DE1135430B - Verfahren zur selektiven Reduktion von Oxyden des Stickstoffs in Abgasgemischen, diebei der Herstellung von Salpetersaeure aus Ammoniak anfallen - Google Patents
Verfahren zur selektiven Reduktion von Oxyden des Stickstoffs in Abgasgemischen, diebei der Herstellung von Salpetersaeure aus Ammoniak anfallenInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
E 21208 IVa/12 i
BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 30. AUGUST 1962
Im Patent 1088 938 wird ein Verfahren zur Entfernung
von Oxyden des Stickstoffs aus Abgasen, die bei der Herstellung von Salpetersäure durch Oxydation
von Ammoniak anfallen, beschrieben. Nach diesem Verfahren bringt man ein Gemisch der Abgase
mit einem gasförmigen, kohlenstoffhaltigen Brennstoff bei Reaktionstemperatur mit einem
Palladium- und/oder Rhodium-Katalysator in Kontakt.
Manchmal kann es wünschenswert sein, die Entfernung der Oxyde des Stickstoffes von Ab- oder Restgasen
selektiv, d. h. ohne beträchtlichen Verbrauch des in den Gasen anwesenden Sauerstoffes, durchzuführen.
Wenn dabei die Wärmeentwicklung verringert wird, kann man die Behandlung sogar einstufig
durchführen, ohne das Katalysatorgut zu verschlechtern.
Es wurde nun gefunden, daß man Oxyde des Stickstoffs in Abgasgemischen, die bei der Herstellung von
Salpetersäure aus Ammoniak anfallen, selektiv reduzieren kann, wenn man das Gasgemisch bei Reaktionstemperatur
zusammen mit einer zur vollständigen Umsetzung mit den Oxyden des Stickstoffs mindestens
ausreichenden Menge Ammoniak mit einem Katalysator in Berührung bringt, der ein Metall der
Platingruppe enthält.
Zu den Gasen, die erfindungsgemäß aufgearbeitet werden können, gehören z. B. solche mit einem Gehalt
an 0 bis 22 Volumprozent Sauerstoff, 0 bis 2 Volumprozent Stickstoffoxyd und 0 bis 2 Volumprozent
Stickstoffdioxyd, Rest ein inertes Gas, wie Stickstoff, Argon, Helium u. dgl. Vorzugsweise beträgt
die Gaszusammensetzung 0 bis 7 Volumprozent Sauerstoff zuzüglich 0 bis 1 Volumprozent Stickstoffoxyd,
Rest ein inertes Gas. Das Gasgemisch kann auch Wasserdampf in Mengen bis zu etwa 8 Volumprozent
enthalten.
Das als Brennstoff dienende Ammoniak kann dem zu behandelnden Gasgemisch in Anteilen zugesetzt
werden, die im Bereich der stöchiometrisch zur Um-Setzung mit dem Stickstoffoxyd erforderlichen Menge
bis zum Zehn- oder Mehrfachen derselben liegen, vorzugsweise weniger als das Zweifache derselben betragen.
Die Katalysatoren können einzeln oder in Mischungen miteinander, vorzugsweise auf Trägern,
verwendet werden. Bevorzugt werden Platin, Palladium, Rhodium oder Ruthenium verwendet. Der bevorzugte
Träger ist aktiviertes Aluminiumoxyd.
Verfahren zur selektiven Reduktion von
Oxyden des Stickstoffs in Abgasgemischen, die bei der Herstellung von Salpetersäure
aus Ammoniak anfallen
Anmelder:
Engelhard Industries, Inc., Newark, N. J. (V. St. A.)
Vertreter: Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt, München 27, Pienzenauer Str. 28
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 5. April und 5. November 1957 (Nr. 650 862 und Nr. 694 502)
Holger C. Andersen, Morristown, N. J., William J. Green, Newark, N. J.,
Johann G. E. Cohn, West Orange, N.J.,
und Duane R. Steele, Newark, N. J. (V. St. Α.), sind als Erfinder genannt worden
30 000 Raumteilen Gas/Raumteil Katalysator/Stunde, über den Katalysator geleitet.
Die Reaktionstemperatur kann beispielsweise im Bereich von etwa 150 bis 400° C, vorzugsweise etwa
160 bis 300° C, und der Druck im Bereich von Atmosphärendruck bis etwa 11 atü oder darüber
liegen.
Das neue Verfahren ist dort vorteilhaft, wo man eine Umsetzung des Sauerstoffs, die wegen der
starken Wärmeerzeugung die Installierung einer kostspieligen Wärmegewinnungsanlage erfordert,
vermeiden will.
In der folgenden Tabelle ist eine Reihe von Versuchen zusammengefaßt, die mit Ausnahme von
Das Gemisch aus dem zu behandelnden Gas und 50 Änderungen des verwendeten Brennstoffes in iden-Ammoniakbrennstoff
wird bei Durchsätzen von etwa tischer Weise durchgeführt wurden. In jedem Falle 3000 bis 100 000, vorzugsweise etwa 3000 bis wird ein Gasgemisch aus ungefähr 3 Volumprozent
209 636/340
Sauerstoff, 0,3 Volumprozent Stickstoffoxyd, Rest Stickstoff verwendet. Man setzt den zu bewertenden
Brennstoff diesem Gasstrom zu und leitet das Gemisch bei den in der Tabelle angegebenen Temperaturen
und verschiedenen Durchsätzen durch eine Katalysatorschüttung. Als Katalysator werden bei der
gesamten Versuchsreihe zylindrische 3,175-mm-Pellets
aus 0,5% Palladium auf aktiviertem Alurniniumoxyd verwendet.
Es werden folgende Ergebnisse erhalten:
Entfernung von Stickstoffoxyd aus sauerstoffhaltigem Gas
5 Gaszusammensetzung 2,9 bis 3,2% O2, 0,27 bis
0,36% NO, Rest N2
Katalysator 3,175-mm-Pellets aus 0,5%
Pd auf aktiviertem Aluminiumoxyd
| Brennstoffmenge | Durchsatz | Katalysator | NO | Bemerkungen | |
| Brennstoff | % | Raumteile Gas/Raumteil | temperatur | im gereinigten Gut | |
| 2,19 | Katalysator/Stunde | CC | »/ο | ||
| Methan | 2,19 | 16000 | 210 | 0,39 | |
| 2,19 | 16000 | 270 | 0,34 | Sauerstoff reagiert | |
| 1,5 | 16000 | 335 | 0,060 | ||
| Kohlenmonoxyd | 1,5 | 17000 | 130 | 0,242 | |
| 1,5 | 17000 | 157 | 0,286 | ||
| 1,5 | 17000 | 197 | 0,269 | CO und O2 | |
| 1,0 | 17000 | 238 | 0,309 | reagieren | |
| Ammoniak | 1,0 | 17000 | 160 | 0,206 | |
| 1,01 | 17000 | 204 | 0,0182 | ||
| 0,99 | 17000 | 201 | 0,0131 | ||
| 0,48 | 17000 | 211 | 0,0221 | ||
| 0,48 | 17000 | 202 | 0,0146 | ||
| 17000 | 211 | 0,0175 | |||
Menge, die zur Umsetzung mit den ursprünglich in dem Gas enthaltenen Sauerstoff und Stickstoffoxyd
erforderlich ist.
Diese Werte zeigen, daß keine ideale oder vollstän-
Wie diese Werte zeigen, wird bei Verwendung von tion in vielen Fällen annehmbar. Durch Änderung der
Methan als Brennstoff bei Temperaturen von 210 Arbeitsbedingungen kann man die Stickstoffoxydkonoder
270° C im wesentlichen kein Stickstoffoxyd ent- zentration auf noch viel niedrigere Werte senken. In
fernt (bestimmt durch chemische Analyse des Be- den letzten beiden Versuchen der Tabelle entspricht
handlungsgutes nach Passieren der Katalysatorschüt- 35 die verwendete Ammoniakmenge nur etwa 12%>
der tung). Bei einer Temperatur von 335° C wird das
Stickstoffoxyd in beträchtlichem Umfang entfernt,
aber es zeigt sich, daß der Brennstoff auch mit dem
Sauerstoff reagiert.
Stickstoffoxyd in beträchtlichem Umfang entfernt,
aber es zeigt sich, daß der Brennstoff auch mit dem
Sauerstoff reagiert.
In den oben zusammengefaßten Versuchen wird 40 dige Selektivität, sondern eher eine »praktische«
zwar ein Methanüberschuß verwendet, aber bei ande- Selektivität erzielt wird. Es ist zweifelhaft, ob eine
ren, ähnlich gearteten, unter Verwendung des vollständige Selektivität, d. h. eine vollständige Reak-Methans
in einer unterstöchiometrischen Menge tion von A mit B, ohne daß dabei in einem alle drei
durchgeführten Versuchen werden die gleichen all- Bestandteile im Gemisch enthaltenden System irgendgemeinen
Ergebnisse erhalten, d. h., bei Tempera- 45 eine Reaktion von A mit C erfolgt, überhaupt mögturen
unterhalb der Werte, bei welchen die Brennstoff-Sauerstoff-Umsetzung auftritt, wird im wesentlichen
kein Stickstoffoxyd entfernt.
Bei Verwendung von Kohlenmonoxyd als Brennstoff ist nur eine geringe oder keine Stickstoffoxydentfernung
festzustellen, wenn die verwendete Kohlenmonoxydmenge bei Temperaturen im Bereich von
bis 197° C ein Viertel der stöchiometrisch vom Sauerstoff geforderten Menge beträgt. Wenn man die
lieh ist.
Es wird angenommen, daß bei dem neuen Verfahren die Reaktionen nach folgendem Schema ablaufen:
4NH3+ 3 O2 = 2N2+ 6H2O
2 NH3 + 3NO =
5/2N2+ 3H2O
(D
(2)
Für eine ideale Selektivität bei einem Gutstrom, der 0,3 Volumprozent NO enthält, wäre nach der
h i dß i 0 l
Temperatur leicht erhöht, so tritt ein »Durchgehen« 55 obigen Gleichung (2) erforderlich, daß mit 0,2 Volumder
CO—O2-Reaktion unter Temperaturanstieg auf prozent Ammoniak das NO vollständig entfernt oder
238° C auf, aber das abströmende Gut besitzt noch
einen sehr hohen Stickstoffoxydgahalt.
einen sehr hohen Stickstoffoxydgahalt.
Die bei Verwendung von Ammoniak als Brenn
aber bei Verwendung von mehr als 0,2 Volumprozent Ammoniak der Überschuß die Schüttung in nicht
umgesetztem Zustand passieren würde. Es ist wahrstoff oder Reduktionsmittel erhaltenen Ergebnisse 60 scheinlich, daß in Wirklichkeit das überschüssige
weichen von den mit den anderen Brennstoffen er- Ammoniak zumindest zum Teil nach der obigen
zielten Ergebnissen recht stark ab. Bei einer Katalysatortemperatur von 160° C wird etwa ein Drittel
des Stickstoffoxydes entfernt, aber im Temperaturbereich von 201 bis 211° C wird der Stickstoff oxyd- 65 für eine stöehiometrische Umsetzung mit dem Stickgehalt des Gutstromes aufwerte von 131 bis 221 Teile stoff oxyd erforderliche Menge, aber weit kleiner als je Million Teile verringert. Denkt man an die Vermei- die für die Umsetzung mit dem Sauerstoff erforderdung einer Vergiftung der Luft, so ist diese Konzentra- liehe Menge sind. Entfernungsgrade des Stickstoff-
des Stickstoffoxydes entfernt, aber im Temperaturbereich von 201 bis 211° C wird der Stickstoff oxyd- 65 für eine stöehiometrische Umsetzung mit dem Stickgehalt des Gutstromes aufwerte von 131 bis 221 Teile stoff oxyd erforderliche Menge, aber weit kleiner als je Million Teile verringert. Denkt man an die Vermei- die für die Umsetzung mit dem Sauerstoff erforderdung einer Vergiftung der Luft, so ist diese Konzentra- liehe Menge sind. Entfernungsgrade des Stickstoff-
Gleichung (1) reagiert. In jedem Fall wird eine praktische Selektivität insofern erzielt, als durch Zusatz
des Ammoniaks in Anteilen, die etwas größer als die
oxydes in der Größenordnung von 90'% oder mehr erhalten werden.
Ein Gasgemisch aus 6,21 Volumprozent Sauerstoff, 0,266 Volumprozent Stickstoffoxyd, 0,98 Volumprozent
Ammoniak und 92,5 Volumprozent Stickstoff wird mit einer Geschwindigkeit von 50,8 l/Stunde (gemessen
bei Atmosphärendruck und ungefähr 21° C) bei einer Temperatur von 214° C durch ein Glasgefäß
geleitet, das 2,5 g 3,175 mm-Pellets aus 0,51Vo
Palladium auf aktiviertem Aluminiumoxyd enthält. Eine auf der Abstromseite der Katalysatorschüttung
genommene Gasprobe ergibt 0,0274 Volumprozent Stickstoffoxyd, was einer etwa 90°/»igen Entfernung
des Stickstoffoxydes entspricht.
IO 10 000 Raumteilen Gas/Raumteil Katalysator/Stunde,
einem leicht über Atmosphärendruck liegenden Druck und einer Einlaßtemperatur von 217° C werden
93,4'Vo des Stickstoffdioxydes aus dem Gasstrom entfernt.
Ein Platinkatalysator wird bei Atmosphärendruck auf sein Vermögen geprüft, aus einem Gemisch von
3,1 bis 3,2 Volumprozent Sauerstoff und 0,33 bis 0,34 Volumprozent Stickstoffoxyd mit Stickstoff NO
zu entfernen. Das Ammoniak wird in einer Konzentration von 0,6 bzw. 1,2 Volumprozent zugesetzt.
Unter Verwendung von 9 g 3,175-mm-Pellets aus
0,5 V» Pt auf aktiviertem Aluminiumoxyd als Katalysator wird bei einem Durchsatz von 10 000 Raumteilen
Gas/Raumteil Katalysator/Stunde und Einlaßtemperaturen von 170 bis 209° C eine NO-Entfernung
zwischen 97,1 und 99,9°/» erhalten, wobei diese
Ein Gas aus 3,17 Volumprozent Stickstoff,
0,27 Volumprozent Stickstoffoxyd und 0,99 Volum- 20 Schwankung hauptsächlich auf Versuchsfehlern beprozent Ammoniak, Rest Stickstoff, wird mit einer ruht.
0,27 Volumprozent Stickstoffoxyd und 0,99 Volum- 20 Schwankung hauptsächlich auf Versuchsfehlern beprozent Ammoniak, Rest Stickstoff, wird mit einer ruht.
Geschwindigkeit von 50,6 l/Stunde über 5g des im Beispiel 8
Beispiel 2 beschriebenen Katalysators geleitet. Die
Katalysatortemperatur beträgt 206° C. Eine auf der Es wird ein Gasgemisch aus Stickstoff, 3 Volum-
Abstromseite der Katalysatorschüttung genommene 25 prozent Sauerstoff, 0,66 Volumprozent Dampf und
Gasprobe ergibt einen Stickstoffoxydgehalt von etwa 0,0030 Volumprozent, was eine Entfernung von fast
99'0Zo des im Ausgangsgut enthaltenen Stickstoffoxydes anzeigt.
Ein Gas mit einem Gehalt an 2,88 Volumprozent Sauerstoff, 0,276 Volumprozent Stickstoffoxyd und
0,48 Volumprozent Ammoniak wird mit einer Geschwindigkeit von 103 l/Stunde durch 5 g eines Katalysators
aus 0,5'% Palladium auf 3,175-mm-Pellets aus aktiviertem Aluminiumoxyd geleitet, was einem
Durchsatz von 17 000 Raumteilen Gas/Raumteil Katalysator/Stunde entspricht. Bei einer Katalysatortemperatur
von 226° C beträgt der Stickstoffoxydgehalt des gereinigten Gutes auf der Abstromseite der
Katalysatorschüttung 0,0319 0Zo.
Es wird ein Gasgemisch hergestellt, indem man zu Stickstoff 3 Volumprozent Sauerstoff und
0,240 Volumprozent Stickstoffoxyd zufügt und Ammoniak bis auf ein Molverhältnis von NH3 zu
NO von 1,18 zusetzt. Das Gasgemisch wird bei einem Durchsatz von 86 000 Raumteilen Gas/Raumteil
Katalysator/Stunde über 33 g 3,175-mm-Pellets aus 0,5'0ZoPd auf aktiviertem Aluminiumoxyd geleitet,
wobei der Druck 4,2 atü, die Gaseinlaßtemperatur 260° C und die Temperatur des abströmenden Gases
250° C beträgt. Unter diesen Bedingungen wird das NO in einer Menge von 83,3'0Zo entfernt. In einem
anderen Versuch, der unter sonst gleichen Bedingungen, jedoch Erhöhung der Einlaßtemperatur
auf 301° C durchgeführt wird, beträgt die NO-Entfernung 91,60Zo.
Man stellt ein Gasgemisch aus 3,2 Volumprozent Sauerstoff, 0,22 Volumprozent Stickstoffdioxyd, Rest
Stickstoff, her und setzt Ammoniak in einer Konzentration von 1,2% zu. Bei Verwendung von 9 g
3,175-mm-Pellets aus 0,5'0ZoPd auf aktiviertem Aluminiumoxyd
als Katalysator, einem Durchsatz von 0,3 Volumprozent Stickstoffoxyd hergestellt und nach
Zusatz verschiedener Anteile an Ammoniak, bei einem Durchsatz von 10 000 Raumteilen GasZRaumteil
Katalysator/Stunde, einem Druck von 7,0 atü und Einlaßtemperaturen zwischen 164 und 180° C über
369 g 3,175-mm-Pellets aus 0,5'0ZoPt auf aktiviertem
Aluminiumoxyd geleitet. Bei einem Ammoniakzusatz von 0,3 Volumprozent enthält das abströmende Gas
0,00470ZoNO, bei einem Ammoniakzusatz von
0,41 Volumprozent 0,0021'% NO und bei einem Ammoniakzusatz von 0,0870Zo (430Zo der stöchiometrisch
erforderlichen Ammoniakmenge) 0,15 Vo N O.
4« Es wird ein Gasgemisch aus Stickstoff, 2,9 bis 3,0 Volumprozent Sauerstoff und 0,22 Volumprozent
Stickstoffdioxyd hergestellt. Dem Gemisch werden 1,2'0Zo Ammoniak zugesetzt. Die Prüfung erfolgt bei
Atmosphärendruck. Unter Verwendung von 9 g 3,175-mm-Pellets aus 0,50Zo Pt auf aktiviertem Aluminiumoxyd
als Katalysator wird bei einem Durchsatz von 10 000 Raumteilen Gas/Raumteil Katalysator/Stunde
und Einlaßtemperaturen zwischen 166 und 237° C eine Stickstoffdioxydentfernung zwischen
92,6 und 99,30Zo erhalten, und zwar der Höchstwert bei einer Einlaßtemperatur von 196° C.
Es wird ein Gasgemisch hergestellt, das aus Stickstoff, 5 Volumprozent Sauerstoff, 0,24 Volumprozent
Stickstoffdioxyd, 0,560Zo Stickstoffoxyd, 12 Volumprozent
Stickoxydul und 1,2 Volumprozent Ammoniak besteht. Bei Verwendung von 9 g 3,175-mm-Pellets
aus 0,50ZoPt auf aktiviertem Aluminiumoxyd
als Katalysator beträgt bei einem Durchsatz von 10 000 Raumteilen Gas/Raumteil KatalysatorZStunde,
Atmosphärendruck und Einlaßtemperaturen von 149 bis 162° C die Gesamtrestkonzentration an NO und
NO2 in dem abströmenden Gut von 6 bis 14 Raumteile/Million.
Wenn man den Durchsatz auf 20 000 Raumteile Gas/Raumteil Katalysator/Stunde
erhöht, so nimmt die NO- und N O2-Konzentration in
dem abströmenden Gut auf 0,01420Zo zu, und bei
55
60
Verringerung der Ammoniakkonzentration auf 0,8 % wird die NO- und N O2-Konzentration in dem abströmenden
Gut auf 0,04414Vo erhöht.
Claims (4)
1. Verfahren zur selektiven Reduktion von Oxyden des Stickstoffs in Abgasgemischen, die
bei der Herstellung von Salpetersäure aus Ammoniak anfallen, dadurch gekennzeichnet, daß man
das Gasgemisch bei Reaktionstemperatur zusammen mit einer zur vollständigen Umsetzung mit
den Oxyden des Stickstoffs mindestens ausreichenden Menge Ammoniak mit einem Katalysator
in Berührung bringt, der ein Metall der Platingruppe enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Katalysator Palladium,
Rhodium, Ruthenium oder Platin verwendet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man bei einem Durchsatz im
Bereich von etwa 3000 bis 100 000 Raumteilen Gas/Raumteil Katalysator/Stunde arbeitet.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gas mit dem Katalysator
bei einer Temperatur von 150 bis 400° C in Kontakt bringt.
© 209 638/340 8.62
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