ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ АЗОТНОЙ И СЕРНОЙ КИСЛОТ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТЕКЛОВОЛОКНИСТЫХ ТКАНЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 544.478; 504.054; 661.566; 661.25

Кузнецов М.В.

доктор химических наук, главный научный сотрудник ФГБУ ВНИИ ГОЧС,

г. Москва, РФ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ АЗОТНОЙ И СЕРНОЙ КИСЛОТ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТЕКЛОВОЛОКНИСТЫХ ТКАНЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ

Аннотация

В работе рассматриваются вопросы повышения эффективности производств азотной и серной кислот, а также улучшения их экономических и экологических характеристик за счет использования стекловолокнистых тканых каталитических (СВТК) материалов с различными металлами-наполнителями в качестве альтернативы стандартным порошковым или гранулированным катализаторам. Использование СВТК как в виде отдельных элементов, так и в виде различных комбинированных структур позволяет существенно сократить время контакта и высоту загрузки катализатора, улучшить температурные характеристики процесса и понизить стоимость загрузки каталитических реакторов от 20 до 50 %.

Ключевые слова:

стекловолокнистые тканые катализаторы (СВТК), производство азотной и серной кислот, кассетный дизайн, экономические и экологические характеристики.

Основой предлагаемого технологического подхода является использование катализаторов, сформированных на основе стекловолокнистых аморфных матриц. Матрицы предварительно легируются металлами и оформляются в виде изделий с различным типом тканой структуры. Применительно к каждому конкретному процессу, в котором планируется использование катализаторов, имеются особенности этих стеклотканых каталитических систем по структуре и фазовому состоянию матрицы, по методам изготовления и активации, по дизайну каталитического реактора и по технологии производства. Данные катализаторы обладают по сравнению с традиционными каталитическими материалами высокой эффективностью, в том числе в контактных стадиях производства азотной и серной кислот. В общем виде стекловолокнистые тканые катализаторы (или СВТК-элементы) представляют собой изделия, сотканные из силикатных и аморфных по фазовому состоянию стекловолокон (содержание SiO2 55-98% масс.), а также алюмо-боросиликатных волокон в форме полотнищ или сеток, активированных каталитическими компонентами из ряда металлов (Р^ Pd, Ag, Сг, №, Мп, Со и др.). Конкретная химическая композиция содержание определяется требованиями каждого каталитического процесса. СВТК-элементы с содержанием платины или палладия 0.01-0.1% масс демонстрируют высокую активность в реакции окисления аммиака, соизмеримую с активностью штатных каталитических платиноидных сеток (масса платины в которых, приблизительно, на три порядка больше, чем в СВТК). Достигнутая к настоящему времени селективность СВТК-систем сравнима с активностью платиноидных металлических сеток (порядка 95%), а их ресурсная термостойкость составляет порядка 8500С, что допускает реализацию СВТК-пакетов в реакторах конверсии аммиака как в форме комбинированной с платиноидным пакетом схемы, так и в виде самостоятельной конструкции. Однако использование СВТК даже в комбинации с платиноидными сетками позволяет сократить массу платиноидов в каталитическом пакете реактора на 20-50% и в 2 раза уменьшить их потери (0.06 г платины на тонну выработанной кислоты против штатного показателя - 0.12 г). Данная структура катализаторного пакета в настоящее время реализуется в промышленных реакторах некоторых российских предприятий, производящих азотную кислоту. Есть основания ожидать, что пакеты СВТК заменят в обозримом будущем традиционные каталитические пакеты из платиноидных сеток, которые существуют в технологии производства азотной кислоты безальтернативно, по существу, на протяжении всей ее истории.

В производстве серной кислоты СВТК-элементы, легированные платиной до содержания порядка

0.05% масс, обладают активностью, существенно превосходящей уровень, соответствующий традиционно принятым в этом процессе ванадиевым каталитическим системам. Перевод сернокислотных производств на СВТК-системы позволит снизить контактные температуры на 40-600С, что, в свою очередь, приведет к увеличению конверсии диоксида серы и снижению ее содержания в газовых выбросах, то есть позволит решить одну из наиболее важных экологических проблем технологии серной кислоты.

Лабораторные тесты различных образцов СВТК в реакции окисления диоксида серы показали, что эти каталитические материалы действительно представляют собой эффективную альтернативу традиционным ванадиевым катализаторам по целому ряду параметров. Тесты были проведены стандартными методами оценки каталитической активности катализаторов для конверсии диоксида серы с реализацией в опытах следующих условий: содержание платины в СВТК - 0.05-0.20 % мас.; концентрация SO2 в реакционном потоке - 10% об.; температура потока на входе - 350-5000С. В проведенном цикле экспериментов было установлено, что СВТК обладают лучшими показателями каталитической активности из всех известных промышленных катализаторов, в частности, производимых фирмами: Monsanto - США (LR-120, LP-110), BASF - Германия (04-110, 04-111), Haldor Topsoe - Дания (VK-38, VK-48), Catalyst Chemical Europe (c-116-3, C-116-3-03, C-116-3HYA). СВТК характеризуются: высокой активностью (особенно при низких температурах - сравнительные тесты при температурах 420 и 4850С), низкой температурой «зажигания» процесса (350-3800С - в зависимости от величины внутренней поверхности образца катализатора), существенно более высокой по сравнению с ванадиевыми катализаторами термостабильностью - 800-8500С (этот фактор особенно важен для производств серной кислоты на предприятиях цветной металлургии). Испытания стеклотканых катализаторов на ресурс проведены путем закладки образцов СВТК непосредственно в слой гранулированного ванадиевого катализатора в действующем промышленном реакторе. Установлено, что в ходе годового пробега образцы не потеряли каталитической активности (в отличие от собственно ванадиевых катализаторов) и не подверглись механическому разрушению.

Проведены пилотные испытания на модельном реакторе диаметром 300 мм, подключенном в параллель четвертой полке промышленного реактора второй ступени, т.е. в условиях, максимально приближенных к производственным. Параметры испытаний: концентрация диоксида серы в реакционном потоке - 9% об., температура на входе в каталитический слой - 380-4500С, содержание платины в образцах СВТК - 0.10-0.15% мас., число слоев в катализаторном пакете СВТК - 20-60 (общая высота кассеты - 1550 мм), линейная скорость потока - 0.13 м/сек. Преимущества СВТК в сравнении с ванадиевым катализатором неоспоримы: время контакта сокращено на порядок; высота слоя катализаторной загрузки уменьшено в 20-30 раз. Очевидно, что кассетный дизайн СВТК обеспечивает значительные преимущества при эксплуатации реактора. Экономическая оценка показывает, что стоимость пакета СВТК будет на 2050% ниже, чем стоимость загрузки реактора традиционными ванадиевыми катализаторами.

© Кузнецов М.В., 2021

УДК 661.566.097.3; 669.23

Кузнецов М.В.

доктор химических наук, главный научный сотрудник ФГБУ ВНИИ ГОЧС,

г. Москва, РФ

ПРОЦЕССЫ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ АММИАКА В ПРОИЗВОДСТВЕ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ

Аннотация

Рассмотрены процессы конверсии аммиака в производстве азотной кислоты с использованием