RU2804511C2 - Production of powder-like porous crystalline silicates of metals using flame spray pyrolysis - Google Patents
Production of powder-like porous crystalline silicates of metals using flame spray pyrolysis Download PDFInfo
- Publication number
- RU2804511C2 RU2804511C2 RU2020121774A RU2020121774A RU2804511C2 RU 2804511 C2 RU2804511 C2 RU 2804511C2 RU 2020121774 A RU2020121774 A RU 2020121774A RU 2020121774 A RU2020121774 A RU 2020121774A RU 2804511 C2 RU2804511 C2 RU 2804511C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- porous crystalline
- aqueous
- suspension
- crystalline metal
- metal
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к способу получения порошкообразных пористых кристаллических силикатов металлов.The present invention relates to a method for producing powdered porous crystalline metal silicates.
Силикаты представляют собой соединения, образованные тетраэдрами SiO4, которые могут соединяться друг с другом различными способами. Силикатные структуры этого класса могут включать другие элементы, например, металлы, и тогда их называют силикатами металлов. Важным примером указанных силикатов металлов являются цеолиты.Silicates are compounds formed by SiO 4 tetrahedra, which can be connected to each other in various ways. Silicate structures in this class may include other elements, such as metals, and are then called metal silicates. An important example of these metal silicates are zeolites.
Цеолиты представляют собой кристаллические силикаты, например, алюмосиликаты, в которых трехмерное соединение тетраэдров силикатов (SiO4 -) и других структурных единиц (например, тетраэдров AlO4 -) приводит к образованию регулярных структур, характеризующихся полостями и порами. Существуют различные типы цеолитов, которые называются в соответствии с типом их структуры. Общую информацию, относящуюся к цеолитам, прежде всего к типам кристаллической структуры известных цеолитов, можно найти в энциклопедии Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (энциклопедия Ульмана промышленной химии), в главе "Zeolites" (цеолиты), опубликованной онлайн 15.04.2012, DOI: 10.1002/14356007.a28_475.pub2.Zeolites are crystalline silicates, for example, aluminosilicates, in which the three-dimensional combination of silicate tetrahedra (SiO 4 - ) and other structural units (for example, AlO 4 - tetrahedra) leads to the formation of regular structures characterized by cavities and pores. There are different types of zeolites, which are named according to the type of structure they have. General information relating to zeolites, especially the types of crystal structure of known zeolites, can be found in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, in the chapter "Zeolites", published online 04/15/2012, DOI: 10.1002 /14356007.a28_475.pub2.
Благодаря уникальной структуре своих пор, цеолиты обладают интересными каталитическими свойствами, и их можно использовать, например, в качестве окислительных катализаторов.Due to their unique pore structure, zeolites have interesting catalytic properties and can be used, for example, as oxidation catalysts.
Синтетические цеолиты в большинстве случаев получают гидротермальным синтезом в присутствии матрицы, формирующей пористую структуру. Например, в патенте CN 101348263 А описан способ получения цеолитов, характеризующихся соотношением Si/Al от 50 до 5000 и размером частиц от 30 до 200 мкм, который включает следующие технологические стадии: (1) получение реакционной смеси, включающей источники кремния и источники алюминия, а также гидроксид металла, (2) реакция гидролиза, (3) последующее высушивание смеси при распылении, при этом получают алюмосиликатные микросферы, (4) гидротермальная реакция микросфер, полученных, как описано выше, в присутствии воды и органического амина при температуре от 160 до 200°С и кристаллизация полученного цеолита, и (5) промывка, (6) высушивание и (7) прокаливание продукта при температуре от 350 до 800°С.Synthetic zeolites are in most cases obtained by hydrothermal synthesis in the presence of a matrix that forms a porous structure. For example, patent CN 101348263 A describes a method for producing zeolites characterized by a Si/Al ratio from 50 to 5000 and a particle size from 30 to 200 μm, which includes the following technological steps: (1) obtaining a reaction mixture including sources of silicon and sources of aluminum, as well as metal hydroxide, (2) hydrolysis reaction, (3) subsequent spray drying of the mixture to obtain aluminosilicate microspheres, (4) hydrothermal reaction of the microspheres obtained as described above in the presence of water and an organic amine at a temperature of 160 to 200°C and crystallization of the resulting zeolite, and (5) washing, (6) drying and (7) calcination of the product at a temperature of 350 to 800°C.
В патенте США 4410501 А описан способ получения силикалита титана. Силикалит титана получают при (1) формировании синтетического геля из гидролизующегося соединения кремния, например, тетраэтилортосиликата, и гидролизующегося соединения титана в присутствии гидроксида тетра-н-пропиламмония при 175°С, (2) последующем гидротермальном синтезе, гидролизе и кристаллизации указанной реакционной смеси. После завершения кристаллизации кристаллы (3) отделяют фильтрованием, (4) промывают, (5) высушивают и наконец (6) прокаливают при 550°С в течение 6 ч.US Pat. No. 4,410,501 A describes a method for producing titanium silicalite. Titanium silicalite is obtained by (1) forming a synthetic gel from a hydrolyzable silicon compound, for example, tetraethylorthosilicate, and a hydrolyzable titanium compound in the presence of tetra-n-propylammonium hydroxide at 175°C, (2) subsequent hydrothermal synthesis, hydrolysis and crystallization of the said reaction mixture. After crystallization is complete, the crystals are (3) separated by filtration, (4) washed, (5) dried, and finally (6) calcined at 550°C for 6 hours.
В патенте ЕР 814058 А1 описано получение различных цеолитов из соответствующих пирогенных смешанных оксидов кремния и металла. Смешанные оксиды кремния и металла получают (1) гидротермальным синтезом при температуре от 100 до 220°С в присутствии матрицы, выбранной из аминов, соединений аммония и гидроксидов щелочных металлов/щелочноземельных металлов, с последующим (2) фильтрованием, (3) промывкой водой и (4) прокаливанием, например, при температуре 550°С в течение 4 ч. В конкретном варианте методом высушивания при распылении получают предварительно сформованный гранулированный материал смешанного оксида, содержащий матрицу, который затем подвергают гидротермальному синтезу, отделяют фильтрованием, промывают и прокаливают.Patent EP 814058 A1 describes the preparation of various zeolites from corresponding pyrogenic mixed oxides of silicon and metal. Mixed oxides of silicon and metal are prepared by (1) hydrothermal synthesis at temperatures from 100 to 220°C in the presence of a matrix selected from amines, ammonium compounds and alkali metal/alkaline earth metal hydroxides, followed by (2) filtration, (3) washing with water and (4) calcination, for example, at a temperature of 550°C for 4 hours. In a particular embodiment, a preformed granular mixed oxide material containing a matrix is obtained by spray drying, which is then subjected to hydrothermal synthesis, separated by filtration, washed and calcined.
В патенте CN 1482062 описан способ получения силикалита-1 титана, согласно которому проводят гидротермальную реакцию твердого силикагеля с неорганическим источником титана. Способ включает следующие стадии: (1) импрегнирование твердого силикагеля солью Ti(SO4)2, (2) прокаливание, (3) гидротермальный синтез с использованием силикагеля и смеси Ti(SO4)2 + ТРАОН + вода, (4) фильтрование, (5) промывка, (6) высушивание, (7) прокаливание.The patent CN 1482062 describes a method for producing titanium silicalite-1, according to which a hydrothermal reaction of solid silica gel with an inorganic source of titanium is carried out. The method includes the following stages: (1) impregnation of solid silica gel with Ti(SO 4 ) 2 salt, (2) calcination, (3) hydrothermal synthesis using silica gel and a mixture of Ti(SO 4 ) 2 + TPAOH + water, (4) filtration, (5) washing, (6) drying, (7) calcination.
Все описанные выше способы включают время затратные многостадийные методики. Более конкретно, фильтрование и промывка образующегося цеолита необходимы для удаления примесей, попадающих из сопутствующих реагентов или непрореагировавших реагентов и т.п. Это приводит к образованию значительных количеств загрязненной воды, которая в большинстве случаев содержит вредные для присутствующих в воде организмов вещества, которые сложно утилизировать, такие как соли тетраалкиламмония. В связи с этим, крайне необходимо разработать процесс, который, во-первых, включает меньшее число технологических стадий по сравнению со стандартным процессом, и, во-вторых, решает проблему утилизации производственных отходов.All of the methods described above involve time-consuming, multi-step techniques. More specifically, filtering and washing the resulting zeolite is necessary to remove impurities from accompanying reagents or unreacted reagents and the like. This leads to the formation of significant quantities of contaminated water, which in most cases contains substances harmful to the organisms present in the water that are difficult to dispose of, such as tetraalkylammonium salts. In this regard, it is urgent to develop a process that, firstly, includes a smaller number of technological stages compared to the standard process, and, secondly, solves the problem of recycling industrial waste.
Указанные проблемы решены способом получения порошкообразного пористого кристаллического силиката металла, включающим следующие стадии:These problems are solved by a method for producing powdered porous crystalline metal silicate, which includes the following stages:
а) гидротермальный синтез в водной смеси, включающей (А) по меньшей мере один источник кремния, (Б) по меньшей мере один источник металла и (В) по меньшей мере одну минерализирующую добавку, при этом получают водную суспензию, содержащую пористый кристаллический силикат металла в качестве продукта реакции, иa) hydrothermal synthesis in an aqueous mixture comprising (A) at least one source of silicon, (B) at least one source of metal and (C) at least one mineralizing additive, thereby obtaining an aqueous suspension containing a porous crystalline metal silicate as a reaction product, and
б) прокаливание продукта реакции, отличающееся тем, чтоb) calcination of the reaction product, characterized in that
прокаливание проводят с использованием пламенного спрей-пиролиза при адиабатической температуре сжигания в диапазоне 450-2200°С, при этом суспензию, содержащую ≤70 мас. % твердых веществ, которую получают на стадии а), распыляют в пламени, создаваемом при сжигании топлива в присутствии кислорода, при этом формируется порошкообразный пористый кристаллический силикат металла.calcination is carried out using flame spray pyrolysis at an adiabatic combustion temperature in the range of 450-2200°C, with a suspension containing ≤70 wt. % solids obtained in step a) is atomized in a flame created by burning fuel in the presence of oxygen, thereby forming a powdery porous crystalline metal silicate.
Неожиданно было установлено, что структура силиката металла, полученного на стадии а) способа по настоящему изобретению, сохраняется в ходе термической обработки при относительно высоких температурах на стадии б), указанное прежде всего справедливо для пористой структуры цеолитов. Известно, что упорядоченная пористая структура, например, цеолитов разрушается при повышенных температурах. Например, согласно данным статьи Advanced Materials Research, тт. 287-290, сс. 317-321 (2011), силикалит-1 титана претерпевает необратимые структурные изменения даже при 650°С, что может негативно влиять на каталитические свойства таких материалов.Surprisingly, it has been found that the structure of the metal silicate obtained in step a) of the method of the present invention is preserved during the heat treatment at relatively high temperatures in step b), this is especially true for the porous structure of zeolites. It is known that the ordered porous structure of, for example, zeolites is destroyed at elevated temperatures. For example, according to the article Advanced Materials Research, vol. 287-290, pp. 317-321 (2011), titanium silicalite-1 undergoes irreversible structural changes even at 650°C, which can negatively affect the catalytic properties of such materials.
Порошкообразный пористый кристаллический силикат металла, получаемый способом по настоящему изобретению, предпочтительно характеризуется цеолитной структурой.The powdery porous crystalline metal silicate produced by the process of the present invention preferably has a zeolite structure.
Цеолиты представляют собой кристаллические силикаты, например, алюмосиликаты, в которых трехмерное присоединение тетраэдров силикатов (SiO4 -) и других структурных единиц (например, тетраэдров AlO4 -) через атомы кислорода приводит к образованию регулярных структур, содержащих полости и поры. Существуют различные типы цеолитов, которые называют в соответствии с их типом структуры. Общую информацию, относящуюся к цеолитам, прежде всего к типам кристаллической структуры известных цеолитов, можно найти в энциклопедии Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (энциклопедия Ульмана промышленной химии), в главе "Zeolites" (цеолиты), опубликованной онлайн 15.04.2012, DOI: 10.1002/14356007.a28_475.pub2.Zeolites are crystalline silicates, for example, aluminosilicates, in which the three-dimensional attachment of silicate tetrahedra (SiO 4 - ) and other structural units (for example, AlO 4 - tetrahedra) through oxygen atoms leads to the formation of regular structures containing cavities and pores. There are different types of zeolites, which are named according to their type of structure. General information relating to zeolites, especially the types of crystal structure of known zeolites, can be found in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, in the chapter "Zeolites", published online 04/15/2012, DOI: 10.1002 /14356007.a28_475.pub2.
Порошкообразный пористый кристаллический силикат металла, получаемый способом по настоящему изобретению, предпочтительно характеризуется цеолитной структурой с кристаллической структурой типа LTA, MFI, FAU, MOR, MEL или MWW. Более предпочтительно, силикаты металлов характеризуются кристаллической структурой типа MFI и MEL. Соответствующий тип кристаллической структуры можно определить методом рентгеноструктурного анализа (XRD) с использованием дифракции рентгеновских лучей. Типы структуры микро- и мезопористых материалов установлены Международной ассоциацией по цеолитам (International Zeolite Association, IZA, www.iza-online.org).The powdered porous crystalline metal silicate produced by the method of the present invention is preferably characterized by a zeolite structure with a crystal structure of the LTA, MFI, FAU, MOR, MEL or MWW type. More preferably, the metal silicates are characterized by MFI and MEL type crystal structures. The appropriate type of crystal structure can be determined by X-ray diffraction (XRD) using X-ray diffraction. The types of structure of micro- and mesoporous materials are established by the International Zeolite Association (IZA, www.iza-online.org).
Порошкообразный пористый кристаллический силикат металла, получаемый способом по настоящему изобретению, предпочтительно содержит микро- и мезопоры. Согласно определению ГОРАС (Международный союз теоретической и прикладной химии) микропоры характеризуются диаметром менее 2 нм, а диаметр мезопор составляет от 2 нм до 50 нм.The powdered porous crystalline metal silicate produced by the process of the present invention preferably contains micro- and mesopores. According to the definition of GOPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), micropores are characterized by a diameter of less than 2 nm, and the diameter of mesopores ranges from 2 nm to 50 nm.
Общий состав порошкообразных пористых кристаллических силикатов металлов обычно описывается следующей формулой:The general composition of powdered porous crystalline metal silicates is usually described by the following formula:
(SiO2)1-x(AmOn)x,(SiO 2 ) 1-x (A m O n ) x ,
А означает металл с валентностью р, выбранный из группы, состоящей из Ti, Al, Zr, Fe, Sn, Ge, In и В, индексы тип означают число атомов, где m×р=2n, x означает число от 0,0001 до 0,25, предпочтительно от 0,001 до 0,2 и прежде всего от 0,005 до 0,1. В случае нескольких различных металлов А, х соответственно относится к общей сумме всех оксидов металлов. А предпочтительно означает элементы титан (Ti), алюминий (Al), цирконий (Zr), железо (Fe), олово (Sn) и бор (В), Ge (германий), In (индий), предпочтительным является титан (Ti).A means a metal of valency p selected from the group consisting of Ti, Al, Zr, Fe, Sn, Ge, In and B, the type subscripts mean the number of atoms, where m×p=2n, x means a number from 0.0001 to 0.25, preferably from 0.001 to 0.2 and especially from 0.005 to 0.1. In the case of several different metals A, x respectively refers to the total sum of all metal oxides. A preferably means the elements titanium (Ti), aluminum (Al), zirconium (Zr), iron (Fe), tin (Sn) and boron (B), Ge (germanium), In (indium), preferably titanium (Ti) .
Порошкообразный пористый кристаллический силикат металла, получаемый способом по настоящему изобретению, предпочтительно может представлять собой силикат титана, боросиликат, силикат циркония, алюмосиликат или силикат железа. Прежде всего предпочтительным является силикат титана, прежде всего силикалит-1 титана (структура MFI) или силикалит-2 титана (структура MEL).The powdery porous crystalline metal silicate obtained by the method of the present invention may preferably be titanium silicate, borosilicate, zirconium silicate, aluminosilicate or iron silicate. First of all, titanium silicate is preferred, in particular titanium silicalite-1 (MFI structure) or titanium silicalite-2 (MEL structure).
Источником кремния, используемым в способе по настоящему изобретению, в принципе может быть любое соединение, которое содержит диоксид кремния или смешанный оксид, содержащий диоксид кремния, или из которого может образовываться диоксид кремния в результате окисления или термического и/или гидролитического разложения. Однако предпочтительными являются соединения, которые содержат аморфный диоксид кремния или аморфный смешанный оксид, содержащий диоксид кремния, или из которых может образовываться аморфный диоксид кремния при окислении или термическом и/или гидролитическом разложении. Такой источник кремния можно, например, выбрать из группы, состоящей из пирогенного диоксида кремния, осажденного диоксида кремния, диоксида кремния, полученного золь-гель процессом, и из смесей указанных соединений.The source of silicon used in the method of the present invention can in principle be any compound which contains silica or a mixed oxide containing silica, or from which silica can be formed by oxidation or thermal and/or hydrolytic decomposition. However, preferred are compounds that contain amorphous silica or an amorphous mixed oxide containing silica, or from which amorphous silica can be formed by oxidation or thermal and/or hydrolytic decomposition. Such a silica source may, for example, be selected from the group consisting of pyrogenic silica, precipitated silica, sol-gel silica, and mixtures thereof.
Пирогенный диоксид кремния, также называемый высокодисперсный диоксид кремния, получают с использованием пламенного гидролиза или пламенного окисления. Указанное включает окисление или гидролиз гидролизующихся или окисляющихся исходных материалов, как правило, в водороднокислородном пламени. Исходные материалы, которые можно использовать для пирогенных способов, включают органические и неорганические вещества. Прежде всего пригоден тетрахлорид кремния. Получаемый таким образом гидрофильный диоксид кремния является аморфным. Высокодисперсный диоксид кремния обычно находится в агрегированной форме. Термин "агрегированная" следует понимать таким образом, что исходно формирующиеся так называемые первичные частицы образуют между собой прочные внутренние связи в дальнейшем ходе реакции с образованием трехмерной сетки. Первичные частицы в значительной степени не содержат пор, и на их поверхности присутствуют свободные гидроксильные группы.Pyrogenic silica, also called fumed silica, is produced using flame hydrolysis or flame oxidation. This includes the oxidation or hydrolysis of hydrolyzable or oxidizable starting materials, typically in a hydrogen-oxygen flame. Feed materials that can be used for pyrogenic processes include organic and inorganic substances. First of all, silicon tetrachloride is suitable. The hydrophilic silica thus obtained is amorphous. Highly dispersed silica is usually found in aggregated form. The term “aggregated” should be understood in such a way that the initially formed so-called primary particles form strong internal bonds with each other in the further course of the reaction with the formation of a three-dimensional network. The primary particles are largely free of pores and have free hydroxyl groups on their surface.
Диоксид кремния, получаемый осаждением (осажденный диоксид кремния), образуется, например, в ходе реакции растворов жидкого стекла (силикатов натрия) с неорганическими кислотами.Silicon dioxide obtained by precipitation (precipitated silicon dioxide) is formed, for example, during the reaction of solutions of liquid glass (sodium silicates) with inorganic acids.
Золь-гель процесс представляет собой процесс получения неметаллических неорганических или гибридных полимерных материалов из коллоидных дисперсий, называемых золями.The sol-gel process is a process for producing non-metallic inorganic or hybrid polymeric materials from colloidal dispersions called sols.
Исходными материалами для получения золей в большинстве случаев являются алкоксиды металлов или кремния. Гидролиз таких исходных материалов и конденсация образующихся реакционноспособных соединений являются важными основными реакциями золь-гель процесса. Пригодными источниками кремния для золь-гель процессов являются прежде всего тетраалкилортосиликаты, где алкил предпочтительно выбирают из группы, состоящей из метила, этила, пропила и бутила. Наиболее предпочтительным тетраалкилортосиликатом является тетраэтилортосиликат.The starting materials for the production of sols in most cases are metal or silicon alkoxides. Hydrolysis of such starting materials and condensation of the resulting reactive compounds are important basic reactions of the sol-gel process. Suitable sources of silicon for sol-gel processes are primarily tetraalkyl orthosilicates, where the alkyl is preferably selected from the group consisting of methyl, ethyl, propyl and butyl. The most preferred tetraalkyl orthosilicate is tetraethyl orthosilicate.
Источником металла, используемым в способе по настоящему соединению, может быть любое соединение, которое содержит оксид металла или металлсодержащий смешанный оксид, или из которого может образовываться соответствующий оксид металла или смешанный оксид в результате окисления или термического и/или гидролитического разложения. Источниками металлов, используемыми в контексте настоящего изобретения, являются источники следующих элементов: титан (Ti), алюминий (Al), цирконий (Zr), железо (Fe), олово (Sn), германий (Ge), индий (In) и бор (В), прежде всего предпочтителен титан.The metal source used in the method of the present compound may be any compound that contains a metal oxide or a metal-containing mixed oxide, or from which a corresponding metal oxide or mixed oxide can be formed by oxidation or thermal and/or hydrolytic decomposition. The metal sources used in the context of the present invention are sources of the following elements: titanium (Ti), aluminum (Al), zirconium (Zr), iron (Fe), tin (Sn), germanium (Ge), indium (In) and boron (B), titanium is primarily preferred.
Специалист в данной области техники по своему усмотрению выбирает пригодные источники кремния и металла. В принципе, специалист в данной области техники выбирает из следующих комбинаций: а) источник кремния и источник металла находятся в жидкой форме, б) источник кремния находится в твердой форме, а источник металла находится в жидкой форме, в) источник кремния и источник металла оба входят в состав одного вещества.One skilled in the art will select suitable sources of silicon and metal at his or her discretion. In principle, one skilled in the art selects from the following combinations: a) the silicon source and the metal source are in liquid form, b) the silicon source is in solid form and the metal source is in liquid form, c) the silicon source and the metal source are both are part of the same substance.
В данном контексте термин "в жидкой форме" означает, что источник кремния и/или источник металла представлен в форме жидкости или раствора.As used herein, the term "in liquid form" means that the silicon source and/or metal source is present in the form of a liquid or solution.
Источники кремния в твердой форме можно, например, выбрать из группы, состоящей из пирогенного диоксида кремния, осажденного диоксида кремния, диоксида кремния, полученного золь-гель процессом, а также из их смесей. Предпочтительным является диоксид кремния с высокой степенью очистки, полученный осаждением, или пирогенный диоксид кремния.Sources of silicon in solid form can, for example, be selected from the group consisting of pyrogenic silica, precipitated silica, sol-gel silica, and mixtures thereof. Preferred is highly purified precipitation silica or pyrogenic silica.
Диоксид кремния высокой степени очистки, полученный осаждением, представляет собой диоксид кремния, полученный осаждением, который содержитHigh purity precipitation silica is a precipitation silica that contains
а) алюминий не более 1 част./млн,a) aluminum not more than 1 ppm,
б) бор не более 0,1 част./млн,b) boron not more than 0.1 ppm,
в) кальций не более 0,3 част./млн,c) calcium not more than 0.3 ppm,
г) железо не более 0,6 част./млн,d) iron not more than 0.6 ppm,
д) никель не более 0,5 част./млн,e) nickel not more than 0.5 ppm,
ж) фосфор не более 0,1 част./млн,g) phosphorus not more than 0.1 ppm,
з) титан не более 1 част./млн,h) titanium not more than 1 ppm,
и) цинк не более 0,3 част./млн,i) zinc not more than 0.3 ppm,
где общая сумма указанных выше элементов, а также натрия и калия составляет менее 5 част./млн. Такой диоксид кремния с высокой степенью очистки можно получить способом, описанным в заявке WO 2010/037702. Содержание заявки WO 2010/037702 в полном объеме включено в настоящее описание в качестве ссылки.where the total of the above elements plus sodium and potassium is less than 5 ppm. Such highly purified silica can be obtained by the method described in WO 2010/037702. The contents of WO 2010/037702 are incorporated herein by reference in their entirety.
Источник кремния и источник металла оба могут присутствовать в одном веществе различным образом. Примерами таких веществ являются смешанные оксиды металла и кремния, допированный оксидом металла диоксид кремния, металл-импрегнированный диоксид кремния, силикат металла, допированный металлом тетраалкилортосиликат, а также их смеси. Вещества такого типа предпочтительно являются аморфными. Предпочтительно таким веществом является аморфный диоксид кремния, допированный оксидом металла, аморфный диоксид кремния, импрегнированный металлом, или аморфный смешанный оксид металла и кремния.The silicon source and the metal source may both be present in the same substance in different ways. Examples of such substances are metal-silicon mixed oxides, metal oxide-doped silica, metal-impregnated silica, metal silicate, metal-doped tetraalkyl orthosilicate, and mixtures thereof. Substances of this type are preferably amorphous. Preferably, the material is a metal oxide doped amorphous silica, a metal impregnated amorphous silica, or an amorphous metal-silicon mixed oxide.
"Смешанный оксид металла и кремния " содержит наряду с SiO2 один или более оксидов металлов, предпочтительно выбранных из группы, состоящей из GeO2, In2O3, Al2O3, TiO2, В2О3, SnO2, ZrO2 или Fe2O3. Смешанные оксиды металла и кремния можно получить любым пригодным способом, например, пламенным пиролизом, совместным осаждением, золь-гель процессом. Смешанные оксиды металла и кремния описаны, например, в патентах ЕР 0814058 или DE 102007049742."Mixed oxide of metal and silicon" contains, along with SiO 2, one or more metal oxides, preferably selected from the group consisting of GeO 2 , In 2 O 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 , B 2 O 3 , SnO 2 , ZrO 2 or Fe 2 O 3 . Mixed oxides of metal and silicon can be prepared by any suitable method, for example, flame pyrolysis, co-precipitation, sol-gel process. Mixed oxides of metal and silicon are described, for example, in patents EP 0814058 or DE 102007049742.
"Допированный оксидом металла диоксид кремния" можно получить любым известным способом, например, пламенным пиролизом или способом импрегнирования с последующим прокаливанием."Metal oxide doped silica" can be produced by any known method, such as flame pyrolysis or impregnation followed by calcination.
"Металл-импрегнированный диоксид кремния" можно получить любым известным способом импрегнирования, например, способами "пропитки по влагоемкости"."Metal-impregnated silica" can be produced by any known impregnation method, for example, "moisture impregnation" methods.
В предпочтительном варианте способа по настоящему изобретению на стадии а) компонент (А) и компонент (Б) оба присутствуют в составе одного вещества, и указанное вещество выбирают из группы, состоящей из аморфного смешанного оксида кремния и металла, аморфного диоксида кремния, допированного оксидом металла, аморфного диоксида кремния, импрегнированного металлом, силиката металла, металл-допированного тетраалкилортосиликата, а также из их смесей. Более предпочтительно компонентом (А) в данном контексте является аморфный диоксид кремния, допированный оксидом металла, аморфный диоксид кремния, импрегнированный металлом, или аморфный смешанный оксид кремния и металла.In a preferred embodiment of the method of the present invention in step a), component (A) and component (B) are both present in a single substance, and said substance is selected from the group consisting of amorphous mixed silica and metal oxide, amorphous silica doped with metal oxide , metal-impregnated amorphous silica, metal silicate, metal-doped tetraalkyl orthosilicate, and mixtures thereof. More preferably, component (A) in this context is a metal oxide doped amorphous silica, a metal impregnated amorphous silica, or an amorphous silica-metal mixed oxide.
В другом предпочтительном варианте способа по настоящему изобретению на стадии а) компонент (А) присутствует в твердой форме, а компонент (Б) в жидкой форме. Более предпочтительно компонент (А) в данном контексте выбирают из группы, состоящей из пирогенного диоксида кремния, осажденного диоксида кремния, диоксида кремния, полученного золь-гель процессом, а также из их смесей. Наиболее предпочтительно компонентом (А) в данном контексте является диоксид кремния с высокой степенью очистки, полученный осаждением, или пирогенный диоксид кремния.In another preferred embodiment of the method of the present invention, in step a), component (A) is present in solid form and component (B) is in liquid form. More preferably, component (A) in this context is selected from the group consisting of fumed silica, precipitated silica, sol-gel silica, and mixtures thereof. Most preferably, component (A) in this context is highly purified precipitation silica or pyrogenic silica.
Гидротермальный синтез порошкообразных пористых кристаллических силикатов металлов сам по себе известен. То же самое относится к гидротермальному синтезу цеолитов, прежде всего цеолитов металлов. Следовательно, в принципе стадия а) способа по настоящему изобретению не ограничивается конкретными параметрами. Напротив, пригодны также все реагенты и параметры, которые известны специалистам в данной области техники для гидротермального синтеза пористых кристаллических силикатов металлов.Hydrothermal synthesis of powdered porous crystalline metal silicates is itself known. The same applies to the hydrothermal synthesis of zeolites, especially metal zeolites. Therefore, in principle, step a) of the method of the present invention is not limited to specific parameters. On the contrary, all reagents and parameters that are known to those skilled in the art for the hydrothermal synthesis of porous crystalline metal silicates are also suitable.
На стадии а) способа по настоящему изобретению при проведении гидротермального синтеза в водной смеси, включающей (А) по меньшей мере один источник кремния, (Б) по меньшей мере один источник металла и (В) по меньшей мере одну минерализирующую добавку, в качестве продукта реакции получают водную суспензию, содержащую пористый кристаллический силикат металла. Гидротермальный синтез, также называемый гидротермальным ростом кристаллов, представляет собой кристаллизацию из водных смесей при температурах выше 100°С до приблизительно выше 300°С и повышенном давлении вплоть до приблизительно 100 бар. Указанное означает, что рост из водных смесей является пригодным для веществ, которые в обычных условиях умеренно растворимы. Предпочтительно стадию а) способа по настоящему изобретению проводят при температуре от 100 до 250°С, более предпочтительно при температуре от 100 до 200°С, при автогенном давлении, создаваемом в реакторе высокого давления, например, в автоклаве. Давление, устанавливаемое в ходе гидротермального синтеза на стадии а) способа по настоящему изобретению, может находиться в диапазоне от 1,05 до 50 бар. Предпочтительно давление находится в диапазоне от 1,5 до 30 бар, более предпочтительно в диапазоне от 2 до 20 бар.In step a) of the method of the present invention, when carrying out hydrothermal synthesis in an aqueous mixture comprising (A) at least one source of silicon, (B) at least one source of metal and (C) at least one mineralizing additive, as a product the reaction produces an aqueous suspension containing porous crystalline metal silicate. Hydrothermal synthesis, also called hydrothermal crystal growth, is crystallization from aqueous mixtures at temperatures above 100°C to approximately above 300°C and elevated pressures up to approximately 100 bar. This means that growth from aqueous mixtures is suitable for substances that are moderately soluble under normal conditions. Preferably, step a) of the method of the present invention is carried out at a temperature of from 100 to 250°C, more preferably at a temperature of from 100 to 200°C, under autogenous pressure created in a high pressure reactor, for example, in an autoclave. The pressure set during the hydrothermal synthesis in step a) of the process of the present invention can be in the range from 1.05 to 50 bar. Preferably the pressure is in the range from 1.5 to 30 bar, more preferably in the range from 2 to 20 bar.
В указанных выше условиях осуществления способа по настоящему изобретению продолжительность проведения стадии а) способа по настоящему изобретению обычно составляет менее 12 ч. Предпочтительно, продолжительность стадии а) находится в диапазоне от 0,1 до 6 ч, более предпочтительно в диапазоне от 0,5 до 4 ч.Under the above conditions for carrying out the method of the present invention, the duration of step a) of the method of the present invention is usually less than 12 hours. Preferably, the duration of step a) is in the range of 0.1 to 6 hours, more preferably in the range of 0.5 to 4 hours
Минерализующие добавки, используемые в большинстве случаев, представляют собой HF или органические или неорганические основания, такие как гидроксиды четвертичного аммония, например, гидроксид тетрапропиламмония, или неорганические гидроксиды, такие как гидроксид натрия, гидроксид калия, гидроксид аммония или гидроксид кальция. Указанные добавки служат для повышения растворимости источников кремния и источников металлов, а также для достижения значения рН, оптимального для формирования кристаллов. Кроме того, можно также использовать соединения, которые в качестве минерализующих добавок могут образовывать комплексы с источниками металлов и источниками кремния. Гидротермальный синтез, как правило, проводят в щелочной среде при рН выше 7. Предпочтительно рН находится в диапазоне от 8 до 14, более предпочтительно в диапазоне от 9 до 13.The mineralizing additives used in most cases are HF or organic or inorganic bases such as quaternary ammonium hydroxides, such as tetrapropylammonium hydroxide, or inorganic hydroxides such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, ammonium hydroxide or calcium hydroxide. These additives serve to increase the solubility of silicon sources and metal sources, as well as to achieve a pH value that is optimal for crystal formation. In addition, it is also possible to use compounds which, as mineralizing additives, can form complexes with metal sources and silicon sources. Hydrothermal synthesis is generally carried out in an alkaline environment at a pH above 7. Preferably the pH is in the range of 8 to 14, more preferably in the range of 9 to 13.
Для оптимального проведения стадии а) способа по настоящему изобретению водная смесь может дополнительно включать пригодные затравочные кристаллы. Затравочные кристаллы указанного типа известны специалисту в данной области техники.To optimally carry out step a) of the method of the present invention, the aqueous mixture may further include suitable seed crystals. Seed crystals of this type are known to one skilled in the art.
В способе по настоящему изобретению водная смесь на стадии а) может дополнительно содержать матрицу, выбранную из группы, состоящей из аминов, соединений четвертичного аммония, спиртов и смесей указанных соединений. Матрица представляет собой соединение, которое при включении в кристаллическую решетку продукта в ходе гидротермального синтеза определяет кристаллическую структуру образующегося силиката металла. Примеры пригодных аминов включают: три(н-пропил)амин, ди(н-пропил)амин, н-пропиламин, ди(н-бутил)амин, этилендиамин, пропаноламин, этаноламин, хинуклидин и их замещенные производные, аммоний, соли аммония, морфолин, 1,5-диаминопентан, 1,6-диаминогексан, дипропилентриамин, дигексаметилентриамин, триэтилентетрамин, диэтилентриамин, галогениды 1-алкил-4-азобицикло[2.2.2]октан-4-оксида. Примеры пригодных спиртов включают: глицерин, гександиол, пентандиол.In the method of the present invention, the aqueous mixture in step a) may further comprise a matrix selected from the group consisting of amines, quaternary ammonium compounds, alcohols and mixtures of these compounds. The matrix is a compound that, when incorporated into the crystal lattice of a product during hydrothermal synthesis, determines the crystal structure of the resulting metal silicate. Examples of suitable amines include: tri(n-propyl)amine, di(n-propyl)amine, n-propylamine, di(n-butyl)amine, ethylenediamine, propanolamine, ethanolamine, quinuclidine and substituted derivatives thereof, ammonium, ammonium salts, morpholine, 1,5-diaminopentane, 1,6-diaminohexane, dipropylenetriamine, dihexamethylenetriamine, triethylenetetramine, diethylenetriamine, 1-alkyl-4-azobicyclo[2.2.2]octane-4-oxide halides. Examples of suitable alcohols include: glycerin, hexanediol, pentanediol.
Прежде всего предпочтительным является использование соединений тетраалкиламмония, таких как гидроксиды тетраалкиламмония, прежде всего гидроксида тетра-н-пропиламмония (ТРАОН), например, для получения силикалита-1 титана (структура MFI), гидроксида тетра-н-бутиламмония, например, для получения силикалита-2 титана (структура MEL), а также гидроксида тетраэтиламмония. Соединения четвертичного аммония предпочтительно используют в форме водных растворов.First of all, it is preferred to use tetraalkylammonium compounds such as tetraalkylammonium hydroxides, especially tetra-n-propylammonium hydroxide (TPAOH), for example, to obtain titanium silicalite-1 (MFI structure), tetra-n-butylammonium hydroxide, for example, to obtain silicalite -2 titanium (MEL structure), as well as tetraethylammonium hydroxide. Quaternary ammonium compounds are preferably used in the form of aqueous solutions.
Молярное соотношение количества матрицы, используемой на стадии а) способа по настоящему изобретению, и количества используемого кремния в принципе не ограничено. Предпочтительно, соотношение составляет ≥0,12 молей матрицы и менее <0,20 молей кремния.The molar ratio of the amount of matrix used in step a) of the method of the present invention and the amount of silicon used is in principle not limited. Preferably, the ratio is ≥0.12 moles of matrix and less than <0.20 moles of silicon.
Термин "пламенный спрей-пиролиз" известен специалисту в данной области техники и относится к процессу окислительной термической конверсии жидкого исходного материала, распределенного в виде высокодисперсных частиц в потоке газа при распылении, или суспензии в пламени, образующемся при сжигании топлива в присутствии кислорода. Пламенный спрей-пиролиз является общепринятым способом получения оксидов металлов, который описан, например, в заявке WO 2017/001366 А1 и в патенте США 2002/0041963 А1. Например, в заявке WO 2017/001366 А1 описан процесс данного типа для получения порошкообразных оксидов металлов с использованием пламенного спрей-пиролиза, в ходе которого силоксан-содержащий аэрозоль подают напрямую в пламя в реакторе, где он превращается в диоксид кремния.The term "flame spray pyrolysis" is known to one skilled in the art and refers to the process of oxidative thermal conversion of a liquid starting material dispersed as fine particles in an atomized gas stream or suspension in a flame generated by combustion of a fuel in the presence of oxygen. Flame spray pyrolysis is a common method for the production of metal oxides, which is described, for example, in application WO 2017/001366 A1 and US patent 2002/0041963 A1. For example, WO 2017/001366 A1 describes a process of this type for the production of powdered metal oxides using flame spray pyrolysis, in which a siloxane-containing aerosol is fed directly into a flame in a reactor where it is converted to silica.
Примеры топлива, используемого на стадии б) способа по настоящему изобретению, включают водород, метан, этан, пропан, бутан, природный газ и их смеси. Указанное топливо предпочтительно подают в газообразном состоянии в реактор, пригодный для проведения стадии б).Examples of fuels used in step b) of the method of the present invention include hydrogen, methane, ethane, propane, butane, natural gas and mixtures thereof. Said fuel is preferably supplied in a gaseous state to a reactor suitable for carrying out step b).
Кислород можно подавать в форме любого кислородсодержащего газа. Предпочтительным является использование воздуха.Oxygen can be supplied in the form of any oxygen-containing gas. Air is preferred.
Адиабатическая температура горения является стандартным параметром в специальной области техники для характеризации процесса горения по меньшей мере одного топлива и окислителя, состояние которых известно до начала горения. Соответственно, адиабатическую температуру горения, например, в соответствующем реакторе, можно рассчитывать способом, известным специалисту в данной области техники, исходя из известных параметров процесса, таких как температуры предварительного нагрева, величины удельного массового расхода и т.п.Adiabatic combustion temperature is a standard parameter in the art for characterizing the combustion process of at least one fuel and oxidizer, the state of which is known before combustion begins. Accordingly, the adiabatic combustion temperature, for example, in a suitable reactor, can be calculated in a manner known to one skilled in the art, based on known process parameters such as preheat temperatures, specific mass flow rates, etc.
Адиабатическая температура горения при проведении стадии б) способа по настоящему изобретению находится в диапазоне от 450 до 2200°С. Прежде всего предпочтительно адиабатическая температура горения находится в диапазоне от 450 до 1600°С, более предпочтительно в диапазоне от 500 до 1400°С, еще более предпочтительно в диапазоне от 500 до 1200°С, еще более предпочтительно в диапазоне от 550 до 1000°С, наиболее предпочтительно в диапазоне от 600 до 900°С.The adiabatic combustion temperature during stage b) of the method according to the present invention is in the range from 450 to 2200°C. First of all, preferably the adiabatic combustion temperature is in the range from 450 to 1600°C, more preferably in the range from 500 to 1400°C, even more preferably in the range from 500 to 1200°C, even more preferably in the range from 550 to 1000°C , most preferably in the range from 600 to 900°C.
В зависимости от участка проведения измерений, фактическая температура, создаваемая в пламени, изменяется в относительно широком диапазоне. Например, на стадии б) способа по настоящему изобретению температура, измеренная на 1,5 м ниже участка воспламенения может составлять по меньшей мере 300°С, предпочтительно температура на 1,5 м ниже участка воспламенения находится в диапазоне от 400 до 800°С.Depending on the measurement site, the actual temperature generated in the flame varies over a relatively wide range. For example, in step b) of the method of the present invention, the temperature measured 1.5 m below the ignition site may be at least 300°C, preferably the temperature 1.5 m below the ignition site is in the range of 400 to 800°C.
Среднее время нахождения суспензии, полученной на стадии а), в реакторе при проведении стадии б) может составлять от 1 мс до 100 с. Предпочтительно среднее время нахождения находится в диапазоне от 0,1 с до 10 с, более предпочтительно в диапазоне от 0,5 с до 5 с. Расчет упомянутого выше среднего времени нахождения в реакторе (<t>, [с]) проводят с использованием общего объема газа, подаваемого в реактор в единицу времени (Vt, [м3/с (STP)]), и объема реактора (VR, [м3]).The average residence time of the suspension obtained at stage a) in the reactor during stage b) can range from 1 ms to 100 s. Preferably, the average residence time is in the range of 0.1 s to 10 s, more preferably in the range of 0.5 s to 5 s. The calculation of the above-mentioned average residence time in the reactor (<t>, [s]) is carried out using the total volume of gas supplied to the reactor per unit time (V t , [m 3 /s (STP)]) and the volume of the reactor (V R , [m 3 ]).
<t>=VR/vt <t>=V R /v t
Упомянутые выше температуры и среднее время нахождения на стадии б) способа по настоящему изобретению предпочтительно выбирают таким образом, чтобы окислительное разложение органической матрицы происходило на указанной стадии, при этом исключая повреждение пористой структуры получаемого продукта под действием избыточно высоких температур. Таким образом, если устанавливается относительно высокая температура пламени, которая в случае длительного применения может вызывать необратимые изменения пористой структуры силиката металла, целесообразно выбирать относительно короткое время нахождения в пламени.The above-mentioned temperatures and the average residence time in stage b) of the method of the present invention are preferably chosen in such a way that the oxidative decomposition of the organic matrix occurs at the specified stage, while excluding damage to the porous structure of the resulting product under the influence of excessively high temperatures. Thus, if a relatively high flame temperature is established, which in the case of prolonged use can cause irreversible changes in the porous structure of the metal silicate, it is advisable to choose a relatively short residence time in the flame.
Содержание твердых веществ wFT (мас. %) в водной суспензии, полученной на стадии а), можно рассчитать из общей массы указанной суспензии (MS) и массы воды в указанной суспензии (MH2O):The solids content w FT (wt %) in the aqueous suspension obtained in step a) can be calculated from the total mass of said suspension ( MS ) and the mass of water in said suspension (M H2O ):
WFT=(MS-MH2O)/MS*100%W FT =(M S -M H2O )/M S *100%
Содержание твердых веществ в суспензии, полученной на стадии а), составляет ≤70 мас. %. Предпочтительно содержание твердых веществ находится в диапазоне от 10 мас. % до 70 мас. %, более предпочтительно в диапазоне от 10 мас. % до 60 мас. %, наиболее предпочтительно в диапазоне от 20 мас. % до 50 мас. %. Содержание твердых веществ более 70 мас. % может вызвать технические сложности при распылении и проведении пламенного спрей-пиролиза на стадии б) способа по настоящему изобретению, в то время как содержание твердых веществ менее 10 мас. % может оказывать негативное действие на экономическую эффективность процесса из-за избыточного больших количеств воды, подлежащей испарению. Специалисту в данной области техники известны способы регулирования содержания твердых веществ, например, реагенты можно использовать в пригодной концентрации или суспензию можно соответствующим образом разбавить.The solids content of the suspension obtained in step a) is ≤70 wt. %. Preferably, the solids content is in the range of 10 wt. % up to 70 wt. %, more preferably in the range of 10 wt. % up to 60 wt. %, most preferably in the range of 20 wt. % up to 50 wt. %. Solid content more than 70 wt. % may cause technical difficulties during atomization and flame spray pyrolysis in step b) of the method of the present invention, while the solids content is less than 10 wt. % can have a negative effect on the economic efficiency of the process due to the excess of large quantities of water to be evaporated. Methods for controlling the solids content will be known to one skilled in the art, for example, the reagents can be used at a suitable concentration or the suspension can be suitably diluted.
Средний диаметр (d50) частиц силиката металла в водной дисперсии, которую получают на стадии а) способа по настоящему изобретению, предпочтительно составляет менее 500 нм и более предпочтительно менее 400 нм. Средний диаметр частиц силиката металла можно определить, например, с использованием динамического лазерного светорассеяния (DLS).The average diameter (d50) of the metal silicate particles in the aqueous dispersion that is obtained in step a) of the process of the present invention is preferably less than 500 nm and more preferably less than 400 nm. The average diameter of the metal silicate particles can be determined, for example, using dynamic laser light scattering (DLS).
Потери при прокаливании (в мас. %) определены немецким промышленным стандартом DIN 18128:2002-12 как доля органических соединений в образце. При прокаливании из образца удаляется органический компонент, например, присутствующий углерод окисляется и удаляется в виде диоксида углерода. Согласно DIN 18128:2002-12, потери при прокаливании порошкообразного пористого кристаллического силиката металла, получаемого способом по настоящему изобретению, предпочтительно составляют менее 5 мас. %, более предпочтительно менее 3 мас. %, наиболее предпочтительно менее 2 мас. %.Loss on ignition (in wt.%) is defined by the German industrial standard DIN 18128:2002-12 as the proportion of organic compounds in the sample. Calcination removes the organic component from the sample, for example, the carbon present is oxidized and eliminated as carbon dioxide. According to DIN 18128:2002-12, the loss on ignition of the porous crystalline metal silicate powder obtained by the process of the present invention is preferably less than 5 wt. %, more preferably less than 3 wt. %, most preferably less than 2 wt. %.
Если используют матрицу, по меньшей мере частичное термическое и/или окислительное разложение матрицы предпочтительно происходит на стадии б) способа по настоящему изобретению. Более предпочтительно, согласно настоящему изобретению, разлагается более 70 мас. % используемой матрицы, наиболее предпочтительно более 90 мас. %.If a matrix is used, at least partial thermal and/or oxidative decomposition of the matrix preferably occurs in step b) of the method of the present invention. More preferably, according to the present invention, more than 70 wt. % of the matrix used, most preferably more than 90 wt. %.
Удельная поверхность порошкообразных пористых кристаллических силикатов металлов, получаемых способом по настоящему изобретению, может составлять ≥20 м2/г, предпочтительно от 30 до 800 м2/г, более предпочтительно от 50 до 700 м2/г, наиболее предпочтительно от 70 до 600 м2/г. Удельную поверхность, также называемую просто площадью поверхности BET, определяют согласно DIN 9277:2014 адсорбцией азота согласно методу Брунауера-Эммета-Теллера (Brunauer-Emmett-Teller, BET).The specific surface area of the powdered porous crystalline metal silicates produced by the process of the present invention may be ≥20 m 2 /g, preferably 30 to 800 m 2 /g, more preferably 50 to 700 m 2 /g, most preferably 70 to 600 m 2 /g. The specific surface area, also simply called surface area BET, is determined according to DIN 9277:2014 by nitrogen adsorption according to the Brunauer-Emmett-Teller (BET) method.
Совокупный объем азота, десорбируемого из пор, рассчитывают методом BJH, описанным в статье Barret, Joyner и Halenda, Journal of the American Chemical Society, 73, cc. 373-380 (1951).The total volume of nitrogen desorbed from the pores is calculated by the BJH method described in Barret, Joyner and Halenda, Journal of the American Chemical Society, 73, cc. 373-380 (1951).
Способ по настоящему изобретению обеспечивает получение кристаллических силикатов металлов в порошкообразной форме. Соответственно, для применения в качестве катализаторов окисления при необходимости их можно переводить в пригодную для применения форму, например, микрогранул, сфер, таблеток, литых цилиндров, полых цилиндров или сотовых пузырей известными способами формования порошкообразных катализаторов, например, прессованием, грануляцией, высушиванием при распылении или экструзией.The method of the present invention produces crystalline metal silicates in powder form. Accordingly, for use as oxidation catalysts, if necessary, they can be converted into a suitable form, for example, microgranules, spheres, tablets, cast cylinders, hollow cylinders or honeycomb bubbles by known methods for forming powdered catalysts, for example, compression, granulation, spray drying or extrusion.
В другом варианте осуществления способа по настоящему изобретению после стадии б) следует стадия в), включающая следующие стадии:In another embodiment of the method of the present invention, step b) is followed by step c), comprising the following steps:
(1) добавление воды, при этом получают водную суспензию пористого кристаллического силиката металла,(1) adding water to obtain an aqueous suspension of porous crystalline metal silicate,
(2) смешивание суспензии, полученной на стадии (1), с гранулирующими вспомогательными веществами,(2) mixing the suspension obtained in step (1) with granulating auxiliaries,
(3) прессование, грануляция, высушивание при распылении или экструзия, при этом получают пористый кристаллический силикат металла в форме микрогранул, сфер, таблеток, литых цилиндров, полых цилиндров или сотовых пузырей.(3) compression, granulation, spray drying or extrusion, which produces porous crystalline metal silicate in the form of microgranules, spheres, tablets, cast cylinders, hollow cylinders or honeycomb bubbles.
Размер частиц таких формованных изделий предпочтительно находится в диапазоне от 0,1 мм до 10 мм.The particle size of such molded articles is preferably in the range from 0.1 mm to 10 mm.
Для смешивания и формования можно использовать все известные смешивающие и формующие устройства и способы, а также использовать все стандартные гранулирующие средства. Известные формующие устройства такого типа описаны, например, в энциклопедии Ульмана промышленной химии (Ullmann's der Technischen Chemie, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 4-е изд., т.2, с. 295 и далее, (1972)). Предпочтительным является использование одно- и двухшнековых экструдеров или экструзионных прессов. В данном случае возможно получение множества известных геометрических форм, например, литых цилиндров, полых цилиндров, звезд и т.п. Однако также можно получать сотовые пузыри.For mixing and shaping, all known mixing and shaping devices and methods can be used, and all standard granulating agents can be used. Known forming devices of this type are described, for example, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry der Technischen Chemie, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 4th ed., vol. 2, p. 295 ff. (1972)). It is preferable to use single and twin screw extruders or extrusion presses. In this case, it is possible to obtain a variety of known geometric shapes, for example, cast cylinders, hollow cylinders, stars, etc. However, it is also possible to obtain honeycomb bubbles.
Водную суспензию, получаемую на стадии а) способа по настоящему изобретению, распыляют в ходе проведения стадии б), то есть распыляют в виде высокодисперсных частиц в окружающем газе, и таким образом формируют аэрозоль, трехфазную смесь твердое вещество/жидкость/газ, состоящую из газа и распределенных в нем жидких капель, которые в свою очередь содержат твердые частицы. Газ, используемый для распыления водной суспензии, может содержать кислород и/или по меньшей мере одно из вышеупомянутых топлив и/или по меньшей мере один инертный газ, например, азот. Для распыления предпочтительно использовать N2, Н2 или воздух, прежде всего предпочтителен воздух.The aqueous suspension obtained in step a) of the method of the present invention is atomized during step b), that is, atomized as fine particles in the surrounding gas, and thus forms an aerosol, a three-phase solid/liquid/gas mixture consisting of gas and liquid droplets distributed in it, which in turn contain solid particles. The gas used to atomize the aqueous suspension may contain oxygen and/or at least one of the above-mentioned fuels and/or at least one inert gas, for example nitrogen. For spraying, it is preferable to use N 2 , H 2 or air, air being particularly preferred.
Аэрозоль, полученный на стадии а) при распылении водной суспензии, предпочтительно включает капли жидкости, характеризующиеся среднечисловым диаметром не более 2 мм, более предпочтительно не более 1 мм, наиболее предпочтительно не более 0,5 мм. Такой среднечисловой размер капель жидкости в аэрозоле может рассчитать, например, специалист в данной области техники на основании результатов определения размеров, регистрируемых используемыми приборами, соответствующих скоростей потока, свойств жидкости и газа и других параметров. В другом варианте, среднечисловой размер капель жидкости в аэрозоле, полученном на стадии а), можно измерить напрямую с использованием метода лазерной дифракции. Полученное измеренное распределение размера капель используют для определения среднего диаметра d50, который в качестве среднечислового размера частиц соответствует размеру капли, не превышает 50% всех частиц.The aerosol produced in step a) by spraying an aqueous suspension preferably comprises liquid droplets having a number average diameter of no more than 2 mm, more preferably no more than 1 mm, most preferably no more than 0.5 mm. Such number-average size of liquid droplets in an aerosol can be calculated, for example, by a person skilled in the art based on the results of determining the sizes recorded by the instruments used, the corresponding flow rates, the properties of the liquid and gas, and other parameters. Alternatively, the number-average size of the liquid droplets in the aerosol obtained in step a) can be measured directly using laser diffraction. The resulting measured droplet size distribution is used to determine the average diameter d50 , which, as a number-average particle size, corresponds to a droplet size not exceeding 50% of all particles.
Распыление водной суспензии, которое осуществляется на стадии б) способа по настоящему изобретению, можно проводить с использованием различных установок и приборов, которые известны специалисту в данной области техники для указанной цели. Например, в данном контексте возможно применение центробежных распылителей, ротационных распылителей, ультразвуковых распылителей, однофазных, двухфазных или многофазных форсунок, а также различных инжекторных систем или аналогичных систем. Предпочтительно, согласно способу по настоящему изобретению, водную суспензию на стадии б) распыляют в пламени по меньшей мере через одну форсунку.The spraying of the aqueous suspension, which is carried out in step b) of the method of the present invention, can be carried out using various installations and devices that are known to the person skilled in the art for this purpose. For example, in this context it is possible to use centrifugal atomizers, rotary atomizers, ultrasonic atomizers, single-phase, two-phase or multi-phase nozzles, as well as various injection systems or similar systems. Preferably, according to the method of the present invention, the aqueous suspension in step b) is sprayed into a flame through at least one nozzle.
Кислород, используемый на стадии б) способа по настоящему изобретению, можно подавать в реактор пламенного спрей-пиролиза в нескольких участках. Например, используемую суспензию можно распылять в первый газовый поток, включающий воздух, в то время как основную часть воздуха (первичный воздух) подают в пламя в качестве второго газового потока параллельно направлению потока подаваемой распыляемой суспензии, а третий газовый поток (вторичный воздух) можно подавать тангенциально (под прямыми углами к направлению потока подаваемой распыляемой суспензии), например, чтобы исключить отложение материала. Аналогичным образом целесообразно подавать топливо в реактор в нескольких участках, например, в основной поток (поток первичного топлива) наряду с потоком первичного воздуха и вторичным потоком (поток вторичного топлива, внешнее топливо), например, для стабилизации создаваемого пламени.The oxygen used in step b) of the process of the present invention can be supplied to the flame spray pyrolysis reactor in several sections. For example, the suspension used may be sprayed into a first gas stream comprising air, while the bulk of the air (primary air) is supplied to the flame as a second gas stream parallel to the flow direction of the supplied spray suspension, and a third gas stream (secondary air) may be supplied tangentially (at right angles to the direction of flow of the supplied spray suspension), for example, to prevent material deposition. Likewise, it is advantageous to introduce fuel into the reactor in several areas, for example, in the main stream (primary fuel stream) along with the primary air stream and the secondary stream (secondary fuel stream, external fuel), for example, to stabilize the generated flame.
Прежде всего целесообразно при проведении стадии б) способа по настоящему изобретению, количество кислорода превышает общее количество все горючих компонентов реакционной смеси. В данном контексте реакционная смесь означает суспензию, превращенную на стадии б), наряду с газообразными компонентами, используемыми на стадии б). Горючие компоненты указанной реакционной смеси включают, например, используемые топлива и матрицы. Индекс λ (лямбда) представляет собой соотношение, полученное при делении количества кислорода, присутствующего в реакционной смеси, на количество кислорода, необходимого для полного сжигания всех горючих компонентов реакционной смеси, при этом каждое количество выражают в моль/ч. Предпочтительно λ устанавливают на уровне от 1 до 10, более предпочтительно λ выбирают на уровне от 2 до 6.First of all, it is advisable when carrying out stage b) of the method according to the present invention, the amount of oxygen exceeds the total amount of all flammable components of the reaction mixture. In this context, the reaction mixture means the suspension converted in step b), along with the gaseous components used in step b). The combustible components of said reaction mixture include, for example, the fuels and matrices used. The λ index (lambda) is the ratio obtained by dividing the amount of oxygen present in the reaction mixture by the amount of oxygen required for complete combustion of all combustible components of the reaction mixture, each amount being expressed in mol/h. Preferably, λ is set at a level from 1 to 10, more preferably, λ is selected at a level from 2 to 6.
Кислород и топливо, используемые при проведении стадии б) способа по настоящему изобретению, можно подавать в предварительно нагретой форме. В данном контексте диапазон пригодных температур составляет от 50 до 400°С. Суспензию, получаемую на стадии а) способа по настоящему изобретению, можно также подавать в пламя, предварительно нагретую до температуры от 50 до 300°С. Более предпочтительно указанную суспензию можно использовать на стадии б) напрямую после получения на стадии а) без охлаждения.The oxygen and fuel used in step b) of the process of the present invention can be supplied in preheated form. In this context, the range of suitable temperatures is from 50 to 400°C. The suspension obtained in step a) of the method of the present invention can also be fed into a flame preheated to a temperature of from 50 to 300°C. More preferably, said suspension can be used in step b) directly after being obtained in step a) without cooling.
Соотношение общего объема газа, используемого на стадии б), выраженное в стандартных кубических метрах, и количества используемой водной суспензии, выраженного в кг, предпочтительно составляет от 0,1 до 100 м3/кг (нормальные условия), более предпочтительно от 0,5 до 50 м3/кг (нормальные условия), наиболее предпочтительно от 1 до 10 м3/кг (нормальные условия).The ratio of the total volume of gas used in step b), expressed in standard cubic meters, and the amount of aqueous suspension used, expressed in kg, is preferably from 0.1 to 100 m 3 /kg (normal conditions), more preferably from 0.5 up to 50 m 3 /kg (normal conditions), most preferably from 1 to 10 m 3 /kg (normal conditions).
Использование способа по настоящему изобретению более предпочтительно позволяет получать титансодержащие цеолиты типа силикалита-1 титана и силикалита-2 титана, которые можно использовать в качестве катализаторов в окислительных реакциях с пероксидом водорода. Более конкретно, такие титансодержащие цеолиты можно использовать в качестве катализаторов при эпоксидировании олефинов с использованием водного раствора пероксида водорода.Using the method of the present invention more preferably produces titanium-containing zeolites such as titanium silicalite-1 and titanium silicalite-2, which can be used as catalysts in oxidative reactions with hydrogen peroxide. More specifically, such titanium-containing zeolites can be used as catalysts in the epoxidation of olefins using an aqueous solution of hydrogen peroxide.
ПримерыExamples
Пример 1Example 1
Получение неочищенной суспензии гидротермальным синтезомPreparation of crude suspension by hydrothermal synthesis
Синтез цеолита силикалита-1 титана (TS-1, структура типа MFI) проводили в реакторе высокого давления (объем 3 м3) соответствующим способом, описанным в примере 1 патента ЕР 0814058 В1. В качестве источника кремния использовали аморфный диоксид кремния с высокой степенью очистки (фирма-производитель Evonik Industries), а в качестве источника титана использовали водный раствор гидроксида тетрапропиламмония титана (раствор Ti-TPA), где содержание TiO2 составляет 19,0 мас. %. Раствор Ti-TPA получали следующим образом.The synthesis of titanium silicalite-1 zeolite (TS-1, MFI type structure) was carried out in a high-pressure reactor (volume 3 m 3 ) according to the method described in example 1 of patent EP 0814058 B1. Highly purified amorphous silicon dioxide (manufacturer Evonik Industries) was used as a source of silicon, and an aqueous solution of tetrapropylammonium titanium hydroxide (Ti-TPA solution), where the TiO 2 content was 19.0 wt., was used as a titanium source. %. The Ti-TPA solution was prepared as follows.
Деионизированную воду (90,1 кг), 40% водный раствор гидроксида тетрапропиламмония (167,3 кг, фирма-производитель Sachem) и тетраэтилортотитанат (141,6 кг, фирма-производитель Connect Chemicals GmbH) перемешивали в течение 1 ч при 40°С в закрытом сосуде. Экзотермическое протекание реакции приводило к повышению температуры приблизительно на 25°С. Затем этанол отгоняли при 80°С при скорости 30 л/ч. Требуемое содержание ТЮ2 в полученном растворе Ti-TPA составляло 19,0 мас. %. После охлаждения раствор Ti-TPA использовали в синтезе TS-1.Deionized water (90.1 kg), 40% aqueous tetrapropylammonium hydroxide (167.3 kg, manufactured by Sachem) and tetraethyl orthotitanate (141.6 kg, manufactured by Connect Chemicals GmbH) were stirred for 1 hour at 40°C in a closed container. The exothermic reaction resulted in an increase in temperature of approximately 25°C. Then ethanol was distilled off at 80°C at a speed of 30 l/h. The required TiO2 content in the resulting Ti-TPA solution was 19.0 wt. %. After cooling, the Ti-TPA solution was used in the synthesis of TS-1.
В реактор высокого давления сначала загружали диоксид кремния с высокой степенью очистки (500 кг, фирма Evonik Industries), 40% водный раствор гидроксида тетрапропиламмония (382 кг, фирма Sachem), раствор Ti-TPA (193 кг), затравочные кристаллы силикалита-1 (10 кг) и деионизированную воду (1800 кг). Смесь перемешивали в замкнутом реакторе высокого давления при скорости перемешивания 50 об./мин в течение 3 ч при 170°С. Время нагрева до 170°С составляло 180 мин, после охлаждения в течение 150 мин синтез останавливали. Перемешивание при скорости перемешивания 50 об./мин продолжали с начала синтеза до его завершения.The high-pressure reactor was first loaded with highly purified silica (500 kg, Evonik Industries), a 40% aqueous solution of tetrapropylammonium hydroxide (382 kg, Sachem), Ti-TPA solution (193 kg), and silicalite-1 seed crystals ( 10 kg) and deionized water (1800 kg). The mixture was stirred in a closed high-pressure reactor at a stirring speed of 50 rpm for 3 hours at 170°C. The heating time to 170°C was 180 min; after cooling for 150 min, the synthesis was stopped. Stirring at a stirring speed of 50 rpm was continued from the beginning of the synthesis until its completion.
Затравочные кристаллы силикалита-1 получали гидротермальным синтезом в реакторе высокого давления с использованием диоксида кремния с высокой степенью очистки (500 кг, фирма Evonik Industries), 40% водного раствора гидроксида тетрапропиламмония (400 кг, фирма Sachem) и деионизированной воды (1800 кг). Смесь перемешивали в замкнутом реакторе высокого давления при скорости перемешивания 50 об./мин в течение 3 ч при 160°С. Время нагрева до 160°С составляло 180 мин, после охлаждения в течение 150 мин синтез останавливали. Перемешивание при скорости перемешивания 50 об./мин продолжали с начала синтеза до его завершения.Silicalite-1 seed crystals were prepared by hydrothermal synthesis in a high-pressure reactor using highly purified silica (500 kg, Evonik Industries), 40% aqueous tetrapropylammonium hydroxide (400 kg, Sachem) and deionized water (1800 kg). The mixture was stirred in a closed high-pressure reactor at a stirring speed of 50 rpm for 3 hours at 160°C. The heating time to 160°C was 180 min; after cooling for 150 min, the synthesis was stopped. Stirring at a stirring speed of 50 rpm was continued from the beginning of the synthesis until its completion.
Пример сравнения 1Comparison example 1
Стандартная обработка после гидротермального синтезаStandard post-hydrothermal synthesis treatment
Уксусную кислоту (60 мас. %) добавляли в неочищенную суспензию, описанную в примере 1, до рН=7, полученный осадок отделяли фильтрованием на фильтр-прессе и промывали дистиллированной водой. Полученное твердое вещество сушили с использованием метода высушивания при распылении при температуре на входном отверстии 420°С и скорости распыления 1700 мин-1 (температура на выходном отверстии составляла 110°С). Затем частично высушенный порошок прокаливали при температуре максимум 650°С в трубчатой печи в течение 2 ч. Полученный таким образом продукт характеризовался площадью поверхности BET 470 м2/г, при этом потери при прокаливании (измеренные при 550°С) составляли 0,65%. По результатам рентгеноструктурного анализа (XRD, фиг.1) продукт характеризовался кристаллической структурой TS-1 (код идентификации в Международном центре дифракционных данных ICDD: 01-089-8099). По данным пороструктурного анализа с использованием азота методом расчета распределения пор по размерам BJH, объем пор составлял 0,23 мл/г.Acetic acid (60 wt.%) was added to the crude suspension described in example 1 to pH=7, the resulting precipitate was separated by filtration on a filter press and washed with distilled water. The resulting solid was dried using a spray drying method at an inlet temperature of 420°C and a spray speed of 1700 min -1 (outlet temperature was 110°C). The partially dried powder was then calcined at a maximum temperature of 650°C in a tube furnace for 2 hours. The product thus obtained had a BET surface area of 470 m 2 /g, with a loss on ignition (measured at 550°C) of 0.65% . According to the results of X-ray diffraction analysis (XRD, Fig. 1), the product was characterized by the crystal structure of TS-1 (identification code in the International Center for Diffraction Data ICDD: 01-089-8099). According to pore structure analysis using nitrogen using the BJH pore size distribution method, the pore volume was 0.23 ml/g.
Пример 2Example 2
Обжиг с распылением после гидротермального синтеза (600°С)Spray firing after hydrothermal synthesis (600°C)
Неочищенную суспензию (16 кг/ч), описанную в примере 1, распыляли на опытной установке в потоке азота (скорость потока 18 м3/ч) для распыления через двухфазное сопло с внутренним диаметром 2 мм и щелью 1 мм. Пламя водород/воздух поддерживали в потоке водорода (10 м3/ч) и потоке первичного воздуха (45 м3/ч). Для исключения отложений материалов в перпендикулярном направлении подавали вторичный воздух (скорость потока 25 м3/ч). Температуру, измеряемую на 1,5 м ниже участка воспламенения, поддерживали при 600°С за счет незначительного изменения потока водорода. Адиабатическая температура сгорания в реакторе составляла приблизительно 680°С. Время нахождения в реакторе составляло приблизительно 1,1 с. Отходящие газы, содержащие прокаленный цеолит, направляли через охлаждаемую водой зону охлаждения (температура охлаждающего агента: 25°С) с диаметром 100 мм и длиной 6 м и затем собирали в патронных фильтрах при максимум 250°С. При последующей очистке патронных фильтров можно собирать готовый прокаленный продукт (4,35 кг/ч). Площадь поверхности BET полученного таким образом продукта составляла 499 м2/г, а потери при прокаливании (измеренные при 550°С) составляли 1,35 мас. %. Результаты XRD (фиг.2) свидетельствовали о том, что продукт характеризовался кристаллической структурой TS-1 (код идентификации ICDD: 01-089-8099). По данным пороструктурного анализа с использованием азота методом BJH, объем пор составлял 0,3 мл/г.The crude suspension (16 kg/h) described in example 1 was sprayed in a pilot plant in a nitrogen stream (flow rate 18 m 3 /h) for spraying through a two-phase nozzle with an internal diameter of 2 mm and a slot of 1 mm. The hydrogen/air flame was maintained in a hydrogen flow (10 m 3 /h) and a primary air flow (45 m 3 /h). To eliminate deposits of materials, secondary air was supplied in the perpendicular direction (flow rate 25 m 3 /h). The temperature, measured 1.5 m below the ignition site, was maintained at 600°C by slightly changing the hydrogen flow. The adiabatic combustion temperature in the reactor was approximately 680°C. The residence time in the reactor was approximately 1.1 s. The off-gases containing the calcined zeolite were directed through a water-cooled cooling zone (coolant temperature: 25°C) with a diameter of 100 mm and a length of 6 m and then collected in cartridge filters at a maximum of 250°C. When subsequently cleaning the cartridge filters, you can collect the finished calcined product (4.35 kg/h). The BET surface area of the product thus obtained was 499 m 2 /g and the loss on ignition (measured at 550° C.) was 1.35 wt. %. The XRD results (Figure 2) indicated that the product had a TS-1 crystal structure (ICDD identification code: 01-089-8099). According to pore structure analysis using nitrogen using the BJH method, the pore volume was 0.3 ml/g.
Пример сравнения 2 (отрицательный пример)Comparison example 2 (negative example)
Обжиг с распылением после гидротермального синтеза (400°С)Spray firing after hydrothermal synthesis (400°C)
Неочищенную суспензию (15 кг/ч), описанную в примере 1, распыляли на опытной установке в потоке азота (скорость потока 18 м3/ч) для распыления через двухфазное сопло с внутренним диаметром 2 мм и щелью 1 мм. Пламя водород/воздух поддерживали в потоке водорода (8 м3/ч) и потоке первичного воздуха (45 м3/ч). Температуру, измеряемую на 1,5 м ниже участка воспламенения, поддерживали при 400°С за счет незначительного изменения потока водорода. Адиабатическая температура горения в реакторе составляла приблизительно 544°С. Время нахождения в реакторе составляло приблизительно 1,35 с. Отходящие газы, содержащие прокаленный цеолит, направляли через охлаждаемую водой зону охлаждения (температура охлаждающего агента: 25°С) с диаметром 100 мм и длиной 6 м и затем собирали в патронных фильтрах при максимум 250°С. При последующей очистке патронных фильтров можно собирать готовый прокаленный продукт (4,4 кг/ч). Площадь поверхности BET полученного таким образом продукта составляла 240 м2/г, а потери при прокаливании (измеренные при 550°С) составляли 9,0 мас. %. Из-за значительных потерь при прокаливании полученный продукт был непригоден для дальнейшей переработки с целью получения конечного продукта и использовании его в контрольной реакции НРРО.The crude suspension (15 kg/h) described in example 1 was sprayed in a pilot plant in a nitrogen stream (flow rate 18 m 3 /h) for spraying through a two-phase nozzle with an internal diameter of 2 mm and a slot of 1 mm. The hydrogen/air flame was maintained in a hydrogen flow (8 m 3 /h) and a primary air flow (45 m 3 /h). The temperature, measured 1.5 m below the ignition site, was maintained at 400°C by slightly changing the hydrogen flow. The adiabatic combustion temperature in the reactor was approximately 544°C. The residence time in the reactor was approximately 1.35 s. The off-gases containing the calcined zeolite were directed through a water-cooled cooling zone (coolant temperature: 25°C) with a diameter of 100 mm and a length of 6 m and then collected in cartridge filters at a maximum of 250°C. When subsequently cleaning the cartridge filters, you can collect the finished calcined product (4.4 kg/h). The BET surface area of the product thus obtained was 240 m 2 /g and the loss on ignition (measured at 550° C.) was 9.0 wt. %. Due to significant losses on ignition, the resulting product was unsuitable for further processing to obtain the final product and use it in the control NRPO reaction.
Пример 3Example 3
Обжиг с распылением после гидротермального синтеза (700°С)Spray firing after hydrothermal synthesis (700°C)
Неочищенную суспензию (30 кг/ч), описанную в примере 1, распыляли на опытной установке в потоке азота (скорость потока 18 м3/ч) для распыления через двухфазное сопло с внутренним диаметром 2 мм и щелью 1 мм. Пламя водород/воздух поддерживали в потоке водорода (9,1 м3/ч) и потоке первичного воздуха (27 м3/ч). Температуру, измеряемую на 1,5 м ниже участка воспламенения, поддерживали при 700°С за счет незначительного изменения потока водорода. Адиабатическая температура горения в реакторе составляла приблизительно 750°С. Время нахождения в реакторе составляло приблизительно 1,1 с. Отходящие газы, содержащие прокаленный цеолит, направляли через охлаждаемую водой зону охлаждения (поток Н2О со скоростью 10 л/ч, поток воздуха со скоростью 4 м3/ч) с диаметром 100 мм и длиной 6 м и затем собирали в патронных фильтрах при максимум 250°С. При последующей очистке патронных фильтров можно собирать готовый прокаленный продукт (8,7 кг/ч). Площадь поверхности BET полученного таким образом продукта составляла 506 м2/г, а потери при прокаливании (измеренные при 550°С) составляли 1,1 мас. %. Результаты XRD (фиг.3) свидетельствовали о том, что продукт характеризовался кристаллической структурой TS-1 (код идентификации ICDD: 01-089-8099). По данным пороструктурного анализа с использованием азота методом BJH, объем пор составлял 0,3 мл/г.The crude suspension (30 kg/h) described in example 1 was sprayed in a pilot plant in a nitrogen stream (flow rate 18 m 3 /h) for spraying through a two-phase nozzle with an internal diameter of 2 mm and a slot of 1 mm. The hydrogen/air flame was maintained in a hydrogen flow (9.1 m 3 /h) and a primary air flow (27 m 3 /h). The temperature, measured 1.5 m below the ignition site, was maintained at 700°C by slightly changing the hydrogen flow. The adiabatic combustion temperature in the reactor was approximately 750°C. The residence time in the reactor was approximately 1.1 s. Exhaust gases containing calcined zeolite were directed through a water-cooled cooling zone (H 2 O flow at a speed of 10 l/h, air flow at a speed of 4 m 3 / h) with a diameter of 100 mm and a length of 6 m and then collected in cartridge filters at maximum 250°C. When subsequently cleaning the cartridge filters, you can collect the finished calcined product (8.7 kg/h). The BET surface area of the product thus obtained was 506 m 2 /g and the loss on ignition (measured at 550° C.) was 1.1 wt. %. The XRD results (Figure 3) indicated that the product had a TS-1 crystal structure (ICDD identification code: 01-089-8099). According to pore structure analysis using nitrogen using the BJH method, the pore volume was 0.3 ml/g.
Пример 4Example 4
Обжиг с распылением после гидротермального синтеза (800°С)Spray firing after hydrothermal synthesis (800°C)
Неочищенную суспензию (14 кг/ч), описанную в примере 1, распыляли на опытной установке в потоке азота (скорость потока 18 м3/ч) для распыления через двухфазное сопло с внутренним диаметром 2 мм и щелью 1 мм. Пламя водород/воздух поддерживали в потоке водорода (12,2 м3/ч) и потоке первичного воздуха (40 м3/ч). Температуру, измеряемую на 1,5 м ниже участка воспламенения, поддерживали при 800°С за счет незначительного изменения потока водорода. Адиабатическая температура горения в реакторе составляла приблизительно 830°С. Время нахождения в реакторе составляло приблизительно 0,85 с. Отходящие газы, содержащие прокаленный цеолит, направляли через охлаждаемую водой зону охлаждения (температура охлаждающего агента: 25°С) с диаметром 100 мм и длиной 6 м и затем собирали в патронных фильтрах при максимум 250°С. При последующей очистке патронных фильтров можно собирать готовый прокаленный продукт (4,2 кг/ч). Площадь поверхности BET полученного таким образом продукта составляла 477 м2/г, а потери при прокаливании (измеренные при 550°С) составляли 0,87 мас. %. Результаты XRD (фиг.4) свидетельствовали о том, что продукт характеризовался кристаллической структурой TS-1 (код идентификации ICDD: 01-089-8099). По данным пороструктурного анализа с использованием азота методом BJH, объем пор составлял 0,3 мл/г.The crude suspension (14 kg/h) described in example 1 was sprayed in a pilot plant in a nitrogen stream (flow rate 18 m 3 /h) for spraying through a two-phase nozzle with an internal diameter of 2 mm and a slot of 1 mm. The hydrogen/air flame was maintained in a hydrogen flow (12.2 m 3 /h) and a primary air flow (40 m 3 /h). The temperature, measured 1.5 m below the ignition site, was maintained at 800°C by slightly changing the hydrogen flow. The adiabatic combustion temperature in the reactor was approximately 830°C. The residence time in the reactor was approximately 0.85 s. The off-gases containing the calcined zeolite were directed through a water-cooled cooling zone (coolant temperature: 25°C) with a diameter of 100 mm and a length of 6 m and then collected in cartridge filters at a maximum of 250°C. When subsequently cleaning the cartridge filters, you can collect the finished calcined product (4.2 kg/h). The BET surface area of the product thus obtained was 477 m 2 /g and the loss on ignition (measured at 550° C.) was 0.87 wt. %. The XRD results (FIG. 4) indicated that the product had a TS-1 crystal structure (ICDD identification code: 01-089-8099). According to pore structure analysis using nitrogen using the BJH method, the pore volume was 0.3 ml/g.
Пример сравнения 3Comparison example 3
Формование порошкообразного цеолита, описанного в примере сравнения 1Molding of the zeolite powder described in Comparative Example 1
Порошок (1200 г), полученный в примере сравнения 1, перемешивали с метилгидроксиэтилцеллюлозой (75 г, Tylose МН1000), продуктом Licowax С (75 г), с коллоидным раствором кремниевой кислоты (1000 г, Koestrosol 0830 AS) и деионизированной водой (350 г) на высокоскоростной мешалке фирмы Eirich. Полученную массу экструдировали с использованием экструдера (НВ-Feinmechanik LTW 63) через перфорированную тарелку с диаметром 3,2 мм. Затем экструдаты сушили в сушильном шкафу при 80°С в течение 1 ч и прокаливали в муфельной печи при 570°С в течение 12 ч.The powder (1200 g) obtained in Comparative Example 1 was mixed with methylhydroxyethylcellulose (75 g, Tylose MH1000), Licowax C (75 g), colloidal silicic acid solution (1000 g, Koestrosol 0830 AS) and deionized water (350 g ) on a high-speed mixer from Eirich. The resulting mass was extruded using an extruder (HB-Feinmechanik LTW 63) through a perforated plate with a diameter of 3.2 mm. The extrudates were then dried in an oven at 80°C for 1 hour and calcined in a muffle furnace at 570°C for 12 hours.
Пример 5Example 5
Формование порошкообразного цеолита, описанного в примере 2Molding of the powdered zeolite described in example 2
Порошок (1200 г), полученный в примере 2, смешивали с метилгидроксиэтилцеллюлозой (75 г, Tylose МН1000), продуктом Licowax С (75 г), с коллоидным раствором кремниевой кислоты (1000 г, Koestrosol 0830 AS) и деионизированной водой (350 г) на высокоскоростной мешалке фирмы Eirich. Полученную массу экструдировали с использованием экструдера (НВ-Feinmechanik LTW 63) через перфорированную тарелку с диаметром 3,2 мм. Затем экструдаты сушили в сушильном шкафу при 80°С в течение 1 ч и прокаливали в муфельной печи при 570°С в течение 12 ч.The powder (1200 g) obtained in example 2 was mixed with methylhydroxyethylcellulose (75 g, Tylose MH1000), Licowax C product (75 g), colloidal silicic acid solution (1000 g, Koestrosol 0830 AS) and deionized water (350 g) on a high-speed mixer from Eirich. The resulting mass was extruded using an extruder (HB-Feinmechanik LTW 63) through a perforated plate with a diameter of 3.2 mm. The extrudates were then dried in an oven at 80°C for 1 hour and calcined in a muffle furnace at 570°C for 12 hours.
Пример 6Example 6
Каталитическое испытание с использованием катализатора, описанного в примере сравнения 3Catalytic test using the catalyst described in Comparative Example 3
Эпоксидирование пропена с использованием пероксида водорода (60%) проводили в двух реакторах с псевдоожиженным слоем, каждый из которых содержал катализатор (9 г), описанный в примере сравнения 3, в форме экструдатов. Реакторы устанавливали последовательно (реактор 1 → реактор 2) и эксплуатировали в восходящем потоке. Первый питающий поток с общей скоростью потока 20 г/ч, содержащий метанол, пероксид водорода и воду, и второй питающий поток с общей скоростью потока 20 г/ч, содержащий пропен, оба подавали в первый реактор. Давление реактора поддерживали при 25 бар с использованием расположенного ниже по потоку клапана для поддержания давления во втором реакторе. Объем реакционной смеси, поступающей из второго реактора с псевдоожиженным слоем, увеличивали при нормальном давлении. В полученной газовой фазе определяли содержание пропена, пропиленоксида и кислорода, а в полученной жидкой фазе определяли содержание пропиленоксида и пероксида водорода. Исходная селективность в отношении пропиленоксида после завершения 23-часового цикла реакции составляла 91,1%. Через 480 ч селективность в отношении пропиленоксида составляла 97,7%.Epoxidation of propene using hydrogen peroxide (60%) was carried out in two fluidized bed reactors, each containing the catalyst (9 g) described in Comparative Example 3 in the form of extrudates. The reactors were installed in series (reactor 1 → reactor 2) and operated in an upward flow. A first feed stream with a total flow rate of 20 g/h, containing methanol, hydrogen peroxide and water, and a second feed stream with a total flow rate of 20 g/h, containing propene, were both fed to the first reactor. The reactor pressure was maintained at 25 bar using a downstream valve to maintain the pressure in the second reactor. The volume of the reaction mixture coming from the second fluidized bed reactor was increased at normal pressure. In the resulting gas phase, the content of propene, propylene oxide and oxygen was determined, and in the resulting liquid phase, the content of propylene oxide and hydrogen peroxide was determined. The initial selectivity for propylene oxide after completion of the 23-hour reaction cycle was 91.1%. After 480 h, the selectivity for propylene oxide was 97.7%.
Пример 7Example 7
Каталитическое испытание с использованием катализатора, описанного в примере 5Catalytic test using the catalyst described in example 5
Каталитическое эпоксидирование пропена проводили, как описано в примере 6, но с использованием катализатора, полученного в примере 5.The catalytic epoxidation of propene was carried out as described in example 6, but using the catalyst obtained in example 5.
Исходная селективность в отношении пропиленоксида после завершения 25-часового цикла реакции составляла 93,5%. Через 480 ч селективность в отношении пропиленоксида составляла 98,6%.The initial selectivity for propylene oxide after completion of the 25-hour reaction cycle was 93.5%. After 480 h, the selectivity for propylene oxide was 98.6%.
Как показано в примерах 2-4 в сравнении с примером сравнения 1, способ по настоящему изобретению включает значительно меньшее количество технологических стадий по сравнению со стандартным процессом. Кроме того, в указанном способе решены проблемы утилизации сточных вод, которые, как правило, образуются при фильтровании и очистке продукта после гидротермального синтеза. Неожиданно было установлено, что получаемые силикалиты титана, после пламенного спрей-пиролиза характеризуются пористостью, сравнимой с пористостью полученного стандартным способом силикалита титана.As shown in Examples 2-4 in comparison with Comparative Example 1, the method of the present invention includes significantly fewer process steps compared to the standard process. In addition, this method solves the problems of wastewater disposal, which, as a rule, are formed during filtering and purification of the product after hydrothermal synthesis. Unexpectedly, it was found that the resulting titanium silicalites, after flame spray pyrolysis, are characterized by porosity comparable to the porosity of titanium silicalite obtained by the standard method.
Как следует из примеров 6 и 7, а также из данных, представленных в табл.1, полученный стандартным способом катализатор (пример сравнения 3) и катализатор, который получен из силиката металла согласно настоящему изобретению (пример 5), после эксплуатации в течение 480 ч в ходе эпоксидирования пропилена в пропиленоксид (РО), оба являются высоко активными и селективными. Катализатор, который получен из силиката металла согласно настоящему изобретению, в действительности характеризуется повышением селективности в отношении пропиленоксида на 0,9% по сравнению с полученным стандартным способом катализатором при сравнимой объемной производительности. Таким образом, с использованием катализатора, который получен из силикалита металла согласно настоящему изобретению, определенно можно значительно повысить выход продукта, пропиленоксида, при расчете на единицу времени и объем реактора.As follows from examples 6 and 7, as well as from the data presented in table 1, the catalyst obtained by the standard method (comparative example 3) and the catalyst that is obtained from the metal silicate according to the present invention (example 5), after operation for 480 hours during the epoxidation of propylene to propylene oxide (PO), both are highly active and selective. The catalyst which is prepared from the metal silicate of the present invention actually exhibits a 0.9% increase in propylene oxide selectivity over a conventionally prepared catalyst at comparable volumetric productivity. Thus, by using the catalyst which is obtained from metal silicalite according to the present invention, it is definitely possible to significantly increase the yield of the product propylene oxide per unit time and reactor volume.
Данные кристаллографического анализа силикалита-1 титана (источник: база данных Международного дифракционного центра ICDD)Data from crystallographic analysis of silicalite-1 titanium (source: ICDD International Center for Diffraction Database)
Код идентификации: 01-089-8099Identification code: 01-089-8099
Название соединения: силикалит титанаCompound Name: Titanium Silicalite
Код ICSD (Inorganic Crystal Structure Database, база данных неорганических кристаллических веществ): 88413ICSD code (Inorganic Crystal Structure Database, database of inorganic crystalline substances): 88413
Ссылка: Lamberti С., Bordiga S., Zecchina A., Carati A., Fitch A.N., Artioli G., Petrini G., Salvalaggio M., Marra G.L., J. Catal., 183, c. 222 (1999).Reference: Lamberti S., Bordiga S., Zecchina A., Carati A., Fitch A.N., Artioli G., Petrini G., Salvalaggio M., Marra G.L., J. Catal., 183, p. 222 (1999).
Перечень рефлексовList of reflexes
Claims (16)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP17205799.4A EP3495321A1 (en) | 2017-12-07 | 2017-12-07 | Preparation of powdery, porous crystalline metal silicates by means of flame spray pyrolysis |
EP17205799.4 | 2017-12-07 | ||
PCT/EP2018/082304 WO2019110322A1 (en) | 2017-12-07 | 2018-11-23 | Production of pulverulent, porous crystalline metal silicates by means of flame spray pyrolysis |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2020121774A RU2020121774A (en) | 2022-01-10 |
RU2804511C2 true RU2804511C2 (en) | 2023-10-02 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2005691C1 (en) * | 1987-10-21 | 1994-01-15 | Эниричерке С.П.А. | Process for preparing artificial zeolite |
RU2076775C1 (en) * | 1979-12-21 | 1997-04-10 | Снампрогетти С.П.А. | Silicone oxide and titanium oxide-based crystalline synthetic material and method for preparation thereof |
EP0814058A1 (en) * | 1996-06-19 | 1997-12-29 | Degussa Aktiengesellschaft | Method for preparation of crystalline micro- and mesoporous metal silicates, products obtained according to the method and their use |
US5919430A (en) * | 1996-06-19 | 1999-07-06 | Degussa Aktiengesellschaft | Preparation of crystalline microporous and mesoporous metal silicates, products produced thereby and use thereof |
RU2313487C1 (en) * | 2006-04-24 | 2007-12-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Томскнефтехим" (ООО "Томскнефтехим") | High-silica zeolite and method of production of such zeolite |
RU2415081C2 (en) * | 2006-04-15 | 2011-03-27 | Эвоник Дегусса Гмбх | Powder of mixed titanium and silicon oxide, dispersion thereof and titanium-containing zeolite based thereon |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2076775C1 (en) * | 1979-12-21 | 1997-04-10 | Снампрогетти С.П.А. | Silicone oxide and titanium oxide-based crystalline synthetic material and method for preparation thereof |
RU2005691C1 (en) * | 1987-10-21 | 1994-01-15 | Эниричерке С.П.А. | Process for preparing artificial zeolite |
EP0814058A1 (en) * | 1996-06-19 | 1997-12-29 | Degussa Aktiengesellschaft | Method for preparation of crystalline micro- and mesoporous metal silicates, products obtained according to the method and their use |
US5919430A (en) * | 1996-06-19 | 1999-07-06 | Degussa Aktiengesellschaft | Preparation of crystalline microporous and mesoporous metal silicates, products produced thereby and use thereof |
RU2415081C2 (en) * | 2006-04-15 | 2011-03-27 | Эвоник Дегусса Гмбх | Powder of mixed titanium and silicon oxide, dispersion thereof and titanium-containing zeolite based thereon |
RU2313487C1 (en) * | 2006-04-24 | 2007-12-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Томскнефтехим" (ООО "Томскнефтехим") | High-silica zeolite and method of production of such zeolite |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TWI798303B (en) | Production of pulverulent, porous crystalline metal silicates by means of flame spray pyrolysis | |
KR101006273B1 (en) | Method for making mesoporous or combined mesoporous and microporous inorganic oxides | |
TW513384B (en) | Granulates which contain titanium silicalite-1 | |
DK149839B (en) | SYNTHETIC MATERIALS BASED ON SILICON Dioxide AND PROCEDURES FOR PRODUCING THEREOF | |
CN101827785A (en) | Silicon- titanium mixed oxide powder, dispersion thereof and titanium- containing zeolite prepared therefrom | |
WO2004026852A1 (en) | Process for direct oxidation of propylene to propylene oxide and large particle size titanium silicalite catalysts for use therein | |
CN102145300B (en) | Microsphere TS-1 catalyst and preparation method of microsphere TS-1 catalyst | |
JP2016104690A (en) | Aei type zeolite, manufacturing method therefor and manufacturing method of lower olefin using the same | |
JP2016520109A (en) | Method for oxidizing sulfoxide | |
JP2016098149A (en) | Manufacturing method of aei type zeolite | |
CN112752731B (en) | Method for producing powdery porous crystalline metallosilicate by flame spray pyrolysis | |
RU2804511C2 (en) | Production of powder-like porous crystalline silicates of metals using flame spray pyrolysis | |
KR20140067323A (en) | Zeolite with mre structure and their analogue materials possessing mesopore, and synthesis method thereof | |
KR101900984B1 (en) | Mixed oxide compositi0ns and methods for production of isoolefins | |
EA000013B1 (en) | Process for the preparation of micro-mesoporous gel | |
RU2800856C2 (en) | Method for producing powder-like porous crystalline metal silicates using flame spray pyrolysis | |
JP2009532318A (en) | Silicon-titanium mixed oxide-containing dispersion for production of titanium-containing zeolite | |
CN104150506A (en) | Method for preparing mesoporous ZSM-5 zeolite | |
KR100256914B1 (en) | Method for preparing crystalline compound having mesoporous structure | |
Wongkasemjit et al. | 12 Mesoporous Materials from Novel Silica Source as Heterogeneous Catalyst | |
KR19980043795A (en) | Zeolite (TS-1) monoliths made of silicon oxide and titanium oxide, and preparation method thereof |