Разработка и использование катализаторов для синтеза аммиака
Дипломная работа - Разное
Другие дипломы по предмету Разное
?онента катализатора - водородом протекает по реакции
Fe3O4+ 4Н2 > 3Fe + Н2О - 143 кДж
Цель данной работы - в процессе изучения восстановления различных образцов катализаторов синтеза аммиака подобрать рациональные условия этого процесса.
2. Литературный обзор
2.1 Историко-технические аспекты производства и применения катализаторов синтеза аммиака
При поиске эффективных катализаторов только стадии синтеза аммиака в период 1901 - 1919 гг. в качестве катализаторов синтеза было испытано более 4000 различных соединений. При этом наиболее высокую каталитическую активность показал осмий. Однако Os существенно дороже золота и платины и поэтому не мог использоваться в промышленном масштабе. Далее в результате многочисленных исследований в основном остановились на губчатом железе, промотированном оксидом алюминия в качестве структурного промотора и поташом. Последняя добавка повышает скорость медленной стадии процесса - диссоциативной хемосорбции азота [1]. Большинство промышленных катализаторов синтеза аммиака и до настоящего времени содержат указанные компоненты.
Наибольший экономический эффект от увеличения эффективности катализаторов стадии синтеза аммиака достигается в том случае, если она является лимитирующей стадией производства и рост производительности обеспечивается за счёт увеличения нагрузки на стадиях подготовки газа.
Повышение активности катализаторов, как правило, достигается за счёт введения промоторов, размера и формы катализаторов, технологических особенностей их производства.
Следует отметить, что катализаторы с крупными размерами частиц (6 - 10 мм) используются в конвекторах с аксиальным потоком, тогда как мелкие (1,5 - 3,0 мм) - реакторах с радиальным потоком газа. В течение ряда лет в бывшем СССР успешно эксплуатировался катализатор синтеза аммиака СА - 1, устойчивый к воздействию перегрева и отравления кислородсодержащими ядами [2, 3, 4]. Наряду с традиционно дробленным оксидным катализатором, выпускаемом в виде зёрен неправильной формы, отечественной промышленностью производится гранулированный катализатор СА-1 округлой формы и предварительно восстановленный катализатор СА - 1В [5]. Кроме того, применялись катализаторы типа СА-1 Н, предназначенные для работы при температурах в зоне катализа в пределах 400 - 500 С, и высокотемпературный катализатор СА - 2, допускаемая температура эксплуатации которого составляет 600 С.
Так, например, с 1987 по 1993 г на агрегате аммиака ТЕС - 1 АО "АКРОН" применялись катализаторы, производимые в г. Северодонецке и в г. Гродно СА - 2/СА - 2В, СА - 1В/СА - 1П, а в последующие годы как на ТЕС - 1, так на ТЕС - 2 в основном используются импортные катализаторы синтеза аммиака [6].
Среди ведущих зарубежных фирм производителей катализаторов синтеза аммиака ведущими являются фирмы ICI, M. W. Kellogg Co., Halder Topsoe A/S и Ammonica Casale SA [7].
Фирма Haider Topsoe A/S уже в течение 60 лет изготавливает два вида катализаторов: не восстановленный КМ и предварительно восстановленный KMR, который после изготовления стабилизируется оболочкой для лёгкости обработки и загрузки. При использовании катализатора KMR после начала нагревания процесс выходит на стабильный режим через 1,5 сут. Срок службы катализатора, как правило, превышает 10 лет.
В конце 1970-х гг. фирма Ammonica Casale SA для синтеза аммиака разработала катализатор сферической формы iериевым промотором. Его производят смешением и сплавлением следующих компонентов, % (масс): оксиды железа - 26 - 30; оксиды алюминия и кальция по 2,0 - 3,5; оксиды магния - 0,1 - 0,5; гидроксид кальция - 0,8 - 2,0 и диоксид кремния 0,2 - 0,5 %. Перед сушкой добавляют раствор нитрата церия и получают порошок без окалины с содержанием церия 0,2 - 2,6 % (по массе). Далее высушенную смесь гранулируют. Рассмотренный катализатор имеет высокую активность при температурах 350-400 С и благодаря сферической форме - минимальный перепад давления даже при малом размере частиц. Однако современные конструкции конвекторов синтеза аммиака обеспечивают низкий перепад давления, поэтому использование более дорогих катализаторов сферической формы не всегда оправдано.
Для процесса AMW производства аммиака фирмой ICI создан новый катализатор, благодаря высокой активности которого, стало возможным осуществлять синтез при низком давлении (7-8 МПа). Фирмой ICI в г. Клитеро (Великобритания) построен завод по производству этого катализатора.
Катализаторы синтеза аммиака выпускают такие известные зарубежные фирмы как BASF, Unated Catalyst Inc. (США), Societe Chimque de la Grand Paroisse (Франция), Nors Hydro AS (Норвегия), Britisch Petroleum (Великобритания).
Фирма BASF изготавливает катализаторы не восстановленной (S 6-10) и предварительно восстановленной (S 6-10 red) форм, причем преимущество последнего состоит в снижении времени полного вывода процесса синтеза аммиака на рабочий режим с 5 до 2 сут. и снижении количества образующейся воды в процессе активации катализатора с 800 кг/м3 до 50 кг/м3. Оба катализатора в виде гранул неправильной формы отличаются по составу: S 6-10 содержит оксиды железа, калия, кальция, алюминия, магния при соотношении двухвалентного и трехвалентного железа 0,5 - 0,6, тогда как S 6-10 red - железо вместо оксида железа, а все остальные компоненты одинаковые с первым катализатором. Объемная плотность катализатора S 6-10 составляет 2,7 т/м8, a S 6-10 red - 20 т/м3. Катализатор S 6-10 становится активным при температуре 400 С, a S 6-20 red при 230 С, при этом необходимо поддерживать высокие скорости газового потока iелью предотвращения отравления катализатора.