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Title:
METHOD AND DEVICE FOR THE REDUCTION OF NITROGEN PROTOXIDE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2001/087771
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method and device for reducing nitrogen protoxide formed by catalytic combustion of ammonia and oxygen into nitrogen protoxide. The invention provides the use of a catalyst system comprising at least a first catalytic array and at least a second catalytic array for the catalytic combustion of ammonia and oxygen into nitrogen protoxides, first catalytic array being a platinum rhodium array and upstream second catalyst array being a platinum rhodium array with 2 to 4 weight % of rhodium.

Inventors:
GORYWODA MAREK (DE)
LUPTON DAVID FRANCIS (DE)
LUND JONATHAN (DE)
Application Number:
PCT/EP2001/005297
Publication Date:
November 22, 2001
Filing Date:
May 10, 2001
Export Citation:
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Assignee:
HERAEUS GMBH W C (DE)
GORYWODA MAREK (DE)
LUPTON DAVID FRANCIS (DE)
LUND JONATHAN (DE)
International Classes:
B01D35/04; B01D53/56; B01D53/86; B01J23/40; B01D53/94; B01J23/46; B01J35/04; C01B21/26; C01B21/28; F23C13/00; F23L7/00; (IPC1-7): C01B21/26; B01D53/56; B01D53/86; B01D35/04
Foreign References:
DE19819882A11999-10-28
US3873675A1975-03-25
Attorney, Agent or Firm:
Kühn, Hans-christian (Heraeus Holding GmbH Schutzrechte Heraeusstrasse 12-14 Hanau, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zur Reduzierung von Distickstoffoxid, das bei der katalytischen Verbrennung von Ammoniak und Sauerstoff zu Stickstoffoxiden gebildet wird, wobei ein aus mindestens ei nem ersten Katalysatornetz und mindestens einem zweiten Katalysatornetz bestehendes Katalysatorsystem zur katalytischen Verbrennung von Ammoniak und Sauerstoff zu Stick stoffoxiden verwendet wird und wobei das mindestens eine erste Katalysatornetz ein Platin rhodiumnetz ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine zweite und stromab wärtige Katalysatornetz ein Palladiumrhodiumnetz mit mindestens 92 Gewichts% Palladi um, 2 bis 4 Gewichts% Rhodium, Rest Platin ist.
2. Verfahren zur Reduzierung von Distickstoffoxid, das bei der katalytischen Verbrennung von Ammoniak und Sauerstoff zu Stickstoffoxiden gebildet wird, wobei ein aus mindestens ei nem ersten Katalysatornetz und mindestens einem zweiten Katalysatornetz bestehendes Katalysatorsystem zur katalytischen Verbrennung von Ammoniak und Sauerstoff zu Stick stoffoxiden verwendet wird und wobei das mindestens eine erste Katalysatornetz ein Platin rhodiumnetz ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine zweite und stromab wärtige Katalysatornetz ein Palladiumrhodiumnetz mit 82 bis 83 Gewichts% Palladium, 2,5 bis 3,5 Gewichts% Rhodium, Rest Platin ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Palladiumrhodiumnetz ei nen Rhodiumgehalt von 2,5 bis 3 Gewichts% und einen PalladiumGehalt von 82,5 Ge wichts% aufweist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Palladium rhodiumnetz vom Platinrhodiumnetz mittels mindestens eines dritten Netzes beabstandet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Netz aus einem hitze beständigen Stahl besteht.
6. Vorrichtung zur Reduzierung von Distickstoffoxid, das bei der katalytischen Verbrennung von Ammoniak und Sauerstoff zu Stickstoffoxiden gebildet wird, wobei ein aus mindestens einem ersten Katalysatornetz und mindestens einem zweiten Katalysatornetz bestehendes Katalysatorsystem zur katalytischen Verbrennung von Ammoniak und Sauerstoff zu Stick stoffoxiden verwendet wird und wobei das mindestens eine erste Katalysatornetz ein Platin rhodiumnetz, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite und stromabwärtige Katalysatornetz ein Palladiumrhodiumnetz mit mindestens 92 Gewichts% Palladium, 2 bis 4 Gewichts% Rhodium, Rest Platin ist.
7. Vorrichtung zur Reduzierung von Distickstoffoxid, das bei der katalytischen Verbrennung von Ammoniak und Sauerstoff zu Stickstoffoxiden gebildet wird, wobei ein aus mindestens einem ersten Katalysatornetz und mindestens einem zweiten Katalysatornetz bestehendes Katalysatorsystem zur katalytischen Verbrennung von Ammoniak und Sauerstoff zu Stick stoffoxiden verwendet wird und wobei das mindestens eine erste Katalysatornetz ein Platin rhodiumnetz, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite und stromabwärtige Katalysatornetz ein Palladiumrhodiumnetz mit 82 bis 83 Gewichts% Palladium, 2,5 bis 3,5 Gewichts% Rhodium, Rest Platin ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Palladiumrhodiumnetz einen Rhodiumgehalt von 2,5 bis 3 Gewichts% und einen PalladiumGehalt von 82,5 Ge wichts% aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Palladi umrhodiumnetz vom Platinrhodiumnetz mittels mindestens eines dritten Netzes beabstandet wird.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Netz aus einem hitzebeständigen Stahl besteht.
11. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10 zur Reduzierung von Distickstoffoxid, insbesondere bei der katalytischen Verbrennung von Ammoniak und Sau erstoff zu Stickstoffoxiden.
Description:
Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung von Distickstoffoxid Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung von Distickstoffoxid, das bei der katalytischen Verbrennung von Ammoniak und Sauerstoff zu Stickstoffoxiden gebil- det wird, wobei ein aus mindestens einem ersten Katalysatornetz und mindestens einem zwei- ten Katalysatornetz bestehendes Katalysatorsystem zur katalytischen Verbrennung von Ammo- niak und Sauerstoff zu Stickstoffoxiden verwendet wird und wobei mindestens ein erstes Kata- lysatornetz ein Platinrhodiumnetz ist.

Ein allgemein bekanntes Problem bei der Herstellung von Salpetersäure durch Verbrennung von Ammoniak mittels Sauerstoff unter Bildung von geeigneten Stickstoffoxiden ist die Tatsa- che, dass dabei Distickstoffoxid (Lachgas) gebildet wird, das bezüglich der Zerstörung der ter- restrischen Ozonschicht im Verdacht steht, beim Abbau dieser daran beteiligt zu sein. Es ist bei der Salpetersäureherstellung daher ausgesprochen wichtig, das erzeugte N20 nachträglich wirksam zu zerstören oder aber die Bildung des Lachgases weitestgehend zu vermeiden. Hier- bei sollte die Ausbeute an gewünschten Stickstoffoxiden nicht beeinträchtigt werden.

In DE 198 19 882 A1 wird ein Verfahren zur katalystischen Zersetzung von N20 in einem bei der Herstellung von Salpetersäure durch katalytische Oxidation von Ammoniak erhaltenen Gasgemisch an einem Katalysator zur Zersetzung von N20 offenbart, dass dadurch gekenn- zeichnet ist, dass das aus der katalytischen Oxidation von Ammoniak erhaltene heiße Gasge- misch vor einer nachfolgenden Abkühlung mit Katalysator zur Zersetzung von N20 kontaktiert wird.

DE-OS 22 39 514 offenbart eine Anordnung von Katalysatorgazen zur Beschleunigung einer Reaktion zwischen zwei oder mehreren durch die Gaze hinduchströmenden Gasen, das da- durch gekennzeichnet ist, dass an der Seite nach unten gerichteter Strömung einer Gazegrup- pe aus kostbarem metallischen Material an eine zweite Gazegruppe aus nicht kostbarem metal- lischen Material und weniger leicht verdampfendem sowie durch die Gase abführbarem metall- schen Material angeordnet ist, welches im Betrieb die Beschleunigung der Reaktion unterstützt.

In DE-OS 19 59 137 ist ein Katalysator mit einem an Platin und Rhodium erniedrigten Gehalt- von 12 bis 20 Gewichts-% zur Oxidation von Ammoniak zu Stickstoffoxid offenbart.

In Hollemann-Wiberg"Lehrbuch der anorganischen Chemie", 71.-80. Auflage, Verlag Walter de Gruyter & Co., Berlin, 1971, Seite 360, ist ein Ammoniakverbrennungselement zur Stick- oxidgewinnung mit Platinnetzkatalysator und größere Anlagen mit mehreren übereinander an- geordneten Drahtnetzen je Verbrennungselement offenbart.

In EP 0 359 286 B1 wird ein Verfahren zur Reduzierung von Distickstoffoxid offenbart, das bei der katalytischen Verbrennung von Ammoniak und Sauerstoff zu Stickstoffoxiden gebildet und daraufhin in einer Wärmerückgewinnungseinheit abgekühit und in Wasser und/oder verdünnter Salpetersäure absorbiert wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass den warmen Verbren- nungsgasen eine Retentionszeit von 0,1 bis 3 Sekunden gegeben wird, bevor sie abgekühlt werden. Hierdurch ist es möglich, das gebildete N20 bis zu 90 % wieder zu zersetzen.

In EP 0 611 041 B1 ist ein Verfahren zur Abschwächung der N2O-Emissionen während der In- betriebnahmephase einer Ammoniakoxidationsreaktion offenbart, unter Verwendung eines Ka- talysatornetzes auf Platinbasis und unter Einbeziehung eines Platinauffangnetzes, das Fasern einer Palladiumlegierung umfasst, wobei die Palladiumlegierung 0,1 bis 5 Gewichts-% Kobalt enthält.

In DE 198 05 202 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Salpetersäure beschrieben, bei dem Ammoniak an mindestens einem Katalysatornetz, insbesondere Platinnetz, unter Zufuhr von Sauerstoff verbrannt wird und die Reaktionsgase gekühlt werden, wobei die Reaktionsgase stromab des Katalysatornetzes vor der Kühlung über einen temperaturstabilen Katalysator für die Umwandlung des in den Reaktionsgasen enthaltenen N20 geführt werden.

Die oben aufgezeigten Verfahren weisen entweder unzureichende N20-Abbauraten oder aber einen apparativ sehr hohen Aufwand auf, der in wirtschaftlicher Hinsicht als nachteilig anzuse- hen ist.

Es ergibt sich daher das Problem, mit Hilfe eines neuartigen Verfahrens und einer neuartigen Vorrichtung zur Reduzierung von Distickstoffoxid, die oben genannten Nachteile zumindest teil- weise zu beseitigen, insbesondere ein effizientes und vom apparativen Aufwand her kosten- günstiges Verfahren und eine entsprechende Apparatur bereitzustellen.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 und durch eine Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7 sowie durch eine Verwendung nach Anspruch 11 ge- löst.

Sowohl beim erfindungsgemäßen Verfahren als auch bei der entsprechenden erfindungsgemä- ßen Vorrichtung wird Ammoniak mit Sauerstoff vermischt und bei einer Temperatur von ca.

860 °C durch Vorbeileiten an einem ersten Katalysatornetz, das ein Platinrhodiumnetz mit typi- scherweise 5,0 bis 10,0 Gewichts-% Rhodium ist, und durch Vorbeileiten an einem zweiten Katalysatornetz verbrannt, wobei dieses zweite ein Palladiumrhodiumnetz mit mindestens 92 Gewichts-% (oder mehr) Palladium, 2 bis 4 Gewichts-% Rhodium, Rest Platin oder alternativ mit 82 bis 83 Gewichts-% Palladium, 2,5 bis 3,5 Gewichts-% Rhodium, Rest Platin ist, und dabei eine hocheffiziente Reduzierung des Distickstoffoxidanteils bewerkstelligt. Als Netz wird ein gasdurchlässiges Gebilde bezeichnet, das im wesentlichen metallisch ist und beispielsweise durch Wirken, Stricken, Weben oder Vlieslegen hergestellt wird.

Überraschenderweise konnte gezeigt werden, dass durch die gleichzeitige Verwendung der beiden erfindungsgemäßen Katalysatornetze, die gebildete N20-Menge von vornherein erheb- lich reduziert werden konnte, wobei gleichzeitig eine hocheffiziente NO-Erzeugung stattfand.

Zunächst ist es vorteilhaft, dass das Palladiumrhodiumnetz einen Rhodiumgehalt von 2,5 bis 3 Gewichts-% und einen Palladiumgehalt von 82,5 Gewichts-% aufweist, da hiermit eine beson- ders niedrige N20-Bildung erreicht werden kann.

Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das Palladiumrhodiumnetz vom Platinrhodiumnetz mittels min- destens eines dritten Netzes beabstandet wird, um auf diese Art und Weise eine Verschwei- flung der unterschiedlichen Netztypen zu vermeiden, wobei als Material für das dritte Netz hit- zebeständiger Stahl (FeCrAI-Legierung z. B. Megapyr oder Kanthal) sich bewährt hat.

Schliesslich kann es vorteilhaft sein, dass das Palladiumrhodiumnetz mindestens ein weiteres Metall aus der Gruppe Iridium, Ruthenium, Rhenium, Cobalt, Nickel, Kupfer, Gold enthält, um die mechanische Stabilität-bei gleichbleibender katalytischer Funktion-der Palladiumrhodi- umkatalysatornetze zu erhöhen.

Die nachfolgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung : 1. Versuche im Testreaktor : Anlagendaten : Reaktor : Testreaktor mit effektivem Durchmesser von 100 mm Reaktordruck : 5 bar Belastung : 10 tN/m2Tag Temperatur : 865°C Laufzeit : 20 Tage Beispiel 1 (Standardsystem) : PtRh8 Netze + PdNi5 Netze Umsetzungsselektivität von Ammoniak zu Stickoxyd : 95.5-96% N20-Ausstoß : 1000-1200 ppm Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel) : PtRh8 Netze + PdRh1. 5 Netze Umsetzungsselektivität von Ammoniak zu Stickoxyd : 95.5-96% N20-Ausstoß : 1000-1200 ppm Beispiel 3 (Vergleichsbeispiel) : PtRh8 Netze + PdRh5 Netze Umsetzungsselektivität von Ammoniak zu Stickoxyd : 94,5-95% N2O-Ausstoß : 900-1200 ppm Beispiel 4 (Erfindung) : PtRh8 Netze + PdRh3 Netze Umsetzungsselektivität von Ammoniak zu Stickoxyd : 95.5-96% N2O-Ausstoß : 300-500 ppm Bemerkung : Pd-Netze nach Einsatz mechanisch sehr schwach : Risse vorhanden Beispiel 5 (Erfindung) : PtRh8 Netze + PdRh3Pt5 Netze Umsetzungsselektivität von Ammoniak zu Stickoxyd : 95.5-96% N20-Ausstoß : 300-500 ppm Bemerkung : Pd-Netze nach Einsatz mechanisch schwach aber keine Risse vorhanden Beispiel 6 (Erfindung) : PtRh8 Netze + PdRh3Pt15 Netze Umsetzungsselektivität von Ammoniak zu Stickoxyd : 95.5-96% N2O-Ausstoß : 300-500 ppm Bemerkung : Pd-Netze nach Einsatz mechanisch stabil und keine Risse vorhanden.

2.1. Versuche im Industriereaktor : Anlagendaten : Reaktor : Industrieanlage mit zwei parallelen Reaktoren Reaktordruck : 4.8 Belastung : 11.2 tN/m2Tag Temperatur : 880°C Laufzeit : 180 Tage Reaktor 1 (Standardsystem) : PtRh5 Netze + PdNi5 Netze Umsetzung von Ammoniak in Stickoxyd : 95 % N20-Ausstoß : 1500 ppm Reaktor 2 (Erfindung) : PtRh5 Netze + PdPt15Rh2, 5 Netze Umsetzung von Ammoniak in Stickoxyd : 95 % N20-Ausstoß : 1000 ppm 2.2. Versuche im Industriereaktor : Anlagendaten : Reaktor : Industriereaktor Reaktordruck : 3.5 bar Belastung : 5.85 tN/m2Tag Temperatur : 860°C Laufzeit : 300 Tage Beispiel 1 (Standardsystem) PtRh5 Netze + PdNi5 Netze Umsetzung von Ammoniak in Stickoxyd : 94-96 % N2O-Ausstoß : 1200-1600 ppm Beispiel 2 (Erfindung) : PtRh5 Netze + PdPt15Rh3 Netze Umsetzung von Ammoniak in Stickoxyd : 94-96 % N2O-Ausstoß : 400-800 ppm.