способ получения металловолокнистого катализатора на основе никеля

Формула изобретения

Способ получения металловолокнистого катализатора на основе никеля, включающий плавление сплава и погружение в него вращающегося охлаждаемого диска для экстракции его кромками волокон затвердевшего металла, отличающийся тем, что в сплав предварительно вводят алюминий в количестве 0,5-20 мас. %, а полученные волокна подвергают выщелачиванию на глубину 0,01-0,1 d_экв, где d_экв - эквивалентный диаметр волокна.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к каталитической химии, в частности к способу получения металловолокнистого катализатора на основе никеля. Катализатор, получаемый в результате использования предлагаемого изобретения, может быть использован в химической, пищевой и лакокрасочной областях промышленности, как в жидкофазных, так и газофазных каталитических процессах.

Известен способ получения катализатора на основе никеля, так называемого катализатора "никеля Ренея" (см. Дж. Андерсон. Структура металлических катализаторов. М.: Мир, 1978, с. 238-240, 456-457). Известный катализатор получают в форме пористого порошка или скелетной гранулированной структуры. Известный способ получения катализатора на основе никеля включает следующие операции: в расплав алюминия вводят никель и медленно охлаждают; охлажденный сплав измельчают в порошок размолом или распыляют и затем обрабатывают раствором щелочи. После выщелачивания алюминия удельная поверхность катализатора составляет 50-130 м²/г. Недостатками известного катализатора являются:

- его высокая пирофорность;

- неоднородность по размерам частиц;

- необходимость использования его в каталитическом процессе в диспергированном состоянии, что требует введения в технологическую схему дорогостоящих и энергоемких операций фильтрационного освобождения конечных продуктов от порошка катализатора;

- отработанный катализатор не подлежит регенерации и характеризуется значительными трудностями при его утилизации.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ получения металловолокнистого катализатора на основе никеля, включающий плавление сплава, погружение в него вращающегося охлаждаемого диска и получение металловолокона путем экстракции затвердевшего на кромках диска тонкого слоя металла (метод высокоскоростного затвердевания расплава - ВЗР) (см. В.А. Васильев и др. Высокоскоростное затвердевание расплава. Теория, технология и материалы. М.: СП ИНТЕРМЕТ ИНЖИНИРИНГ, 1998, с.369-371). Режимы процесса получения: скорость вращения диска 1000 об/мин, перегрев расплава над температурой плавления 250 К. Процесс осуществляется в среде аргона. В известном способе получают частицы сплава игольчатой и чешуйчатой формы. При этих параметрах процесса формирования металлических частиц их толщина составляет 100-180 мкм. Недостатками полученного таким способом металловолокнистого катализатора на основе никеля являются низкая удельная поверхность на уровне 0,1-1 ²/г и узкая область применения катализатора.

Задачей изобретения является увеличение удельной поверхности металловолокна катализатора и, как следствие, увеличение удельной активности всего катализатора.

Сущность изобретения заключается в получении металловолокнистого катализатора на основе никеля путем плавления сплава и погружения в него вращающегося охлаждаемого диска для экстракции его кромками волокон затвердевшего металла, в котором согласно изобретению в сплав предварительно вводят алюминий в количестве 0,5-20 мас.%, а полученные волокна подвергают выщелачиванию на глубину (0,01-0,1)d_экв, где d_экв - эквивалентный диаметр волокна.

Введение в сплав алюминия позволяет удалять его в результате щелочной обработки с поверхности волокон. Щелочная обработка поверхности волокон дает увеличение удельной поверхности металловолокнистого катализатора и, как следствие, увеличение его удельной активности. Получающиеся в результате быстрозакристаллизованные волокна могут непосредственно применяться в качестве металловолокнистых катализаторов в жидкофазных и газофазных каталитических процессах. Кроме того, катализаторы данного типа могут быть использованы для получения катализаторных блоков в реакторах с регулярной пространственной структурой.

Таким образом, использование этого метода позволяет получить быстрозакристаллизованный материал, который может непосредственно использоваться в качестве катализатора с высокой активностью за счет особых условий формирования структуры материалов при высокоскоростном затвердевании расплава и последующего выщелачивания, а также форма катализатора в виде волокон обеспечивает возможность получения катализаторных блоков для реакторов с регулярной пространственной структурой, что обеспечивает возможность исключения ряда недостатков, присущих катализаторам, полученным традиционными методами.

В результате применение катализаторов, полученных предлагаемым методом, вместо катализаторов, полученных по традиционным технологиям, позволяет повысить эффективность и долговечность работы каталитического реактора, а именно:

- значительно повысить компактность реакционной зоны каталитического реактора;

- исключить использование фильтров для улавливания мелкодисперсных частиц катализатора;

- обеспечить требуемую газопроницаемость катализатора;

- исключить влияние диффузионного торможения;

- исключить спекание катализатора;

- полностью использовать каталитическую массу.

ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Получение металловолокон на основе никеля.

Металлические волокна были получены методом экстракции висящей капли расплава (ЭВКР), являющимся разновидностью метода ВЗР. Сплавы на основе никеля, содержащие алюминий, плавили с образованием висящей капли расплава, которая соприкасалась с внешней кромкой диска-кристаллизатора, и затвердевший материал вытягивали из расплава в виде волокна. В данном примере осуществляли верхнюю подачу расплава к диску. В методе ЭВКР температура висящей капли расплава соответствует температуре плавления используемого материала. Волокно получали в вакууме с остаточным давлением в камере 5-10^-3 Па. При этом использовали медный диск-кристаллизатор, извлекающий волокно из расплава. В результате были получены тонкие однородные волокна, имеющие форму поперечного сечения, близкую к эллипсу. При этом каталитические волокна, полученные в указанных режимах реализации способа ЭВКР, состоят из микрокристаллической метастабильной фазы.

Операция выщелачивания алюминия из металловолокон.

Процесс выщелачивания алюминия из поверхностного слоя металловолокон осуществляли дозировано 3-4%-ным водным раствором КОН на заданные глубины выщелачивания, для чего в каждом конкретном случае подбирали свои режимы (концентрацию щелочи и время выщелачивания).

Определение каталитической активности образцов металловолокнистых катализаторов в жидкофазных каталитических реакциях.

Определение каталитической активности образцов металловолокнистых катализаторов в жидкофазных каталитических реакциях проводили на примере гидрирования нитробензола и динитротолуолов при атмосферном давлении и температуре 60^oС. Опыты проводили в стандартном стеклянном лабораторном реакторе. Результаты испытаний приведены в таблице.

В результате проведенных экспериментов установлено, что металловолокнистый катализатор на основе никеля с заданными характеристиками получается только при содержании алюминия в указанных пределах, а именно 0,5-20 мас.%.

В случае, если содержание алюминия меньше указанных пределов, то необходимое для повышения удельной активности катализатора увеличение удельной поверхности волокон не будет достигнуто; если содержание алюминия больше указанных пределов, то механические характеристики металловолокнистого катализатора не будут сохранены на требуемом уровне.

В результате проведенных экспериментов установлено, что металловолокнистый катализатор на основе никеля с заданными характеристиками получается только при глубине выщелачивания, равной (0,01-0,1)d_экв, где d_экв - эквивалентный диаметр волокна.

В случае если глубина выщелачивания алюминия из поверхности волокон будет меньше заявляемых пределов, то необходимое для повышения удельной активности катализатора увеличение удельной поверхности волокон не будет достигнуто; если глубина выщелачивания алюминия из поверхности волокон будет выше заявляемых пределов, то механические характеристики металловолокнистого катализатора не будут сохранены на требуемом уровне.

Поэтому для оптимального сочетания каталитических и механических свойств металловолокнистого катализатора необходимо, чтобы содержание алюминия и глубина выщелачивания соответствовали указанным пределам.

Это позволяет сделать вывод о том, что указанные пределы содержания алюминия и глубины выщелачивания относятся к существенным признакам данного изобретения, и если они будут выходить за указанные пределы, то необходимые характеристики не будут достигнуты, т.е. технический результат в изобретении не будет получен.

При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявляемому способу получения металловолокнистого катализатора, следовательно, предложенное решение соответствует критерию "новизна". Считаем, что сущность изобретения не следует явным образом из известных решений, а следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень". Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления изобретения.

Предложенный способ обеспечивает получение металловолокнистого катализатора, обладающего высокой удельной активностью.