DE2706182B2

DE2706182B2 - Katalysatorbett für die Verwendung bei der Oxidation von Ammoniakgas

Info

Publication number: DE2706182B2
Application number: DE19772706182
Authority: DE
Inventors: Kiyotaka Iiyama; Shigeru Kawasaki Kanagawa Kusakata; Takeshi Yokohama Kanagawa Matsui; Michihisa Tokio Takahashi; Hideo Yokohama Kanagawa Watanabe
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1976-02-20
Filing date: 1977-02-14
Publication date: 1981-06-25
Also published as: DE2706182A1; JPS52100365A; DE2706182C3

Description

Es ist bekannt, daß man Ammoniakgas durch In-Kontakt-bringen einer Mischung von Ammoniakgas und Luft mit einem Katalysator, wie beispielsweise Platin, Rhodium, Ruthenium oder Legierungen derselben, die auf einem Träger aufgebracht sind, bei erhöhter Temperatur oxidativ zersetzen kann.

Die oxidative Zersetzung des Ammoniaks wird bei einer Temperatur von über I8O°C unter Umwandlung des Ammoniaks in Stickstoff und Wasser durchgeführt. Bei der oxidativen Zersetzung von Ammoniak werden jedoch gewöhnlich auch schädliche Stickstoffoxide erzeugt, da bei einer Temperatur von über 250⁰C, insbesondere von über 300⁰C, in steigendem Maße NO, gebildet wird und die Zersetzung von Ammoniak eine exotherme Reaktion darstellt, bei der die Wärmetönung 76,2 kcal/Mol beträgt, so daß daher mit dem Ablauf der oxidaliven Zersetzung die Temperatur der das zu zersetzende Ammoniakgas enthaltenden Luft bis beispielsweise auf eine Temperatur von über 300"C ansteigt. Mit dem Anstieg tier Temperatur steigt auch die Bildung von NO₁ an.

Die Bildung von NO₁ kann verhindert werden, wenn man die Temperatur der das /u /ersetzende Ammoniak izas enthaltenden Luft auf eine Temperatur, die so niedrig wie möglich über 180⁰C liegt, beispielsweise auf eine Temperatur im Bereich von 200⁰C bis 230" C. einreguliert.

Ein Verfahren zur katalytischem Oxidption von A.mmoniak enthaltenden Gasen ist aus der US-PS 34 67 491 bekannt. In dieser Patentschrift wird ein Verfahren aufgezeigt, welches das Leiten einer Mischung von Ammoniakgas und Luft über einen Kontakt mit einem Platin-Tonerde-Kaialysator bei einem gesteuerten Temperaturbereich von etwa 200⁰C bis etwa 230⁰C zur Erzielung einer Umwandlung zu Stickstoff und Wasser ohne Bildung von schädlichen Stickstoffoxiden (NO,;, zum Gegenstand hat. Die DE-OS 24 47 552 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysators zur Oxidation von Ammoniak mit Luft, wobei man einen hitzebeständigen Träger, z. B. AbCh-Körnchen, mit einer Lösung imprägniert, die Metalle der Platingruppe enthält, und dann die imprägnierten Körnchen bei 500° bis 1000° C mehrere Stunden lang calciiiiert. Die Caicinierungstemperatur muß genau eingehalten werden, da sonst der Katalysator hohe Anteile an Stickoxiden bildet. Dieser Katalysator ermöglicht die Luftoxidation von Ammoniak in sehr guten Ausbeuten bei den in den Beispielen angegebenen Temperaturen von 185° bis 223°C, allerdings nur bei Ammoniakkonzentrationen von 0,18 bis 0,3%, d. h. von 1800 bis 3000 ppm NH₃. In den vorstehenden Veröffentlichungen wird jedoch kein Verfahren zur Steuerung der Temperatur der Ammoniak enthaltenden Luft bei der oxidativen Zersetzung beschrieben.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand nun darin, ein Katalysatorbett zu schaffen, in welchem die Temperatur der hindurchgeleiteten, Ammoniak enthaltenden Luft so gesteuert wird, daß der durch die exotherme Reaktion bedingte Temperaturanstieg weniger steil als bei Katalysatorbetten nach dem Stande der Technik erfolgt, auf maximal etwa 295°C begrenzt bleibt, dadurch die Verweilzeit der Gasmischung bei höheren Temperaturen erniedrigt und die Menge an unerwünschten und schädlichen Stickstoffoxiden, die bei der Oxidation von Ammoniakgas zu Stickstoff und Wasser gebildet werden, bei möglichst vollständiger Umwandlung des vorhandenen Ammoniaks so niedrig wie möglich gehalten wird.

Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß durch ein Katalysatorbett für die Verwendung bei der Oxidation von Ammoniakgas gelöst, das aus einem Gemisch von

(a) I Gewichtsteil eines Granulats, das einen Katalysator trägt, der für die katalytische Oxidation von Ammoniakgas mit Luft bei einer Temperatur oberhalb von 180⁰C zu gasförmigem Stickstoff und Wasserdampf geeignet ist, und

(b) 0,2 bis 10 Gewichtsteilen eines Granulats aus einer katalytisch inerten Substanz, welche die katalytische Umsetzung des Ammoniakgases nicht beeinflußt und welche die Höchsttemperatur des durch das Katalysatorgemisch strömenden Ammoniakgases auf einem Niveau hält, das die Bildung von Stickstoffoxiden möglichst gering hält,

besteht.

In diesem Katalysatorbett gemäß der Erfindung besteht das Granulat, das den Katalysator tragt, aus Teilchen, auf deren runder, kugeliger Oberfläche als bekannte katalytische Komponente Platin. Rhodium. Ruthenium und/oder Legierungen davon aufgetragen sind, wobei das Trägermaterial, wie an sich bekannt, Tonerde, Kieselerde, /eolith. Kaolin und Siliciumcarbid

sein kann, das Tragermaterial einen Durchmesser von 2 bis 10 mm aufweist und die katalytische Komponente in einer Menge von 0,05 bis 1,0 Gewichtsprozent, bezogen auf das Trägermaterial, vorliegt.

In dem erfindungsgemäßen Katalysatorbett besteht das Granulat der katalytisch inerten Substanz aus Tonerde, Kieselerde, Zeolith, Kaolin, Siliciumcarbid, katalytisch inerten Metallen und/oder Metalloxiden, und weist einen Durchmesser von 2 bis 10 mm auf.

Derartige Metalle sind beispielsweise Aluminium und rostfreier Stahl. Derartige Metalloxide sind beispielsweise Zinkoxid und Titanoxid.

Anstelle von Körnchen aus inerter Substanz können auch Ringe aus der interten Substanz, wie beispielsweise »Raschigringe«, verwendet werden.

Die Größen der Granulat-Körnchen der die katalytische Komponente tragenden inerten Substanz, sowie das Verhältnis derselben kann in Abhängigkeit von der Ammonioakmenge in dem zu behandelnden Gas und der Raumgeschwindigkeit und der Lineargeschwindigkeit des Gases in dem Katalysatorbett bestimmt werden.

Die katalytisch inerten Körnchen haben bevorzugt eine, den Katalysatorteilchen ähnliche Größe. Jedoch wird diese Größe in Abhängigkeit von der gewünschten Raumgeschwindigkeit und der Lineargeschwindigkeit der Ammoniak enthaltenden Luft bestimmt. Die geeigneten Mengen an Granulat, sowie die Gn ße der Granulat-Körnchen der katalytisch inerten Substanz lassen sich durch einfache Vorversuche leicht ermitteln.

Durch das nachfolgende Beispiel wird die Herabsetzung der Bildung von schädlichen Stickstoffoxiden bei der Oxidation von Ammoniakgas bei Verwendung des Katalysatorbetts der vorliegenden Erfindung gezeigt.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung dienen die anliegenden Zeichnungen, welche zunächst den Stand der Technik und dann die vorliegende Erfindung erläutern.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines herkömmlichen Katalysatoibettes. Ein den Katalysator enthaltender Reaktor besteht aus einem Hohlzylinder mit einem Außendurchmesser von 6 cm und einem Innendurchmesser von 3 cm. Der den Katalysator enthaltende Reaktor hat einen Eingang 1 zum Einleiten einer Mischung aus Ammoniakgas und Luft. In den Reaktor wird Katalysator 2 eingefüllt, der von einer perforierten Siebplatte 3 so getragen wird, daß das Katalysatorbett 4 eine Höhe von etwa 24 cm und ein Volumen von etwa 500 ml aufweist. Der Katalysator besteht aus Platin, das in einer Menge von 0,5 Gewichtsprozent auf einem runden, kugeligen Träger aus Tonerde mit einem Durchmesser von 4 mm bis 6 mm aufgebracht ist. Luft mit einem Gehalt von 4% (40 000 ppm) an Ammoniakgas, die auf eine Temperatur von etwa 230⁰C vorgewärmt worden war, wurde in einer Menge von 100 Liter pro Minute durch das Katalysatorbett 4 geleitet. Die Raumgeschwindigkeit und die lineare Geschwindigkeit der Ammoniak enthaltenden Luft in dem Katalysatorbett 4 betrugen 12 000 h-' bzw. 0,67 m/s. Die Ammoniak enthaltende Luft wird zur Oxidation des Ammoniaks durch das Katalysatorbett geführt und tritt dann unten aus dem Katalysatorbett aus. Während des Betriebes wurde der den Katalysator enthaltende Reaktor von außen durch Luft gekühlt. In diesem Falle war die Maximaltemperalur des Ammoniak/Luft-Gasstroms in dem Katalysatorbett 4 385°C und die Temperatur des Abgases am Ausgang etwa 300°C, wobei die Konzentration an Ammoniak (NH₁) und schädlichen Stickstoffoxiden (NOJ in dem Abgas 200 ppm bzw. 3500 ppm betrugen.

F i g. 2 erläutert ein Katalysatorbett gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Mischung aus 1 Gewichtbteil Platin-Katalysator 2 auf Tonerdeträger und 1 Gewichtsteil katalytisch inerter Tonerdekörnchen 5 wurden in den Reaktor eingefüllt und von einer perforierten Siebplatte 3 so getragen, daß das Katalysatorbett 6 eine Höhe von etwa 48 cm und ein Volumen von etwa 1000 ml besaß. Der Tonerdeträger und die Tonerdekörnchen hatten Durchmesser im Bereich von 4 mm bis 6 mm.

Das oben beschriebene Verfahren wurde wiederholt. Die durch das Katalysatorbett 6 hindurchgeleitete. Ammoniak enthaltende Luft hatte eine Raumgeschwindigkeit von 6000h-¹ und eine Lineargeschwindigkeit von 0,67 m/s. Die Maximaltemperatur der Ammoniak enthaltenden Luft in dem Katalysaiorbett 6 war 295°C, die Temperatur des Abgases am Ausgang etwa 230°C und die Konzentration des Ammoniaks (NH3) und der schädlichen Stickstoffoxide (NO_x^ in dem Abgas betrugen 25 ppm bzw. 160 ppm.

In dem in F i g. 2 gezeigten Reaktor wurde der gleiche Versuch, wie vorstehend beschrieben, durchgeführt, mit der Ausnahme, daß anstelle von Tonerdeträger und -körnchen Siliciumcarbidträger und -körnchen eingesetzt wurden. In diesem Falle betrug die Konzentration von NH3 und NO₁ in dem Abgas 25 ppm bzw. 150 ppm.

Wie aus den vorstehenden Ergebnissen entnommen werden kann, ist es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Katalysatorbettes möglich, Ammoniakgas unter einer minimalen Bildung von schädlichen Stickstoffoxiden zu oxidieren.

In F i g. 3 gibt die Kurve a den Temperaturverlauf der Luft an jedem Punkt in dem den Katalysator enthaltenden Reaktor gemäß F i g. 1 wieder, wobei die Luft (welche kein Ammoniak enthielt) auf eine Temperatur von 230⁰C vorgewärmt und über das Katalysatorbett von Fig. 1 in einer Menge von 100 Liter pro Minute geleitet wurde. Während des Betriebes wurde der den Katalysator enthaltende Reaktor an der Außenseite mit Luft gekühlt.

Die Kurve b gibt den Temperaturverlauf an jedem Punkt des Katalysatorbetts gemäß F i g. 1 wieder, wobei .ie 4% Ammoniak enthaltende Luft vorgewärmt und in der gleichen Weise, wie oben gezeigt, durchgeleitet worden war.

Die Kurve c zeigt den Temperaturverlauf an jedem Punkt des Katalysatorbetts der vorliegenden Erfindung gemäß Fig. 2, wobei die 4% Ammoniak enthaltende Luft vorgewärmt und in der gleichen Weise, wie oben angegeben, durchgeleitet worden war.

Wie aus den Kurven b und c zu ersehen ist, kann der Temperaturanstieg der Ammoniak enthaltenden Luft, welche der katalytischen Einwirkung unterworfen werden soll, durch Verwendung eines Katalysatorbetts der vorliegenden Erfindung verhindert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Katalysatorbett für die Verwendung bei der Oxidation von Ammoniakgas, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem Gemisch von

(a) 1 Gewichtsteil eines Granulats, das einen Katalysator trägt, der für die katalytische Oxidation von Ammoniakgas mit Luft bei einer Temperatur oberhalb von 180⁰C zu gasförmigem Stickstoff und Wasserdampf geeignet ist, und

(b) 0,2 bis 10 Gewichtsteilen eines Granulats aus einer katalytisch inerten Substanz, welche die katalytische Umsetzung des Ammoniakgases nicht beeinflußt und welche die Höchsttemperatur des durch das Katalysatorgemi^ch strömenden Ammoniakgases auf einem Niveau hält, das die Bildung von Stickstoffoxiden möglichst gering hält,

besteht.

2. Katalysatorbett nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Granulat, das den Katalysator trägt, aus Teilchen besteht, auf deren runder, kugeliger Oberfläche als katalytische Komponente Platin, Rhodium, Ruthenium und/oder Legierungen davon aufgetragen sind, wobei das Trägermaterial Tonerde, Kieselerde, Zeolith, Kaolin und Siliciumcarbid sein kann, das Trägermaterial einen Durchmesser von 2 bis 10 mm aufweist und die katalytische Komponente in einer Menge von 0,05 bis 1,0 Gewichtsprozent, bezogen auf das Trägermaterial, vorliegt.

3. Katalysatorbett nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Granulat der katalytisch inerten Substanz aus Tonerde, Kieselerde, Zeolith, Kaolin, Siliciumcarbid, katalytisch inerten Metallen und/oder Metalloxiden besteht und das Granulat einen Durchmesser von 2 bis 10 mm aufweist.