3.2.4. Определение оптимального давления процесса.
Повышенное давление отрицательно сказывается на степени конверсии аммиака в NO и увеличиваются потери катализатора, так на установках, работающих под давлением 0,8 – 0,9 МПа, конверсия на 2 – 3 % ниже, а потери платины в 3 раза больше, чем на установках, работающих под атмосферном давлением (0,1 МПа).
Производительность катализатора с повышением давления увеличивается, поскольку объём газа обратно пропорционален давлению, а оптимальное время контактирования с повышением давления увеличивается незначительно.
Оптимальным временем контактирования называется отрезок времени, в течение которого при соприкосновении газовой смеси с катализатором достигается максимальный выход NO.
Повышение давления ускоряет процесс окисления аммиака, так как увеличивается концентрация реагирующих компонентов. Использование давления для этой цели не имеет смысла, так как скорость окисления аммиака и так очень велика (прядка 10–4 с).
На направление реакции изменение давления существенно не сказывается, поскольку процесс практически необратим.
Повышение давления имеет в данном случае свои плюсы и свои минусы.
Повышение давления приводит к существенному уменьшению объёма газовой смеси и, следовательно, к уменьшению габаритов оборудования, что является положительным.
Отрицательными можно назвать следующие две причины.
Первая – повышается расход платины, так как возрастает число сеток в пакете и увеличивается унос драгоценного металла. При Р = 0,1 МПа унос катализатора составляет не более 0,05 г на 1 т HNO3 , при Р = 0,8 МПа (или 8 ат.) унос – 0,4 г на 1 т HNO3. Улавливание микроскопических частиц платины из нитрозного газа процесс весьма сложный и не обеспечивает полного устранения потерь платины, что значительно удорожает товарную продукцию.
Вторая причина – при повышении давления необходимо увеличивать толщину стенок аппаратуры, в результате чего возрастает её стоимость.
В промышленности для конверсии аммиака применяют избыточное давление Р = 0,2 – 1,0 МПа.
Обычно выход NO при конверсии аммиака под давлением несколько ниже, чем при атмосферном давлении. Возможно из-за проскока аммиака. Установлено, что можно достичь высокого выхода NO и при больших давлениях вплоть до 3,59 МПа, но при условии повышения температуры. Например, для достижения степени превращения 98 % под давлением 1,57 МПа температуру надо повысить до 980 – 1000 ºС.
Повышение давления увеличивает линейную скорость газа и напряжённость катализатора. Напряженность катализатора – это количество аммиака, окисляемого на 1 м2 поверхности сетки или отнесённое к 1 г катализатора в единицу времени.
3.2.5. Состав газовой смеси.
Состав газовой смеси влияет на общую скорость процесса, особенно, если лимитирующей стадией является не диффузия, а химическая реакция.
По уравнению реакции (3.1):
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O
соотношение O2 : NH3 = 1,25 (5/4 = 1,25) .
Из Рис.9 следует, что при соотношении 1,25 выход NO мал, не превышает 65%.
Для увеличения степени превращения аммиака в NO на практике применяют соотношение O2: NH3 = (1,8 – 2,0).
Это соответствует содержанию аммиака в аммиачно-воздушной смеси 11,0 – 11,5% (об.) NH3. Такое соотношение характерно для интервала температур (870 – 900)°С. При более низких температурах (750 – 800) содержание аммиака в аммиачно-воздушной смеси должно быть снижено примерно до (10,0 – 10,5)% (об.).
На практике в исходной смеси содержание аммиака берут около (10,0 – 10,5)% (об.). Объясняется это, по крайней мере, двумя причинами.
Первая – при таком соотношении процесс протекает автотермично, без дополнительного подвода тепла.
Вторая причина – смесь аммиака с воздухом в некотором интервале температур взрывоопасна. Интервалы или пределы взрываемости (17 – 27) % (об.). Причем при увеличении температуры пределы взрываемости расширяются.
Рис.9. Зависимость выхода NO от соотношения концентраций O2 и NH3