Осажденные ферритовые катализаторы синтеза аммиака

Общепризнано, что наиболее экономически выгодные способы интенсификации процесса синтеза аммиака состоят в применении более активных катализаторов и более совершенных конструкций колонн синтеза. На основании этих тенденций в мировой промышленности можно заключить, что разработки в области новых катализаторов, позволяющих вести синтез в более энергоэкономичных условиях, обоснованы с экономической точки зрения и являются, в настоящий момент весьма актуальными. Для увеличения эффективности синтеза аммиака необходимы катализаторы нового типа, использование которых позволит вести процесс с высокими скоростями при пониженных температурах и давлениях1.

В настоящее время в отечественной промышленности в основном используют плавленый железный катализатор и схему среднего давления (30 МПа). Большое число работ было посвящено разработке и усовершенствованию плавленого железного катализатора, и на данный момент трудно ожидать существенного увеличения активности плавленых катализаторов только лишь за счет изменения условий плавки. Это обусловлено тем, что в этом процессе уже достигнуты предельно возможные параметры качества железного катализатора: удельная поверхность 10−15 м" /г и определенная дефектность кристаллической структуры. Поэтому представляет значительный интерес возможность получения катализаторов с большей удельной поверхностью, применяя метод осаждения на стадии синтеза магнетита — прекурсора железного аммиачного катализатора.

В свете современных тенденций создания реакторов синтеза аммиака наиболее перспективными являются конструкции' радиального и аксиально-радиального типа. Ввиду малого гидравлического сопротивления в конструкциях радиального типа и перехода к схеме низкого давления (10 МПа) стало возможным использование более активных осажденных катализаторов, но механически менее прочных по сравнению с плавленым катализатором.

Можно выделить ряд преимуществ осаждённого катализатора по сравнению с плавленым:

— возможность изменять и контролировать большое число параметров при получении катализаторов и таким образом влиять на их активность;

— снижение энергетических затрат при получении, катализаторов за счет значительного понижения температуры синтеза;

— большая поверхность по сравнению с плавлеными катализаторами;

— увеличение степени использования зерна катализатора;

— уменьшение продолжительности процесса восстановления прекурсора катализатора.

Цель работы заключалась в получении более активного по сравнению с существующим промышленным катализатором осажденного магнетитового катализатора, исследовании его физико-химических свойств и активности в реакции синтеза аммиака.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Изучить влияние различных параметров синтеза, а именно: температуры синтеза, скорости перемешивания и времени старения осадка на удельную поверхность осажденного магнетита.

2. Исследовать процесс осаждения и определить условия получения промотированного магнетита — прекурсора катализатора синтеза аммиака, в котором содержание промоторов алюминия, магния и кальция соответствует заданным значениям.

3. Изучить влияние способа введения промоторов (алюминия и калия) в каталитическую систему и вида промоторов (иттербия, иттрия, кобальта) на активность осажденных магнетитовых катализаторов.

4. Исследовать и выбрать рациональные условия формования катализаторной массы.

Таким образом, исследования в области осаждённых ферритовых катализаторов синтеза аммиака являются перспективным направлением. 5.

1 Литературный обзор

1.1 Синтез аммиака.

Выводы.

1. Изучено влияние скорости перемешивания суспензии, температуры проведения синтеза и времени старения осадка на величину удельной поверхности осажденного магнетита. Определены условия синтеза, при которых удельная поверхность магнетита достигает 150 м /г.

2. Исследована зависимость степени осаждения промоторов от количества осадителя, исходной концентрации промотирующих ионов в растворе, типа исходных реагентов и условий промывания осадка. Установлено, что для получения прекурсора катализатора с заданным содержанием промотора необходимо, вводить в систему в 3−5 и 1,2−1,5 раз больше кальция и магния, соответственно, по сравнению с расчетным значением.

3-. Установлено, что промывка осадка с репульпацией и затем 3-кратнаяна фильтре промывным раствором с рН=9 при соотношении т: ж=1:3 приводит к уменьшению остаточного содержанияхлора в 4,5 раза, увеличению удельной поверхности в 1,5 раза и-увеличению выхода аммиака в 1,6−1,8 раз. Выявлено, что увеличение числа промывок осадка нецелесообразно.

4. Изученр влияние способа введения промоторов алюминия и калия на активность осажденных катализаторов. Выявленочто наиболее эффективно введение калия в предварительно восстановленный образец, алюминия — в виде водного раствора нитрата алюминияв промытый осадок магнетита с промоторами с последующим превращением в гидроксид алюминия. Установлено, что содержание аммиака, отнесенное к грамму активной фазы, до I.

3,5 раз выше для осажденных магнетитовых катализаторов по сравнению с плавленым катализатором СА-1 В.

5. Приготовлены и исследованы осажденные магнетитовые катализаторы, промотированные иттербием, иттрием и кобальтом. Установлено, что скорость синтеза аммиака на катализаторах при давлении 0,1 МПа и скорости потока N2/3H2 14 000−15 000 ч" 1 уменьшается в ряду MK-Yb > MK-Y > МК-Со. Установлено, что система Fe304 — А12Оз — УЬ20з — К20 с содержанием УЬ203.

2,3% масс, является наиболее активной при атмосферном давлении: скорость синтеза аммиака в 9,0−12,5 раз выше по сравнению с катализатором СА-1 В.

6. Установлено, что при давлении 7,5 МПа, как и при атмосферном, содержание аммиака в отходящем газе на катализаторах уменьшается в ряду МК-УЬ-2 > МК-У-2 > МК-Со-2 > СА-1 В, однако сокращается разница в выходе аммиака между синтезированными образцами и промышленным катализатором СА-1 В. Выход аммиака с единицы массы катализатора МК-УЬ-2 в 2,8−3,8 раз выше по сравнению с плавленым промышленным катализатором СА-1 В.