3.2.2. Скорость окисления аммиака.
Из двух реакций (3.2 и 3.3), конкурирующих с целевой реакцией окисления аммиака (3.1), наиболее опасной является реакция (3.3), приводящая к образованию элементарного азота.
Скорость обоих реакций (3.1 и 3.3) может быть описана общим для гетерогенного катализа уравнением:
υ = K·F·∆C
то есть скорость зависит от следующих параметров процесса:
– температура (через К – константу);
– давление (давление и концентрация газа находятся в прямо пропорциональной зависимости);
– состав аммиачно-воздушной смеси, то есть отношение NH3 : O2, (через ∆C);
– время контактирования, то есть время пребывания аммиачно-воздушной смеси в зоне катализатора (время и скорость обратно пропорциональны).
Влияние этих факторов на скорость окисления аммиака до NO (реакция 3.1) и до N2 (реакция 3.3) различно и, следовательно, выход продуктов реакции окисления различен.
ВЫВОД. Отсюда следует, что, регулируя параметры процесса, можно добиться наибольшего выхода продуктов целевой реакции.
А теперь рассмотрим, как различные указанные факторы влияют на скорость реакций (3.1) и (3.3).
3.2.3. Определение оптимальной температуры.
Температура оказывает существенное влияние на выход оксида азота NO. Каталитическая реакция окисления аммиака начинается при относительно низких температурах: на чистой платине – при 195 °С, на платиноидных катализаторах – около 300°С.
При увеличении температуры выход NO увеличивается. Объясняется это тем, что уменьшается проскок аммиака и снижается содержание в продуктах реакции N2 и H2O, то есть за счёт проявления большей селективности катализатора к целевой реакции (3.1).
Максимальный выход NO наблюдается при температуре 900 – 920°С. На чистой платине он достигает 96%, а на сплавах платины, родия и палладия – 99%.
(При этих температурах побочным продуктом окисления аммиака является азот N2)
В промышленных установках процесс ведут при температуре 800°С. Объясняется это тем, что при атмосферном давлении и повышении температуры от 800°С до 900°С выход целевого продукта NO увеличивается незначительно, а потери платины существенно возрастают. Кроме того, при температуре выше 800°С возрастает скорость реакции (3.3) с образованием молекулярного азота.
На рисунке (Рис.8) представлена зависимость выхода аммиака от температуры процесса.
Рис.8. Зависимость степени превращения аммиака при его окислении от температуры
ВЫВОД. Из рисунка видно, что благоприятной температурой для реакции (3.1) является интервал 750 – 800ºС. Однако при повышении температуры от 700 – 800ºС значительно ускоряется реакция (3.3) , идущая с образованием N2.
При средних давлениях (0,3 – 0,5МПа) окисление проводят при 850 – 870°С.
При высоких давлениях (0,7 – 1,0МПа) – при 900 – 920°С.
Почему при повышении давления можно увеличивать температуру процесса?
– При повышении давления уменьшается время контактирования и побочные реакции практически не успевают протекать.
На неплатиновых (оксидных) катализаторах, менее активных, время контактирования необходимо увеличивать в десятки раз по сравнению с платиноидными, при этом температура процесса снижается до 700 – 750 °С.