催化活性多孔元件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种催化活性元件、以及一种制造该催化活性元件的方法。根据本发明的元件可以优选地用在费-托(Fischer-Tropsch)合成中。
【背景技术】
[0002]根据所谓Schwartzwalder工艺用于制造金属和陶瓷开孔结构的技术为现有技术。在该方面，开孔聚氨酯泡沫体优选地涂覆有金属粉末粘合剂或陶瓷粉末粘合剂悬浮液并且随后在热处理中进行脱脂(去除有机组分)和烧结。
[0003]该技术被创建用于经济地制造大面积的、开孔结构。
[0004]充分已知泡沫体的结构优点:
[0005]-较低压强损失(与成块的材料催化剂相比)；
[0006]-较大的表面(与卵石床相比)允许工艺的强化；
[0007]-几乎理想的流动分布:
[0008]〇反应物的较好地混合；
[0009]〇对流热分布简化热管理。
[0010]基于钴的催化剂的优点如下:
[0011]-高热传导性；
[0012]〇较好的温度均匀性(例如，放热反应中的较少的热斑)；
[0013]〇较好的热传输、较简单的热管理(在放热反应中反应器壁处的散热)；
[0014]-在费-托反应中的C5-可选择性。
[0015]钴催化剂设计为固体金属泡沫体的另一优点在于:
[0016]-借助粉末冶金制造可以实现化学组成的非常良好地控制，S卩，可以安全地去除用于反应的有害元素(例如，不含Fe、N1、Cr、S、Na、Mg、Ca...);
[0017]-强度可以适于应用的需要(通过改变密度)；
[0018]-与可替选的泡沫体路线(其或者借助薄的、大面积的Co涂层(例如，电化学沉积)或者借助涂层实现了钴)相比:
[0019]〇在承载层选择上不被不需要的外来元素限制；
[0020]O由于钴的储存量是较大的，故对于磨损和材料去除较不敏感；由此产生了更长的使用时间。
[0021]通过熔融冶金的制造是成本相对较高的，此外，具有更高的比表面积的更精细结构仅可以通过相当多的工作和/相当高的成本来制造。
[0022]由于需要的较高烧结温度，因此泡沫体以粉末冶金方式制造纯的Co泡沫体也相对复杂并且成本较高。
[0023]因此，本发明的目的是相较于固体(S卩，未涂覆或未支撑的)钴泡沫体的制造而降低制造成本。在该方面，在烧结时形成的机械粘合(mechanical bond)应当不能由纯的或预合金的钴颗粒的烧结来实现，并且应当保持足够大的催化可用表面。
【发明内容】
[0024]根据本发明，通过具有权利要求1的特征的元件实现该目的。该元件可以利用根据权利要求7的方法制造。本发明的有利的实施方式和另外的改进可以利用从属权利要求中指出的特征来实现。
[0025]根据本发明的催化活性多孔元件(catalytically active porous element)由质量百分比至少40%的纯钴、钴合金或利用钴形成的金属间相和至少一种另外化学元素和/或至少一种化合物形成，该至少一种另外化学元素和/或至少一种化合物形成基质且钴颗粒嵌入在该基质中。优选地，应当包括至少50%的钴。
[0026]在该方面，该至少一种化学元素和/或该至少一种化合物具有比钴、钴合金或金属间相更低的烧结温度和/或熔化温度。单独地为此目的或此外，钴可以部分地溶解在其中和/或可以与钴一起形成共晶体和/或包晶体。
[0027]作为化学元素和/或化合物，合适的过渡金属(例如，铜、锌、锰)或主族金属(例如，铝或合金(优选地为共晶合金))或这些金属的金属间相、碳化物、磷化物或硼化物(尤其为Co3B)可以形成基质。然而，其中包括有钴的合金和金属间相也可以用于该目的。
[0028]应当观测到至少80%的孔隙率和最大3mm的孔尺寸。
[0029]该元件应当具有不大于40mmX40mmX 20mm的外部尺寸，和/或外半径应当小于40mm。由此可以实现了良好的热关系和引起改进的催化效果的良好的通流能力。然而，碟状元件还可以具有更大的外部尺寸。
[0030]此外，表面的至少50%、优选地至少70%，应当由钴或钴合金形成。
[0031 ] 聚合的多孔元件在制造中在它的表面上涂覆有悬浮液。该悬浮液利用液体和钴、钴合金或钴包含在其中的金属间相的最终颗粒制造。此外，至少一种化学元素和/或至少一种化合物以颗粒形式/或以某种形式包含在悬浮液中，在热处理时，该悬浮液形成化学元素和/或化合物的基质，钴颗粒、钴合金颗粒或包括钴的金属间相的颗粒嵌入在该基质中。
[0032]在第一热处理中，液体和/或有机组分被去除。在第二热处理中，在升高的温度处，实现了至少一种化学元素和/或至少一种化合物的熔融和/或烧结，在该方面，钴颗粒、钴合金颗粒或包括钴的金属间相的颗粒嵌入在由至少一种化学元素和/或由至少一种化合物形成的基质中。
[0033]该基质可以利用包含在悬浮液中的化学元素或化合物形成。然而，化学元素在热处理中经过反应形成的或释放的化学元素或化合物也可以形成基质。在该情况下，合适的前体可以包括在悬浮液中，并且为此可选地，在两个热处理的至少一个热处理中可以保持一个合适的气氛。例如，这可以为具有氢或者合成气体(forming gas)的还原气氛。
[0034]悬浮液可以通过水和/或通过有机物来制备，特别地通过聚乙烯醇和/或吡咯烷酮来制备。在该方面，通过保持特定的固体部分和/或有机物的部分可以保持合适的粘度，在该方面有机物优选地还具有粘合剂特性。
[0035]对于合适的选择形成基质的化学元素和/或化合物，在第二热处理中钴可以部分地溶解在至少一种化学元素和/或在至少一种化合物中。然而，保持了至少富含钴的相的一部分，其中包括有至少50%的钴。
[0036]钴、钴合金或通过钴形成的金属间相可以被有利地使用，其中，其平均粒径大于至少一种化学元素和/或至少一种化合物的平均粒径。该平均粒径应当选择成为使用的其他颗粒的至少两倍大。这改进了基质的形成并且由钴形成的表面因此可以额外地增大。此外，钴颗粒或包括钴的颗粒的烧结由此可以至少被阻碍，从而这些颗粒嵌入在基质中。然而，可以有利于并且提高了形成基质的相应的小颗粒的烧结。
[0037]在形成基质的该第二相的目的是制造机械粘合；在该方面，该第二相在已经形成该粘合以后，在该工艺中还可以再次(部分地)溶解。
[0038]借助粉末冶金制造可以实现非常好地控制化成组成。可以排除的是，不包含任何对催化效果有害的化学元素，例如，不含Fe、N1、Cr、S、Na、Mg、Ca。
[0039]根据本发明的元件的强度可以适于应用的需求，例如其可以通过选择合适的密度或合适的组成。
[0040]与可替选的泡沫体路线相比，根据本发明的元件对于磨损或材料去除较不敏感，并且形成较大的Co储量，这允许较长的使用时间。通过合适的选择形成基质的化学元素或对应的化合物可以实现改进的热传导性和较大的散热。
[0041]由于易碎的钴而产生的缺点可以利用根据本发明的元件通过相对更韧性的基质材料得以克服。
【具体实施方式】
[0042]在下文中结合实施例将更为详细地阐述本发