3 Фізико-хімічні основи вибраного методу виробництва

У технології виробництва азотної кислоти відомо декілька напрямків зниження концентрації оксидів азоту у викидному газі.

Перший – найбільш природний напрямок – покращення процесу кислотної абсорбції за рахунок підвищення тиску в процесі абсорбції, застосування штучного холоду та збільшення абсорбційних об’ємів.

Другий – очистка викидних газів від оксидів азоту після водної абсорбції в основному виробництві, на додатковій установці, де передбачується корисне вловлювання оксидів азоту (лужна абсорбція).

Третій напрямок – зниження концентрації оксидів азоту, що викидаються в атмосферу за рахунок попереднього розбавлення їх повітрям (що не зменшує абсолютної величини викидів).

Четвертий напрямок – відновлення оксидів азоту на каталізаторі за допомогою газів – відновників. На відміну від першого і другого методів очистки в даному випадку оксиди азоту не вловлюються, а руйнуються, відновлюючись до елементарного азоту. Собівартість цього способу очистки залежить від вартості каталізатора і газу – відновника, механічної міцності каталізатора, поєднання вузла каталітичної очистки викидного газу з апаратурою основного виробництва та апаратурного оформлення самого вузла каталітичної очистки. Як каталізатори найбільш широке розповсюдження знайшли метали платинової групи і деякі оксиди, включаючи природні матеріали, що являють собою складну комбінацію різних оксидів.

Сутність високотемпературного термокаталітичного відновлення NO_x до молекулярного азоту полягає в тому, що метан за високої температури перш взаємодіє з киснем, а потім з оксидами азоту.

Основні реакції процесу:

2O₂ + СН₄ = СО₂ + 2Н₂О + 890,36 кДж; (3.1)

2NO₂ + СН₄ = N₂ + СO₂ + 2Н₂O+957,36; (3.2)

4NО + СН₄ = 2N₂ + СO₂ + 2Н₂O + 1251,16 кДж. (3.3)

В якості каталізаторів процесу відновлення оксидів азоту було випробувано велику кількість металів та їх оксидів. Найкраще себе зарекомендував паладій нанесений на оксид алюмінію.

У вітчизняній хімічній промисловості каталітична очистка використовується в агрегатах, обладнаних високотемпературним реактором каталітичної очистки. Для цього застосовують алюмопаладієвий каталізатор типу АПК – 2. В якості другого шару в каталітичній системі використовують Al₂O₃,що дозволяє знизити витрати паладію. На цьому каталізаторі в лабораторних умовах (C_NOx = 0,08 – 0,1%, C_O2 = 4%, C_H2O = 3%, P = 0,101 МПа) при температурах 700 – 800 ^oC ступінь відновлення оксидів азоту близький до 100%.

У промислових умовах виробництва розбавленої азотної кислоти, що працюють під тиском 0,716 МПа з об’ємною швидкістю 15 тис. год^-1 , лінійною – до 1 м/с, при співвідношенні CH₄ : O₂ = 0,55-0,56. Час роботи каталізатору 3 роки, за цей період ступінь очистки знижується до 95%, залишковий вміст оксидів азоту зростає від 0,002 – 0,003% (об.) до 0,01%. Вміст залишкового метану в очищеному газі не перевищує 0,005% (об.). Витрата метану при 10% надлишку проти стехіометрії (за реакціями 3.1, 3.2,3.3).

Таблиця 3.2 – Характеристика каталізатору АПК – 2

Характеристика	Значення
Зовнішній вигляд:	Гранули жовто-коричневого кольору
Носій:	g-Al2O3
Масова частка,%: паладію	2
Діаметр, мм:	12*12 мм.
Насипна густина, кг/дм3 :	1,2
Активість конверсії NOx, % :	150-180
Механічна міцність на стирання, МПа:	3,5

Каталізатор АПК – 2 експлуатується при температурі 400 – 800 ^оС, тиску не більше 1 МПа, об’ємній швидкості до 22000 год^-1 . Залишковий вміст NO_x становить 0,003% - початок служби, 0,01% - кінець служби. Строк служби – 3 роки.