КАТАЛИЗАТОР ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ В КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩЕМ ГАЗЕ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
CATALYST FOR OXIDISING HYDROCARBONS IN OXYGEN-CONTAINING GAS (VERSIONS) AND PREPARATION METHOD THEREOF

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к каталитической химии, в частности к катализаторам окисления углеводородов, которые могут быть использованы в криогенной промышленности при производстве криптоноксенонового концентрата.
Уровень техники
-1
Окисление углеводородов в кислородсодержащем газе с глубиной 99,9% достигается на известных катализаторах, в качестве которых выступают оксиды меди или алюминия, работающие при температуре 700-750°С и объемной скорости подачи сырьевого газа от 500 до 1000 час (В.Г.Фастовский, А.Е.Ровинский, Ю.В.Петровский. Инертные газы. М., Атомиздат, 1972, с.238).
Недостатком данных катализаторов является низкая каталитическая активность оксида меди и оксида алюминия в процессе окисления углеводородов, что вызывает необходимость ведения процесса при высоких температурах и низких скоростях подачи сырья.
Известен катализатор глубокого окисления легких парафиновых углеводородов, представляющий собой платину или палладий, нанесенные на высококремнеземный волокнистый носитель (патент РФ №2305090).
-1
К недостаткам данного катализатора можно отнести низкую каталитическую активность, требующую для достижения приемлемых результатов низкой объемной скорости подачи газа - до 2000 час , а соответственно, и низкую производительность процесса.
Известны катализаторы окисления, содержащие смешанные оксиды меди, магния, редкоземельных элементов, нанесенные на инертные пористые неорганические носители - оксиды алюминия, кремния и алюмосиликаты (патент РФ №2001127582).
Недостатком этих катализаторов также является низкая каталитическая активность.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является монолитный катализатор, представляющий собой оксид циркония, содержащий оксиды редкоземельных элементов (патент РФ №97103363).
Недостатками известного катализатора являются недостаточная каталитическая активность, низкий ресурс и необходимость применения высоких температур процесса окисления - 1000-1300°С.
Известен способ приготовления катализаторов окисления углеводородов путем пропитки минерального волокнистого носителя растворами нитратов кобальта, хрома и железа с последующей сушкой и прокаливанием (патент РФ №1783666).
Недостатками получаемого по известному способу катализатора являются низкая селективность и непродолжительный срок службы (4000 час).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ приготовления биметаллического платинорениевого катализатора на оксидно-алюминиевом носителе (Е-801R), получаемого путем пропитки прокаленного носителя водным раствором, содержащим предшественник активного компонента (патент РФ №2245190).
Недостатками получаемого катализатора являются малый ресурс работы и низкая каталитическая активность в процессе окисления метана, причем наивысшая активность катализатора проявляется только при достаточно высоких температурах. Недостатком способа получения катализатора является проведение пропитки носителя в кислой среде, что приводит к малому ресурсу катализатора, обусловленному низкой механической прочностью получаемого по данной технологии катализатора.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является получение высокоактивного катализатора окисления углеводородов в составе кислородсодержащего газа с большим ресурсом работы.
Технический результат, достигаемый при реализации заявленного изобретения, состоит в повышении активности катализатора, обеспечивающего высокую производительность в реакциях окисления углеводородов при достаточно низких температурах процесса и высокой механической прочностью, обеспечивающей продолжительный ресурс работы.
Технический результат достигается тем, что катализатор окисления углеводородов содержит оксид марганца на носителе, включающем гранулированный оксид циркония или порошкообразный оксид алюминия в смеси с кристаллическим мезопористым алюмосиликатом с мольным отношением Si/Al, равным 10-60, при следующем содержании компонентов, мас.%:
Оксид марганца (MnO<sub>2</sub>)
5,0-20,0
Оксид циркония (ZrO<sub>2</sub>)
80,0-95,0
или:
Оксид марганца (MnO<sub>2</sub>)
5,0-20,0
Оксид алюминия (Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
40,0-85,0
Кристаллический мезопористый алюмосиликат (Al<sub>x</sub>Si<sub>y</sub>O<sub>z</sub>)
10,0-40,0
Заявленное изобретение позволяет значительно увеличить ресурс катализатора и каталитическую активность при повышении степени очистки кислородсодержащего газа от примесей легких углеводородов за счет использования катализатора с указанным соотношением компонентов при достаточно низких температурах.
-1
Поставленная задача и технический результат достигаются при реализации способа тем, что получение катализатора окисления углеводородов включает приготовление носителя - оксида циркония или оксида алюминия в смеси с кристаллическим мезопористым алюмосиликатом, пропитку носителя водным раствором хлорида марганца, последующую сушку и прокаливание, причем носитель - оксид алюминия в смеси с кристаллическим мезопористым алюмосиликатом - получают смешиванием порошкообразных оксида алюминия и кристаллического мезопористого алюмосиликата с мольным отношением Si/Al, равным 10-60:1, увлажнением полученной смеси и желированием 1,5-5%-ным раствором азотной кислоты. В ходе прокаливания катализатора гидрохлорид марганца разлагается с получением оксида марганца, который является активным компонентом катализатора. Применение катализатора, содержащего 5-20 мас.% оксида марганца на носителе (оксид циркония или оксид алюминия в смеси с кристаллическим мезопористым алюмосиликатом), в процессе окисления углеводородных газов в составе кислородсодержащего газа позволяет снизить содержание углеводородных газов до 3 ppm и менее при объемной скорости 14500 час.
Осуществление изобретения
Способ приготовления катализатора заключается в том, что гранулированный оксид циркония пропитывают водным раствором хлорида марганца, взятым в таком количестве, чтобы катализатор содержал 5-20 мас.% в пересчете на оксид марганца, или порошкообразный оксид алюминия смешивают с 10-40% кристаллического мезопористого алюмосиликата с мольным отношением Si/Al, равным 10-60:1, увлажняют, желируют 1,5-5%-ным раствором азотной кислоты, формуют в гранулы экструзией, а затем полученный носитель сушат, прокаливают и пропитывают водным раствором хлорида марганца.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1
2
3
2
2
95 г прокаленного при 550°С оксида циркония с удельной площадью поверхности не менее 90 м/г и объемом пор не менее 0,3 см/г помещают в водный раствор хлорида марганца, содержащий 13,4 г MnCl·4HO. Объем пропиточного раствора составляет 45 мл. Пропитку осуществляют при температуре 20°С в течение 12 часов. После завершения пропитки избыточный пропиточный раствор отделяют декантацией, а катализатор просушивают при температуре 60-110°С в течение 6-ти часов. Затем катализатор прокаливают при температуре 550°С в течение 3 часов, причем до указанной температуры катализатор нагревают со скоростью не более 50 град./час.
2
2
Состав синтезированного катализатора, мас.%: ZrO 95; MnO 5.
Пример 2
2
3
2
90 г прокаленного при 550°С оксида циркония с удельной площадью поверхности не менее 90 м/г и объемом пор не менее 0,3 см/г помещают в водный раствор хлорида марганца, содержащий 22,7 г MnCl·НО. Объем пропиточного раствора составляет 40 мл. Пропитку осуществляют при температуре 20°С в течение 12 часов. После завершения пропитки избыточный пропиточный раствор отделяют декантацией, а катализатор просушивают при средней температуре 85°С в течение 6-ти часов. Затем катализатор прокаливают при температуре 550°С в течение 3 часов при скорости подъема температуры не более 50 град./час.
2
3
Состав синтезированного катализатора, мас.%: ZrO 90; MnO 10.
Пример 3
2
3
2
2
80 г прокаленного при 550°С оксида циркония с удельной площадью поверхности не менее 90 м/г и объемом пор не менее 0,3 см/г помещают в водный раствор хлорида марганца, содержащий 45,5 г MnCl·4HO. Объем пропиточного раствора составляет 36 мл. Пропитку осуществляют при температуре 20°С в течение 12 часов. После завершения пропитки избыточный пропиточный раствор отделяют декантацией, а катализатор просушивают при средней температуре 85°С в течение 6-ти часов. Затем катализатор прокаливают при температуре 550°С в течение 3 часов при скорости подъема температуры не более 50 град./час.
2
2
Состав синтезированного катализатора, мас.%: ZrO 80; MnO 20.
Пример 4
78,5 г влажного порошка оксида алюминия смешивают с 51,7 г влажного порошка кристаллического мезопористого алюмосиликата с мольным соотношением Si/Al 10: 1. Смесь сначала увлажняют дистиллированной водой, а затем при интенсивном перемешивании желируют 1,5% раствором азотной кислоты. Полученную пластичную массу носителя формуют в цилиндрические гранулы экструзией.
Гранулы носителя подсушивают при комнатной температуре в течение 24 ч, затем просушивают течение 6-ти часов при средней температуре 85°С. Просушенные гранулы носителя затем прокаливают в токе воздуха при 600°С в течение 3 ч с подъемом температуры до указанной со скоростью 100°С в час.
2
3
2
2
95 г прокаленного при 600°С готового носителя с удельной площадью поверхности не мене 150 м/г и объемом пор не менее 0,5 см/г помещают в водный раствор гидрохлорида марганца, содержащий 13,4 г MnCl·4HO. Объем пропиточного раствора составляет 71,25 мл. Пропитку осуществляют при температуре 20°С в течение 12 часов. После завершения пропитки избыточный раствор отделяют декантацией, а катализатор просушивают при средней температуре 85°С в течение 6-ти часов. Затем катализатор прокаливают при температуре 600°С в течение 3 часов с достижением заданной температуры со скоростью не более 50 град./час.
2
3
x
y
z
2
Состав синтезированного катализатора, мас.%: AlO 85; AlSiO (где х=0,017-0,1, y=1, z=2,026-2,15) 10; MnO 5.
Пример 5
104,5 г влажного порошка оксида алюминия смешивают с 25,2 г влажного порошка кристаллического мезопористого алюмосиликата с мольным соотношением Si/Al 30:1. Смесь сначала увлажняют дистиллированной водой, а затем при интенсивном перемешивании смесь желируют 3,0% раствором азотной кислоты. Полученную пластичную массу носителя формуют в цилиндрические гранулы методом экструзии.
Гранулы носителя подсушивают, просушивают и прокаливают аналогично примеру 4.
2
3
2
2
90 г прокаленного при 500°С готового носителя с удельной площадью поверхности не мене 150 м/г и объемом пор не менее 0,5 см/г помещают в водный раствор гидрохлорида марганца, содержащий 22,7 г MnCl·4HO. Объем пропиточного раствора составляет 67,5 мл. Пропитку осуществляют при температуре 20°С в течение 12 часов. После завершения пропитки избыточный пропиточный раствор отделяют декантацией, а катализатор просушивают при средней температуре 85°С в течение 6-ти часов. Затем катализатор прокаливают при температуре 500°С в течение 3 часов при скорости подъема температуры до заданной не более 50 град./час.
2
3
x
y
z
2
Состав синтезированного катализатора, мас.%: AlO 70; AlSiO (где х=0,017-0,1, y=1, z=2,026-2,15) 20; MnO 10.
Пример 6
123,9 г влажного порошка оксида алюминия смешивают с 6,3 г влажного порошка кристаллического мезопористого алюмосиликата с мольным соотношением Si/Al 60:1. Смесь сначала увлажняют дистиллированной водой, а затем при интенсивном перемешивании желируют 5,0% раствором азотной кислоты. Полученную пластичную массу носителя формуют в цилиндрические гранулы методом экструзии.
Гранулы носителя просушивают и прокаливают аналогично примеру 4.
2
3
2
2
80 г прокаленного носителя с удельной площадью поверхности не менее 150 м/г и объемом пор не менее 0,5 см/г помещают в водный раствор гидрохлорида марганца, содержащий 45,5 г MnCl·4НО. Объем пропиточного раствора составляет 60 мл. Пропитку осуществляют при температуре 20°С в течение 12 часов. После завершения пропитки избыточный раствор отделяют декантацией, а катализатор просушивают при средней температуре 85°С в течение 6-ти часов. Затем катализатор прокаливают при температуре 550°С в течение 3 часов при скорости подъема температуры не более 50 град./час.
2
3
x
y
z
2
Состав синтезированного катализатора, мас.%: AlO 40; AlSiO (где х=0,017-0,1, y=1, z=2,026-2,15) 40; MnO 20.
Катализаторы, приготовленные по примерам 1, 2, 3, 4, 5, 6, испытывали на активность в реакции окисления метана в составе кислородсодержащего газа на лабораторной проточной установке. Содержание метана в исходном кислородсодержащем газе составляло 3000 ppm. Условия и результаты испытания катализаторов представлены в таблице. Активность катализаторов оценивали по остаточному содержанию метана в кислородсодержащем газе. Для сравнения в таблице приведены данные, полученные при испытании катализатора-прототипа - Е-801 R и катализатора-аналога - оксид алюминия. Из приведенных данных видно, что катализаторы, синтезированные по Примерам 1, 2, 3, 4, 5 и 6, обладают более высокой активностью в реакции окисления метана по сравнению с катализаторами - аналогом и прототипом. Остаточное содержание метана в кислородсодержащем газе в количестве менее 3 ppm или отсутствие на синтезированных по Примерам 1, 2, 3, 4, 5 и 6 достигается при более низких температурах и более высоких объемных скоростях по сравнению с прототипом и аналогом. При этом ресурс катализатора составил более 7 лет при непрерывном использовании.
Промышленная применимость
Предложенный катализатор окисления углеводородов, входящих в состав кислородсодержащего газа, и предложенный способ его приготовления может быть использованы в металлургической промышленности при очистке кислорода от горючих газов и криогенной технике при получении криптоноксеноновой смеси.
п/п
Наименование катализатора
Температура процесса, °С
Объемная скорость подачи сырьевого газа, час<sup>-1</sup>
Содержание метана в кислородсодержащем газе, ppm
1.
E-801R - прототип
520
3000
отсутствие
530
4500
менее 3
540
5600
отсутствие
540
7000
отсутствие
2.
Оксид алюминия - аналог
540
3000
50
700
1500
менее 3
3.
По примеру 1
440
3000
отсутствие
460
5000
отсутствие
500
7000
менее 3
4.
По примеру 2
430
3000
отсутствие
440
4500
отсутствие
450
7000
менее 3
470
14500
менее 3
5.
По примеру 3
440
3000
отсутствие
450
4500
отсутствие
465
7000
менее 3
470
7000
отсутствие
6.
По примеру 4
500
3000
менее 3
530
4500
отсутствие
540
7000
отсутствие
540
9000
менее 3
7.
По примеру 5
450
3000
отсутствие
460
4500
менее 3
8.
По примеру 6
490
3000
менее 3
520
4500
менее 3
540
7000
отсутствие