Advanced

Selective oxidation over mixed oxide catalysts

Häggblad, Robert LU (2010)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

En spännande utmaning för forskare inom både akademin och industrin är att

utveckla industriella processer som mer effektivt använder både befintliga

som alternativa råvaror för produktion av viktiga kemiska intermediat.

Sådana intermediat används i sin tur som råvara för att framställa funktionella

och idag ovärderliga material såsom plaster, fibrer, gummin, färger,

ytbehandlingsmedel m.m.

För att kemiska produktionsprocesser skall vara konkurrenskraftiga måste de

vara resurssnåla. Detta förutsätter i regel en katalysator. I närvaro av en

katalysator kan en kemisk reaktion ske vid betydligt lägre temperatur än då

... (More)
Popular Abstract in Swedish

En spännande utmaning för forskare inom både akademin och industrin är att

utveckla industriella processer som mer effektivt använder både befintliga

som alternativa råvaror för produktion av viktiga kemiska intermediat.

Sådana intermediat används i sin tur som råvara för att framställa funktionella

och idag ovärderliga material såsom plaster, fibrer, gummin, färger,

ytbehandlingsmedel m.m.

För att kemiska produktionsprocesser skall vara konkurrenskraftiga måste de

vara resurssnåla. Detta förutsätter i regel en katalysator. I närvaro av en

katalysator kan en kemisk reaktion ske vid betydligt lägre temperatur än då

reaktionen får ske okatalyserad, vilket både sparar energi och underlättar

reaktorkonstruktioner. En låg reaktionstemperatur är extra viktig då kemiska

intermediat framsälls, eftersom dessa produkter ofta är termodynamiskt

instabila och därför lätt överoxideras (förbränns) vid en alltför hög

temperatur. Detta medför att utbytet av de önskvärda produkterna blir lågt

och att råvaruförbrukningen blir hög, något som gör okatalyserade processer

både olönsamma och miljömässigt ohållbara.

De katalysatormaterial som jag studerat är metalloxider. Metalloxider är fasta

föreningar av metall- och syreatomer och kan liknas vid porösa stenar på

vilkas yta den kemiska reaktionen sker. Som katalysatorer för industriell

produktion av intermediat används metalloxider mycket flitigt. Framställning

av akrylnitril genom reaktion mellan propen, ammoniak och syrgas är ett

exempel. Ökad efterfrågan på propen har lett till kraftigt ökat pris på denna

de senaste åren vilket gjort det önskvärt att ersätta propen med propan, som

är en betydligt billigare och mer tillgänglig råvara. Eftersom komplexiteten i

reaktionen ökar då propan ersätter propen så krävs det komplexa

katalysatorer, som kan underlätta samtliga reaktionsdelsteg. Tidigare har det

visats att en kombination av två olika metalloxider ger mer akrylnitril från

propan än då endast en av dem används. I min avhandling har jag studerat hur

dessa två oxider kan förbättras var för sig så att en blandning av dem än mer

effektivt kan katalysera reaktionen. Genom att variera dess sammansättning

har mer reaktiva och selektiva katalysatorer utvecklats, vilket tagit denna

reaktion ett steg närmare kommersialisering.

Formaldehyd framställs idag genom att reagera metanol och syrgas över en

oxidkatalysator bestående av järn, molybden och syre. Processen är

väletablerad och resurssnål då runt 94 % av den metanol som förbrukas

omvandlas till formaldehyd. Dock finns det incitament för att studera

alternativa katalysatorer för denna reaktion. Ett av dessa är att under drift så

förflyktigas molybdenet ur katalysatorn, vilket begränsar livslängden till

v

omkring 10-18 månader. De katalysatorer som jag har studerat är

vanadinbaserade. Resultaten som presenteras i avhandlingen visar att vanadin

är stabilt i dessa katalysatorer, men att det fordras något mer metanol för att

framställa samma mängd formaldehyd som då den molybdenbaserade

katalysatorn används. Med tanke på att kostnaden för metanol motsvarar mer

än 90 % av produktionskostnaden, så krävs en förbättrad selektivitet innan

vanadinbaserade katalysatorer kan anses vara ett alternativ till dagens

kommersiella molybdenbaserade katalysatorer. (Less)
Abstract
Since the metal oxide catalysts used in many chemical processes show very high

selectivity for the products aimed at, both today and in the future, they play a key

role in the environmentally and economically sustainable production of chemical

intermediates.

Two processes of this sort have been studied in the thesis: the ammoxidation of

propane and propene over a Mo-V-Nb-Te-oxide catalyst and the selective oxidation

of methanol over vanadium-based catalysts.

Since propane is cheaper and more available than propene as a feedstock for the

industrial production of acrylonitrile, strong research efforts have been made to find

suitable catalysts for it. The work... (More)
Since the metal oxide catalysts used in many chemical processes show very high

selectivity for the products aimed at, both today and in the future, they play a key

role in the environmentally and economically sustainable production of chemical

intermediates.

Two processes of this sort have been studied in the thesis: the ammoxidation of

propane and propene over a Mo-V-Nb-Te-oxide catalyst and the selective oxidation

of methanol over vanadium-based catalysts.

Since propane is cheaper and more available than propene as a feedstock for the

industrial production of acrylonitrile, strong research efforts have been made to find

suitable catalysts for it. The work presented here concerns way of improving the

performance of the M1 and M2 phases, both of which are selective for acrylonitrile.

Dilution of these phases with γ-Al2O3, SiO2 and TiO2 led to the catalysts formed

being more dispersed but less active and selective. Partial or complete substitution

then of W, Ti and Ce for Mo, V and Te, respectively, in the M2 phase increased both

the activity and the selectivity of the Mo-V-Nb-Te-oxide system to acrylonitrile,

making it more useful for industrial applications.

Use of bulk-phase and supported vanadium-based oxide catalysts in the oxidation

of methanol to formaldehyde was studied. The bulk-phase catalysts were found to be

preferable to the supported ones since they showed higher selectivity to

formaldehyde and lower volatility of the vanadium. However, although the vanadates

showed lower volatility of the active metals than a commercial iron molybdate

catalyst did, they were less selective to formaldehyde. Thus, they cannot replace the

molybdate in industrial applications without increasing the cost of the methanol. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Dr Trunschke, Annette, Dr. Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin, Germany
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
propane, catalysis, Selective oxidation, transition metal oxides, vanadium, molybdenum, methanol oxidation, ammoxidation, propene, acrylonitrile, formaldehyde
pages
206 pages
defense location
Lecture hall B, Center of Chemistry and Chemical Engineering, Getingevägen 60, Lund University Faculty of Engineering, Lund
defense date
2010-10-15 13:15
ISBN
978-91-628-8141-2
language
English
LU publication?
yes
id
cecda8c2-150f-46c7-a810-a9525d51068c (old id 1672021)
date added to LUP
2010-09-21 08:09:38
date last changed
2016-09-19 08:45:16
@phdthesis{cecda8c2-150f-46c7-a810-a9525d51068c,
  abstract     = {Since the metal oxide catalysts used in many chemical processes show very high<br/><br>
selectivity for the products aimed at, both today and in the future, they play a key<br/><br>
role in the environmentally and economically sustainable production of chemical<br/><br>
intermediates.<br/><br>
Two processes of this sort have been studied in the thesis: the ammoxidation of<br/><br>
propane and propene over a Mo-V-Nb-Te-oxide catalyst and the selective oxidation<br/><br>
of methanol over vanadium-based catalysts.<br/><br>
Since propane is cheaper and more available than propene as a feedstock for the<br/><br>
industrial production of acrylonitrile, strong research efforts have been made to find<br/><br>
suitable catalysts for it. The work presented here concerns way of improving the<br/><br>
performance of the M1 and M2 phases, both of which are selective for acrylonitrile.<br/><br>
Dilution of these phases with γ-Al2O3, SiO2 and TiO2 led to the catalysts formed<br/><br>
being more dispersed but less active and selective. Partial or complete substitution<br/><br>
then of W, Ti and Ce for Mo, V and Te, respectively, in the M2 phase increased both<br/><br>
the activity and the selectivity of the Mo-V-Nb-Te-oxide system to acrylonitrile,<br/><br>
making it more useful for industrial applications.<br/><br>
Use of bulk-phase and supported vanadium-based oxide catalysts in the oxidation<br/><br>
of methanol to formaldehyde was studied. The bulk-phase catalysts were found to be<br/><br>
preferable to the supported ones since they showed higher selectivity to<br/><br>
formaldehyde and lower volatility of the vanadium. However, although the vanadates<br/><br>
showed lower volatility of the active metals than a commercial iron molybdate<br/><br>
catalyst did, they were less selective to formaldehyde. Thus, they cannot replace the<br/><br>
molybdate in industrial applications without increasing the cost of the methanol.},
  author       = {Häggblad, Robert},
  isbn         = {978-91-628-8141-2},
  keyword      = {propane,catalysis,Selective oxidation,transition metal oxides,vanadium,molybdenum,methanol oxidation,ammoxidation,propene,acrylonitrile,formaldehyde},
  language     = {eng},
  pages        = {206},
  school       = {Lund University},
  title        = {Selective oxidation over mixed oxide catalysts},
  year         = {2010},
}