способ получения катализатора метанирования

Формула изобретения

1. Способ получения катализатора метанирования путем пропитки носителя на основе оксида алюминия раствором, содержащим соединения никеля, с последующей термической обработкой катализатора, отличающийся тем, что носитель прокаливают при температуре 700°С, пропитывают одно-, или двух-, или трех-, или четырехкратно раствором нитрата никеля концентрации 200 г/л, сушат при температуре 100-120°С, прокаливают при температуре 450-500°С со скоростью подъема температуры не выше 1°С/мин, затем проводят пропитку аммиачно-карбонатным раствором с концентрацией аммиака - 100-120 г/л, СО₂ - 90-100 г/л, сушат при температуре 100-120°С и прокаливают при температуре 450-500°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве носителя используют гранулы в форме шара диаметром 2-5 мм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание NiO в гранулах катализатора составляет 15-35 мас.%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии приготовления катализаторов на основе никеля, стабилизированного активным оксидом алюминия, и может быть использовано в химической промышленности для тонкой очистки водородсодержащих газов от оксидов углерода методом каталитического гидрирования до метана.

В настоящее время известен способ приготовления катализатора для очистки водородсодержащих газов от окиси и двуокиси углерода путем осаждения активного компонента из раствора его соединения [Авторское свидетельство № 237115 B01J 37/03, 23/74, 1969 г.].

Данная технология совместного осаждения многостадийна, а катализатор обладает недостаточной прочностью. Недостатком данного способа является наличие стадии фильтрации, промывки до полного отсутствия нитратов, что приводит к появлению стоков и недостаточной воспроизводимости результатов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ приготовления никелевых катализаторов путем пропитки носителя раствором, содержащим соединения никеля в виде аммиаката никеля или аммиачно-карбонатного комплекса никеля, с последующей термической обработкой, размолом, уплотнением и таблетированием [Авторское свидетельство № 272283 B01J, 23/755, 1970 г.]. К недостаткам данного способа относится необходимость формования гранул таблетированием. В процессе таблетирования в результате создаваемого давления происходит переуплотнение таблетируемого материала, и в получаемой таблетке катализатора формируется неблагоприятная пористая структура, характеризующаяся низким значением общей пористости и значительным преобладанием микропор, что приводит к снижению активности катализатора. Кроме того, катализатор, полученный данным способом, имеет повышенный насыпной вес и значительный разброс значений прочности отдельных таблеток. Недостатком катализатора, полученного данным способом, является также пониженная термостабильность.

Задачей настоящего изобретения является получение катализатора, обладающего повышенной активностью, термостабильностью и механической прочностью.

Поставленная задача решается способом получения катализатора метанирования, включающим одно-, или двух-, или трех-, или четырехкратную пропитку носителя на основе активной окиси алюминия в форме шаров диаметром 2-5 мм, прокаленного при температуре 700°С, в растворе нитрата никеля с концентрацией 200 г/л с последующей сушкой при температуре 100-120°С и прокаливанием при температуре 450-500°С пропитанного носителя. Затем проводят пропитку аммиачно-карбонатным раствором с концентрацией аммиака - 100-120 г/л, СО₂ - 90-100 г/л, сушат при температуре 100-120°С и прокаливают при температуре 450-500°С. Готовый катализатор содержит 15-30% оксида никеля.

В результате применения данного способа при производстве катализатора полностью отсутствуют вредные стоки. За счет оптимальной пористой структуры, обеспечиваемой температурой прокаливания носителя, повышается активность, термостабильность и прочность катализатора, а также снижается его насыпной вес. Дополнительная пропитка аммиачно-карбонатным раствором позволяет обеспечить поддержание оксида никеля в катализаторе в высокодисперсном состоянии, что позволяет повысить активность и стабильность катализатора. Применение носителя в форме шара дает возможность существенно упорядочить укладку гранул катализатора при загрузке в каталитический реактор, по сравнению с цилиндрической формой таблетки, что позволяет уменьшить перепад давления и исключить возможность образования застойных зон.

Нижеследующие примеры иллюстрируют настоящее изобретение.

Пример 1. Активную окись алюминия в форме шаров диаметром 3-6 мм прокаливают при температуре 700°С в течение 4 часов. После охлаждения гранулы активной окиси алюминия пропитывают водным раствором нитрата никеля с концентрацией 200 г/л с последующей сушкой при 110-120°С и прокалкой при температуре 450-500°С со скоростью подъема температуры не выше 1°С в минуту. Затем после охлаждения гранулы пропитывают в аммиачно-карбонатном растворе с концентрацией аммиака - 100 г/л, СО₂ - 90 г/л, сушат при температуре 100-120°С и прокаливают при температуре 450-500°С. Готовый катализатор содержит 15 мас.% NiO, остальное Al₂ O₃.

Пример 2. Способ осуществляют по примеру 1, но проводят двукратную пропитку в растворе нитрата никеля с промежуточной сушкой и прокаливанием. После охлаждения гранулы пропитывают в аммиачно-карбонатном растворе с концентрацией аммиака - 120 г/л, СО₂ - 90 г/л. Готовый катализатор содержит 24,6 мас.% NiO, остальное Al₂O₃ .

Пример 3. Способ осуществляют по примеру 1, но проводят трехкратную пропитку в растворе нитрата никеля с промежуточной сушкой и прокаливанием. После охлаждения гранулы пропитывают в аммиачно-карбонатном растворе с концентрацией аммиака - 110 г/л, СО₂ - 100 г/л. Готовый катализатор содержит 30,7 мас.% NiO, остальное Al₂O₃.

Пример 4. Способ осуществляют по примеру 1, но проводят четырехкратную пропитку в растворе нитрата никеля с промежуточной сушкой и прокаливанием. После охлаждения гранулы пропитывают в аммиачно-карбонатном растворе с концентрацией аммиака - 120 г/л, СО₂ -95 г/л. Готовый катализатор содержит 35,0 мас.% NiO, остальное Al₂ O₃.

Пример 5 (прототип). В Z-образный смеситель загружается предварительно размолотая окись алюминия, алюминат кальция или их композиция и основной карбонат никеля 2 кг. При перемешивании к смеси добавляется 25%-ный раствор NH ₄OH 2,5 л. Перемешивание производится при температуре окружающей среды в течение 1 часа. Затем включается обогрев смесителя (паровой и электрический) и продолжается замес до удаления аммиака в течение 4-6 часов при температуре 100-120°С. Полученный носитель, пропитанный карбонатом никеля, прокаливается при температуре 350-500°С в течение 4-12 часов, размалывается и смешивается с графитом в шаровой мельнице, шихта уплотняется и таблетируется.

Активность полученных образцов катализаторов определяли по скорости реакции гидрирования оксида углерода с образованием метана в азото-водородной смеси с соотношением H₂/N ₂ - 3/1 при температурах 150-300°С, давлении 0,1 МПа, объемной доле СО в исходной смеси 0,85-0,90% на лабораторной проточно-циркуляционной установке. Расход исходной газовой смеси 10 л/ч. Скорость циркуляции газовой смеси в цикле установки составляет 1000 л/ч. При вводе и выводе газовой смеси со скоростью 10 л/ч в цикле устанавливается высокая кратность циркуляции ~ 100, что обеспечивает безградиентность условий испытания.

В таблице представлены характеристики полученных образцов, показывающие, что описанный метод позволяет получать катализаторы, обладающие пониженным насыпным весом, высокой активностью и механической прочностью. Описанный метод позволяет получать катализатор с повышенной термостабильностью, что иллюстрируется данными по размерам кристаллитов активного компонента в образцах катализаторов. Чем ниже значение размера кристаллитов, тем меньше катализатор подвержен процессу спекания, который приводит к снижению активности катализатора под действием температур.

Таблица
Катализатор по примеру	Насыпная плотность, кг/дм3	Механическая прочность, Н/гран	Активность, мольCH4/(час·кг) при температуре процесса	Размер кристаллитов NiO в готовом катализаторе, нм	Размер кристаллитов Ni в восстановленном катализаторе после 8 часов испытания активности, нм
300°С	200°С	170°С
1	0,80	161	12,9	3,9	0,88	5	<5
2	0,90	164	13,0	4,1	0,90	6	<5
3	0,98	158	13,0	4,4	1,00	5	<5
4	1,05	157	13,1	4,9	1,10	6	<5
5 (прототип)	1,30	153	9,4	3,5	0,75	10	16

Источники информации

1. Авторское свидетельство SU № 237115 B01J 37/03, 23/74, 1969 г.

2. Авторское свидетельство SU № 272283 B01J 23/755, 1970 г. (прототип).