CC BY
16
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
платиноидных каталитических сеток. Проблемными вопросами в данной отрасли являются: уменьшение потерь платиноидов, замена золота и платины в качестве металлов-наполнителей палладием, а также создание конкурентоспособных каталитических производств в России.
Ключевые слова:
производство азотной кислоты, платиноидные каталитические сетки, металлы-наполнители, конверсия аммиака, снижение потерь платины и палладия, рынок палладиевых улавливающих сеток.
Процесс каталитического окисления аммиака с образованием оксидов азота является важной стадией в ряде технологических процессов, в том числе и в производстве азотной кислоты. В настоящее время в России производится ~8-9 млн тонн в год, так называемой, «слабой» азотной кислоты. Процесс конверсии аммиака на предприятиях-производителях реализуется в реакторах c помощью каталитических пакетов, собранных послойно из платиноидных сеток, в потоке аммиачно-воздушной смеси при температурах 850-9000С и давлении в реакционной среде от атмосферного до 9 атм. Западные производители катализаторов («Johnson Mathey», «Engelhard», «Degussa», «Hereous») поставляют на рынок платино-родиевые каталитические сетки с содержанием родия 5-10%. Они также предлагают комплектовать платиноидные каталитические пакеты платино-улавливающими сетками, изготавливаемыми из сплавов палладия с золотом, никелем и другими металлами при их содержании 3-10 %. Процесс конверсии аммиака не претерпел каких-либо существенных изменений за прошедшее столетие. Такая ситуация вполне объяснима, поскольку ведущие производители каталитических сеток, в принципе, не заинтересованы в совершенствовании этих катализаторов, в снижении вложений и потерь платиноидов, так как оборот металла в процессах конверсии аммиака приносит поставщикам каталитических сеток устойчивую годовую прибыль в размере 10-20% от стоимости металла, что намного выше, чем любая банковская ставка. В период роста цен на палладий производство улавливающих сеток было приостановлено, поскольку процесс улавливания платины сопровождается, приблизительно 10%-ой потерей палладия и операция улавливания потеряла экономическую целесообразность. В настоящее время предложение на рынке палладиевых сеток возобновилось в связи с падением цен на палладий.
На первый взгляд, индустрия азотной кислоты и минеральных удобрений находятся вне сферы интересов производителей палладия из-за небольшого спроса на данный металл в России и, тем более, на западе. Однако, если попытаться прогнозировать возможные сценарии в области совершенствования катализаторов для процесса конверсии аммиака, то можно ожидать и в этой отрасли существенного увеличения спроса на палладий. В качестве оснований для такого прогноза можно привести следующие соображения. Палладий по своей активности и селективности в процессе конверсии аммиака нисколько не уступает платине. Однако, палладиевые сетки в большей степени подвержены водородной и каталитической коррозии по сравнению с платиновыми, что существенно ограничивает их рабочий ресурс и увеличивает потери металла. Для преодоления действия этих негативных факторов могут быть использованы достижения современной металлофизики и металловедения, направленные на создание новых типов сплавов и введение в их состав дисперсно-упрочняющих компонентов. В случае успеха этого поискового направления востребованность палладия в азотной промышленности России и стран СНГ может возрасти до 1.5-2.0 т в год.
Приведенные выше соображения следует рассматривать в качестве рекомендаций для производителей палладия, призывающих их не остаться в стороне от грядущих радикальных изменений в каталитической стратегии азотной промышленности. Тот путь, который в настоящее время избрали Российские производители платиноидных сеток (замена парка ткацких станков на более совершенные, закупка лицензий на технологию изготовления сеток), скорее всего, бесперспективен. Он не предполагает развитие собственных производств, поиск новых материалов и новых типов каталитического дизайна, и не позволит выиграть в конкурентной борьбе с западными фирмами, которые располагают существенно большими материальными ресурсами и имеют собственные исследовательские подразделения в области катализа.
©Кузнецов М.В., 2021
