一種低壓合成氨催化劑及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種工業(yè)化學(xué)合成氨的催化劑，具體的說(shuō)是一種低壓合成氨催化劑。
【背景技術(shù)】
[0002]合成氨是重要的化工原料，主要用來(lái)生產(chǎn)化肥、硝酸、銨鹽、純堿等。作為化學(xué)工業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，合成氨工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，與此同時(shí)合成氨也是一個(gè)大噸位、高能耗、低效益的產(chǎn)業(yè)。全球約有10%的能源用于合成氨生產(chǎn)，所以合成氨工藝和催化劑的改進(jìn)將對(duì)礦物燃料的消費(fèi)量產(chǎn)生巨大的影響。氨合成反應(yīng)是一個(gè)可逆放熱且氣體體積縮小的過(guò)程，從熱力學(xué)角度考慮，要達(dá)到或接近平衡轉(zhuǎn)化率，催化反應(yīng)應(yīng)該在較低的溫度和較高的壓力下進(jìn)行。然而溫度的降低會(huì)使反應(yīng)速率下降，壓力的提高又會(huì)使能耗大大增加。傳統(tǒng)的合成氨催化劑是由磁鐵礦和鐵為主要原料，添加少量不可還原氧化物作為促進(jìn)劑采用熔融法制備的。由于鐵催化劑起活溫度比較高，大型氨廠通常是在400°C?500°C和20.0MPa?30.0MPa條件下使用，在氨合成生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)設(shè)備的要求也比較苛刻，能耗巨大。
[0003]合成氨催化劑已經(jīng)經(jīng)歷了將近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷程，可以說(shuō)已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒?。雖然很多大型工廠仍然使用傳統(tǒng)的熔鐵催化劑，但是由于它的高溫高壓、活性不夠高等工藝及自身的不足，已成為節(jié)能降耗的制約因素。因而，合成氨工藝和催化劑的改進(jìn)將對(duì)降低能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生巨大的影響。開(kāi)發(fā)低溫高活性的新型催化劑，降低反應(yīng)溫度，提高氨的平衡轉(zhuǎn)化率和單程轉(zhuǎn)化率或?qū)崿F(xiàn)低壓合成氨，一直是合成氨工業(yè)的追逐目標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種低壓合成氨催化劑，該催化劑在低溫低壓條件下仍具有較高的催化活性，降低了合成氨過(guò)程中的能耗，節(jié)約原材料，提高催化效率，具有廣泛的應(yīng)用推廣價(jià)值。
[0005]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種低壓合成氨催化劑，其特征在于，其化學(xué)成分原子百分比含量如下:釹10-22%、鐵50-85%、鈷 1-18%、鎵 0.3-1%、鋯 0.01-0.2%、硼 1-11%。
[0006]優(yōu)選的，所述催化劑的化學(xué)成分原子百分比含量如下:釹12.5%、鐵65.4%、鈷15%、鎵 0.5%、鋯 0.1%、硼 6.5%ο
[0007]—種催化劑的制備方法，其特征在于，它包括以下步驟:
1)按照設(shè)定各組分的含量取各組分所需的原料加入中頻真空熔煉爐內(nèi)并混合；
2)將真空熔煉爐抽真空后加熱使其中的混合原料熔融，真空度<10 2Pa，待所有原料熔融至液態(tài)均勻化后，冷卻至室溫；
3)將冷卻后的熔塊經(jīng)破碎、球磨和篩分，即得粉末狀固體催化劑。
[0008]本發(fā)明催化劑中的金屬成分均來(lái)源于金屬單質(zhì)；所述硼的來(lái)源可以是硼單質(zhì)，也可以是硼鐵，使用硼鐵時(shí)其含量要保硼在產(chǎn)品中所占原子百分比，碳含量< 0.04%。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:本發(fā)明的催化劑在100°C _300°C和0.1MPa-lOMPa具有很強(qiáng)的催化效果，尤其在lOMPa，lOOOOh 1空速下，100 °C反應(yīng)條件下，出口氨濃度達(dá)到29.2%。與現(xiàn)有的工業(yè)氨合成鐵催化劑相比，具有低溫低壓高活性的特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。在合成氨的工藝過(guò)程中其在低溫低壓下可催化的原理可能是由于稀土元素釹與鐵和硼形成Nd- Fe-B金屬化合物，氫氣先是向Nd輸送電子，變成氫離子，然后氫離子進(jìn)入與Nd結(jié)合的金屬化合物體內(nèi)，釹吸收的電子促進(jìn)Fe向N:輸出電子，加速氮的活性吸附，使得氨氣離子在金屬化合物的濃度提高，降低了氫氣與氮?dú)夥磻?yīng)的結(jié)合能，從而降低了反應(yīng)時(shí)的溫度和壓強(qiáng)。另外，釹鐵硼的結(jié)構(gòu)提高了催化劑的活性，釹鐵硼的釹在其結(jié)構(gòu)中為氨氣的形成有結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，保留在界面，發(fā)揮其促進(jìn)活性的作用，保證催化劑具有更長(zhǎng)的使用壽命。本發(fā)明催化劑可以降低能耗，提高合成氨工業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。
【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0011]實(shí)施例1
一種低壓合成氨催化劑，其化學(xué)成分原子百分比含量為:釹12.5%、鐵65.4%、鈷15%、鎵 0.5%、鋯 0.1%、硼 6.5%ο
[0012]上述催化劑的制備方法如下:
1)按照上述各組分的含量取各組分所需的原料加入中頻真空熔煉爐內(nèi)并混合；
2)將真空熔煉爐抽真空后加熱使其中的混合原料熔融，真空度為0.006Pa，待所有原料熔融至液態(tài)均勻化后，冷卻至室溫；
3)將冷卻后的熔塊經(jīng)破碎、球磨和篩分，即得粉末狀固體催化劑。
[0013]本實(shí)施例的氨合成方法是:將本實(shí)施例所制的催化劑作為催化劑，使氫氣與氮?dú)庠诖呋瘎┥戏磻?yīng)而合成氨。本實(shí)施例制備的催化劑在壓力lOMPa、溫度100°C、空速lOOOOh1、氫氮比(V/V)為3:1，該催化劑的出口氨體積百分?jǐn)?shù)為29.2%。作為對(duì)比例，合成氨條件相同，催化劑采用常用A110-2型鐵系催化劑，出口氨體積百分?jǐn)?shù)為10.7%。經(jīng)過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，相同條件下本發(fā)明合成催化劑比傳統(tǒng)的A110-2催化劑出口氨體積百分?jǐn)?shù)提尚了 18.5%。
[0014]實(shí)施例2
一種低壓合成氨催化劑，其化學(xué)成分原子百分比含量為:釹22%、鐵50%、鈷18%、鎵0.3%、鋯 0.2%、硼 9.5%ο
[0015]上述催化劑的制備方法如下:
1)按照上述各組分的含量取各組分所需的原料加入中頻真空熔煉爐內(nèi)并混合；
2)將真空熔煉爐抽真空后加熱使其中的混合原料熔融，真空度為0.0OlPa，待所有原料熔融至液態(tài)均勻化后，冷卻至室溫；
3)將冷卻后的熔塊經(jīng)破碎、球磨和篩分，即得粉末狀固體催化劑。
[0016]本實(shí)施例的氨合成方法是:將本實(shí)施例所制的催化劑作為催化劑，使氫氣與氮?dú)庠诖呋瘎┥戏磻?yīng)而合成氨。本實(shí)施例制備的催化劑在壓力0.1MPa、溫度300°C、空速lOOOOh1、氫氮比(V/V)為3:1，該催化劑的出口氨體積百分?jǐn)?shù)為19.2%。作為對(duì)比例，合成氨條件相同，催化劑采用常用A110-2型鐵系催化劑，出口氨體積百分?jǐn)?shù)為7.2%。經(jīng)過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，相同條件下本發(fā)明合成催化劑比傳統(tǒng)的A110-2催化劑出口氨體積百分?jǐn)?shù)提尚了 12 % ο
[0017]實(shí)施例3
一種低壓合成氨催化劑，其化學(xué)成分原子百分比含量為:釹20%、鐵60%、鈷12%、鎵
0.8%、鋯0.1%、硼7.1%。上述催化劑的制備方法如下:
1)按照上述各組分的含量取各組分所需的原料加入中頻真空熔煉爐內(nèi)并混合；
2)將熔煉爐抽真空后加熱使其中的混合原料熔融，真空度為0.005Pa，待所有原料熔融至液態(tài)均勻化后，冷卻至室溫；
3)將冷卻后的熔塊經(jīng)破碎、球磨和篩分，即得粉末狀固體催化劑。
[0018]本實(shí)施例的氨合成方法是:將本實(shí)施例所制的催化劑作為催化劑，使氫氣與氮?dú)庠诖呋瘎┥戏磻?yīng)而合成氨。本實(shí)施例制備的催化劑在壓力8MPa、溫度200°C、空速lOOOOh1、氫氮比(V/V)為3:1，該催化劑的出口氨體積百分?jǐn)?shù)為23.2%。作為對(duì)比例，合成氨條件相同，催化劑采用常用A110-2型鐵系催化劑，出口氨體積百分?jǐn)?shù)為9.4%。經(jīng)過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，相同條件下本發(fā)明合成催化劑比傳統(tǒng)的A110-2催化劑出口氨體積百分?jǐn)?shù)提尚了 13.8 % ο
[0019]實(shí)施例4
一種低壓合成氨催化劑，其化學(xué)成分原子百分比含量為:釹18%、鐵68.9%、鈷1%、鎵1%、鋯 0.1%、硼 11%。
[0020]上述催化劑的制備方法如下:
1)按照上述各組分的含量取各組分所需的原料加入中頻真空熔煉爐內(nèi)并混合；
2)將熔煉爐抽真空后加熱使其中的混合原料熔融，真空度為0.007Pa，待所有原料熔融至液態(tài)均勻化后，冷卻至室溫；
3)將冷卻后的熔塊經(jīng)破碎、球磨和篩分，即得粉末狀固體催化劑。
[0021]本實(shí)施例的氨合成方法是:將本實(shí)施例所制的催化劑作為催化劑，使氫氣與氮?dú)庠诖呋瘎┥戏磻?yīng)而合成氨。本實(shí)施例制備的催化劑在壓力5MPa、溫度230°C、空速lOOOOh1、氫氮比(V/V)為3:1，該催化劑的出口氨體積百分?jǐn)?shù)為26.8%。作為對(duì)比例，合成氨條件相同，催化劑采用常用A110-2型鐵系催化劑，出口氨體積百分?jǐn)?shù)為11.5%。經(jīng)過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，相同條件下本發(fā)明合成催化劑比傳統(tǒng)的A110-2催化劑出口氨體積百分?jǐn)?shù)提尚了 15.3%。
[0022]實(shí)施例5
一種低壓合成氨催化劑，其化學(xué)成分原子百分比含量為:釹10%、鐵85%、鈷3%、鎵
0.9%、鋯0.01%、硼1%。上述催化劑的制備方法如下:
1)按照上述各組分的含量取各組分所需的原料加入中頻真空熔煉爐內(nèi)并混合；
2)將熔煉爐抽真空后加熱使其中的混合原料熔融，真空度為0.009Pa，待所有原料熔融至液態(tài)均勻化后，冷卻至室溫；
3)將冷卻后的熔塊經(jīng)破碎、球磨和篩分，即得粉末狀固體催化劑。
[0023]本實(shí)施例的氨合成方法是:將本實(shí)施例所制的催化劑作為催化劑，使氫氣與氮?dú)庠诖呋瘎┥戏磻?yīng)而合成氨。本實(shí)施例制備的催化劑在壓力IMPa、溫度280°C、空速lOOOOh1、氫氮比(V/V)為3:1，該催化劑的出口氨體積百分?jǐn)?shù)為22.4%。作為對(duì)比例，合成氨條件相同，催化劑采用常用A110-2型鐵系催化劑，出口氨體積百分?jǐn)?shù)為11.3%。經(jīng)過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，相同條件下本發(fā)明合成催化劑比傳統(tǒng)的A110-2催化劑出口氨體積百分?jǐn)?shù)提局了 11.1 % ο
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種低壓合成氨催化劑，其特征在于，其化學(xué)成分原子百分比含量如下:釹10-22%、鐵 50-85%、鈷 1-18%、鎵 0.3_1%、鋯 0.01-0.2%、硼 1_11%。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化劑，其特征在于，其化學(xué)成分原子百分比含量如下:釹12.5%、鐵 65.4%、鈷 15%、鎵 0.5%、鋯 0.1%、硼 6.5%。3.—種權(quán)利要求1或2所述的催化劑的制備方法，其特征在于，它包括以下步驟:O按照設(shè)定各組分的含量取各組分所需的原料加入中頻真空熔煉爐內(nèi)并混合； 2)將真空熔煉爐抽真空后加熱使其中的混合原料熔融，真空度<10 2Pa,待所有原料熔融至液態(tài)均勻化后，冷卻至室溫； 3)將冷卻后的熔塊經(jīng)破碎、球磨和篩分，即得粉末狀固體催化劑。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種低壓合成氨催化劑，其化學(xué)成分原子百分比含量如下：釹10-22%、鐵50-85%、鈷1-18%、鎵0.3-1%、鋯0.01-0.2%、硼1-11%。本發(fā)明的催化劑在100℃-300℃和0.1MPa-10MPa具有很強(qiáng)的催化效果，尤其在10MPa，10000h-1空速下，100℃反應(yīng)條件下，出口氨濃度達(dá)到29.2%。與現(xiàn)有的工業(yè)氨合成鐵催化劑相比，具有低溫低壓高活性的特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。
【IPC分類】B01J23/825
【公開(kāi)號(hào)】CN105289624
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510911469
【發(fā)明人】趙康軍
【申請(qǐng)人】趙康軍
【公開(kāi)日】2016年2月3日
【申請(qǐng)日】2015年12月11日