Осажденные ферритовые катализаторы синтеза аммиака тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.01, кандидат технических наук Сибилева, Светлана Владимировна

• Сибилева, Светлана Владимировна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сибилева, Светлана Владимировна

Введение.

1 Литературный обзор.

1.1 Синтез аммиака.

1.1.1 Кинетика и механизм реакции синтеза аммиака.

1.1.2 Технология синтеза аммиака.

1.1.2.1 Технологические схемы синтеза аммиака.

1.1.2.1 Конструкции колонн синтеза аммиака.

1.1.3 Альтернативные процессы и их характеристики.

1.1.4 Мировые лидеры и место России.

1.2 Катализаторы синтеза аммиака.

1.2.1 Железные промотированные катализаторы.

1.2.2 Катализаторы на основе рутения.

1.2.3 Катализаторы на основе кобальта.

1.3 Ферриты: получение и свойства.

1.3.1 Основные типы структур и свойства ферритов.

1.3.2 Методы получения ферритов.

1.3.3 Способы получения магнетита.

1.3.4 Применение ферритов.

2 Методики проведения экспериментов.

2.1 Получение магнетита методом осаждения и прекурсора катализатора.

2.2 Определение формовочных свойств на штампе постоянного сечения.

2.3 Определение удельного объема пор пикнометрическим методом.

2.4 Испытание образцов катализатора на механическую прочность.

2.5 Методы расчета по изотермам,адсорбции-десорбции азота.

2.6 Методика полного элементного анализа твердых веществ.

2.7 Рентгенографический анализ.

2.7.1 Качественный рентгенофазовый анализ.

2.7.2 Определение параметра решетки.

2.7.3 Определение размеров областей когерентного рассеяния.

2.8 Определение активности катализаторов синтеза аммиака при атмосферном давлении.

2.9 Определение активности катализаторов синтеза аммиака на установке высокого давления.

3 Разработка способа приготовления осажденных магнетитовых катализаторов.

3.1 Влияние параметров синтеза на величину удельной поверхности осажденного магнетита.

3.2 Исследование влияния соотношения оксидов Fe0:Fe203 на активность осаждённых катализаторов.

3.3 Влияние содержания остаточного хлора на активность катализаторов

3.4 Исследование степени осаждения промоторов при получении прекурсора катализатора синтеза аммиака.

3.5 Исследование и выбор рациональных условий формования катализаторной массы.

3.5.1 Полусухое прессование.

3.5.2 Формование экструзией.

3.5.3 Испытания на активность в реакции синтеза аммиака.

4 Исследование способов введения и природы промоторов на активность катализаторов в реакции синтеза аммиака.

4.1 Влияние способа введения промоторов на активность осажденных магнетитовых катализаторов синтеза аммиака.

4.2 Осажденные магнетитовые катализаторы, модифицированные иттербием, иттрием и кобальтом.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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

Заключение диссертации по теме «Технология неорганических веществ», Сибилева, Светлана Владимировна

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-кратная- на фильтре промывным раствором с рН=9 при соотношении т:ж=1:3 приводит к уменьшению остаточного содержания- хлора 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. Выявлено; что наиболее эффективно введение калия в предварительно восстановленный образец, алюминия - в виде водного раствора нитрата алюминия- в 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-1В.

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 14000-15000 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-1В.

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-1В, однако сокращается разница в выходе аммиака между синтезированными образцами и промышленным катализатором СА-1В. Выход аммиака с единицы массы катализатора МК-УЬ-2 в 2,8-3,8 раз выше по сравнению с плавленым промышленным катализатором СА-1В.