一种用于制备金属氮化物催化材料的设备及方法技术

本发明专利技术涉及催化材料技术领域，具体地说是一种用于制备金属氮化物催化材料的设备及方法。设备：混合器通过管路进入流化床反应器，流化床反应器出口通过管路进入换热器，换热器一方面通过管路进入混合器，该管路经平面六通阀至气相色谱仪；另一方面通过管路进入水冷器，分离器通过管路经干燥部分进入压缩机，压缩机出口再通过管路连回换热器，段间冷却器分别与压缩机的进、出口管道相连。将ＭｏＯ↓［３］／ＴｉＯ↓［２］、ＭｏＯ↓［３］／ＮｉＯ－ＴｉＯ↓［２］、ＭｏＯ↓［３］／Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］－ＴｉＯ↓［２］或ＭｏＯ↓［３］／Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］放入流化床反应器中，进行Ｎ↓［２］－Ｈ↓［２］还原置换ＭｏＯ↓［３］的反应，制备出Ｍｏ↓［２］Ｎ／ＴｉＯ↓［２］、Ｍｏ↓［２］Ｎ／ＮｉＯ－ＴｉＯ↓［２］、Ｍｏ↓［２］Ｎ／Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］－ＴｉＯ↓［２］或Ｍｏ↓［２］Ｎ／Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］担载型金属氮化物催化剂；Ｎ↓［２］－Ｈ↓［２］混合气体的体积比：Ｈ↓［２］／Ｎ↓［２］＝（３－５）／１，反应温度为９３３Ｋ±１０Ｋ，保温时间０．５－１小时。本发明专利技术可以避免因填料造成的生成物质量下降等问题，制得高比表面积的γ－Ｍｏ↓［２］Ｎ。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及催化材料
，具体地说是采用程序升温流化床法制备金属氮化物(γ-Mo2N)催化材料的设备及方法。
技术介绍
国内外对于金属氮化物(γ-Mo2N)催化材料的研究已有多年的历史。外思(Wise)与马克尔(Markel)在总结了90余年来研究NH3的合成与分解的基本原理和动力学及以催化性能的基础上，着重研究NH3与MoO3在石英管状反应器中，反应温度与反应产物和表面积的关系。当温度升到473K时多晶MoO3碎裂，表面积稍有增加，573K出现未知相(804pm)和MoO3，673K MoO3消失，出现MoO2及另一未知相(621，307和205pm)，773K以上形成Mo2N，随升温高含量增加，MoO2的量减少。980K+2hr恒温反应，则还原氮化反应完全，反应产物完全转化为γ-Mo2N。但γ-Mo2N的晶粒有所长大，表面积稍有减少。由此，得出结论，MoO3与NH3程序升温的最高温度为980K，并应恒温2小时以保证反应完全。在对管式反应器床温进行计算中发现，中心温度比炉温低120K，径向温度低80K，床的表面温度比炉温低40K，即便是内径4mm长1m的管式炉MoO3的装载量仅为0.5克，用热井实际测量为35K，两者基本一致。而对直径25cm的管式炉，温度梯度可达数百度，因此可得出结论，对大批量制备Mo2N，床温的控制是一个极困难的问题。在以NH3作为氮化反应剂时，存在两个影响产品质量的关键问题一是还原MoO3产生水()水蒸汽存在促使产物Mo2N发生水热烧结，以及H2O与H2在MoO3竞争吸附，使Mo2N的表面积减小；二是NH3分解为吸热反应造成反应器中床温分布十分不均，轴向与径向温度梯度较大。中国科学院金属研究所提供了一种金属氮化物催化材料的制备方法及其专用设备(申请号200510046779.1，申请日2005年6月29日)，改用氮与氢混合气体作还原氮化反应剂与添加混合填料的MoO3反应制备Mo2N，解决了因NH3分解吸热造成的床温梯度问题，以及水蒸气使Mo2N发生水热烧结的问题。但是该方法还是存在着氮化反应剂与混合填料之间发生反应造成生成纯度和质量下降等问题。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供，采用程序升温流化床法制备金属氮化物(γ-Mo2N)，彻底避免了因填料和固定床本身固有问题所造成的生成物纯度和质量下降等问题。本专利技术的技术方案是一种用于制备金属氮化物催化材料的设备，包括混合器、换热器、水冷器、分离器、流化床反应器、干燥部分、压缩机、段间冷却器、气相色谱仪、平面六通阀；混合器通过管路自流化床反应器底部进入流化床反应器，流化床反应器出口通过管路进入换热器，换热器一方面通过管路进入混合器，该管路经平面六通阀至气相色谱仪；另一方面通过管路进入水冷器，分离器通过管路经干燥部分进入压缩机，压缩机出口再通过管路连回换热器，段间冷却器分别与压缩机的进、出口管道相连。所述干燥部分由串联的干燥器IA、干燥器IB与串联的干燥器IIA、干燥器IIB并联而成。所述的用于制备金属氮化物催化材料的设备，可以采用如下结构混合器通过管路进入流化床反应器，该管路上设有止逆阀，并且连有压力显示仪表、针型阀，流化床反应器入口处设有温度控制显示仪表、温度显示仪表，流化床反应器出口分两路，一路通过管路进入换热器，另一路通过管路通向大气，该管路上设有截止阀；换热器一方面通过管路进入混合器，该管路连有针型阀，针型阀和针型阀并联后经平面六通阀至气相色谱仪；换热器另一方面通过管路进入水冷器，该管路上设有温度显示仪表，水冷器再经分离器通过管路通向大气，该管路上设有截止阀，同时分离器通过管路经干燥部分进入压缩机，该管路上设有温度控制显示仪表，干燥部分由串联的干燥器IA、干燥器IB与串联的干燥器IIA、干燥器IIB并联而成，干燥器IA、干燥器IB、干燥器IIA、干燥器IIB分别连有温度控制显示仪表，干燥器IA(6)、干燥器IIA入口处分别设有入口阀和再生废气出口阀，干燥器IB、干燥器IIB出口处分别设有出口阀和再生氮气入口阀，干燥部分与压缩机进口相连的管路上设有压力显示仪表、止逆阀、截止阀；压缩机出口再通过管路连回换热器，该管路上设有截止阀、质量流量计，段间冷却器分别与压缩机的进、出口管道相连，段间冷却器与压缩机的出口相连的管路上设有截止阀和止逆阀。一种利用所述设备制备金属氮化物催化材料的方法，将MoO3/TiO2、MoO3/NiO-TiO2、MoO3/Al2O3-TiO2或MoO3/Al2O3放入流化床反应器中，进行N2-H2还原置换MoO3的反应，制备出Mo2N/TiO2、Mo2N/NiO-TiO2、Mo2N/Al2O3-TiO2或Mo2N/Al2O3担载型金属氮化物催化剂；N2-H2混合气体的体积比H2/N2＝(3-5)/1，N2-H2混合气体空速6,000-100,000h-1，反应温度为933K±10K，保温时间0.5-1小时。所述流化床反应器中温度控制过程如下1)从室温到673K快速升温，升温速度范围为1-50K/min；2)673-933K以0.6-1K/min速度升温；3)933K±10K恒温0.5-1hr；4)在流化床反应器中冷却到室温。室温下将反应N2-H2混合气体切换为体积比99％Ar-1％O2混合气体，时间12～24小时。本专利技术具有以下优点(1)本专利技术采用N2-H2混合气体取代NH3与MoO3反应，当反应温度为660℃左右，升温速度为0.6-1K/min时，空速增加，产物表面积增大。富氢的N2-H2混合气体(H2/N2＝3-5/1)，空速6,000-100,000h-1即可获得高表面积Mo2N。本专利技术可制得比表面积高达150m2/g的γ-Mo2N；(2)本专利技术反应气体经干燥处理循环使用，利用率100％，成本低；(3)采用本专利技术比用NH3操作简化，消除了操作危险和环境污染；(4)本专利技术采用N2-H2混合气体流化反应床，消除了用NH3分解吸热造成反应床热导不良带来的温度梯度问题。从而可以避免因填料造成的生成物质量下降等问题。附图说明图1氮化钼批量合成装置流程图。图中，1混合器；2换热器；3水冷器；4分离器；5流化床反应器；6干燥器IA；7干燥器IB；8干燥器IIA；9干燥器IIB；10压缩机；11段间冷却器；12气相色谱仪；13平面六通阀。图2本专利技术所用升温制度示意图。具体实施例方式下面就γ-Mo2N的制备技术做详细说明，本专利技术中室温一般指16-30℃。鉴于制备高比表面积γ-Mo2N的研究经验，本专利技术采用程序升温渐进反应的途径，利用N2作为还原气体还原MoO3。通过控制升温速度和提高气体流量，来防止产物水份的积累；为了减少气体消耗在在系统中设计了气体循环装置，以减少制备成本。流化床制备氮化钼反应装置如图1所示。一、气体 1氮气——高纯氮(体积浓度为99.999％)，氮化原料，来自钢瓶，去混合器；2氢气——高纯氢(体积浓度为99.999％)，氮化原料，来自钢瓶，去混合器；3混合气——由氮气、氢气、循环气混合而成，经换热去氮化流化床反应器；4反应气——出氮化流化床反应器的气体，经冷却去干燥器；5干燥气——经干燥除去水份后的气体(出干燥器的气体)，去压缩机入口；6循环气——经压缩机增压后的气体(出压缩机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制备金属氮化物催化材料的设备，其特征在于：包括混合器（１）、换热器（２）、水冷器（３）、分离器（４）、流化床反应器（５）、干燥部分、压缩机（１０）、段间冷却器（１１）、气相色谱仪（１２）、平面六通阀（１３）；混合器（１）通过管路自流化床反应器（５）底部进入流化床反应器（５），流化床反应器（５）出口通过管路进入换热器（２），换热器（２）一方面通过管路进入混合器（１），该管路经平面六通阀（１３）至气相色谱仪（１２）；另一方面通过管路进入水冷器（３），分离器（４）通过管路经干燥部分进入压缩机（１０），压缩机（１０）出口再通过管路连回换热器（２），段间冷却器（１１）分别与压缩机（１０）的进、出口管道相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：熊天英，吴杰，金花子，孔令艳，李铁藩，曲良龙，付玉梅，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]