Verfahren zur katalytischen Zersetzung von N0Process for the catalytic decomposition of N0
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur heterogen katalysierten Gasphasenzersetzung von N0 durch Vorschalten eines bezüglich N0-Zersetzung inerten Material vor den Festbettkatalysator.The present invention relates to a process for heterogeneously catalyzed gas phase decomposition of NO by introducing a material which is inert with respect to NO decomposition upstream of the fixed bed catalyst.
N20 entsteht als Nebenprodukt bei vielen Prozessen, bei denen HN03 in flüssiger Phase als Oxidationsmittel eingesetzt wird. Insbesondere bei der Umsetzung von Alkoholen, Aldehyden und Ketonen, z.B. Cyclohexanol und Cyclohexanon zu Adipinsäure, Acetaldehyd zu Glyoxal oder Glyoxal zu Glyoxylsäure werden beträchtliche Mengen N20 freigesetzt. Weiterhin wird N0 bei der Herstellung von Nikotinsäure und Hydroxyla in gebildet. Daneben bildet sich N0 als Nebenprodukt auch bei der Herstellung von Salpetersäure durch Verbrennung von NH .N 2 0 arises as a by-product in many processes in which HN0 3 is used as an oxidizing agent in the liquid phase. In particular when alcohols, aldehydes and ketones, for example cyclohexanol and cyclohexanone are converted to adipic acid, acetaldehyde to glyoxal or glyoxal to glyoxylic acid, considerable amounts of N 2 O are released. Furthermore, N0 is formed in the production of nicotinic acid and hydroxyla in. In addition, N0 also forms as a by-product in the production of nitric acid by burning NH.
Aus Science, 251 (1991) , Seite 932 ist bekannt, daß N0 ein gewisses Schädigungspotential für die Erdatmosphäre zukommt. N0 gilt in der Stratosphäre als eine wesentliche Quelle für NO, welches wiederum wesentlichen Einfluß auf den Abbau von Ozon in der Stra- tosphäre haben soll. Zudem gilt N0 als Treibhausgas, wobei das Erderwärmungspotential von N0 etwa um den Faktor 290 größer sein soll als das von C0 .From Science, 251 (1991), page 932 it is known that N0 has a certain damage potential for the earth's atmosphere. N0 is considered an essential source of NO in the stratosphere, which in turn is said to have a significant impact on the depletion of ozone in the stratosphere. In addition, N0 is considered a greenhouse gas, although the global warming potential of N0 should be about 290 times greater than that of C0.
In EP-A-687 499 ist ein Katalysator zur katalytischen Reduktion von NOx und/oder zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen in Abgasen beschrieben, der aus einem Kupferoxid-Zinkoxid-AIuminiumoxid-Spi- nell der chemischen Formel CuAZncAlDC>4 besteht, wobei A + C + D = 3, A > 0, C > 0 und D < 0 gilt. Das Verhältnis von Cu und Zn zu AI ist in dieser Veröffentlichung in großen Grenzen freigehalten.EP-A-687 499 describes a catalyst for the catalytic reduction of NO x and / or for the oxidation of hydrocarbons in exhaust gases, which consists of a copper oxide-zinc oxide-aluminum oxide spinel of the chemical formula Cu A ZncAl D C> 4 , where A + C + D = 3, A> 0, C> 0 and D <0. The ratio of Cu and Zn to AI is kept within wide limits in this publication.
WO-A-94/16798 beschreibt ein Verfahren zur katalytischen Zersetzung von reinem oder in Gasgemischen enthaltenem N0. Als Katalysator wird ein MxAIθ4~Katalysator eingesetzt. Dieser wird durch Mischen von CuAl 04 mit Sn, Pb, oder einem Element der 2. Haupt- gruppe oder Nebengruppe des Periodensystems der Elemente als Oxid oder Salz oder in elementarer Form und anschließendes Calcinieren bei einer Temperatur von 300 bis 1300°C und einem Druck von 0,1 bis 200 bar hergestellt.WO-A-94/16798 describes a process for the catalytic decomposition of pure or N0 contained in gas mixtures. An M x AlO 4 ~ catalyst is used as the catalyst. This is obtained by mixing CuAl 0 4 with Sn, Pb, or an element of the 2nd main group or subgroup of the Periodic Table of the Elements as oxide or salt or in elemental form and subsequent calcination at a temperature of 300 to 1300 ° C and one Pressure from 0.1 to 200 bar.
Aus der WO-A-94/27709 beschreibt zeolithische Katalysatoren.
Aus der WO-A-93/04774 sind silberhaltige Trägerkatalysatoren mit einem Al 03-Träger, der eine BET-Oberflache von 26 bis 350 m2/g aufweist, bekannt .WO-A-94/27709 describes zeolitic catalysts. WO-A-93/04774 discloses silver-containing supported catalysts with an Al 0 3 support which has a BET surface area of 26 to 350 m 2 / g.
N0 kann neben silberhaltigen auch an anderen edelmetallhaltigen Katalysatoren zersetzt werden. Zu diesem Zweck eignen sich z.B. Pt, Pd oder Rh auf verschiedenen Trägern [Chem. Abstracts 6 (1965) 1481]. Edelmetallhaltige Katalysatoren wurden z.B. auch als geeignet für die Zersetzung von N0 in Anästhesiegasen be- schrieben. JP-OS 55-31 463 schlägt Pt, Pd, Rh, Ir und/oder Ru enthaltende Katalysatoren für diesen Zweck vor. Ein weiteres Beispiel für einen Pd-haltigen Katalysator ist aus DE-OS 35 43 640 bekannt .In addition to silver-containing catalysts, N0 can also be decomposed on other catalysts containing precious metals. For this purpose, e.g. Pt, Pd or Rh on different supports [Chem. Abstracts 6 (1965) 1481]. Precious metal-containing catalysts have been e.g. also described as suitable for the decomposition of N0 in anesthetic gases. JP-OS 55-31 463 proposes catalysts containing Pt, Pd, Rh, Ir and / or Ru for this purpose. Another example of a Pd-containing catalyst is known from DE-OS 35 43 640.
An allen diesen Katalysatorsystemen gelingt die Zersetzung von N0. Allerdings sind die Katalysatorsysteme nicht optimal, was ihre thermische Stabilität bei hohen Temperaturen (> 500°C) betrifft. Problematisch ist in vielen Fällen die Desaktivierung der Katalysatoren, die einen häufigen Austausch der Katalysator- schüttung erforderlich macht. Insbesondere bei Temperaturen von über 500°C, wie sie für einen nahezu vollständigen Abbau des N0 bei vertretbarer Katalysatormenge vorteilhaft sind, kommt es oft zu einer starken, irreversiblen Desaktivierung. Die erforderlichen hohen Reaktortemperaturen machen zudem in der Regel ein energie- und kostenintensives Vorheizen des Gasstroms erforderlich. Desweiteren ist zur Absenkung der N0-Konzentration im Abgas eine aufwendige Verdünnung des Abgases mit Luft oder Kreisgas erforderlich.All of these catalyst systems successfully decompose N0. However, the catalyst systems are not optimal in terms of their thermal stability at high temperatures (> 500 ° C). In many cases, the deactivation of the catalysts is problematic, which necessitates frequent replacement of the catalyst bed. Especially at temperatures above 500 ° C, which are advantageous for an almost complete decomposition of the N0 with an acceptable amount of catalyst, there is often a strong, irreversible deactivation. The required high reactor temperatures also generally require energy-intensive and costly preheating of the gas stream. Furthermore, a complex dilution of the exhaust gas with air or cycle gas is required to reduce the N0 concentration in the exhaust gas.
Edelmetallhaltige Katalysatoren sind zwar bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen zersetzungsaktiv, besitzen aber den Nachteil der hohen Katalysatorkosten. Darüber hinaus zeigen Edelmetalle bei den erforderlichen Zersetzungstemperaturen einen beträchtlichen Materialverlust durch Verdampfung. Weiterhin ist die Aufbereitung der verbrauchten Katalysatoren mit hohen Kosten verbunden, weshalb eine großtechnische N20-Zersetzung an edelmetallhaltigen Katalysatoren wirtschaftlich äußerst unattraktiv ist.Precious metal-containing catalysts are decomposition-active at comparatively low temperatures, but have the disadvantage of high catalyst costs. In addition, precious metals show considerable loss of material through evaporation at the required decomposition temperatures. Furthermore, the processing of the used catalysts is associated with high costs, which is why a large-scale N 2 0 decomposition of noble metal-containing catalysts is extremely unattractive economically.
Die zuvor beschriebenen Katalysatorsysteme haben darüber hinaus alle den Nachteil der Katalysatordesaktivierung durch partielle oder vollständige Katalysatorvergiftung durch im N0-haltigen Gas enthaltene Bestandteile. Das N20-haltige Gas, das mit den Katalysatorsystemen in Kontakt gebracht wird, kann Katalysatorgifte wie z.B. Fremdmetalle und/oder metallische Verbindungen, organische und/oder metallorganische Verbindungen und/oder anorganische Elemente und/oder Verbindungen enthalten, die sich auf dem Katalysator niederschlagen, die aktiven Zentren blockieren und/oder mit
dem Katalysator und/oder mit Katalysatorbestandteilen chemische Reaktionen eingehen, was zu einer raschen Desaktivierung der Katalysatoren und zu einer deutlichen Verkürzung der Standzeit der Katalysatoren führt . Insbesondere wirken sich Schwe elgehalte und/oder Silicongehalte und/oder Halogengehalte und/oder Gehalte an KohlenstoffVerbindungen und/oder Wassergehalte im N20-haltigen Gas nachteilig auf die Aktivität der im Stand der Technik beschriebenen N20-Zersetzungskatalysatoren aus.The catalyst systems described above also all have the disadvantage of catalyst deactivation by partial or complete catalyst poisoning by constituents contained in the gas containing NO. The N 2 0 -containing gas which is brought into contact with the catalyst systems can contain catalyst poisons such as, for example, foreign metals and / or metallic compounds, organic and / or organometallic compounds and / or inorganic elements and / or compounds which are present on the catalyst precipitate, block the active centers and / or with chemical reactions occur with the catalyst and / or with catalyst components, which leads to a rapid deactivation of the catalysts and to a significant reduction in the service life of the catalysts. In particular, sulfur levels and / or silicone levels and / or halogen levels and / or levels of carbon compounds and / or water levels in the N 2 0 -containing gas adversely affect the activity of the N 2 0 decomposition catalysts described in the prior art.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand daher darin, ein Verfahren der heterogen katalysierten Gasphasenzersetzung von N20 zur Verfügung zu stellen, das den zuvor genannten Nachteilen abhilft.The object of the present invention was therefore to provide a process for heterogeneously catalyzed gas phase decomposition of N 2 O which alleviates the disadvantages mentioned above.
Demgemäß wurde ein neues und verbessertes Verfahren zur heterogen katalysierten Gasphasenzersetzung von N20 gefunden, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man ein bezüglich N0-Zersetzung inertes Material vor den Festbettkatalysator anordnet .Accordingly, a new and improved process for the heterogeneously catalyzed gas phase decomposition of N 2 0 has been found, which is characterized in that an inert material with respect to N0 decomposition is arranged in front of the fixed bed catalyst.
Das erfindungsgemäße bezüglich N0-Zersetzung inerte Material kann z.B. bestehen aus:The material which is inert with respect to N0 decomposition according to the invention can e.g. consist of:
- anorganischen Materialien, wie z.B. Oxiden, Sulfaten, Carbo- naten, Nitriden, Carbiden, Chloriden, Fluoriden, Silicaten oder Siliconen,- inorganic materials, e.g. Oxides, sulfates, carbonates, nitrides, carbides, chlorides, fluorides, silicates or silicones,
- organischen Materialien wie z.B. Harzen, Wachsen, Schaumstoffen oder Kunststoffen,- organic materials such as Resins, waxes, foams or plastics,
oder deren Gemische. Bevorzugt werden anorganische Oxide wie z.B. A1203 oder Si02 eingesetzt .or their mixtures. Inorganic oxides such as A1 2 0 3 or Si0 2 are preferably used.
Dieses Material dient dazu, Katalysator-desaktivierende Bestandteile aufzunehmen und/oder chemisch und/oder physikalisch zurück- zuhalten, bevor der zu reinigende Gasstrom mit dem N20-Zerset- zungskatalysator in Kontakt gebracht wird.This material serves to absorb catalyst-deactivating constituents and / or to retain them chemically and / or physically before the gas stream to be cleaned is brought into contact with the N 2 O decomposition catalyst.
Das erfindungsgemäße bezüglich N20-Zersetzung inerte Material kann in verschiedenen geometrischen Formen eingesetzt werden, bevor- zugt Tabletten, Stränge, Triloben, Hohlstränge, Sternstränge, Waben oder Kombinationen daraus. Das bezüglich N0-Zersetzung inerte Material kann direkt vor dem N20-Zersetzungskatalysator angebracht sein oder räumlich getrennt davon. Bevorzugt wird das Material im zu reinigenden Gasstrom direkt vor dem Katalysator in Form einer Schüttung angebracht. Der Anteil des bezüglich der N20-Zersetzung inerten Materials an der gesamten Schüttung beträgt im allgemei-
nen 0,05 bis 75 Vol.-%, bevorzugt 1,5 bis 50 Vol.-%, besonders bevorzugt 2,5 bis 35 Vol.-%.The material according to the invention which is inert with respect to N 2 O decomposition can be used in various geometric shapes, preferably tablets, strands, trilobes, hollow strands, star strands, honeycombs or combinations thereof. The material inert with respect to N0 decomposition can be applied directly upstream of the N 2 0 decomposition catalyst or spatially separated therefrom. The material is preferably applied in the gas stream to be cleaned directly in front of the catalyst in the form of a bed. The proportion of the inert material with respect to the N 2 0 decomposition in the total bed is generally 0.05 to 75% by volume, preferably 1.5 to 50% by volume, particularly preferably 2.5 to 35% by volume.
Die Herstellung der erfindungsgemäß einzusetzenden Katalysatoren kann nach verschiedenen Methoden erfolgen, die allgemein bekannt sind. Bevorzugt eingesetzt werden solche Katalysatoren, die z.B. in WO-A-94/16798 oder in DE-A-198 48 595 beschrieben sind.The catalysts to be used according to the invention can be prepared by various methods which are generally known. Preference is given to using catalysts which, for example, are described in WO-A-94/16798 or in DE-A-198 48 595.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur katalytischen Zersetzung von N20 kann angewendet werden bei reinem oder in Gasgemischen enthaltenem N20.The process according to the invention for the catalytic decomposition of N 2 0 can be used in the case of pure N 2 0 or contained in gas mixtures.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Zersetzung von N0 in N0-haltigen Abgasströmen eingesetzt, wie sie bei- spielsweise bei Verfahren zur Herstellung von Adipinsäure und längerkettiger Dicarbonsäuren, Salpetersäure, Hydroxylaminderiva- ten, Caprolactam, Glyoxal, Methylglyoxal , Glyoxylsäure oder bei Verfahren zur Verbrennung stickstoffhaltiger Materialien, z.B. Ammoniak anfallen.The process according to the invention is preferably used for the decomposition of NO in exhaust gas streams containing NO, such as those used, for example, in processes for the production of adipic acid and longer-chain dicarboxylic acids, nitric acid, hydroxylamine derivatives, caprolactam, glyoxal, methylglyoxal, glyoxylic acid or in processes for the combustion of nitrogenous products Materials, e.g. Ammonia.
Besonders geeignet ist das Verfahren zur Zersetzung von N20 in Abgasen der Adipinsäure- und Salpetersäureherstellung. Desweiteren eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Reinigung von Prozeßgasen der Ammoniakverbrennung.The process is particularly suitable for the decomposition of N 2 O in exhaust gases from the production of adipic acid and nitric acid. Furthermore, the method according to the invention is suitable for cleaning process gases from ammonia combustion.
Aus den Salpetersäureabgasen kann das N20 beseitigt werden, ohne daß weitere Stickoxide, N0χ, (Wertprodukte) in nennenswerten Mengen zersetzt werden. Weitere Stickoxide sind Stickstoffmonoxid (NO), Distickstofftrioxid (N203), Stickstoffdioxid (N0 ) , Distick- stofftetroxid (N204) , Distickstoffpentoxid (N20s) , Stickstoffpero- xid (N03) . Der Gehalt an Stickoxiden, N0χ, kann in der Regel 0 bis 50 Vol.-%, bevorzugt 1 bis 40 Vol.-%, besonders bevorzugt 10 bis 30 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtgas, betragen.The N 2 0 can be removed from the nitric acid off-gases without further nitrogen oxides, N0χ, (valuable products) being decomposed in significant amounts. Other nitrogen oxides are nitrogen monoxide (NO), nitrous oxide (N 2 0 3 ), nitrogen dioxide (N0), nitrous oxide (N 2 0 4 ), nitrous oxide (N 2 0s), nitrogen peroxide (N0 3 ). The nitrogen oxide content, N0χ, can generally be 0 to 50% by volume, preferably 1 to 40% by volume, particularly preferably 10 to 30% by volume, based on the total gas.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Reinigung von Abgasen, deren N20-Gehalt zwischen 0.01 und 50 Vol.-%, bevorzugt zwischen 0,01 und 30 Vol.-%, besonders bevorzugt zwischen 0,01 und 20 Vol.-% auf das Gesamtgas, liegt.The process according to the invention is suitable for purifying exhaust gases whose N 2 O content is between 0.01 and 50% by volume, preferably between 0.01 and 30% by volume, particularly preferably between 0.01 and 20% by volume the total gas.
Neben N20 und weiteren Stickoxiden N0X können die Abgase beispielsweise auch N , 0 , CO, C0 , H0 und/oder Edelgase enthalten, ohne daß dies die Aktivität der Katalysatoren wesentlich beeinflußt. Geringfügige Hemmungen der Katalysatoraktivität können durch eine Erhöhung des Katalysatorvolumens bzw. durch eine Er- niedrigung der Belastung ausgeglichen werden.
Im allgemeinen kann das erfindungsgemäße Verfahren in einem Temperaturbereich von 280 bis 1100°C, bevorzugt 330 bis 1000°C, besonders bevorzugt in einem Bereich von 380 bis 920°C durchgeführt werden. Die Desaktivierung der Katalysatoren des Verfahrens ist durch die erfindungsgemäße Anbringung bezüglich der N0-Zersetzung inerter Materialien vor dem N20-Zersetzungskatalysator deutlich geringer als aus dem Stand der Technik bekannt .In addition to N 2 0 and other nitrogen oxides N0 X , the exhaust gases can also contain, for example, N, 0, CO, C0, H0 and / or noble gases, without this having a significant effect on the activity of the catalysts. Slight inhibitions of the catalyst activity can be compensated for by increasing the catalyst volume or by reducing the load. In general, the process according to the invention can be carried out in a temperature range from 280 to 1100 ° C., preferably 330 to 1000 ° C., particularly preferably in a range from 380 to 920 ° C. The deactivation of the catalysts of the process is significantly less than that known from the prior art due to the attachment according to the invention with regard to the N0 decomposition of inert materials upstream of the N 2 0 decomposition catalyst.
BeispieleExamples
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Beispiel 1example 1
Herstellung des KatalysatorsPreparation of the catalyst
15 Eine Mischung aus 2169,3 g Puralox® SCF, 1185,93 g Pural® SB, 1090,1 g Cu(N03)2 x 6H20, 370,74 g CuO, 1495,6 g Zn(N03)2 x 4H20, 492 g ZnO, 2129,6 g Mg(N03)2 x 6H20 wurden unter Zugabe von 750 g Wasser 30 min. gekollert, zu 3 mm Strängen extrudiert, getrocknet und 4 h bei 750°C calciniert.15 A mixture of 2169.3 g Puralox® SCF, 1185.93 g Pural® SB, 1090.1 g Cu (N0 3 ) 2 x 6H 2 0, 370.74 g CuO, 1495.6 g Zn (N0 3 ) 2 x 4H 2 0, 492 g ZnO, 2129.6 g Mg (N0 3 ) 2 x 6H 2 0 were 30 min with the addition of 750 g of water. rolled, extruded into 3 mm strands, dried and calcined at 750 ° C for 4 h.
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VersuchsdurchführungExperimental Procedure
Als Versuchsapparatur für die adiabatische Verfahrensweise diente ein 800 mm langes Reaktionsrohr aus Hasteloy C, unterteilt inAn 800 mm long reaction tube made of Hasteloy C, divided into two, was used as the test apparatus for the adiabatic procedure
25 Aufheiz- und Reaktionszone. Der Innendurchmesser betrug 18 mm. Um den Temperaturverlauf im Rohr messen zu können, wurde ein Innenrohr mit 3,17 mm Außendurchmesser eingesetzt, in dem ein Thermoelement leicht verschoben werden konnte. Getestet wurde die N0- Zersetzung in einem typischen Abgasgemisch einer Adipinsäurean-25 heating and reaction zone. The inside diameter was 18 mm. In order to be able to measure the temperature profile in the tube, an inner tube with an outside diameter of 3.17 mm was used, in which a thermocouple could easily be moved. The N0 decomposition was tested in a typical exhaust gas mixture of an adipic acid
30 läge mit folgender Gaszusammensetzung:30 would be with the following gas composition:
N20 : 20 Vol . -%N 2 0: 20 vol. -%
N02 : 17 Vol . -%N0 2 : 17 vol. -%
N2 : 47 Vol . -%N 2 : 47 vol. -%
35 02 : 7 , 5 Vol . -%35 0 2 : 7.5 vol. -%
H20 : 3 Vol . -%H 2 0: 3 vol. -%
C02 : 2 , 5 Vol . -%C0 2 : 2.5 vol. -%
Rest: weitere BestandteileRest: other components
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