Каталізатор окиснення аміаку для виробництва азотної кислоти на основі ортокобальтатів ітрію-гадолінію

Реферат: Даний винахід належить до каталітично активного компонента каталізатора, що включає однофазні оксиди на основі змішаних оксидних систем ортокобальтату ітрію-гадолінію; способів окиснення аміаку і вуглеводню у присутності цього каталітично активного компонента і його застосування. UA 114446 C2 (12) UA 114446 C2 UA 114446 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Область техніки Даний винахід відноситься до каталітично активного компонента каталізатора, який містить однофазні оксиди на основі змішаних оксидних систем ортокобальтату ітрію-гадолінію; каталізаторів, що містять цей каталітично активний компонент; способів окиснення аміаку і вуглеводню у присутності цих каталізаторів, що містять каталітично активний компонент, і до застосування цих каталізаторів. Попередній рівень техніки Зараз азотна кислота виробляється у промисловості за допомогою каталітичного окиснення аміаку над сітчастим каталізатором на основі платини або платинового сплаву. Цей процес, відомий як процес Оствальда, по суті залишився без змін з моменту його створення в перші десятиліття ХХ століття. Патент Оствальда був датований 1902 роком і, об'єднаний з синтезом аміаку, розробленим Хабером у 1908 році, був прийнятий як основа для промислового виробництва азотної кислоти, яке використовується в наші дні. Спалювання аміаку проводять над каталізатором на основі металевої платини або її сплаву у формі дротяної сітки або сита, або сіті. Безліч сіток монтують разом, і вони є пакетом сіток. Верхні сітки мають композиції, оптимізовані для спалювання аміаку і звуться сітками для спалювання. Сітки з іншими композиціями можуть бути розміщені нижче сіток для спалювання і можуть мати інші функції, як описано нижче. Повний набір сіток називають пакетом сіток. Сітки виробляються шляхом плетіння або в'язання. Робочі температури на установках, зазвичай, складають від 830 до 930°С, а діапазон тиску складає від 100 кПа до 1500 кПа. Зазвичай, сітки для спалювання монтуються на установці на період від шести місяців до двох років залежно від умов експлуатації установки. Установки, що працюють при високому тиску, зазвичай мають коротші терміни служби, ніж установки з низьким тиском. Тривалість терміну служби визначається втратою селективності каталізатора по відношенню до цільового продукту оксиду азоту за рахунок підвищеного утворення небажаних побічних продуктів азоту і закису азоту. Втрата селективності пов'язана з безліччю явищ. Під час згоряння платина втрачається за рахунок утворення пари PtO2. Деяка кількість платини може бути відновлена за допомогою установлення сіток на основі металевого паладію безпосередньо під сітками для спалювання на основі платини. Пара PtO2 сплавляється з паладієм і за рахунок цього платина зберігається у каталітично активній зоні. Проте, зважаючи на вичерпання платини у верхній зоні спалювання в пакеті сіток не весь аміак негайно згоряє. Якщо аміак спалюється в області паладієвих сіток, селективність відносно оксиду азоту знижується, а крім того, якщо аміак і оксид азоту співіснують у паровій фазі протягом деякого періоду часу, аміак зменшує кількість оксиду азоту шляхом гомогенної реакції. Це призводить до втрат як оксиду азоту, так і аміаку. Кінцевий механізм втрати селективності пов'язаний з тим, що платина втрачається на сітках для спалювання з більшою швидкістю, ніж інші елементи сплаву (зазвичай, родій). Це призводить до збагачення сіток для спалювання родієм, що веде до втрати селективності. За останні шістдесят років було зроблено багато спроб замінити дорогі каталізатори для спалювання на основі платини дешевшими каталізаторами, наприклад, на основі оксидів металів. На сьогоднішній день єдиний комерційно доступний каталізатор для спалювання аміаку на основі оксиду був розроблений компанією Incitec Ltd (Австралія). Він оснований на фазі оксиду кобальту. Проте, з погляду його селективності для спалювання аміаку до цільового продукту оксиду азоту, його продуктивність нижча, ніж у систем на основі платини. Системи на основі оксиду кобальту показали рівні селективності близько 90% на промислових установках порівняно з рівнем від 94 до 98%, досягнутим з каталізаторами на основі платини. Велику увагу було приділено використанню змішаних оксидів із структурою перовскіту, наприклад, ромбоедричного кобальтату лантану, як каталізаторів для окиснення аміаку. Проте, розглядаючи умови, яким піддається каталізатор при промисловому окисненні аміаку, можна ясно побачити, що вони не підходять для забезпечення його стабільності. Окиснення аміаку в промисловому масштабі відбувається за температури від 830 до 930°С і під тиском від 100 кПа до 1500 кПа. Концентрація аміаку знаходиться в діапазоні від 8,5 до 12 мольних відсотків (моль %) залежно від умов виробництва, при цьому частина газу, що залишилася, складається з повітря. Таким чином, початковий газ для окиснення має композицію з приблизно 10 моль % NH3, 18,7 моль % O2 і частини, що залишилася, яка є азотом. Коли аміак окиснюється до NOX (NO + NO2) з ефективністю 95%, композиція газу приблизно відповідає 9,5% NOx, 6% O2 і 15% пари води. (Частина композиції газу, що залишилася, є азотом і деякою кількістю N2O, що складає від 800 до 2000 частин на мільйон). Таким чином, каталізатор окиснення аміаку піддається впливу високих температур і газового середовища, що містить кисень і пару води. Ці 1 UA 114446 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 умови є ідеальними для випаровування іонів металів у формі гідроксидів і оксигідроксидів. Таким чином, матеріал втрачатиметься з каталітичної реакційної зони у вигляді частинок парової фази, які, у свою чергу, осідатимуть нижче, у зоні охолоджування реакторної системи. Якщо розглядати випаровування зі змішаних оксидів (тобто, таких, які містять більше ніж один металевий компонент), то воно найчастіше є інконгруентним процесом випаровування. Він є такою ситуацією, коли один компонент в оксиді має вищу швидкість випаровування ніж інший або ніж інші. Якщо розглядати перовскітну систему кобальтату лантану, то при нагріванні в атмосфері, що містить кисень і пару води, кобальтовмісні частинки, такі як CoOOH, мають набагато вищий тиск пари, ніж переважаючі лантановмісні частинки La(OH)3. Внаслідок цього кобальт випаровується більшою мірою, ніж лантан, таким чином, випаровування є інконгруентним. Результатом переважного випаровування кобальту є те, що з часом нестехіометричну межу X перовскіту кобальтату лантану буде перевищено (LaCo1−XO3 де 0