НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ
Лауреаты премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники
Институт катализа имени Г.К.Борескова СО РАН (Новосибирск), в содружестве с ОАО "Государственный институт азотной промышленности (ГИАП)" и химическим факультетом МГУ им. М.В.Ломоносова разработал новый процесс для окисления аммиака в агрегатах получения азотной кислоты при высоком давлении. Отличительной особенностью процесса является окисление аммиака на двухступенчатой каталитической системе, состоящей из уменьшенного, по сравнению с нормой, пакета платиновых сеток и слоя оксидного катализатора сотовой структуры. Данная система может быть использована в существующих агрегатах получения азотной кислоты под давлением с минимальными изменениями в их конструкции. Новый процесс, успешно внедренный в течение последних четырех лет, существенно улучшает экономику и безопасность процесса.
О новой технологии производства азотной кислоты рассказывает руководитель работы доктор химических наук, зав.лабораторией Института катализа Владислав САДЫКОВ.
-- Производство азотной кислоты является одним из самых крупнотоннажных процессов современной химической промышленности. Процесс включает в себя каталитическое окисление аммиака кислородом воздуха с образованием оксида азота, который далее окисляется до диоксида и поглощается водой с образованием азотной кислоты. Выход конечного продукта зависит от селективности катализатора и рабочих параметров процесса. Обычно в качестве катализатора используется пакет из 10--30 сеток из платинопалладийродиевого сплава (суммарный вес десятки кг), который работает при типичных временах контакта в интервале 10-5--10-4 секунд. Учитывая высокую стоимость металлов платиновой группы, легко увидеть, что стоимость традиционной каталитической системы очень высока. В промышленных агрегатах получения азотной кислоты от 92 до 98 процентов аммиака превращается в азотную кислоту, что не позволяет надеяться на улучшение экономики процесса за счет повышения его селективности. Агрегаты работают достаточно стабильно и надежно, и параметры их работы близки к оптимальным. Наиболее серьезные нерешенные проблемы в традиционной технологии связаны с потерей платины при высоких температурах и давлениях, используемых в существующих агрегатах. Потеря платины приводит к тому, что через 2--3 месяца работы выход азотной кислоты падает ниже экономически приемлемого уровня, после чего отработанный пакет сеток заменяют на новый.
Резкий рост стоимости платиновых металлов в последние годы стимулировал интерес к попыткам частичной замены сеток менее дорогими катализаторами. Ранние попытки заменить платиновые сетки на нанесенные платиновые катализаторы оказались безуспешными вследствие быстрой их дезактивации из-за потери платины.
Основной чертой новой двухступенчатой технологии окисления аммиака в агрегатах производства азотной кислоты под давлением является использование уменьшенного числа платиноидных сеток в сочетании с несколькими слоями блочного оксидного катализатора сотовой структуры и специально подобранного состава, включающего перовскиты -- смешанные оксиды переходных и редкоземельных металлов.
В данной двухступенчатой технологии смесь аммиака и воздуха сначала контактирует с пакетом из 8--20 платиновых сеток (число сеток определяется типом агрегата), что приводит к превращению большей части аммиака в оксид азота. Вследствие окисления аммиака температура повышается до 850--900 градусов Цельсия. Главная функция второй ступени -- оксидного катализатора состоит в окислении оставшегося аммиака в оксиды азота в присутствии NO и кислорода в газовой фазе. В дополнении к каталитической функции вторая ступень также выравнивает распределение газового потока по пакету платиноидных сеток, что повышает эффективность их работы, снижает потери платины и обеспечивает большее время жизни первой ступени.
Основные проблемы при разработке блочных оксидных катализаторов связаны с тем, что эти катализаторы должны работать при малых (10-3--10-2 сек.) временах контакта и при высоких температурах, причем скорость превращения аммиака определяется его диффузией к поверхности. Основным критерием при подборе химического состава и структуры оксидного катализатора является требование, чтобы его поверхность была почти полностью покрыта реакционноспособным кислородом. Геометрическая форма катализатора выбиралась на основе математического моделирования процесса таким образом, чтобы уменьшить долю нежелательного гомогенного процесса взаимодействия между оксидом азота и аммиаком в газовой фазе, приводящего к образованию молекулярного азота. Авторским коллективом были оптимизированы основные технологические стадии производства катализатора, и в ИК СО РАН была создана опытно-промышленная линия с мощностью, достаточной для удовлетворения потребности в катализаторах данного типа в пределах СНГ.
Промышленные испытания новой технологии были проведены при активном участии специалистов ОАО "Азот" в гг. Березники, Череповец и Невинномысск. Проблемы оптимизации конструкции двухступенчатой каталитической системы были решены с использованием методов моделирования гидродинамики течения газового потока.
Для типичного агрегата высокого давления до 30% платиновых сеток заменяется на слой блочного оксидного катализатора. При сохранении проектного уровня выхода оксидов азота это позволяет сократить безвозвратные потери платины на 20--30% и увеличить продолжительность пробега. Для агрегата типа УКЛ-7 с производительностью 120 тыс. тонн азотной кислоты в год, суммарная годовая экономия от внедрения новой технологии эквивалентна 150 тыс. долларов США. За время с начала внедрения новой технологии на 15 агрегатах высокого давления, оснащенных двухступенчатой каталитической системой, произведено более 3 млн тонн азотной кислоты.
На снимке: лауреаты Премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники 2000 г., сотрудники Института катализа СО РАН -- А.Кирчанов, к.х.н., зав.отделом; И.Золотарский, к.х.н., и.о.зав.лабораторией; Л.Исупова, к.х.н., ст.н.с.; В.Кругляков, руководитель группы; В.Кузьмин, к.т.н., ст.н.с.; Н.Кожевникова, ведущий технолог; В.Садыков, д.х.н., зав.лабораторией, руководитель работы (в центре).