Brevet FR2622474A2 — publié le 19890505

FR 2622474 A2 19890505 FR 8714911 A 19871028 DESCRIPTION La présente addition concerne un type de compositions catalytiques de réduction sélective des oxydes d'azote (NO)x contenus dans des effluents oxygénrs, par l'ammoniac. Selon le brevet principal, la coposition catalytique est constitutée par de la mordénite sous forme anmmonium ou acide, de teneur en sodium résiduel inférieur à 1000 ppmp, représentant 70 à 95% du poids total de la composition catalytique, le complément étant constitué par un liant. La composition catalytique de la présente addition comrporte égalerent came matière active de la mordénite échangée représentant 70 à % du poids total de ladite composition conplétée par un liant. La mordénite utilisée est la variété dite "petits pores" industriellement synthétisée. Cette forme est dite petits pores par opposition à la forme "larges pores" également synthétique. Dans les deux cas, il s'agit de la mâte structure, mais avec des propriétés d'adsorption différentes. La forme larges pores adsorbe le benzène (diamètre cinétique 6,6 10-10m), alors que la forme petits- pores n'adsorbe que les molécules de diamètre cinétique inférieur à 4,4 10 -10m environ. Ces deux types de zéolites se distinguent également par des différences morphologiques. La mordénite type "petits pores" cristallise en aiguilles, alors que la mordénite type "larges pores" cristallise en sphérulites. La mordcnite à petits pores, de formule élémentaire Na7 ((A102)7(SiO2)40), 24H20, montre un rapport Si/Al mesuré par fluorescence X d'environ 6; la teneur en sodium qui résulte de ce rapport de charpente Si/Al est voisine de 5,2% en poids (par rapport au produit sec 1000 C). Le volume de la maille cristalline (système orthorhoambique) est voisin de 2770 A3. Cette mordénite petits pores est synthétisée sous sa forme sodique et son activité catalytique, sous cette forme, comme celles d'autres zéolites sodiques est très faible. Il a été découvert que la substitution par échange des ions sodium en totalité ou partiellement par le cation cuivre permet d'obtenir un catalyseur très performant pour la réduction catalytique par l'ammoniac des oxydes. d'azote contenus dans des effluents gazeux oxygénés. Cette ccaçosition catalytique contient caome matière active une mord5nite dite à petits pores n'adsorbant que les molécules de dianmtre cinétique inférieur à 4,4.10-10m environ, et cristallisée en aiguilles, échangée par le cation cuivre, représentant entre 1 et 5% du poids total de ladite compoçsition, le complément étant constitué par un liant. La présence du cuivre, dans la mordénite échangée active, sous forme complexée par l'ammoniac Cu(NH3) 42+, a été trouvée très avantageuse. Le liant utilisé est un élément du groupe constitué par l'argile kaolinite (Si2A1205(OH)4), la bentonite, l'alumine, seul ou en cocmbinaison. Les carpositions catalytiques sont conditionnées sous une forme adaptée, telle que des pastilles ou des extrudés. Ces nouvelles compositions catalytiques peuvent être obtenues directement à partir de la forne sodique sans transformation préalable sous forme anmmonium ou acide, cependant il a été constat6 que l'activité catalytique se trouve renforcCe si la forme ammonium est choisie c"tme produit de départ. Le cation cuivre est introduit par échange avec les ions sodium Na+ ou amrdonitm NH4. Cette réaction d'échange peut s'effectuer sur la z6olite sous forme de poudre ou sur celle-ci après mise en forme avec un liant approprié. Quand le produit de départ est constitué par de la mordénite à petits pores, en poudre, sous forme sodique ou ammonium, celle-ci est soumise à au moins deux cycles d'échange cationique par mise en contact avec une solution de cuivre t6tramine, à température comprise entre 20 et C, de préférence 40 à 600C, suivie d'une séparation de la mordnite échangée par filtration et d'un lavage avec de l'eau déminéralisée, puis d'un séchage à temçprature contrôlée de manière à obtenir le départ de l'eau dans les conditions les plus douces possibles, ensuite la matière active obtenue est mélangée avec un liant approprié, et la composition catalytique est mise en forme. Quand la réaction d'échange est mise en oeuvre sur le produit conditionné, la poudre de mord6nite à petits pores sous forme sodique ou ammoniun est mélangée avec un liant approprié, après ajustement de l'humidité, mise en forme et séchage. Les produits préformés sont soumis à un traitement thermique entre 300 et 500 C, lesdits préformés sont ensuite soumis à au moins un traitement d'échange cationique par mise en contact avec une solution de cuivre tétramine, à température comprise entre 20 et 80 C, de préférence 40 à 60 C, suivi d'une 5. séparation par filtration, --d'un lavage avec -de l-eau déminéralisée, puis d'un séchage de la composition catalytique à température contrôlée de manière à obtenir le départ de l'eau dans les conditions les plus douces possibles. L'introduction du cation cuivre sous sa forme complexée par l'ammoniac Cu(NH3)4, est obtenue par l'intermédiaire d'une solution de cuivre.-tétramine, résultant de la réaction du nitrate de cuivre et d'ammoniac. Le taux d'échange entre les ions sodium Na+ et ammonium E4+ avec le cation cuivre Cu peut être augmenté, soit en multipliant le nombre de cycles d'échange soit en élevant la température de cet échange. On a constaté que l'échange de la mordénite dite petits pores par des ions cuivriques Cu++ conduit à l'obtention de catalyseurs très remarquables. Les conditions catalytiques selon l'addition, sont applicables à l'épuration, en présence d'ammoniac, d'effluents gazeux oxygénés contenant des oxydes d'azote (NO)x, à une température comprise entre 225 et 400 C, sous une pression d'au moins 0,1MPa absolu avec une vitesse volumétrique horaire de circulation des gaz VVH, qui peut être très élevée et atteindre 80.000h, et un rapport de la concentration en ammoniac à la concentration en oxydes d'azote NH3/NO au plus égal à 1,25. On obtient des rendements exceptionnels dans ce type d'épuration, avec des rapports molaires NH3/N0x compris entre 1,05 et 1,2 un rapport de 1,15 peut être avantageusement choisi. L'influence de la pression est comparable à celle observée avec la mordénite ammonium sans cations cuivre. L'avantage des compositions catalytiques selon l'addition réside dans la conduite de l'opération d'épuration à basse température. On obtient des résultats très satisfaisants à 250 C, alors qu'il était nécessaire d'opérer au-dessus de 300 C avec les catalyseurs selon le brevet principal. Les compositions catalytiques échangées au cuivre permettent de combiner des rendements d'épuration très élevés supérieurs à 98% avec des quantités d'ammoniac très proches de la stcechicçmtrie et surtout des teneurs, après réaction, en amrmoniac résiduel, très faibles, ce qui représente un avantage indéniable pour ce type de catalyseur. 5..Le procédé d'épuration mis en-oeuvre sur les ccmpositions catalytiques de l'addition convient particulièrement bien à la dépollution des gaz de queue rejetés à 1l'atmosphère dans la fabrication de l'acide nitrique. Il est donné ci-après des exemples de préparation de ccapositions catalytiques et de leur mise en oeuvre qui illustrent l'invention à titre non limitatif. -- ED4PLE 1 Catalyseur N 7. On mélange intimement 6,6 kg de mordénite sodique à petits pores précédermment caractérisée, avec 1,9 kg de gel d'alumine. Les pertes au feu à 1000 C de ces produits sont respectivement de 9,7 et 20,7 %. Le mélange ainsi obtenu après ajustement de l'humidité est mis en forme par extrusion au travers d'une filière. Dans le cas présent, le matériel est du type à engrenages et les extrudés ont un diamètre de 3 mn pour une longeur moyenne de 8mim. La teneur en mnrd&nite est de 80% (matière sèche). Les bâtonnets sont séchés dans une étuve à 60 C pendant 3 heures, puis 3 heures à 120 C. Ils sont ensuite traités au four à moufle dans des plateaux à 350 C pendant 2 heures. La résistance mécanique de ces extrudés mesurée sur cylindres est comprise entre 1,1 et 1,6 kg/mm. 150 cm3 d'extrudés de mordénite sodique sont placés dans un panier en toile d'acier inoxydable (maille 2/10 mm) dont la géométrie est ajustée à celle d'un bêcher de 0,5 litre. Leur densité de chargement est voisine de 0,65. On prépare 500 ca3 d'une solution cuprotétramIi à partir de g de Cu(N3)2 6H20 cristallisé dissous dans 100 cman3 d'eau démirnéralisée par ajout de 250 cm3 d'ammoniaque concentrée à 25 %NH3. On observe tout d'abord la fonrmation d'un précipité d'hydroxyde de cuivre qui, après agitation, disparait. La solution est bleu limpide. Le cuivre est 2+ complexe par NH3 sous forme Cu(NH3)4. On caromplète avec dé l'eau déminéralisée pour avoir un volue de solution de 0,5 litre. Le panier inox contenant les extrudés est placé dans un bécher de 0,5 litre. On verse 250 cm3an de la solution cuivrique. Son niveau surnage celui des extrudés. L'ensemble est porté à 40 C et la réaction d'échange est maintenue pendant 2 heures. Le panier est ensuite soulevé; les extrudés sont lavés par trempage dans de l'eau déminéralisée et l'opération d'échange est renouvelée avec 200 CMan3 de la solution cuivrique fraîche. Le produit est lavé 3 fois par trempage puis séché l'étuve à 60 C pendant 3 heures, puis 120 C pendant 2 heures. La teneur en cuivre des extrudés est de 3% (sur produit sec) ce qui représente, ccmpte tenu d'une teneur en liant A1203 de 20%, un taux d'échange du sodium de 53%. On peut accroître ce taux d'échange en augmentant soit le nombre des échanges, soit la température de réaction. EXEMPLE 2 Catalyseur n 8. On introduit 150 g de mordénite sodique à petits pores sous forme de poudre (PAF:9,7%) dans un bécher de 500 can3 contenant 300 cm3a de solution de cuivre tétramine préparée selon la procédure décrite dans l'exoeple 1. La suspension est agitée avec un barreau aimanté et la température ajustée à 40 C. La durée de l'échange est de 2 heures. La mordénite partiellement échangée par Cu est récupérée par filtration sur entonnoir filtrant et- lavé avec 1 litre d'eau dCminéralis6é. On réalise un 2ême échange dans les mêmes conditions. Le produit après filtration et lavage, est séché à 60 C pendant 2 heures, puis à 120 C pendant 2 heures. Ce produit est mélangé intimement avec un liant constitué 75% d'argile kaolinite et 25% de bentonite. La teneur en mordénite du produit (sec) est de 80%. Cette poudre est ensuite mise en forme de pastilles de diamètre 3 m. Le taux d'échange du sodium par le cuivre est de 48%. EXEMPLE 3 Catalyseur n 9. o On utilise 6,9 kg de mordénite à petits pores sous forme ammonium selon la préparation décrite dans le brevet principal. La teneur en sodium est voisine de 400 ppm et la perte au feu (PAF) à 1000 C de 13%. Le produit est mélangé intimement avec 1,9 kg de gel d'alumine (PAF:20,7%) puis extrudé à travers une filière de 3 mm de diamxtre. La teneur en mordénite est de 80% en poids. On reproduit l'échange tel qu'il a été décrit dans l'exemple 1. La teneur en cuivre est de 3% ce qui représente un taux d'échange de 53%. EXEMPLE 4 Cet exemple illustre la mise en oeuvre des catalyseurs préparés selon les procédures décrites dans les trois exemples précédents testés en lit fixe, darns une unité catalytique, dans diverses conditions de fonctionnement; l'effluent gazeux à traiter provient directement d'une unité industrielle d'acide nitrique. Le volume de catalyseur mis en oeuvre est de 37,5 cm3, celui-ci est porté à 350eC sous un courant gazeux riche en azote (96% N2-4% 02) de 750 Nl/h à raison d'une montée en temçérature de 100 C/h. Le mélange (N2 02) est ensuite remplacé par l'effluent à traiter qui est mélangé avec une quantité d'ammoniac fonction de la teneur en oxydes d'azote. Le procédé de réduction est conduit sous une pression variant de 0,104 à 0,45 MPa absolus. La vitesse volumétrique horaire (VVH) exprime le débit de gaz entrant sur le catalyseur en Nl/h divisé par le volume de catalyseur (1). La teneur en NOx est exprime en ppmv (partie par million en volume. Elle est de 1500 ppm pourl'ensemble des tests effectués dont les résultats sont présentés ci-après. La quantité d'ammoniac ajoutée au gaz entrant est exprimée par le rapport molaire NH3/NOx. La teneur résiduelle d'ammoniac après la réaction est exprimée en ppm. La température indiquée est la température moyenne du lit catalytique. Le rendement de la réduction, exprimé en % correspond au rapport de la différence entre la teneur en Nx des gaz en entrée et la teneur en NOX des gaz en sortie, à la teneur en NO des gaz en entrée. TABLEAU I CATALYSEUR N 7: Nx entre: 1500 ppm x T moyen Pabs: WH NH3//N: Rerâdennt: 3sortie oC: lPa: h1: nDy -1 * y x %: 3plmw : : : : 350: 0,104: 5 000: 1,15: 99,7: 0 "*: ": 10 000: 1,18: 98,4: 0 " *: ":15 000: 1,15: 94: 0 : 0,3 :15 000: 1,16: 98,5: 0 I: " : 25 000: 1,15: 97,5: 0 :: ": 35 000: 1,16: 94,5: 2 " *: ":40 000: 1,15: 91,6: 6 ": 0,45:20 000: 1,16: 99: 0 "h:" : 30 000: 1,15: 98: 0 ":n:40 000: 1,15: 96,1: 0 :: n:50 000: 1,15: 93,6: 13 : 300:0,104: 5 000: 1,17: 98,8: 0 : ": i :10 000: 1,14: 96,8: 0 :5: ":: 15 000: 1,14: 89: 0 : n: 0,3:15 000: 1,17: 97,9: 0 : n: n:25 000: 1,15: 93,9: 3 n ":n :30 000: 1,15: 89,6: 4 : ": 0,45:15 000: 1,16: 98,7: 0 : n:: 25 000: ": 97,4: 0 : ": ":35000: n: 94: 2 n: n :45 000: 90 : 3 TABILEU II CATALYSEUR N 8: N0 entrée: 1 500 ppm :T moyen Pabs W: H:NH3/NOx: Rendoment: NH3 sortie : oC: MPa: h1: %: ppmv 10.. 1:: :__ _ _ _ _: _ _ __ _ _: _ __ __:_ : 350: 0,104: 10 000: 1,18: 98,8: 0 : ": ": 20 000: 1,14: 94: 0 : ": ": 25 000: 1,14: 91,5: 0 : .: 0,3: 15 000: 1,18: 99:0 : A: " : 25 000: 1,14: 98: 0 :: ":35 000: 1,15: 94,2: 0 n n: 40 000: 1,14: 89,8: 7 : ": 0,45:15 000: 1,16: 99,2: 0 : ": ":35 000: 1,16: 97,8: 1 n " ": 50 000: 1,16: 95,1: 5 : ": " : 60 000: 1,16: 93: - 6 : 300: 0,104: 10 000: 1,14: 97,8: 0 : ": ": 15 000: 1,15: 95,2: 0 :: 20 000: 1,16: 92: 6 : n: 0,3: 15 000: 1,15: 98,2: 6 : ": " : 25 000: 1,14: 94,4: 15 : n: 30 000 : 1,16: 91: 23 : ": 0,45: 15 000: 1,13: 99: 0 : n: ":35 000: 1,15: 97,4: 20 : n ": 50 000: 1,13: 94: 25 i: ": ":60 000: 1,16: 91,9: 70 c. 2622474 TABLEAU III CATALYSEUR N 9: NO entrée: 1 500 ppm : T moyen: Pabs VVH 3/NOX: Renderent: sortie : C: MPa: h1:: %: çpv : 350: 0,45: 15 000: 1,16: 99,4: 0 : :: 35 000 : 1,14 : 99: 0 : ": ": 50 000: 1,14: 98,6: 0 : ": " : 60 00: 1,13: 97,1: 0 : 250: 0,45: 10 000: 1,15: 98,8: 0 : ": ": 20 000: 1,16: 96,4: 0 : 25 000 : 1,15 92,9: 0 RMEMDICATIONS 1. Caomposition catalytique de réduction sélective des oxydes d'azote (NO) x contenus dans des effluents gazeux oxygénés, par 1' ammoniac, contenant coame matière active de la mordénite échangée représentant 70 à 95% du poids total de la composition catalytique, le complément étant constitué par un liant, selon le brevet principal, caractérisée en ce que la mordénite est une mord6nite dite à petits pores n'adsorbant que les molécules de diamntre cinétique inférieur à 4,4.10-10m environ, et cristallisée en aiguilles, échangée par le cation cuivre, représentant entre 1 et 5% du poids total de la composition catalytique. 2. Composition catalytique de réduction sélective des oxydes d'azote selon la revendication 1, caractérisée en oe que le cuivre est sous forme complexée par l'ammoniac Cu(NH3)42+. 3. Composition catalytique de réduction sélective des oxydes d'azote selon la reverndication 1, caractérisée en oe que le liant est un élément du groupe constitué par l'argile kaolinite (Si2 A12 05 (OH)4), la bentonite, l'alumine, seul ou en combinaison. 4. Composition catalytique de réduction sélective des oxydes d'azote selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite composition est conditionnée sous forme adaptée, telle que pastilles ou extrudés. 5. Procédé de préparation de la composition catalytique selon une des revendications 1 à 4, caractérise en ce que la réaction d'échange cationique est mise en oeuvre sur une mordénite petits pores sous forme sodique ou ammonium, sous forme de poudre, ou mise en forme avec le liant approprié. 6. Procédé de préparation de la composition catalytique selon la revendication 5, caractérisé en ce que la poudre de mordénite à petits pores sodique ou sous forme ammonium est soumise à au moins deux cycles d'échange cationique par mise en contact avec une solution de cuivre tétramine, à température comprise entre 20 et 80cC, de préférence 40 à 600C, suivi d'une séparation de la nmordgnite par filtration et d'un lavage avec de l'eau déminéralisée, puis d'un séchage à temçérature "il 2622474 contr6lée de manière à obtenir le départ de l'eau dans les conditions les plus douces possibles, ensuite la matière active obtenue est mélangée avec un liant approprié, et la composition catalytique est mise en forme. 7. Procédé de préparation de la composition catalytique selon la revendication 5, caractérisé en ce que la poudre de mordénite à petits pores sous forme sodique ou ammonium est mélangée avec un liant approprié, après ajustement de l'humidité, mise en forme, séchage, les produits préformés sont soumis à un traitement thermique entre 300 et 500'C, lesdits préformés sont ensuite soumis à au moins un traitement d'échange cationique par mise en contact avec une solution de cuivre tétramine, à température comprise entre 20 et 80'C, de préférence 40 à 'C, suivi d'une séparation par filtration, d'un lavage avec de l'eau déminéralisée, puis d'un séchage de la composition catalytique à température contrôlée de manière à obtenir le départ de l'eau dans les conditions les plus douces possibles. 8. Procédé d'épuration, en présence d'ammoniac, d'effluents gazeux oxygénés contenant des oxydes d'azote (NO)x, à une température comprise entre 225 et 400'C, sous une pression d'au moins 0,1MPa absolu avec une vitesse volumétrique horaire de circulation des.gaz VVH, qui -1 -namna peut atteindre 80.000h, et un rapport de la concentration en ammoniac à la concentration en oxydes d'azote NH3/NOx au plus égal à 1,25, en x présence d'une composition catalytique selon une quelconque des revendications 1 à 6.