catalytically active catalyst surface; 4) a hydrosol of platinum metals or their alloys is obtained by pulsed electric arc (electric pulse, electroerosive, electric spark) dispersion of the corresponding metal or alloy in water.

Поставленная задача решается следующим образом.The task is solved in the following way.

В качестве подложки катализатора используют фехраль, например, сплав Х23Ю5Т (прецизионный сплав по ГОСТ 10994-74, содержащий 22-24% хрома, 5,0-5,8% алюминия, 0,2-0,5% титана, остальное железо) или аналогичные сплавы на основе железа с 21-28% хрома, 4-6% алюминия и возможными модифицирующими добавками титана, циркония, иттрия. Указанный сплав, предпочтительно, используется в виде проволочных тканых сеток с квадратными ячейками, что обеспечивает большую поверхность катализатора и низкое сопротивление газовому потоку. Сетки после очистки от поверхностных загрязнений подвергают окислительному отжигу при температуре 1050-1100°С на воздухе в течение 1-2 ч, что приводит к стабилизации внутренней структуры сплава, которая, очевидно, не будет претерпевать значительных изменений при эксплуатации (при рабочих температурах до 950°С), а на поверхности проволоки - к образованию обогащенного алюминием оксидного слоя смешанного состава. При этом увеличивается шероховатость поверхности, что положительно сказывается на адгезионных свойствах проволоки, из которой изготовлена подложка. Границы температурного и временного интервалов выбраны в указанных пределах, чтобы перевести образующийся оксид алюминия в стабильную модификацию α-Al2O3 и получить прочный слой оксидов на поверхности проволоки, обеспечивающий хорошее сцепление как с металлической основой, так и со следующим слоем покрытия из оксида алюминия. Более высокие температура и время термообработки нецелесообразны из-за увеличения толщины оксидного слоя на поверхности и ухудшения его сцепления с металлом проволоки, а также из-за роста временных и энергетических затрат.Fechral is used as a catalyst support, for example, alloy Kh23Yu5T (precision alloy according to GOST 10994-74, containing 22-24% chromium, 5.0-5.8% aluminum, 0.2-0.5% titanium, the rest is iron) or similar alloys based on iron with 21-28% chromium, 4-6% aluminum and possible modifying additives of titanium, zirconium, yttrium. This alloy is preferably used in the form of square-mesh woven wire meshes that provide a large catalyst surface and low resistance to gas flow. After cleaning from surface contaminants, the grids are subjected to oxidative annealing at a temperature of 1050-1100 ° C in air for 1-2 hours, which leads to the stabilization of the internal structure of the alloy, which, obviously, will not undergo significant changes during operation (at operating temperatures up to 950 ° C), and on the surface of the wire - to the formation of an aluminum-enriched oxide layer of a mixed composition. This increases the surface roughness, which has a positive effect on the adhesive properties of the wire from which the substrate is made. The boundaries of the temperature and time intervals are selected within the specified limits in order to convert the formed alumina into the stable modification of α-Al 2 O 3 and to obtain a strong oxide layer on the wire surface, providing good adhesion to both the metal base and the next layer of alumina coating ... Higher temperatures and times of heat treatment are inappropriate due to an increase in the thickness of the oxide layer on the surface and deterioration of its adhesion to the wire metal, as well as due to an increase in time and energy costs.

Обработанную таким образом сеточную подложку рихтуют и наносят на нее (например, методом погружения) водный золь и (или) суспензию гидроксида алюминия далее - золь, с добавкой поверхностно-активного вещества (ПАВ). После этого сетку размещают горизонтально, сушат на воздухе при комнатной температуре и прокаливают на воздухе в камерной электропечи в процессе ее нагрева до 500-700°С. Чтобы предотвратить или минимизировать взаимодействие каталитически активных частиц МПГ при высокотемпературной эксплуатации с оксидным слоем, образовавшимся на поверхности сеточной подложки из фехрали при окислительном отжиге, операцию нанесения покрытия активного Al2O3 (нанесение золя гидроксида алюминия, сушка, прокаливание) предпочтительно повторить. Можно предположить, что при повторном нанесении покрытия закрывается большая часть сквозной открытой пористости, сформировавшейся при первом нанесении, и таким образом формируется одновременно плотное защитное и адсорбционное покрытие активного Al2O3, которое позволяет локализовать размещение активных частиц МПГ в тонком поверхностном слое носителя - оксида алюминия.The mesh substrate treated in this way is straightened and applied to it (for example, by immersion) an aqueous sol and (or) a suspension of aluminum hydroxide, then - a sol, with the addition of a surfactant (surfactant). After that, the mesh is placed horizontally, dried in air at room temperature and calcined in air in a chamber electric furnace while heating it to 500-700 ° C. To prevent or minimize the interaction of the catalytically active particles IPY when operating with high temperature oxide layer formed on the surface of the substrate grid fehrali the oxidative annealing, coating operation active Al 2 O 3 (aluminum hydroxide sol coating, drying, calcination) is preferably repeated. One can assume that during the second coating covers most part through the open porosity that formed during the first deposition, and thus formed simultaneously dense protective and adsorptive coating of the active Al 2 O 3 which allows to localize the placement of active PGM particles in a thin surface layer of the carrier - oxide aluminum.

Золь для нанесения получают диспергированием (например, с использованием ультразвука) в воде геля гидроксида алюминия Al(ОН)3 или AlOOH с последующим добавлением ПАВ. Гель Al(ОН)3 получают по известной технологии нейтрализации растворов солей алюминия (Al(NO3)3, Al2(SO4)3, AlCl3 и др.) водным раствором аммиака с последующей очисткой осадка гидроксида алюминия от солей аммония. Возможно также использование других известных способов получения гидроксида алюминия: автоклавное взаимодействие алюминия с водой, гидролиз алкоксидов алюминия, гидролиз алюминатов в кислой среде и др.The sol for deposition is obtained by dispersing (for example, using ultrasound) in water a gel of aluminum hydroxide Al (OH) 3 or AlOOH, followed by the addition of a surfactant. Gel Al (OH) 3 is obtained by the known technology of neutralization of solutions of aluminum salts (Al (NO 3 ) 3 , Al 2 (SO 4 ) 3 , AlCl 3 , etc.) with an aqueous solution of ammonia, followed by purification of the precipitate of aluminum hydroxide from ammonium salts. It is also possible to use other known methods for producing aluminum hydroxide: autoclave interaction of aluminum with water, hydrolysis of aluminum alkoxides, hydrolysis of aluminates in an acidic medium, etc.

Состав золя для нанесения на поверхность подложки: 0,5-1,0% гидроксида алюминия; 0,1-0,2% ПАВ; до 100% - вода.The composition of the sol for application to the surface of the substrate: 0.5-1.0% aluminum hydroxide; 0.1-0.2% surfactant; up to 100% - water.

Использование предлагаемого золя позволяет за один цикл, включающий нанесение золя, сушку и прокаливание, нанести на подложку (сетку из проволоки диаметром 0,25 мм и размером ячейки в свету 0,5 мм) - до 0,15% активного Al2O3 с развитой удельной поверхностью и высокой адгезией к окисленной поверхности проволоки. Опытным путем было установлено, что более высокие, чем указаны выше, концентрации гидроксида алюминия в золе приводят к отслаиванию и разрушению покрытия уже на стадии сушки. Снижение же концентрации нецелесообразно из-за уменьшения удельной поверхности покрытия. Добавление ПАВ позволяет более равномерно распределить золь по поверхности подложки, причем, при концентрации в золе ПАВ меньше 0,1% его эффективность мала, а при концентрации больше 0,2% возрастает пенообразование, в результате чего после сушки образуются участки с повышенной концентрацией гидроксида алюминия и низкой адгезией к поверхности сеточной подложки.The use of the proposed sol allows, in one cycle, including the application of the sol, drying and calcination, to apply on the substrate (a mesh of wire with a diameter of 0.25 mm and a cell size in the light of 0.5 mm) - up to 0.15% of active Al 2 O 3 s developed specific surface area and high adhesion to the oxidized wire surface. It was experimentally found that higher than those indicated above, the concentration of aluminum hydroxide in the ash lead to flaking and destruction of the coating already at the drying stage. A decrease in concentration is impractical due to a decrease in the specific surface area of the coating. The addition of a surfactant makes it possible to distribute the sol more evenly over the surface of the substrate; moreover, at a surfactant concentration in the ash of less than 0.1%, its efficiency is low, and at a concentration of more than 0.2%, foaming increases, as a result of which areas with an increased concentration of aluminum hydroxide are formed after drying and low adhesion to the surface of the mesh backing.

После получения покрытия из Al2O3 его пропитывают (например, методом погружения или путем нанесения кистью) гидрозолем МПГ или их сплавов. После этого сеточный катализатор размещают горизонтально и сушат на воздухе при комнатной температуре. Для более равномерного распределения частиц МПГ или их сплавов на катализаторе, предпочтительно, операции пропитки и последующей сушки повторить.After obtaining a coating of Al 2 O 3, it is impregnated (for example, by immersion or by brushing) with PGM hydrosol or their alloys. Thereafter, the catalyst gauze is placed horizontally and dried in air at room temperature. For a more uniform distribution of PGM particles or their alloys on the catalyst, it is preferable to repeat the impregnation and subsequent drying operations.

Гидрозоль МПГ или их сплавов получают методом импульсного электродугового (электроимпульсного, электроискрового, электроэрозионного) диспергирования соответствующих металлов или сплавов в воде. При этом в процессе диспергирования часть металла в зоне дуговых разрядов переходит в паровую фазу, из которой после охлаждения и конденсации в воде формируется устойчивый золь (коллоидный раствор) ультрадисперсных металлических частиц размером менее 40 А, который при комнатной температуре можно длительно (по крайней мере, несколько десятков часов) хранить, разбавлять или концентрировать. Максимальная концентрация частиц металла в водном золе, которая получается после процесса диспергирования - около 0,2%, что позволяет, благодаря высокой дисперсности частиц, получить высокоактивный и долговечный катализатор с низким содержанием МПГ.Hydrosol of PGM or their alloys is obtained by the method of pulsed electric arc (electric pulse, electric spark, electroerosive) dispersion of the corresponding metals or alloys in water. In this case, in the process of dispersion, part of the metal in the arc discharge zone passes into the vapor phase, from which, after cooling and condensation in water, a stable sol (colloidal solution) of ultradispersed metal particles with a size of less than 40 A is formed, which at room temperature can be prolonged (at least several tens of hours) to store, dilute or concentrate. The maximum concentration of metal particles in aqueous ash, which is obtained after the dispersion process, is about 0.2%, which allows, due to the high dispersion of particles, to obtain a highly active and durable catalyst with a low PGM content.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами:The invention is illustrated by the following examples:

Пример 1.Example 1.

Для изготовления катализаторов окисления аммиака при атмосферном давлении в агрегате, состоящем из двух контактных аппаратов, использовали тканую металлическую сетку из прецизионного сплава Х23Ю5Т, выполненную из проволоки диаметром 0,25 мм и размером стороны ячейки в свету 0,5 мм. В камерной электропечи сетку подвергали окислительному отжигу при температуре 1100°С на воздухе в течение 1 ч. После охлаждения сетку рихтовали с тем, чтобы предотвратить перетекание золи по структуре, и погружали в золь следующего состава: гидроксид алюминия - 0,9%; ПАВ (смачиватель ОП-10) - 0,16%; вода - до 100%. Далее сетку извлекали из золя и закрепляли в горизонтальной плоскости. После 1,5-2,0 ч сушки при комнатной температуре сеточную подложку прокаливали на воздухе в камерной электропечи при нагреве до 700°С.Скорость повышения температуры составляла около 300°С/ч. Подложку с покрытием из оксида алюминия выгружали из печи и охлаждали до комнатной температуры. Затем операции нанесения золя, сушки и прокаливания повторяли. Методом взвешивания определяли массу нанесенного оксида алюминия, которая составила 0,27%.For the manufacture of catalysts for the oxidation of ammonia at atmospheric pressure in a unit consisting of two contact devices, we used a woven metal mesh made of a precision alloy Kh23Yu5T, made of wire 0.25 mm in diameter and a cell side in the light of 0.5 mm. In a chamber electric furnace, the grid was subjected to oxidative annealing at a temperature of 1100 ° C in air for 1 h. After cooling, the grid was straightened in order to prevent the sol from flowing over the structure, and immersed in a sol of the following composition: aluminum hydroxide - 0.9%; Surfactant (wetting agent OP-10) - 0.16%; water - up to 100%. Then the mesh was removed from the sol and fixed in the horizontal plane. After 1.5-2.0 h of drying at room temperature, the mesh substrate was calcined in air in a chamber electric furnace while heating to 700 ° C. The rate of temperature rise was about 300 ° C / h. The alumina coated substrate was unloaded from the oven and cooled to room temperature. Then the operations of applying the sol, drying and calcining were repeated. The weight of the supported alumina was determined by weighing, which was 0.27%.

Гидрозоль платины получали методом импульсного электродугового (электроимпульсного, электроэрозионного) диспергирования электропроводящих материалов в жидкой среде.Platinum hydrosol was obtained by the method of pulsed electric arc (electric pulse, electroerosive) dispersion of electrically conductive materials in a liquid medium.

Для этого слиток платины прокатали до толщины 1,5 мм, из проката изготовили два электрода и гранулы размером - 10×10×1,5 мм. Электроды помещали у противоположных стенок реактора, выполненного из диэлектрического материала, а в пространство между электродами загружали гранулы. Далее реактор погружали в емкость с дистиллированной водой, а электроды подключали к генератору импульсов. Процесс электроимпульсного диспергирования вели при энергии единичного импульса ~ 6,5 Дж и частоте 500 Гц. После диспергирования в течение 1,5 ч было получено около 6 кг гидрозоля (коллоидного раствора), содержащего 0,2% платины. Полученный золь разбавили дистиллированной водой до концентрации 0,12-0,13%.For this, the platinum ingot was rolled to a thickness of 1.5 mm, and two electrodes and granules with a size of 10 × 10 × 1.5 mm were made from the rolled stock. The electrodes were placed at the opposite walls of the reactor made of dielectric material, and pellets were loaded into the space between the electrodes. Then the reactor was immersed in a container with distilled water, and the electrodes were connected to a pulse generator. The process of electropulse dispersion was carried out at a single pulse energy of ~ 6.5 J and a frequency of 500 Hz. After dispersing for 1.5 hours, about 6 kg of a hydrosol (colloidal solution) containing 0.2% platinum was obtained. The resulting sol was diluted with distilled water to a concentration of 0.12-0.13%.

Сеточную подложку с носителем после рихтовки погружали в подготовленный гидрозоль платины, а затем закрепляли в горизонтальной плоскости для естественной сушки при комнатной температуре. Операции пропитки и сушки повторяли. Полученные таким образом заготовки катализатора сеточного нанесенного (КСН) имели в своем составе ~ 0,07% платины.After straightening, the grid support with the support was immersed in the prepared platinum hydrosol and then fixed in the horizontal plane for natural drying at room temperature. The impregnation and drying operations were repeated. The thus obtained blanks of the deposited mesh catalyst (SCN) had in their composition ~ 0.07% platinum.

Далее из заготовок были изготовлены два катализатора диаметром 2900 мм каждый и образцы для испытаний.Further, two catalysts with a diameter of 2900 mm each and samples for testing were made from the blanks.

Образцы полученного КСН испытывали на опытной установке окисления аммиака, включающей механизмы, регулирующие подачу воздуха и аммиака, смеситель, реактор, выполненный из кварцевой трубы с внутренним диаметром -32 мм, и трубопроводы.Samples of the obtained KSN were tested on a pilot plant for the oxidation of ammonia, including mechanisms that regulate the supply of air and ammonia, a mixer, a reactor made of a quartz tube with an inner diameter of -32 mm, and pipelines.

Параметры проведения процесса:Process parameters:

- рабочий размер катализаторных сеток - 31,5 мм;- working size of catalyst gauzes - 31.5 mm;

- количество сеток - 3;- the number of grids - 3;

- давление - 0,1 МПа;- pressure - 0.1 MPa;

- расход аммиака - 0,2 нм3/ч;- ammonia consumption - 0.2 nm 3 / h;

- температура на верхней сетке 800-820°С;- the temperature on the upper grid is 800-820 ° С;

- концентрация аммиака в аммиачно-воздушной смеси - 10-12 об. %.- the concentration of ammonia in the ammonia-air mixture - 10-12 vol. %.

При испытаниях оценивали ресурс катализатора и уровень его потерь.During the tests, the resource of the catalyst and the level of its losses were evaluated.

Суммарная длительность испытаний составила более 100 ч, при этом каких либоThe total test duration was more than 100 hours, with any

изменений в работе и внешнем виде катализаторов отмечено не было. Реакция автокаталитического окисления аммиака запускалась при помощи нагревателя, расположенного на внешнем диаметре кварцевого реактора, и процесс непрерывно шел в течение 7-9 часов до отключения подачи аммиака. Суммарные потери катализатора в процессе испытаний составили 0,015%.no changes in the operation and appearance of the catalysts were noted. The reaction of autocatalytic oxidation of ammonia was started using a heater located on the outer diameter of the quartz reactor, and the process continued continuously for 7-9 hours until the ammonia supply was turned off. The total loss of catalyst during the tests was 0.015%.

Два катализатора КСН диаметром 2900 мм были установлены в контактные аппараты промышленного агрегата окисления аммиака, работающего при атмосферном давлении. Схема загрузки катализаторов со стороны подачи аммиачно-воздушной смеси:Two KCH catalysts with a diameter of 2900 mm were installed in contact devices of an industrial ammonia oxidation unit operating at atmospheric pressure. Scheme of loading the catalysts from the supply side of the ammonia-air mixture:

- вязаная сетка из сплава Pt-5% Rh из проволоки диаметром 85 мкм;- knitted mesh made of Pt-5% Rh alloy from wire with a diameter of 85 microns;

- сетка КСН;- the grid of the SPC;

- гранулы оксидного железоалюминиевого катализатора.- granules of oxide iron-aluminum catalyst.

Параметры работы контактных аппаратов:Contact devices operation parameters:

- расход аммиака - 2300 нм3/ч;- ammonia consumption - 2300 nm 3 / h;

- температура нитрозных газов 800-820°С;- temperature of nitrous gases 800-820 ° С;

- концентрация аммиака в аммиачно-воздушной смеси - 10,5-11 об. %;- the concentration of ammonia in the ammonia-air mixture - 10.5-11 vol. %;

- степень конверсии аммиака - 96-98%;- the degree of conversion of ammonia - 96-98%;

- срок службы -7200 ч.- service life -7200 h.

Аналогичная каталитическая система, но без сетки КСН, в тех же условиях показала степень конверсии аммиака в окись азота 91,4-94,3% и ввиду низкой конверсии была демонтирована после ~ 600 ч эксплуатации.A similar catalytic system, but without a CCH grid, under the same conditions showed the degree of conversion of ammonia to nitric oxide 91.4-94.3% and, due to the low conversion, was dismantled after ~ 600 h of operation.

Сетки КСН после первой эксплуатационной кампании отработали еще один срок службы (7300 ч) в комплекте с ткаными сетками из сплава Pt-7,5% Rh. Отмечено, что такая система в сравнении с вариантом без КСН вдвое быстрее выходит на рабочий режим (10-15 суток против 20-30 суток).After the first operational campaign, the KSN meshes worked out one more service life (7300 h) together with woven meshes made of Pt-7.5% Rh alloy. It is noted that such a system, in comparison with the version without SPV, reaches the operating mode twice as fast (10-15 days versus 20-30 days).

Отмечено также, что на сетках КСН осаждается часть платиновых металлов, уносимых с катализаторов первой ступени реакционным газовым потоком.It was also noted that a part of the platinum metals, carried away from the catalysts of the first stage by the reaction gas flow, is deposited on the SCN grids.

Пример 2.Example 2.

Для получения комплекта КСН, состоящего двух сеток диаметром 2900 мм, использовали в качестве подложки сетку, аналогичную той, что применялась в Примере 1. Режим окислительного отжига сеток: воздушная атмосфера, 1050°С, 2 ч. Золь для нанесения γ-Al2O3 (масс. %): гидроксид алюминия - 1,0; ПАВ (смачиватель ОП-10) - 0,12; вода - до 100. Операции и режимы сушки, прокаливания и получения каталитически активного слоя покрытия - такие же, как Примере 1, но для пропитки покрытия из оксида алюминия использовали гидрозоль сплава Pt-5% Rh с содержанием МПГ 0,1%. Масса покрытия из оксида алюминия, составила ~ 0,3 масс. %, содержание сплава Pt-5% Rh в КСН - 0,05 масс. %.To obtain a set of KSN, consisting of two grids with a diameter of 2900 mm, a grid was used as a substrate similar to that used in Example 1. Mode of oxidative annealing of grids: air atmosphere, 1050 ° C, 2 h. Sol for deposition of γ-Al 2 O 3 (wt%): aluminum hydroxide - 1.0; Surfactant (wetting agent OP-10) - 0.12; water - up to 100. Operations and modes of drying, calcining and obtaining a catalytically active coating layer are the same as in Example 1, but a hydrosol of Pt-5% Rh alloy with a PGM content of 0.1% was used to impregnate the alumina coating. The mass of the aluminum oxide coating was ~ 0.3 mass. %, the content of the Pt-5% Rh alloy in the SCN is 0.05 wt. %.

Комплект КСН диаметром 2900 мм был установлен в контактные аппараты промышленного агрегата окисления аммиака, работающего при атмосферном давлении. Схема загрузки катализаторов со стороны подачи аммиачно-воздушной смеси:A set of KSN with a diameter of 2900 mm was installed in the contact devices of an industrial ammonia oxidation unit operating at atmospheric pressure. Scheme of loading the catalysts from the supply side of the ammonia-air mixture:

- вязаная сетка из композиционного материала на основе сплава Pt-5% Rh, диаметр проволоки - 80 мкм;- knitted mesh made of composite material based on Pt-5% Rh alloy, wire diameter - 80 microns;

- сетка КСН;- the grid of the SPC;

- гранулы оксидного железохромового катализатора (КН-2П).- granules of iron-chromium oxide catalyst (KN-2P).

Параметры работы контактных аппаратов:Contact devices operation parameters:

- средний расход аммиака - 1850 нм /ч;- average consumption of ammonia - 1850 nm / h;

- температура нитрозных газов 800-820°С;- temperature of nitrous gases 800-820 ° С;

- концентрация аммиака в аммиачно-воздушной смеси - 11-12 об. %;- the concentration of ammonia in the ammonia-air mixture - 11-12 vol. %;

- степень конверсии аммиака - 97-99%;- the degree of conversion of ammonia - 97-99%;

- удельные потери МПГ - 17 мг/т 100% HNO3;- specific losses of PGM - 17 mg / t 100% HNO 3 ;

- срок службы - 9500 ч;- service life - 9500 h;

Сетки КСН после первой эксплуатационной кампании установлены для работы с новыми вязаными сетками.The KSN nets after the first operational campaign were installed to work with new knitted nets.

В аналогичных условиях двухступенчатые системы без использования сеток КСН требуют вложения МПГ на 12% больше, и, соответственно, возрастают удельные потери МПГ.Under similar conditions, two-stage systems without the use of SPG grids require an investment of PGMs by 12% more, and, accordingly, the specific losses of PGMs increase.

Пример 3.Example 3.

Для испытаний сеток КСН в условиях агрегатов окисления аммиака при повышенном давлении были изготовлены 12 образцов размером 50×100 мм, которые закрепили между катализаторным пакетом, состоящим из шести вязаных сеток из сплава Pt-5% Rh, и улавливающим пакетом, состоящим из тканых сеток из сплава Pd-5% Ni и разделительных сеток из фехрали. В качестве подложки КСН использовали сетку, аналогичную той, что применялась в Примере 1. Режим окислительного отжига сеток: воздушная атмосфера, 1100°С, 1 ч. Золь для нанесения Al2O3: гидроксид алюминия - 0,6%; смачиватель ОП-10 - 0,1%; вода - до 100%. Операции нанесения золя, режимы сушки и прокаливания для получения покрытия - такие же, как в Примере 1; для пропитки покрытия из оксида алюминия использовали золь сплава Pt-5% Rh. Содержание в КСН покрытия из оксида алюминия составила ~ 0,2%, сплава Pt-5% Rh - 0,06%.To test the SCN meshes under the conditions of ammonia oxidation units at elevated pressure, 12 samples with a size of 50 × 100 mm were made, which were fixed between a catalyst package consisting of six knitted meshes made of Pt-5% Rh alloy and a catching package consisting of woven meshes made of Pd-5% Ni alloy and Fechrali separating meshes. A grid similar to that used in Example 1. The mode of oxidative annealing of the grids: air atmosphere, 1100 ° C, 1 h. Sol for deposition of Al 2 O 3 : aluminum hydroxide - 0.6%; wetting agent OP-10 - 0.1%; water - up to 100%. Sol application operations, drying and calcination modes to obtain a coating are the same as in Example 1; for the impregnation of the alumina coating, a Pt-5% Rh alloy sol was used. The content of the aluminum oxide coating in the SCN was ~ 0.2%, the Pt-5% Rh alloy - 0.06%.

Каталитическая система (катализаторный и улавливающий пакеты) с образцами КСН были установлены в контактные аппараты промышленного агрегата окисления аммиака, работающего при давлении 0,71 МПа.The catalytic system (catalyst and catching packs) with CCH samples were installed in the contact apparatus of an industrial ammonia oxidation unit operating at a pressure of 0.71 MPa.

Параметры работы контактных аппаратов:Contact devices operation parameters:

- средний расход аммиака - 6 200 нм3/ч;- average consumption of ammonia - 6 200 nm 3 / h;

- эффективный диаметр - 1880 мм;- effective diameter - 1880 mm;

- температура нитрозных газов 880-910°С;- temperature of nitrous gases 880-910 ° С;

- концентрация аммиака в аммиачно-воздушной смеси - 10,5-11,0 об. %;- the concentration of ammonia in the ammonia-air mixture - 10.5-11.0 vol. %;

- степень конверсии аммиака - 92-94%;- the degree of conversion of ammonia - 92-94%;

- срок службы каталитической системы - 5000 ч.- service life of the catalytic system - 5000 h.

После завершения эксплуатации каталитической системы образцы КСН извлекли и половину и них (6 шт. ) установили аналогичным образом в состав новой каталитической системы. Таким образом, после завершения эксплуатации второй каталитической системы были получены образцы КСН, находившиеся в контактных аппаратах окисления аммиака в течение ~ 5000 и ~ 10000 ч.After the completion of the operation of the catalytic system, the SPC samples were removed and half of them (6 pcs.) Were installed in the same way in the composition of the new catalytic system. Thus, after the completion of the operation of the second catalytic system, KSN samples were obtained, which were kept in contact devices for the oxidation of ammonia for ~ 5000 and ~ 10000 h.

Установлено, что все образцы КСН в условиях длительной выдержки в условиях эксплуатации промышленного агрегата конверсии аммиака практически сохранили механические свойства (прочность, пластичность) и каталитическую активность.It has been established that all samples of SSC under conditions of prolonged exposure under the operating conditions of an industrial ammonia conversion unit practically retained their mechanical properties (strength, plasticity) and catalytic activity.

Каталитическую активность оценивали на опытной установке окисления аммиака (см. Пример 1), попарно загружая в реактор образцы КСН в виде полукруга после 5000 и 10000 ч эксплуатации и измеряя пирометром температуру поверхности сеток при различных соотношениях аммиака и воздуха в реакционной смеси. Температура образцов при автокаталитическом окислении аммиака оказалась идентичной.The catalytic activity was evaluated on a pilot plant for the oxidation of ammonia (see Example 1), by pairwise loading into the reactor KCH samples in the form of a semicircle after 5000 and 10000 hours of operation and measuring the temperature of the mesh surface with a pyrometer at various ratios of ammonia and air in the reaction mixture. The temperature of the samples during the autocatalytic oxidation of ammonia was found to be identical.

Микроскопическое исследование образцов показало, что на поверхности КСН со стороны, обращенной к газовому потоку, формируется металлизированное покрытие из платинового сплава, прочно сцепленное с подложкой. С обратной стороны структура поверхности КСН аналогична исходной. Отмечено также, что вся поверхность КСН после эксплуатации покрыта отдельными кристаллами платинового сплава размером 3-5 микрометра; анализ образцов КСН показал, что содержание платиновых металлов в них увеличилось в 10-12 раз.Microscopic examination of the samples showed that a metallized platinum alloy coating strongly adhered to the substrate is formed on the surface of the SCN from the side facing the gas flow. On the reverse side, the structure of the SPC surface is similar to the original one. It was also noted that the entire surface of the SPC after operation is covered with individual crystals of platinum alloy with a size of 3-5 micrometers; analysis of the KSN samples showed that the content of platinum metals in them increased by 10-12 times.

Пример 4. (определение интервала содержаний МПГ в катализаторе для окисления аммиака).Example 4 (determination of the range of PGM content in the catalyst for the oxidation of ammonia).

Образцы сеток с нанесенным покрытием из оксида алюминия (0,27%), как в Примере 1, пропитывали золем с различным содержанием платины и сплава Pt-5% Rh и после сушки испытывали на опытной установке окисления аммиака. При этом активность катализаторов оценивали, сравнивая температуру поверхности сеток (измерения проводили с помощью пирометра) при автокаталитическом процессе попарно загруженных в реактор образцов КСН с различным составом МПГ. Установлено, что в условиях опытной установки каталитическая активность КСН при равном содержании платины и платинородиевого сплава практически одинакова. Данные, полученные на образцах с различным содержанием активной фазы сплава Pt-5% Rh, приведены в таблице ниже. В качестве образца сравнения был выбран КСН с 0,08% платинородиевого сплава, температуру поверхности которого 840±5°С регулировали соотношением аммиак-воздух в реакционной смеси.Samples of meshes coated with alumina (0.27%) as in Example 1 were impregnated with sol with different contents of platinum and Pt-5% Rh alloy and, after drying, tested in a pilot ammonia oxidizer. In this case, the activity of the catalysts was evaluated by comparing the temperature of the mesh surface (measurements were carried out using a pyrometer) during the autocatalytic process of KSN samples with different PGM compositions loaded in pairs into the reactor. It has been established that, under the conditions of a pilot plant, the catalytic activity of the SSC with an equal content of platinum and platinum-rhodium alloy is practically the same. The data obtained on samples with different contents of the active phase of the Pt-5% Rh alloy are shown in the table below. As a reference sample, we chose KSN with 0.08% platinum-rhodium alloy, the surface temperature of which was 840 ± 5 ° C was controlled by the ammonia-air ratio in the reaction mixture.

Figure 00000001
Figure 00000001

Из представленных данных видно, что в пределах содержания МПГ от 0,1 до 0,005% заявляемый катализатор активирует каталитический процесс окисления аммиака практически одинаково. Снижение содержания платинового сплава ниже 0,005% снижает активность катализатора КСН, а повышение концентрации МПГ выше 0,1 нецелесообразно из-за повышения стоимости катализатора.From the data presented, it can be seen that within the PGM content from 0.1 to 0.005%, the inventive catalyst activates the catalytic process of ammonia oxidation in almost the same way. A decrease in the platinum alloy content below 0.005% reduces the activity of the KCH catalyst, and an increase in the PGM concentration above 0.1 is impractical due to an increase in the cost of the catalyst.

Таким образом, заявляемый способ позволяет получить эффективные и экономичные катализаторы, в частности для окисления аммиака до двухвалентного оксида азота, благодаря сокращению продолжительности технологических стадий, отсутствию вредных выбросов и относительно низкому содержанию высокодисперсных активных частиц платины или платинового сплава в качестве активатора каталитического процесса.Thus, the claimed method makes it possible to obtain efficient and economical catalysts, in particular for the oxidation of ammonia to divalent nitrogen oxide, due to the reduction in the duration of technological stages, the absence of harmful emissions and a relatively low content of highly dispersed active particles of platinum or platinum alloy as an activator of the catalytic process.

Claims (8)

1. Способ получения катализатора на подложке, выполненной на основе железо-хром-алюминиевых сплавов, включающий окислительный отжиг подложки, нанесение на ее поверхность защитного и каталитического, содержащего металлы платиновой группы, покрытий, отличающийся тем, что окислительный отжиг подложки проводят при 1050-1100°С в течение 1-2 ч, для получения защитного покрытия из активного оксида алюминия используют золь и (или) суспензию, содержащие, мас.%:1. A method of obtaining a catalyst on a support made on the basis of iron-chromium-aluminum alloys, including oxidative annealing of the support, the deposition of protective and catalytic coatings containing platinum group metals on its surface, characterized in that the oxidative annealing of the support is carried out at 1050-1100 ° C for 1-2 hours, to obtain a protective coating of active alumina use a sol and (or) a suspension containing, wt%: гидроксид алюминия - 0,5 - 1,0;aluminum hydroxide - 0.5 - 1.0; ПАВ - 0,1-0,2;Surfactant - 0.1-0.2; вода - до 100,water - up to 100, а каталитическое покрытие формируют путем пропитки покрытия из оксида алюминия гидрозолем, полученным дуговым электроимпульсным диспергированием в воде платиновых металлов и сплавов, и последующей сушки.and the catalytic coating is formed by impregnating the coating of aluminum oxide with a hydrosol obtained by electric-pulse arc dispersion of platinum metals and alloys in water, and subsequent drying. 2. Катализатор для окисления аммиака, полученный по п. 1, состоящий из подложки в виде тканой сетки из проволоки, поверхность которой имеет покрытия из активного оксида алюминия с дисперсным частицами платины или платинового сплава, отличающийся тем, что содержит, мас.%:2. Catalyst for the oxidation of ammonia, obtained according to claim 1, consisting of a substrate in the form of a woven wire mesh, the surface of which is coated with active alumina with dispersed particles of platinum or platinum alloy, characterized in that it contains, wt%: активный оксид алюминия - 0,1-0,3;active aluminum oxide - 0.1-0.3; платина или платиновый сплав - 0,005-0,1.platinum or platinum alloy - 0.005-0.1.
RU2020126132A 2020-08-05 2020-08-05 Method for producing catalyst and ammonia oxidation catalyst itself RU2745741C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020126132A RU2745741C1 (en) 2020-08-05 2020-08-05 Method for producing catalyst and ammonia oxidation catalyst itself

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020126132A RU2745741C1 (en) 2020-08-05 2020-08-05 Method for producing catalyst and ammonia oxidation catalyst itself

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2745741C1 true RU2745741C1 (en) 2021-03-31

Family

ID=75353320

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020126132A RU2745741C1 (en) 2020-08-05 2020-08-05 Method for producing catalyst and ammonia oxidation catalyst itself

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2745741C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1494484A (en) * 1973-11-28 1977-12-07 Inst Ciezkiej Syntezy Orga Method of preparing catalytic material
US4096095A (en) * 1976-04-14 1978-06-20 United Kingdom Atomic Energy Authority Catalyst of a coating on an alloy substrate
US20010027165A1 (en) * 1998-05-01 2001-10-04 Michael P. Galligan Catalyst members having electric arc sprayed substrates and methods of making the same
DE112006001166A5 (en) * 2005-05-18 2008-04-17 Basf Ag Catalysts and processes for the oxidation of ammonia

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1494484A (en) * 1973-11-28 1977-12-07 Inst Ciezkiej Syntezy Orga Method of preparing catalytic material
US4096095A (en) * 1976-04-14 1978-06-20 United Kingdom Atomic Energy Authority Catalyst of a coating on an alloy substrate
US20010027165A1 (en) * 1998-05-01 2001-10-04 Michael P. Galligan Catalyst members having electric arc sprayed substrates and methods of making the same
DE112006001166A5 (en) * 2005-05-18 2008-04-17 Basf Ag Catalysts and processes for the oxidation of ammonia

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Michael R. Mucalo et.al. "Platinum and palladium hydrosols: Characterisation by X-ray photoelectron spectroscopy and transmission electron microscopy" Colloids and Surfaces, vol.60, 26 November 1991, pp.175-197. *
Michael R. Mucalo et.al. "Platinum and palladium hydrosols: Characterisation by X-ray photoelectron spectroscopy and transmission electron microscopy" Colloids and Surfaces, vol.60, 26 November 1991, pp.175-197. Кукушкин Дмитрий Юрьевич "Разработка физико-технических основ электроимпульсного метода синтеза наночастиц металлов и сплавов в жидкой диэлектрической среде" Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, 2019, 149 с. *
Кукушкин Дмитрий Юрьевич "Разработка физико-технических основ электроимпульсного метода синтеза наночастиц металлов и сплавов в жидкой диэлектрической среде" Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, 2019, 149 с. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100460249B1 (en) A Process for the Oxidation of Ammonia
US5059575A (en) Catalyst for the oxidation of carbonaceous particulates and method of making the catalyst
EP2638962A1 (en) Ammonia oxidation/decomposition catalyst
EP0968958A1 (en) Reformer
EP0987054A1 (en) A method and apparatus for selective removal of carbon monoxide
JP6483769B2 (en) Method for forming magnesium-containing coating layer on metal support surface, and catalyst support and catalyst device including the coating layer
JP2005529824A (en) Suppression of methanation activity of platinum group metal catalysts for water-gas conversion
US20170197202A1 (en) Method for forming metal oxide coating layer on catalyst substrate, catalyst substrate including metal oxide coating layer and catalyst apparatus
RU2745741C1 (en) Method for producing catalyst and ammonia oxidation catalyst itself
US4451580A (en) Method of preparing a supported catalyst
JP2010241675A (en) Method of manufacturing hydrogen
JPH0352642A (en) Production of catalyst for combustion
JPH04250852A (en) Catalyst to oxidize carbon-containing compound and its production
JP2000007304A (en) Reforming reactor
US6753293B1 (en) Process for coating substrates with catalytic materials
JP4250971B2 (en) Inorganic material and shift catalyst using the same
RU2356628C1 (en) Catalyst, method of making it and method of obtaining synthetic gas from biodiesel fuel
JPS6253737A (en) Catalyst for purifying exhaust gas and preparation thereof
RU2248932C1 (en) Catalyst (options), method for preparation thereof (options) and synthesis gas generation method (option)
US4170574A (en) Process for producing oxidizing metal catalysts incorporating platinum and catalyst produced by the process
CN101157042A (en) Method and device for catalytic oxidation and reduction of gases and vapours with crystalline compounds of heavy metals and rare earths
RU2169614C1 (en) Method of preparing catalyst and catalyst for treating internal combustion engine exhaust gases
JPS62149343A (en) Production of high-temperature heat-resistant catalyst
RU2146174C1 (en) Method of catalyst preparation and catalyst for cleaning of exhaust gases of internal combustion engines
JPS60122038A (en) Catalyst for reforming methanol