Технологія отримання сполук ванадію та молібдену з відпрацьованих каталізаторів

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Ванадій, молібден та нікель знаходять широке використання в хімічній, металургійній та інших галузях промисловості. Через відсутність діючих підприємств з переробки рудної сировини, яка містить ванадій та молібден, Україна змушена імпортувати сполуки цих металів. Водночас, щорічно в нафтохімічній промисловості утворюється до 15000 тон відпрацьованих нікель-молібденових каталізаторів, що використовуються в процесах гідроочищення нафти. Зазначені відпрацьовані каталізатори містять цінні компоненти в кількостях, достатніх для їх ефективного вилучення: вміст V2O5 досягає 7%, МоО3 - 3%, NiO - 3%, і ці компоненти утворюють складні системи, які потребують додаткового дослідження.

Через багатокомпонентний склад такої сировини в Україні відсутні технології переробки відпрацьованих каталізаторів нафтохімічної промисловості, котрі враховують усі екологічні та економічні вимоги до сучасних технологій.

Створення технології вилучення металів з відпрацьованих нікель-молібденових каталізаторів дозволить не тільки повернути ці компоненти у виробничий цикл, а й суттєво зменшити забруднення навколишнього середовища токсичними відходами. Фізико-хімічні властивості багатокомпонентних систем, що включають перехідні метали, практично повністю відсутні, тому вивчення хімізму та властивостей багатокомпонентних систем, що містять полівалентні та перехідні метали має актуальне наукове значення і дозволить розробити технологію переробки нікель-молібденових каталізаторів та поширити отримані закономірності на інші технології.

Мета та задачі досліджень. Метою роботи є розробка технології отримання сполук ванадію та молібдену з відпрацьованих каталізаторів з одночасною ліквідацією екологічно небезпечних відходів промисловості.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- провести термодинамічну оцінку можливих стадій процесу вилучення компонентів з відпрацьованих каталізаторів;

- дослідити процес термохімічної підготовки відпрацьованого каталізатору до процесу вилучення компонентів;

- вибрати оптимальні реагенти та умови процесу підготовки сировини, вивчити механізм процесу окиснювального випалу;

- вибрати реагенти та провести дослідження процесу розчинення компонентів каталізатору;

- вивчити кінетику розчинення основних сполук відпрацьованого каталізатору;

- дослідити процес осадження сполук ванадію у вигляді товарного продукту;

- запропонувати принципову технологічну схему та вибрати основне обладнання.

1. Аналіз науково-технічної літератури за темою дисертації

Розглянуто основні джерела відходів нафтохімічної промисловості, а також основні види каталізаторів, що містять важкі метали. Проведено аналіз зміни фізико-хімічних властивостей каталізаторів у процесі роботи. Установлено, що в процесі роботи каталізатори втрачають експлуатаційні характеристики і через деякий час відновлення їхніх властивостей неможливо. Проведено аналіз фізико-хімічних властивостей основних компонентів каталізатору та їхніх сполук, присутність яких можлива у відпрацьованому каталізаторі. Розглянуто сучасні способи переробки сировини, що містить полівалентні метали. Аналіз літератури показав, що однією з необхідних стадій у процесі вилучення компонентів є випал сировини у присутності активних добавок з подальшим розчиненням сполук у воді або лужних чи кислотних розчинах. Осадження сполук із розчинів проводять різними методами в залежності від складу отриманого при вилученні розчину. У літературі наводяться данні, що на процес розчинення як сполук ванадію так і молібдену негативно впливає присутність сполук кальцію та феруму. Показано, що для отримання товарних продуктів ванадію та молібдену при виборі розчинника слід звернути увагу на розчини аміаку.

Таким чином, визначено напрямок наукових досліджень дисертаційної роботи. Для з'ясування шляхів переводу компонентів каталізатора в розчинну форму необхідно виконати термодинамічну оцінку можливого складу відпрацьованого каталізатору та взаємодії компонентів каталізатору з киснем; провести дослідження складу відпрацьованого каталізатора на різних стадіях переробки та експериментальні дослідження процесу окиснювального випалу каталізатора; дослідити багатокомпонентну систему, що містить одночасно сполуки ванадію, молібдену та нікелю у водних розчинах аміаку; провести експериментальні дослідження процесів вилучення компонентів каталізатора у розчин та вивчити процес осадження сполук ванадію та молібдену з робочих розчинів і на підставі проведених досліджень запропонувати послідовність технологічних рішень у вигляді принципової технологічної схеми.

2. Результати досліджень основних фізико-хімічних властивостей та складу відпрацьованого Ni-Mo каталізатору, марки GR-25P, що використовувався в процесі очищення нафти від сполук сірки

Установлено, що відпрацьований каталізатор практично не має відкритих пор та має високу міцність порівняно з каталізатором, який не був в експлуатації.

Дослідження масового складу відпрацьованого каталізатору показало, що він містить до 20% вуглеводнів, які представлені фракціями до С36; 1,5% молібдену, 1,3% нікелю, а також ванадій в кількості 3,6%, а масовий вміст сірки та вуглецю складає 4,8 та 4,3% відповідно.

Рентгенофазовим аналізом встановлено, що у відпрацьованому каталізаторі ванадій знаходиться у вигляді сульфідів ванадію та сульфідів ванадію - молібдену.

Проведений термогравіметричний аналіз показав, що в межах температур 333 - 473 К проходить видалення вуглеводнів за рахунок випаровування, при температурах 613-723 К відбувається окиснення вуглеводнів, вуглецю та сульфідів металів до сульфатів та оксидів металів. При температурах 873-1073 К проходить окиснення сульфатів металів до оксидів.

Установлено, що властивості складових відпрацьованого каталізатору не дозволяють проводити вилучення компонентів без попередньої обробки, тому для вилучення компонентів з відпрацьованого каталізатору запропоновано попереднє видалення вуглеводнів, вуглецю та сполук сірки за допомогою випалу киснем повітря.

3. Термодинамічні дослідження зміни складу каталізатору в процесі роботи та оцінка термодинамічної імовірності протікання твердофазних реакцій між компонентами відпрацьованого каталізатору та киснем

З'ясовано, що в процесі випалу при температурі більше 573 К ймовірне окислення сульфідів та карбідів металів до оксидних сполук ванадію, молібдену та нікелю у вищих ступенях окислення.

Експериментальні дослідження фазових перетворень відпрацьованого каталізатору при різних температурах випалу (табл. 1) показали, що перехід сульфідних сполук в оксидні проходить при температурі вищій, ніж розрахункова. Це пов'язано з тим, що при температурах менше 773 К відбувається видалення вуглеводнів з пор каталізатору без зміни фазового складу каталізатору.

Таблиця 1. Фазовий склад відпрацьованого каталізатора при різних температурах випалу, ф=60 хв.

Результати досліджень впливу розміру часток на процес випалу відпрацьованого каталізатору показали, що при температурі 873 К та часі 60 хвилин оптимальний розмір часток становить 0,25-0,5 мм. Використання в процесі випалу часток >0,5 мм призводить до неповного окиснення внутрішнього шару часток каталізатору, а зменшення розміру часток <0,25 мм суттєво не підвищує повноту випалу.

Дослідження з вивчення впливу об'ємної швидкості повітря на процес випалу каталізатору для розміру часток 0,35 мм та при температурі 873 К показало, що підвищення об'ємної швидкості повітря різко збільшує втрати маси та зменшує час випалу, але подальше підвищення швидкості повітря з 3800 до 7900 год-1 суттєво не збільшує повноту випалу. Експериментально встановлено, що зменшення об'ємної швидкості повітря менше 3800 год-1 призводить до неповного видалення з каталізатора сполук сірки, що вказує на те, що процес термічної обробки складається з двох процесів: першого - видалення вуглеводнів з пор каталізатора та другого - окиснення компонентів каталізатора (вуглеводнів, вуглецю та сполук сірки). При цьому перебіг процесу видалення вуглеводнів можливий без участі кисню, а для видалення вуглецю та сполук сірки з каталізатору необхідний кисень, який може бути доставлений в зону реакції тільки після повного видалення вуглеводнів з пор каталізатора.

На підставі проведених досліджень запропоновано математичну модель процесу випалу відпрацьованого каталізатору, в якій основним вихідним технологічним параметром прийнято втрати маси відпрацьованого каталізатору в процесі окиснювального випалу:

(1)

де ?m - загальні втрати каталізатора в процесі випалу, %; ?m1, ?m2 - масові втрати при протіканні першого та другого процесів, %; a1, a2 - коефіцієнти, що визначають час перебігу першого та другого процесів відповідно, хв-1; ?ф - час початку другого процесу, хв.; ф - час випалу каталізатора, хв.

Залежності кожного з коефіцієнтів загальної математичної моделі від часу випалу, об'ємної швидкості повітря та розміру часток дозволили кількісно визначити закономірності процесу випалу.

З'ясовано, що коефіцієнти ?m1 та ?m2 показують втрати маси відпрацьованого каталізатору відповідно при видаленні вуглеводнів та окисненні вуглецю і сполук сірки. Згідно розрахунків за моделлю, сумарні втрати маси при повному протіканні обох процесів залишаються постійними і складають 41% мас. Збільшення розміру часток та зменшення об'ємної швидкості повітря призводить до збільшення втрат маси за рахунок видалення вуглеводнів, що зменшує значення ?m1.

При цьому швидкість першого процесу різко збільшується зі збільшенням об'ємної швидкості повітря та зменшується зі збільшенням розміру часток каталізатору.

Відповідно, втрати маси за рахунок окиснення (?m2) збільшуються при збільшенні об'ємної швидкості повітря та зменшенні розміру часток каталізатору, що узгоджується з попередніми висновками щодо хімізму процесу. При цьому швидкість другого процесу також знижується при збільшенні розміру часток каталізатору. Коефіцієнт ?ф показує час початку другого процесу і залежність його від технологічних параметрів вказує на те, що збільшення розміру часток та зменшення швидкості першого процесу призводить до більш пізнього початку процесу видалення вуглецю та сполук сірки, що пов'язано зі збільшенням часу дифузії вуглеводнів із зерна каталізатора до його поверхні.

Порівняння експериментальних та розрахованих значень (рис. 2) показує достатньо високу адекватність математичної моделі, котра враховує вплив основних технологічних факторів на процес окиснювального випалу та характеризується коефіцієнтом регресії, який дорівнює 0,9988.

Таким чином, дослідження процесу випалу відпрацьованого каталізатору і розрахунки за математичною моделлю показали, що для повного видалення вуглеводнів та сполук сірки з каталізатору необхідне подрібнення каталізатору до розміру не більше 0,5 мм, підтримання температури в інтервалі 773 - 873 К на протязі 60 хвилин.

4. Розчинність сполук ванадію, молібдену та нікелю в розчинах аміаку та у нейтральному середовищі

Установлено, що розчинність V2O5 зі збільшенням температури зростає та досягає максимального значення при концентрації аміаку в розчині 60 г/л та температурі 333 К. Вивчення розчинності NH4VO3 показало, що зі збільшенням концентрації аміаку до 60 г/л та підвищенні температури процесу, розчинність NH4VO3 збільшується та складає 23 г/л у перерахунку на V2O5.

Установлено, що рівноважна концентрація в перерахунку на V2O5 для V2O5 і NH4VO3 у водних розчинах аміаку практично не відрізняється і при температурі 333 К досягає 22 г/л.

Це можна пояснити тим, що розчинність V2O5 визначається розчинністю більш термодинамічно стійкого в розчині NH4VO3 і у підсумку розчинність V2O5 дорівнює розчинності NH4VO3. На основі кінетичних залежностей процесу розчинення сполук ванадію встановлено (рис.4), що розчиннення V2O5 проходить у декілька етапів: хімічна взаємодія V2O5 з розчином аміаку, утворення піро - та ортованадатів та подальший їх перехід у метаванадат амонію. Таким чином, оскільки залежність розчинності V2O5 від часу розчинення проходить через мінімум, тому процес розчинення повинен складати до 7 хвилин або більше 40 хвилин.

Вивчення процесу розчинення сполук молібдену у водних розчинах показало, що подібно до розчинення V2O5 наявність аміаку є важливим фактором для збільшення розчинності МоО3. У випадку повної відсутності NH4+ розчиність МоО3 досягає лише 12 г/л у порівнянні з 350 г/л у водному розчині з вмістом аміаку 60 г/л. При дослідженні кінетики процесу розчинення МоО3 установлено, що процес розчинення є також багатостадійний: на першій стадії концентрація МоО3 у розчині може досягати 400 г/л, на другій стадії, яка триває 10 хвилин, концентрація зменшується в 1,7 раза, що пов'язано з утворенням полімолібдатів та на третій стадії концентрація МоО3 у розчині сягає 150 г/л і залишається далі без змін. Таким чином, експериментально установлено, що оптимальний час процесу розчиненя МоО3 складає 10 хвилин при температурах вище 293 К.

Експериментальні дослідженя розчинності NiO показали, що його розчинність майже не залежить від концентрації аміаку і не перевищує 0,05 г/л при температурі 298 К та концентрації аміаку 60 г/л. Тому, при рекомендованих умовах розчинення сполук ванадію та молібдену, кількість переведеного в розчин нікелю буде не більше 10 % від сумарного вмісту нікелю в каталізаторі.

Таким чином, при виборі оптимальних технологічних умов стадії вилучення компонентів каталізатору у розчин аміаку впершу чергу необхідно враховувати оптимальні умови для розчинення сполук ванадію та молібдену.

Для вивчення взаємного впливу компонентів багатокомпонентної системи V-Mo-Ni- NH4+-H2O на розчинність кожного з компонентів ця система була розділена на декілька підсистем з фіксованим вмістом одного або двох компонентів. Установлено, що найбільш значні зміни відбуваються у підсистемі V-Mo: у випадку збільшення концентрації ванадію в розчині до насичення, розчиність сполук молібдену зменшується на 25 % та складає (у перерахунку на МоО3) 260 замість 350 г/л, а при насиченні розчину сполуками молібдену, зменшується концентрація ванадію (в перерахунку на V2O5) з 15 до 6,9 г/л за рахунок осадження метаванадату амонію.

У розчинах аміаку, що одночасно містять Мо-Ni, вплив нікелю подібний до впливу ванадію - підвищення концентрації нікелю до насичення зменшує концентрацію МоО3 в розчині до 260 г/л. Експериментально встановлено, що при одночасному насиченні розчину сполуками ванадію та нікелю, зниження концентрації молібдену менше 260 г/л не відбувається, при цьому максимальна концентрація ванадію становить 6,9 г/л, а концентрація нікелю - 0,048 г/л.

Для оптимізації процесу осадження сполук ванадію в промислових умовах було проведено більш детальне дослідження впливу сполук молібдену на розчинність сполук ванадію в розчинах з конценрацією МоО3 2-200 г/л і вмістом аміаку 60 г/л. Видно, що максимальний вміст ванадію в розчині досягається при концентрації МоО3 у розчині 2 г/л і становить, у перерахунку на V2O5, 13 г/л. Зі збільшенням конценрації МоО3 у розчині більше 50 г/л вміст ванадію падає у 3,5 рази до 4,2 г/л V2O5. Температура в інтервалі 298-333 К на цей процес майже не впливає.

При зменшенні концентрації аміаку в розчині до 1 г/л максимальна концентрація ванадію становить 6 г/л, а мінімальна лише 1 г/л (у перерахунку на V2O5). При цьому в розчині утворюється осад, рентгенофазний аналіз якого показав, що його основною фазою є NH4VO3 без домішок молібдену та нікелю.

Таким чином, отримані закономірності вказують на доцільність проведення вилучення сполук ванадію та молібдену розчинами з концентрацією аміаку 60 г/л та МоО3 100 г/л при температурах вищих 298 К на протязі 10 або 60 хвилин, а осадження метаванадата амонію проводити в розчинах з концентрацією аміаку 1 г/л при температурі 298 К.

5. Результати дослідження перевірки запропонованих технологічних рішень по отриманню сполук ванадію та молібдену з відпрацьованих Ni-Mo каталізаторів, які пройшли стадію випалу, в трьох типах реакторів: апаратах об'ємного, проточного типу та запропонованому апараті комбінованого типу

Дослідження процесу вилучення компонентів в апаратах об'ємного типу проводились у скляному реакторі періодичної дії з мішалкою. У реактор зі зразками каталізатору добавлявся водний розчин з заданою концентрацією аміаку у співвідношенні Т:Р=1:25. При вилуженні на протязі 60 хвилин при температурі 298 К розчином з вмістом аміаку 60 г/л ступінь вилучення ванадію досягає 50 %, а збільшення температури до 333 К призводить до збільшення ступеня вилучення ванадію до 63%. Як і для розчинності чистих сполук ванадію в інтервалі температур 298-333 К ступінь вилучення залежить від концентрації аміаку у водному розчині, але при температурі 333 К вплив концентрації аміаку на процес розчинення зменшується.

Для молібдену ступінь вилучення при температурі 333 К та концентрації аміаку 200 г/л досягає 90%, а концентрація нікелю в розчині не залежить від температури і зростає до 0,130 г/л при вмісті аміаку в розчині більше 100 г/л, в результаті чого ступінь вилучення нікелю не піднімається більше 19%.

Таким чином, оптимальними параметрами при вилученні компонентів з відпрацьованих каталізаторів в апаратах об'ємного типу є проведення процесу у три стадії при концентрації аміаку у розчині 60 г/л при температурі 333 К на протязі 60 хвилин.

Дослідження процесу вилучення компонентів каталізатора в апаратах проточного типу проводились у проточному реакторі з шаром каталізатору, через який проходив водний розчин з концентрацією аміаку від 30 до 240 г/л. Згідно результатам експериментальних досліджень при 298 К у розчині з вмістом аміаку 60 г/л ступінь вилучення сполук ванадію досягає 60%, а молібдену та нікелю - 80 та 29% відповідно.

Таким чином, установлено, що вилучення компонентів з каталізатору в апаратах проточного типу є більш ефективним порівняно з апаратами об'ємного типу і процес вилучення сполук ванадію та молібдену необхідно проводити при температурі не менше 298 К. Але апарати проточного типу мають великий гідравлічний опір при малому розмірі часток, утворення великих кількостей розчину з малою концентрацією компонентів, складності в організації технологічного процесу та інше. Тому був запропонований апарат, який дозволяє об'єднати два процеси: вилучення компонентів із шару сировини у розчин та концентрування сполук ванадію та молібдену в цьому розчині.

Модель апарату було виконано у вигляді циліндричного реактору, у кубі якого кипів розчин аміаку заданої концентрації. У верхній частині колони на теплообміннику конденсувалася пара водного розчину аміаку, що утворювалася при кипінні розчину і проходила через шар каталізатору, який було розташовано в середній частині колони. Розчин збагачувався сполуками ванадію, молібдену та нікелю і збирався в кубі колони. Концентрацію аміаку в кубі апарату підтримували такою, щоб при конденсації у верхній частині утворювався розчин аміаку необхідної концентрації.

У результаті досліджень установлено, що збільшення концентрації аміаку призводить до зростання вмісту ванадію в розчині кубу колони. При цьому при концентрації аміаку більше 60 г/л ступінь вилуження ванадію досягає 80 % вже за 20 хвилин, при менших концентраціях аміаку час, необхідний для досягнення 95% вилучення становить 60 хвилин. Ступінь вилучення молібдену та нікелю практично не залежать від концентрації аміаку і за 60 хвилин досягає 99% та 33 % відповідно. Таким чином, запропонований апарат показав більшу ефективність вилучення компонентів і його рекомендовано в якості основного апарату стадії вилучення компонентів із відпрацьованого каталізатору.

Кінцевою стадією переробки каталізатору є отримання товарного продукту з розчинів, що утворюються в кубі колони. Експриментальні дослідження осадження сполук ванадію та молібдену показали, що при продуванні повітрям розчинів кубу колони з вмістом: аміаку - 60, МоО3 - 103, нікелю - 0,15 та ванадію - 7,72 г/л (у перерахунку на V2O5) через 15 хвилин концентрація аміаку в розчині зменшилась до 1 г/л і при температурі 298 К у розчині утворився осад розміром часток 0,1-0,2 мм. За результатами рентгенофазного аналізу основною фазою осаду є метаванадат амонію NH4VO3, з домішками сполук молібдену та нікелю 0,31% та 0,033% відповідно. Чистота NH4VO3 згідно даних мас-спектрального аналізу складає 99,42%. При подальшому концентруванні розчину після відділення NH4VO3 до вмісту в ньому МоО3 у кількості 200 г/л випав осад, рентгенофазний аналіз якого показав, що основою його фазою є сполука (NH4)4(NiH6Mo6O24)·5H2O. Перекристалізація (NH4)4(NiH6Mo6O24)·5H2O в розчинах аміаку дозволяє отримати осад, згідно рентгенофазного аналізу основною фазою якого є (NH4)6Mo7O24·4H2O.

Таким чином, проведені дослідження дозволили розробити принципову послідовність стадій для отримання чистих сполук ванадію та молібдену з відпрацьованих каталізаторів.

У шостому розділі проаналізовано зміну складу каталізатору на всіх стадіях переробки та запропоновано принципову технологічну схему одержання сполук ванадію та молібдену з відпрацьованих каталізаторів, що ґрунтується на результатах попередніх досліджень.

Зміни складу каталізатора в процесі вилучення з нього компонентів за результатами мас-спектрального аналізу наведено у табл. 2.

Таблиця 2. Результати мас-спектрального аналізу каталізатору, %мас.

Відпрацьований каталізатор надходить на стадію випалу (рис.6), де відбувається окиснення, подрібнення каталізатору та відсів фракції менше 0,5 мм. Температура випалу підтримується на рівні 773-873 К, об'ємна швидкість повітря 3800 год-1. Гази, що містять 0,5-1,3 % SO2 и 5-10 % СО2, проходять стадію абсорбування зворотними розчинами. Після стадії випалу каталізатор надходить у реактор, де проходить вилучення сполук ванадію та молібдену аміачними розчинами. Після вилучення сполук ванадію та молібдену тверда фаза іде на переробку для вилучення сполук нікелю, а з насиченого ванадієм розчину видаляється аміак, в результаті чого в розчині випадає осад метаванадата амонію. Пари аміаку, проходячи конденсатор, повертаються у вигляді розчину аміаку на стадію вилучення сполук з каталізатору. Осад NH4VO3 відфільтровується та направляється на сушку для отримання кінцевого продукту. Фільтрат розподіляється на дві частини: перша частина повертається в апарат для підтримки необхідної концентрації молібдену в розчині, а друга - на осадження сполук молібдену. Осад (NH4)4(NiH6Mo6O24)·5H2O відділяють та направляють на перекристалізацію, а фільтрат іде на осадження сполук нікелю.

Запропоновано основне обладнання для стадії термічної обробки та вилучення сполук з каталізатору. Усі запропоновані апарати закритого типу та обладнуються системою відводу газів. Таким чином, у технологічній схемі виключається попадання шкідливих газів у навколишнє середовище та передбачається замкнутий цикл за рідкими потоками.

На підставі розрахунку матеріальних потоків запропонованої технологічної схеми та запропонованого обладнання було розраховано техніко-економічні показники виробництва. При потужності виробництва 200 тон на місяць з вартістю обладнання близько 1,7 млн. грн. прибуток складає 2663 грн на 1 тону переробленого каталізатору або 5859568 грн/рік.

У додатках приведено результати розрахунку матеріальних потоків, розрахунок економічних показників запропонованої технології, акти впровадження наукових розробок на ЗАТ“ Сєвєродонецьке об'єднання Азот” (м. Сєвєродонецьк) та ТОВ НВК “Алвіго - КС” (м. Сєвєродонецьк).

Висновки

термодинамічний каталізатор ванадій

Дисертаційна робота присвячена розробці технології отримання сполук ванадію та молібдену з відпрацьованих каталізаторів, яка дозволяє отримувати важливу хімічну продукцію та зменшити шкідливий вплив промислових токсичних відходів.

1. Досліджено склад відпрацьованого Ni-Mo каталізатору та встановлено, що до його складу входять сульфіди ванадію та сульфіди ванадію-молібдену, вуглець та вуглеводні.

2. Проведено термодинамічний аналіз реакцій компонентів каталізатору в процесі роботи та взаємодії з киснем. Теоретично обґрунтовано повний перехід сульфідних та карбідних сполук компонентів каталізатора в оксиди вищих ступенів окиснення при взаємодії з киснем повітря. Отримано експериментальне підтвердження теоретичних розрахунків на реальному відпрацьованому каталізаторі.

3. Експериментально досліджено процес окиснювального випалу каталізатору за допомогою кисню повітря. Установлено, що оптимальна температура процесу випалу складає 773-873 К, а розмір часток каталізатору повинен бути не більше 0,5 мм. Показано, що температура випалу повинна підтримуватися в інтервалі 773-873 К, тому що утворення оксидів металів проходить при температурах не нижче 773 К, а при температурах вищих 873 К можлива сублімація МоО3. Показано, що оптимальна об'ємна швидкість повітря становить 3800 год-1. Встановлено послідовно-паралельний хімізм процесу окиснювального випалу. Розроблено математичну модель процесу, яка дозволяє розрахувати показники в залежності від технологічних параметрів, проводити оптимізацію технологічного процесу та розраховувати матеріальні та теплові баланси процесу окиснювального випалу.

4. Встановлено, що при розчиненні V2O5 і NH4VO3 у водних розчинах аміаку концентрація ванадію (в перерахунку на V2O5) практично не відрізняється. Експериментально показано, що максимальна концентрація складає 22 г/л (в перерахунку на V2O5) при вмісті аміаку в розчині 60 г/л. Установлено, що процес розчинення V2O5 відбувається у три етапи: хімічна взаємодія V2O5 з розчином аміаку, утворення піро - та ортованадатів та подальший їх перехід у метаванадат амонію.

5. Досліджено розчинність сполук молібдену у водних розчинах аміаку та у воді, встановлено, що при концентрації аміаку до 60 г/л розчинність сполук молібдену є максимальною і становить 400 г/л. Вивчено кінетику процесу розчинення МоО3 та встановлено, що процес розчинення МоО3 у розчинах аміаку багатостадійний: на першій стадії концентрація МоО3 у розчині може досягати 400 г/л, на другій стадії, яка триває 10 хвилин, концентрація зменшується в 1,7 раза, що пов'язано з утворенням полімолібдатів та на третій стадії стабілізується значення концентрації МоО3 у розчині на рівні 150 г/л.

6. Досліджено багатокомпонентну систему V-Mo-Ni- NH4+-H2O та вплив компонентів на розчинність кожного з компонентів. Установлено, що найбільш значні зміни відбуваються у підсистемі V-Mo-NH4+-H2O. Так, концентрація ванадію в розчині зменшується в 3,5 рази при підвищенні концентрації МоО3 у розчині більше 50 г/л. Установлено, що при зменшенні концентрації аміаку в розчині до 1 г/л концентрація ванадію в розчині, що містить молібден, також зменшується до 1 г/л (в перерахунку на V2O5).

7. Запропоновано реактор, який дозволяє поєднувати два процеси: вилучення компонентів з шару каталізатора у розчин та концентрування сполук ванадію та молібдену у цьому розчині. Використання апарату такого типу дозволяє ліквідувати кристалізацію NH4VO3 у шарі каталізатору, що дозволяє збільшити реальний ступінь вилучення сполук ванадію до 99 %.

8. Досліджено процес кристалізації сполук ванадію з робочих розчинів з високим вмістом молібдену. Установлено, що одержаний осад є NH4VO3 чистотою 99,42%. Показано, що осад з робочого розчину, після виділення NH4VO3, має склад (NH4)4(NiH6Mo6O24)·5H2O, який після перекристалізації переходить у чистий (NH4)6Mo7O24·4H2O.

9. Запропоновано принципову технологічну схему та основне обладнання для отримання сполук ванадію та молібдену з відпрацьованих каталізаторів. На підставі розрахунку матеріальних потоків запропонованої технологічної схеми та запропонованого обладнання розраховано техніко-економічні показники виробництва. При потужності виробництва 200 тон на місяць з вартістю обладнання близько 1,7 млн. грн. прибуток складає 2663 грн. на 1 тону переробленого каталізатору або 5859568 грн/рік.

Література

1. Гринь Г.И., Козуб П.А., Дробоног Н.Н. Изучение процесса удаления органических веществ из отработанных Ni-Mo катализаторов // Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” - Харків: НТУ “ХПІ”. - 2003. -Т.1, №11. - С. 45-48.

2. Гринь Г.И., Козуб П.А., Дробоног Н.Н. Исследование растворения соединений молибдена различной степени окисления в водных растворах // Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” - Харків: НТУ “ХПІ”. - 2004. - №13. - С. 93-96.

3. Козуб П.А., Гринь Г.И., Дробоног Н.Н. Термическая обработка отработанных Ni-Mo катализаторов // Восточно -Европейский журнал передовых технологий. - Харьков. - 2005. - № 3/2 (15). - С.110-114.

4. Гринь Г.И., Козуб П.А., Дробоног Н.Н. Исследование процесса извлечения соединений ванадия из вторичного сырья аммиачными растворами // Інтегровані технології та енергозбереження. - Харків: НТУ “ХПІ”. - 2005. - №3. - С.70-74.

5. Гринь Г.И., Козуб П.А., Дробоног Н.Н. Изучение совместной растворимости соединений ванадия и молибдена в растворах аммиака// Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” - Харків: НТУ “ХПІ”. - 2005. - №52. - С. 172-175.

6. Коробец О.В., Дробоног Н.Н., Козуб П.А., Гринь Г.И. Исследование процесса извлечения соединений ванадия кислыми окислительными растворами // Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” - Харків: НТУ “ХПІ”. - 2003. -Т.1, №11. - С.69-72.

Размещено на Allbest.ru