Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 6
1.1. Окисление аммиака на платиноидном катализаторе 6
1.2. Пути снижения потерь платиноидов и способы их улавливания 19
1.3. Двухступенчатое окисление аммиака на платиноидном и оксидном катализаторе 25
1.4. Газораспределение в контактных аппаратах и эффективность конверсии аммиака 29
1.5. Математическое моделирование и кинетика процесса окисления аммиака 35
1.6. Выводы и постановка задачи 40
Глава 2. Экспериментальная часть 42
2.1. Характеристика объектов исследования 42
2.2. Описание лабораторной установки и опытно-промышленного стенда для испытания каталитических систем 43
2.3. Методика измерения концентраций аммиака, оксида азота и расчета выхода оксида азота 48
Глава 3. Одноступенчатое окисление аммиака на платиноидном катализаторе 51
3.1. Платиноидные катализаторные сетки для окисления аммиака 51
3.2. Математическое моделирование процесса окисления аммиака на платиноидном катализаторе 53
3.3. Результаты обработки экспериментальных данных по математической модели 61
3.4. Анализ процесса окисления аммиака на платиноидных сетках разного типа 64
3.4.1. Влияние массы платиноидов на выход оксида азота для тканых и вязаных сеток 65
3.4.2. Влияние наружной поверхности тканых и вязаных сеток на выход оксида азота 67
3.4.3. Изменение выхода NO за слоем платиноидных сеток в зависимости от остаточного содержания аммиака 69
3.4.4. Влияние свободного объёма катализаторного слоя на выход оксида азота 73
Глава 4. Двухступенчатое окисление аммиака на платиноидном и блочном оксидном катализаторе регулярной структуры 76
4.1. Испытание блочного катализатора в реакции окисления аммиака, приготовленного из различного оксидного сырья 76
4.2. Моделирование окисления аммиака на блочном оксидном катализаторе 78
4.3. Анализ процесса окисления аммиака в условиях двухступенчатого окисления на блочном катализаторе 83
4.3.1. Макрокинетические особенности превращения аммиака 84
4.3.2. Влияние высоты слоя блочного катализатора и геометрии блоков на эффективность функционирования двухступенчатой системы окисления аммиака 90
4.4. Исследование двухступенчатой каталитической системы окисления аммиака с улавливающими сетками 94
4.4.1. Исследование одноступенчатых каталитических систем с ткаными платиноидными и улавливающими сетками 94
4.4.2. Двухступенчатая система с вязаными и улавливающими сетками 99
4.4.3. Промышленная реализация окисления аммиака на двухступенчатой системе с вязаными и улавливающими сетками 100
Выводы 103
Библиография 106
Приложения 120
- Двухступенчатое окисление аммиака на платиноидном и оксидном катализаторе
- Описание лабораторной установки и опытно-промышленного стенда для испытания каталитических систем
- Математическое моделирование процесса окисления аммиака на платиноидном катализаторе
- Моделирование окисления аммиака на блочном оксидном катализаторе
Введение к работе
Азотная промышленность представляет собой одну из ведущих подотраслей современной химической промышленности, что объясняется важнейшим значением связанного азота в экономике страны. Для развития её технического уровня необходимы принципиально новые решения по разработке и внедрению каталитических систем, направленные на улучшение достигнутых экономических и технологических показателей.
Центральное место в технологической схеме производства слабой азотной кислоты занимает процесс каталитической конверсии аммиака, который осуществляют по двум возможным вариантам: либо на чисто платиноидном катализаторе, либо с применением двухступенчатой системы, где в качестве первой ступени используют платиноидные сетки, а второй -оксидный катализатор, как правило, на основе оксида железа. Сплавы платины с родием или палладием в виде тканых или вязаных сеток по своей активности и термостойкости считаются лучшими катализаторами. Но, в процессе эксплуатации прочность сеток сильно снижается, и возрастают потери драгметаллов. Так, в системах, работающих под давлением, безвозвратные потери платиноидов составляют 0,14-0,16 г/т азотной кислоты и за время пробега сеток в абсолютном выражении могут превысить 50% от первоначальной загрузки. На величину потерь платиноидов в большой степени влияет равномерность распределения аммиачно-воздушной смеси (ABC) по сечению контактного аппарата. Применяемые способы распределения и устройства не дают существенного улучшения, более того, в некоторых случаях они провоцируют побочные реакции, что увеличивает расходный коэффициент по аммиаку. Неудовлетворительное газораспределение вызывает также снижение выхода оксида азота, который в системах под давлением не превышает 94,7 %.
Известные сорбенты для улавливания аэрозолей и паров платиноидов имеют зернистую форму, обладают высоким аэродинамическим сопротивлением и гигроскопичностью. Со временем поглотительная масса
уплотняется, усиливается неоднородность слоя, ухудшается газораспределение ABC, увеличивается износ платиноидных сеток и снижается выход оксида азота.
Принципиально новым методом осуществления режима конверсии аммиака, снижения вложений и потерь платиноидов, повышения выхода оксида азота, является применение блочных сотовых (регулярных) структур. Использование регулярного слоя катализатора, распределительной насадки или сорбента по отдельности или в совокупности, позволит реализовать ряд полезных эффектов, таких как:
сократить на 30-35 %, капитальные вложения на драгметаллы,
улучшить режим окисления аммиака и сократить потери драгметаллов за счет идентичных условий по явлениям массо - и теплообмена по сечению аппарата, обусловленных тождественностью геометрических размеров и свойств индивидуальных каналов регулярных структур,
снизить гидравлическое сопротивление контактного аппарата.
Другим вариантом повышения эффективности работы каталитической системы является создание новой двухступенчатой системы, в которой между первой и второй ступенями каталитической системы устанавливаются сетки из сплава, содержащего палладий, который обладает достаточно высокими каталитическими характеристиками и способностью улавливать платину, теряемую катализаторными сетками в процессе их эксплуатации. Это позволит дополнительно сократить первоначальные вложения и снизить безвозвратные потери дорогостоящей платины при одновременном сохранении первоначального значения степени конверсии аммиака.
Целью настоящей работы является синтез эффективной каталитической системы с улавливающими сетками на основе разработки математических моделей и экспериментальных исследований процесса окисления аммиака на платиноидных сетках разного типа и двухступенчатых каталитических системах в условиях, идентичных режиму функционирования промышленного агрегата производства азотной кислоты УКЛ-7.
Двухступенчатое окисление аммиака на платиноидном и оксидном катализаторе
Одним из направлений снижения вложений и потерь платиноидных металлов является осуществление контактного окисления аммиака на двухступенчатом катализаторе. Появившись как компромиссный вариант между растущим дефицитом и дороговизной платины и необходимостью сохранения высоких показателей конверсии при общей тенденции роста производительности агрегатов, процесс двухступенчатой конверсии в настоящее время занимает прочные позиции.
Отечественные разработки по созданию двухступенчатой системы конверсии ведут начало с конца 50-х годов [81]. В качестве активного компонента неплатинового катализатора известны оксиды переходных и редкоземельных металлов, такие как кобальта [48, 49, 82], хрома [15, 82], железа [23, 83], висмута [15, 23], никеля и марганца [84, 85], бериллия, лантана [54], галлия [86, 87], церия, циркония [56, 88-93]. Наиболее высокий выход оксида азота удается получить на оксидах кобальта, хрома и железа.
Использование оксидов в чистом виде нецелесообразно вследствие их невысокой термостойкости и ухудшающейся со временем селективностью. Так, при температуре 1023-1073 К выход оксида азота на чистом оксиде железа составляет 89-91 % при практически полном превращении аммиака. Однако при повышении температуры выход NO падает 10-15 %. В РФ широкое применение в течение длительного времени получил железохромовый катализатор типа КН-2 или КН-2У [3], пригодный для конверсии аммиака при атмосферном и повышенном давлении. Активной составляющей катализатора является гематит a- Fe203, а роль оксида хрома заключается в придании ему повышенной реакционной стабильности. При окислении аммиака под атмосферным давлением и температурах 1053-1093 К в двухступенчатой системе с катализатором КН-2 в качестве II ступени селективность последнего достигает 100 %. Внедрение в промышленность катализатора позволило сократить вложения платины на 60 %, а их удельные потери - на 20-25 %. Срок службы катализатора составляет не менее 6 лет, но при повышении температуры реакции более 1123-1133 К в катализаторе происходит его дезактивация при значительном сокращении удельной поверхности и объема пор. Поскольку селективность катализатора не зависит от его пористости и удельной поверхности [88] причина ее снижения связана с образованием низших оксидов железа — в основном, магнетита FesO Обширные исследования по промотированию a- Fe203, описанные в [89-90], не привели к получению катализатора, конкурентоспособного с платиноидным. Чрезвычайно узкий рабочий интервал температур, неизотермичность процесса в слое, недостаточно высокая селективность - все это является препятствием на пути промышленного освоения процесса окисления аммиака только на оксидном катализаторе. При переходе от одностадийного к двухступенчатому окислению аммиака с заменой части платиноидных сеток на оксидный катализатор в значительной мере изменяются условия или режим процесса. Полагают [89], например, что слой неплатинового катализатора, высотой 100-150 мм, создавая существенное дополнительное сопротивление, способствует выравниванию поля скоростей ABC по сечению аппарата. Этому помогает также инверсия режима течения потока от турбулентного в пакете сеток к ламинарному в слое зернистого катализатора. Следует, однако, заметить, что приписывание слою зернистого материала стабилизирующей в гидродинамическом смысле функции сомнительно [93-95].
Установление оптимального отношения числа сеток к высоте платиноидного катализатора имеет первостепенное значение при эксплуатации двухступенчатого катализатора. Увеличение высоты слоя неплатинового катализатора сверх необходимого будет всегда приводить к снижению селективности процесса [3]. В результате длительных испытаний установлено, что в промышленных условиях конверсии аммиака под атмосферном давлении оптимальная высота слоя оксидного катализатора составляет 50-60 мм при одной (вместо трёх - при одинарном контактировании) платиноидной сетке на I ступени [11]. На платиноидной сетке окисляется 85-90 % аммиака, а в слое оксидного катализатора — остальное количество. С увеличением расстояния между ступенями от 20 до 300 мм выход оксида азота снижается на 0,5-1,4 %. Для подавления побочных реакций рекомендовано платиновую сетку укладывать непосредственно на оксидный катализатор. Перевод агрегатов производства азотной кислоты с конверсией под атмосферным давлением на двухступенчатое окисление обеспечил, при сохранении средних значений выходов оксида азота на уровне 96-97 %, 40%-ное снижение вложений и потерь платиноидов. Основные исследования двухступенчатого окисления аммиака под давлением проведены Атрощенко В.И. соавт. [48, 96].
Увеличение расстояния между ступенями вызывает снижение выхода оксида азота [97]. Причем с увеличением давления падение выхода NO более значительное. Дефиксация азота в свободном пространстве происходит за счет взаимодействия аммиака с оксидом азота. Аналогично окислению при атмосферном давлении расстояние между ступенями должно быть минимальным. Отрицательное влияние давления на выход оксида азота компенсируется увеличением числа сеток на I ступени. Так, если при давлении 0,716 МПа для достижения выхода NO 92,5 % нужно 7 сеток, то при 0,981 МПа - уже 11. Исследования влияния степени конверсии аммиака от времени контактирования показали, что как и для чистоплатиноидного катализатора, эта зависимость является экстремальной. Независимо от давления процесса выход N0 достигает максимального значения при времени пребывания (4-6)-10"2 с.
Описание лабораторной установки и опытно-промышленного стенда для испытания каталитических систем
Принципиальная схема данной установки представлена на рис. 1. Аммиак из баллона через гофферовский вентиль Bi поступает в маностат М3, проходит фильтр Фі и через кран KPi и реометр PMi направляется в смеситель СМ]. Аммиак, сбрасываемый из маностата, поглощается водой в склянке ГЮ2. Воздух из централизованной линии через запорный вентиль В2, пройдя систему очистки от механических примесей (склянка Сі с углем) через маностаты Мь М2 и фильтры К и Ф2 поступает в смеситель СМ]. Расход воздуха регулируется краном КР2 и замеряется реометром РМ2.
Аммиачно-воздушная смесь с содержанием аммиака 10,2-11,0 об. %, полученная в смесителе СМЬ для дополнительного смешения проходит склянку Е], заполненную стеклянными кольцами, и нагретая до температуры 373-393 К поступает в кварцевый реактор КА (контактный аппарат), где при температуре 1163-1193 К происходит окисление аммиака на катализаторе.
Кварцевый реактор представляет собой стеклянный аппарат, состоящий из двух кварцевых трубок, соединенных кварцевым шлифом. Реактор снабжен кольцом для установки платиноидной сетки, кварцевой сеткой для удержания зернистого или фрагментов блочного оксидного катализатора и карманом для термопары диаметром 6 мм, проходящим по оси трубки через слой катализатора. Аппарат имеет пробоотборные точки для ABC АН] и нитрозного газа после платиноидной сетки АН2 и слоя оксидного катализатора АН3. Реактор помещен в электропечь П, предназначенную для разогрева катализатора и нагрева ABC перед пуском установки и компенсации потерь тепла в окружающую среду во время проведения эксперимента.
Образовавшиеся нитрозные газы поступают в холодильник Х, где при их охлаждении происходит конденсация образовавшихся паров азотной кислоты. Образовавшийся конденсат азотной кислоты сливается в сосуды-колонки Е2 и Е3, туда же поступают нитрозные газы для сепарации от влаги. Далее выхлопные газы поступают в поглотитель ПО с раствором перекиси водорода и оттуда - на выхлоп. Регулирование нагрева электропечи П осуществляется при помощи лабораторного трансформатора и амперметра. Для замера и контроля температуры используются термопары Х-А с потенциометрами-милливольтметрами, шкала которых отградуирована в С.
Опытно-промышленные испытания различных каталитических систем для окисления аммиака проводились на установке под давлением, разработанной специалистами ООО «НТЦ «АЛВИГО - М» и смонтированной в цехе производства неконцентрированной азотной кислоты 1 очереди ОАО «Акрон», г. Великий Новгород.
Установка предназначена для определения активности и селективности различных каталитических систем для окисления аммиака в оксид азота (II) при различных давлениях (до 0,73 МПа), линейных скоростях аммиачно-воздушной смеси в рабочих условиях (до 5 м/с) и температурах (1153-1173 К). Расчётные значения критерия Re для условий, реализуемых в реакторе, соответствуют развитому турбулентному режиму. Это означает, что гидродинамическая обстановка в нём не отличается от таковой в промышленном аппарате, что позволяет говорить о наличии физического подобия между моделью и реальным объектом [146]. Технологический процесс во время эксплуатации установки состоит из следующих основных стадий: подготовка и компримирование воздуха; подготовка газообразного аммиака; подготовка аммиачно-воздушной смеси и окисление аммиака в оксид азота (II). Первые три стадии проводятся на основном оборудовании агрегата УКЛ- 7 в соответствии с технологическим регламентом производства неконцентрированной азотной кислоты под давлением 0,73 МПа ввиду того, что опытная установка подключается по внутреннему контуру (в байпас) к технологическому тракту агрегата УКЛ-7 № 3. Контактный аппарат основного агрегата и опытная установка работают параллельно, поэтому ни отходов, ни выбросов в атмосферу нет. Аммиачно-воздушная смесь в количестве до 500 нм3/ч с температурой до 523 К поступает в основной аппарат установки, которым является реактор с рабочим диаметром 0,15 м, работающий в режиме гидродинамического подобия с промышленным контактным аппаратом агрегата УКЛ-7. Схема опытного реактора представлена на рис. 2. Со, Сої, Сог, Сш - содержание аммиака в исходной ABC, после слоя плагиноидных сеток, после слоя блочного катализатора и в точке на расстоянии 250 мм от слоя блочного катализатора соответственно, мае. (об.) %; CHOI, СЫОЗ, CNOJ - концентрация оксида азота после слоя пдатиноидных сеток, после слоя блочного катализатора и в точке на расстоянии 250 мм от слоя блочного катализатора соответственно, мае. (об.) %; о./, ctj, ct) выход оксида азота после слоя платиноидиых сеток, после слоя блочного катализатора и в точке на расстоянии 250 мм от слоя блочного катализатора соответственно, %.
Реактор включает в себя реакционную зону, где происходит процесс окисления аммиака до оксида азота при температуре 1163-1193 К и состоящую из пакета платиноидных сеток и слоя (если есть необходимость использования) блочного катализатора. Также реактор снабжен четырьмя пробоотборными точками, расположенными на расстоянии (сверху вниз от линии отбора исходной ABC): 0,1 м - слой платиноидных сеток, 0,15 -слой блочного катализатора и 0,4 м. В ходе экспериментов отбирали пробы газа для анализа на содержание в нем аммиака и оксида азота (II).
Аммиачно-воздушная смесь подается сверху на каталитическую систему, где при температуре 1173-1193 К происходит процесс окисления аммиака. Во время эксперимента фиксируется скорость газового потока в сечении реактора 8±0,2 нм/с и температура по высоте слоя оксидного катализатора, определяются. концентрации аммиака и оксида азота (II).
Отбор проб на анализ производится с помощью вакууммированных шаров Гайяра, заполненных раствором H2S04 (в случае отбора проб на NH3) или раствором Н2Ог (при отборе проб на NO). Используется объёмно-весовой метод анализа [147]. Титрованием определяется содержание аммиака в ABC и аммиака, окисленного до оксида азота (II).
Математическое моделирование процесса окисления аммиака на платиноидном катализаторе
Существуют достаточно обоснованные представления о механизме каталитического окисления аммиака на платиноидном катализаторе, его кинетической модели, выборе условий, обеспечивающих максимальный выход оксида азота [13, 126, 128, 131, 132]. К сожалению, для расчета промышленных реакторов воспользоваться известными работами затруднительно по ряду причин. Во-первых, в опубликованных работах исходные экспериментальные данные получены в лабораторной установке, предназначенной для осуществления кинетических измерений в идеальных условиях. Очевидно, что промышленные условия окисления аммиака в значительной степени отличаются от лабораторных условий, прежде всего, по масштабу реактора и режиму течения в нем газового потока (ламинарный режим течения в лабораторном реакторе и развитый турбулентный — в промышленном). Во-вторых, авторы работ различным способом интерпретируют и определяют время контакта (пребывания) газовой смеси с катализатором, что не позволяет провести анализ и сопоставление экспериментальных данных с необходимой точностью. Наконец, в известных работах использован единственный и уже устаревающий тип катализаторных сеток - тканые сетки.
Поэтому имеющиеся математические модели окисления аммиака требуют серьезной корректировки с целью возможного их использования в промышленных условиях.
Нами предложена математическая модель процесса окисления аммиака и уточнены параметры на основе данных, полученных в опытном реакторе, моделирующем промышленные условия эксплуатации отечественного агрегата производства неконцентрированной азотной кислоты, работающего под единым давлением 0,716 МПа (УКЛ-7). Модель отражает общие закономерности протекания процесса на сетках разной текстуры (тканые или вязаные) при формировании из них катализ аторного слоя в промышленном аппарате.
Схема превращения аммиака на платиноидном катализаторе, как известно [3], может быть представлена реакциями: К сожалению, достоверных кинетических данных по реакции (4) в литературе нет, поскольку перед исследователями ранее не стояла задача изучения реакции, не имеющей полезного значения для промышленности. Что касается реакции (5), ее вклад в общий химизм процесса окисления ничтожен, и она может только рассматриваться, как источник образования закиси азота. Поэтому при разработке математической модели мы опирались на реакции (1-3). Процесс протекает адиабатически и контролируется внешней диффузией [126]. Температура катализатора в слое платиноидных сеток меняется незначительно [150], и, вследствие теплопереноса по слою контакта, температура в слое выравнивается. Поэтому можно принять, что окисление аммиака на поверхности катализатора протекает при постоянной температуре, определяемой величиной адиабатического разогрева реакционной смеси, поступающей в слой сеток. Кроме того, сам слой платиноидных сеток не обладает геометрически детерминированной структурой: платиноидный катализатор изначально может состоять из сеток различного плетения, по разному прилегающих друг к другу; в процессе эксплуатации часто происходит провисание, уплотнение или разрыхление сеток, т.е. появляются дополнительные нарушения структуры слоя. Скорости всех этапов превращения аммиака будем относить к единице массы платиноидного катализатора. Тогда материальный баланс процесса, протекающего при значительном влиянии внешнего массопереноса, описывается уравнением: где ШІ - количество /-го вещества (ЫНз либо NO), превратившегося при прохождении через слой катализатора массой dGK) cb cis - концентрация /-го вещества, соответственно, в потоке и на поверхности катализатора; /? -коэффициент массообмена между поверхностью катализатора и потоком реакционной смеси; 5ул - удельная геометрическая поверхность катализаторной сетки, отнесенная к единице массы.
Оценка показала, что эффект продольного перемешивания незначителен по сравнению с конвективным переносом вещества.
Реакция протекает на поверхности катализатора при концентрациях cis которые определяются из уравнения: где W,[csj - скорость превращения і-го вещества, зависящая от концентраций реагентов с на поверхности.
Влиянием потоков, возникающих в неизотермическом пограничном слое в многокомпонентной смеси, - стефановским потоком, термодиффузией, диффузионной теплопроводностью — в данном случае можно пренебречь, поскольку объем реакционной смеси при окислении аммиака меняется не более чем на 1%; мало различаются молекулярные массы компонентов и, соответственно, их коэффициенты диффузии [151, 152].
Количества веществ JV,- выразим через начальный объемный расход реакционной смеси V0 при нормальных условиях, т.е. при температуре Т0 = 273 К и давлении Р0 = 0,098 МПа (н.у.), содержание в ней аммиака с0 и его доли, прореагировавшей в целом х и превратившейся в оксид азота у: Gk где gK =—- - условный период контакта, отнесенный к единице массы К) катализатора (обратная величина нагрузки по газу на единицу массы катализатора); индексы 1 и 2 относятся, соответственно, к NH3 и N0.
Уравнения (2-4) представляют в общем виде математическую модель процесса окисления аммиака в слое катализатора, протекающего во внешнедиффузионном режиме. В этих уравнениях начальная концентрация с0 соответствует содержанию вещества в единице объема реакционной смеси при н.у., а текущие концентрации сь С\5 определены при рабочих температуре и давлении. Естественно, что коэффициент массообмена /? зависит от условий процесса. Приведем переменные и параметры модели к единой системе.
Моделирование окисления аммиака на блочном оксидном катализаторе
Процесс окисления аммиака в блочном катализаторе, как и в слое платиноидных сеток, протекает во внешне диффузионном режиме, и в каналах блока описывается моделью идеального вытеснения. Для построения математической модели, как и в случае окисления аммиака на платиноидном катализаторе, используем следующие два независимых стехиометрических уравнения:
Выберем уравнения превращения аммиака и оксида азота. Превращение аммиака в слое катализатора описывается уравнениями: где VQ - объем потока, поступающего в слой при нормальных условиях; с0 -объемная концентрация аммиака в исходном газе; х - доля непрореагировавшего аммиака; Syn - поверхность каналов в единице объема блока (удельная поверхность); с и сп - концентрации, соответственно, в потоке и на поверхности катализатора при рабочих условиях; w (сп) - скорость превращения вещества на поверхности катализатора. Превращение оксида азота представлено аналогичными уравнениями, но вместо х используется у - доля превратившегося аммиака в NO. Концентрации аммиака cNH и оксида азота cN0 при рабочих условиях определим через со, х и у и приведем к нормальным условиям: где Р, Р0 - давление общее и стандартное; Т — температура. Превращения на оксидном катализаторе аналогичны схеме превращений на платиноидном катализаторе: N2 Используем кинетическую модель реакции как на платиноидном катализаторе [156], но, естественно, с другими константами: где Tj - скорости частных реакций в схеме превращений (20); pNH , / N0 - парциальные давления, соответственно, NH3 и NO. Из (21) следуют скорости превращения аммиака W\ и оксида азота w2: Парциальные давления компонентов р- н? и Рцо где Р общее давление. В каналах блочного катализатора течение ламинарное (Re 2300), и коэффициент массопереноса /? рассчитывается по формуле [154]: где Nu =— - критерий Нуссельта; Ре = — - критерий Пекле; и - скорость D а потока в канале; d - диаметр канала; L - длина канала (высота блока); а -коэффициент температуропроводности. Принимаем коэффициент температуропроводности, равным коэффициенту диффузии D (а = ), и получим из (24): Формула (25) — для установившегося течения в канале, при Lid 50. На начальном участке канала движение не установившееся, и значение Р надо умножить на коэффициент %. Табличные данные s L/d) из [5] аппроксимированы приближенной формулой: где / - текущая высота канала.
Преобразуем уравнения (18), используя соотношения (19), (22), (23), и следующие зависимости составляющих уравнения от условий процесса; где м0 = VQ/S — скорость потока в сечении реактора при нормальных условиях; 5СЕ - свободное сечение катализаторного блока (доля площади сечения каналов в блоке). Математическая модель окисления аммиака в блочном катализаторе с принятой кинетической моделью реакции примет вид: где Д) - коэффициент массообмена при нормальных условиях, отнесенный к поверхности катализатора (поверхности каналов) в единице объема блока параметры уравнений; к\,ую 2,уд з,ул константы скоростей частных реакций окисления аммиака, отнесенные к единице наружной поверхности (каналов блока) катализатора. При изменении условий процесса параметры математической модели пересчитываются. Определим значение коэффициента массообмена /7СТ и константы скоростей реакции kjiC_ при некоторых значениях условий процесса, которые назовем "стандартными" (индекс "ст"). Из "стандартных" значений параметров можно рассчитать значения параметров математической модели для задаваемых условий процесса. Таким образом, математическая модель окисления аммиака на блочном катализаторе представлена системой уравнений (27), параметры которой определены соотношениями (26), (28), (29). Эксперименты по окислению аммиака только на блочном катализаторе приводили к большому разбросу результатов. Более надежные данные получались, если перед блочным катализатором устанавливалась хотя бы одна платиноидная сетка. По-видимому, надо было "зажечь" процесс. Поэтому для определения численных значений параметров были использованы результаты, приведенные в [157], - одна платиноидная сетка и блочный катализатор. На опытном стенде были исследованы двухступенчатые каталитические системы в виде 6-9 тканых платиноидных сеток Pto92 и 9-11 редковязаных платиноидных сеток Pto765 покоящихся на слое блочного катализатора сотовой высотой 0,05 м. Результаты расчёта выхода оксида азота при небольших остаточных концентрациях аммиака после платиноидных сеток близки к данным опытной установки. В результате обработки экспериментальных данных получены следующие значения параметров математической модели:
к\ = 100 нм3/(кг-с-атм); к2 = 3 нм3/(кгс-атм); 3 = 1 нм3/(кг-с-атм); /?= 300 нм3/(кг-с). На основе разработанной математической модели создана программа расчета процесса окисления аммиака на двухступенчатой каталитической системе в промышленном реакторе.
