Катализатор конверсии SO2 в SO3

Изобретение относится К производству ванадиевь 1 х катализаторов конверсии 502 в 503. Катализаторы для данного процесса обычно содержат активный компонент - оксиды ванадия, щелочных металлов, серы, распределенные на поверхности носителя на основе 5102, и имеют определенную пористую структуру, являющуюся тем свойством катализатора, которое определяет его важнейшие эксплуатационные характеристики. Известен катализатор (патент ФРГ 1235274. Способ производства катализатора для окисления 502, в 503 на базе /205 - К 20 - 5102, 1962), для обеспечения высокой активности которого предлагается в каждом температурном интервале использовать носитель с пористой структурой, оптимальной для данного температурного интервала. Так, для температуры менее 400 С используется катализатор, у которого большая часть пористости создается порами с радиусом (г) 5050013 для г 400-440 с - катализатор с г 1000-3000 А, для г 440 с с г 5000131. 0 днако известное решение имеет существенный недостаток. Поскольку процесс окисления 502 является экзотермическим, то катализатор даже в пределах одного слоя работает в условиях изменяющихся температур, т.е. требуется использование набора катализаторов с узким диапазоном пор. Неудобством такого подхода является то, что в реальных условиях из-за невозможности точного расчета полей температур по высоте и объему слоя, катализатор с заданным узким диапазоном пор работает неэффективно, т.е. предпочтительней были бы катализаторы, работающие в широком температурном диапазоне.Необходимо отметить, что только в очень немногих работах выбор эффективного катализатора ведется по пористой структуре именно катализатора (например, патент США 5 108976, 1990). Преимущественно выбор ведется по пористой структуре носителя,используемого для синтеза катализатора, т.е. полупродукта.На первый взгляд такой подход кажется нелогичным, так как он информативен для производителя, но не для потребителя, которому удобней было бы пользоваться характеристиками товарного продукта. 0 днако при более глубоком рассмотрении логика такого подхода оказывается весьма обоснованной, так как при равной пористости готового катализатора (который представляет собой носитель, заполненный активным компонентом) структура самого носителя может очень сильно различаться. На фигуре представлен вид пор катализатора с меньшим (а) и большим (б) объемом пор носителя при равном объеме пор катализатора. При этом именно структура носителя отвечает за эксплуатационные свойства катализатора, так как выполняет две важнейшие функцииобеспечение развитой удельной поверхности катализаторастабилизацию активного компонента в расплавленном состоянии.Как известно, процесс каталитического окисления 502 в 503 протекает при расплав ленном состоянии активных компонентов, которое наступает при г 400 С. При этом нижний предел рабочего диапазона катализатора ограничен температурой кристаллизации активных компонентов. Весьма вероятно, что стабилизация расплава катализатора обеспечивается тонкими порами носителя, затрудняющими процессы кристаллизации и, таким образом, позволяющими повысить активность катализатора при низких температурах.Экспериментально влияние тонких пор носителя на активность катализатора при низких температурах показано в а.с. СССР 247919. В нем описан катализатор, имеющий суммарный объем пор - 0,5 см 3/г, синтезированный с использованием носителя с широким диапазоном радиусов пор от 100 до 30000151. 0 днако использование в данном случае понятия структура носителя весьма условно так же, как и для всех случаев получения катализатора методом смешения свежеосажденного гидрокремнегеля с активными компонентами,поскольку структуру гелеобразного носителя замерить невозможно, так как она не является твердой. Под термином структура носителя авторы понимали структуру твердого ксерогеля, полученного при высушивании пробы гидрокремнегеля до смешения с активными компонентами. При этом была найдена корреляция между этой косвенной характеристикой гидрокремнегеля и свойствами готового катализатора.Наиболее близким к предлагаемому является патент РФ 2134612, 1998. В нем описан катализатор, содержащий оксиды ванадия, щелочных металлов (К, На, КЬ, С 5), серы, на 2несеннь 1 е на носитель - Кремнезем, природный или синтетический, в следующем количестве, мас. У 2 О 5 - 5,512,0, К 2 О - 820, Ма 2 О - не более 4,5, С 52 О - не более 20, КЬ 2 О - не более 20, 503 - 1235, 5102 - остальное. При этом носитель содержит поры с радиусом от 37,5 до 65000151 в объеме от 0,35 до 0,95 см 3/см 3, а поры с радиусом 1800131 - 65000151 составляют 15-60 от объема пор в этом интервале, но не менее 0,10 смз/смз.Такой катализатор обладает высокой активностью в широком диапазоне температур, в том числе и при достаточно низких температурах (405 С). Это достигается за счет целесообразного химического состава, наличия пор с широким диапазоном радиусов и рационального соотношения пор в структуре носителя, что позволяет иметь достаточный объем как тонких, так и транспортных пор, обеспечивающих минимальное диффузионное торможение внутри зерен катализатора. Для характеристики пористости носителя авторы используют прием также достаточно условный, а именно измеряют пористость сформованного и высушенного катализатора, непрошедшего прокалку после удаления с него кислоторастворимого активного компонента. Это позволяет им более корректно, чем в а.с. СССР 247919, охарактеризовать носитель, так как учитывается изменение его структуры в процессе формовки, в значительной мере влияющей на структуру крупных пор (в структуре ксерогеля влияние формовки не отражено).Недостатком данного объекта, как и многих вышеперечисленных, является то, что стабильность качества катализатора в этом случае не гарантирована, так как по характеристике носителя можно надежно прогнозировать свойства товарного катализатора только при условии строгого воспроизведения параметров всех стадий его приготовления по описанию в патентах.Основанием для такого утверждения является работа одного из авторов данной заявки. В ней экспериментально было установлено, что степень снижения величины удельной поверхности носителя при термообработке под воздействием расплава активных компонентов может снижаться на величину от нескольких процентов до нескольких раз, в зависимости от параметров приготовления катализатора, в частности рН синтеза пульпы катализатора (Технология переработки сернистого газа Сборник Тр. УНИХИМ. - Свердловск, 1977. - С. 23).Авторы не исследовали пористость носителя прокаленного катализатора, но, как известно из литературы, снижение удельной поверхности происходит в результате именно укрупнения пористой структуры. Аналогичная зависимость была отмечена и другими авторами.Эти закономерности по литературным данным установлены для катализаторов, получаемых методом смешения носителя - кремнезема с растворами активных компонентов с последующей формовкой и термообработкой. Однако они распространяются и на способы получения катализаторов пропиткой растворами активных компонентов предварительно сформованных носителей. В меньшей степени трансформируется структура носителя, который проходит термообработку перед пропиткой (заявка ФРГ Не 4000609, 1990), и в значительно большей степени, когда термообработка проводится после пропитки сухого носителя, особенно в тех случаях, когда температура термообработки повышается до 1000 С (патенты ФРГ 3401676, 1984 4009327, 1990).Таким образом, в большинстве случаев при термообработке катализатора, как правило, происходит укрупнение его пористой структуры за счет спекания носителя - аморфного кремнезема.Техническая задача изобретения - улучшение эксплуатационных характеристик катализатора путем повышения стабильности качества.Техническая задача решается тем, что катализатор конверсии 502 в 503, содержащий оксиды ванадия, щелочного металла, выбранного из группы, включающей К, На, КЬ, С 5 и серы на кремнеземистом носителе, отличающийся тем, что он имеет носитель в виде каркаса, представляющего собой прокаленный катализатор после удаления с него кислоторастворимь 1 х активных компонентов, имеет следующую пористую структурудоля пор с радиусом более 100000151 составляет не более 50объем пор каркаса катализатора с радиусом от 100 до 100000151 составляет 0,30-0,93 смз/смз.При этом носитель в виде каркаса катализатора формируется из природного или синтетического кремнезема или их комбинации.В предлагаемом решении выбрана реальная структура носителя в готовом катализаторе, т.е. структура окончательно сформированного носителя, претерпевшего все изменения в процессе приготовления катализатора и, главным образом, термообработку. Эта структура, с одной стороны, не зависит от предыстории получения катализатора, т.е. позволяет совершенно недвусмысленно делать выводы о его эксплуатационных свойствах, а, с другой стороны, соотношения пор именно этой структуры важны в рабочих условиях. Эта структура, т.е. каркас, представляет собой готовый катализатор после удаления из него кислоторастворимых активных компонентов. Поскольку при прокалке катализатора возникает по сути новая структура носителя (т.е. каркас), она имеет существенные отличия от носителя по прототипу.По сравнению с прототипом соблюдение указанных в формуле изобретения признаков позволяет улучшить эксплуатационные характеристики катализатора, гарантировать его качество независимо от технологии получения и, что не менее важно, возможных в практике нарушений норм технологического режима.При уменьшении объема этих пор в указанном интервале менее 0,30 см 3/см 3 снижается активность катализатора во всем диапазоне температур. При повышении объема пор свыше 0,93 смз/смз снижается прочность катализатора.Рациональная величина доли пор каркаса, отвечающих за диффузионное торможение при транспортировке реагентов и имеющих радиус от 1000 до 10000131, составляет от 5 до 70 . При этом при значениях менее 5 лимитирующее влияние диффузионного фактора приводит к снижению активности катализатора, особенно при низких температурах. При значениях более 70 условия транспорта реагентов благоприятны, однако оказывается недостаточно развитой поверхность каркаса катализатора, что опять приводит к снижению его активности. Доля крупных пор не должна превышать 50 , так как в противном случае уменьшается прочность катализатора.Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемое решение конкретизирует рациональную пористую структуру вещества при известном его качественном составе, т.е. дает частное решение при известности общего. При этом заявляемая структура катализатора по сравнению с прототипом позволяет получить положительный эффект улучшения эксплуатационных свойств, стабильность качества катализатора, достижение которого не вытекает из раскрытия содержания общего решения. Из литературных данных в целом известно влияние некоторых характеристик пористой структуры (в основном на примере непрокаленного носителя или товарного катализатора) на его прочность и активность. Однако конкретное соотношение пор, рациональное для структуры каркаса катализатора, не претерпевающей дальнейших превращений и характеризующей катализатор независимо от метода получения, в литературе не описано.Вышеуказанные закономерности и преимущества предлагаемого катализатора проиллюстрированы в таблице. За относительную активность в стандартных условиях принимаем отношение активности катализатора по каждому текущему примеру к активности катализатора по прототипу (пример Мг 3 прототипа), так как он имеет оптимальную пористую структуру носителя до прокалки (середина интервалов значений). Аналогично за относительную механическую прочность принимаем прочность катализатора по каждому текущему примеру по отношению к прочности катализатора, приготовленного по прототипу (пример Не 3 прототипа).Пример Ля 3 прототипа в данном описании соответствует примеру ММ (см. таблицу).Объем Объем тельная рН Механи- пульпы Т Доля пор с Ческая Катали- 241 Вре г 1000 г 10000 Прочность, затора р ур мя, о час- ПОрИСТОСТЬ непрокаленного катализатора ПОСЛЕ удаления ИЗ НЕГО КИСЛОТОРЗСТВОРИМОГО активного КОМПОНСНТа. м- ПОрИСТОСТЬ Прокаленного катализатора ПОСЛЕ удаления ИЗ НЕГО КИСЛОТОРЗСТВОРИМОГО активного КОМПОНСНТа.