каталитический элемент для конверсии аммиака

Формула изобретения

1. Каталитический элемент для конверсии аммиака в виде пакета сетчатых платиноидных каталитических элементов, структура которого содержит каталитически инертные к процессу конверсии аммиака газопроницаемые элементы, отличающийся тем, что каталитически инертные газопроницаемые элементы имеют размер ячейки фильтрации, в 5 500 раз превышающий диаметр проволоки сетчатого платиноидного каталитического элемента, и установлены между сетчатыми платиноидными каталитическими элементами.

2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что каталитически инертные газопроницаемые элементы изготовлены из неметаллических материалов, содержащих оксиды кремния, оксиды алюминия и их композиции в виде тканей или сеток.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам каталитических элементов для реакции конверсии аммиака и может быть использовано в производствах неконцентрированной азотной кислоты, синильной кислоты, гидроксиламинсульфата и других процессах, где есть стадия каталитической конверсии аммиака.

Известен каталитический элемент для реакции конверсии аммиака (Атрощенко В. И. Каргин С.И. Технология азотной кислоты. М. Химия, 1970, с. 40), выполненный в виде пакета проволочных сеток из различных платинородиевопалладиевых сплавов (далее платиноидных), плотно прилегающих друг к другу.

Недостатками данного сетчатого платиноидного каталитического элемента являются значительные потери платиноидов в ходе его эксплуатации (до 0,20 платиноидов на 1 т произведенной азотной кислоты или 10-25% от исходной массы загруженных в реактор сеток), особенно с первых сеток по ходу потока смеси реагентов. Главная причина этих потерь экстремально высокая поверхностная подвижность материала катализатора в условиях реакции конверсии аммиака, приводящая к интенсивной перестройке микрорельефа поверхности проволок катализатора в результате динамического воздействия на платинородиевые сетки проходящего сквозь них газового потока имеет место вибрация, приводящая к отрыву частиц платиноидов и их уносу потоком газа. Другой причиной потерь платиноидов является их унос в результате интенсивной сублимации поверхности сеток в условиях реакции конверсии аммиака.

Известен каталитический элемент в пакетом платинородиевых сеток и ловушкой для Pt и Rh с промежуточными слоями из керамического материала [1] применяется слоистый катализатор, использующий промежуточные слои из огнеупорных материалов [2]

Недостатком этих устройств является невысокая их эффективность из-за низкой степени конверсии аммиака.

Целью изобретения является увеличение конверсии аммиака без увеличения потерь платиноидов.

Это достигается тем, что каталитический элемент для реакции конверсии аммиака представляет собой пакет проволочных платиноидных сеток с частичным или полным разделением сеток газопроницаемыми, термостойкими и инертными к процессу конверсии прокладками при последовательном чередовании прокладок и сеток, при этом прокладки и сетки плотно прилегают друг к другу, причем прокладки выполнены в виде тканей или сеток редкого плетения с размером ячейки, в 5-500 раз превышающей диаметр проволоки платиноидной сетки.

Использование изобретения показывает, что при частичном или полном разделении проволочных сеток в каталитическом пакете газопроницаемыми, инертными к процессу конверсии аммиака прокладками, выполненными в виде тканей или сеток из материалов на основе оксидов кремния и/или алюминия с размером ячейки, в 5 раз превышающем диаметр проволоки платиноидной сетки, степень конверсии возрастает. Уменьшение размера ячейки прокладки до значения менее, чем в 5 раз превышающего диаметр проволоки платиноидной сетки, приводит к снижению степени конверсии аммиака. Этот факт связан с влиянием гидродинамического и механического экранирования активной поверхности платиноидных сеток прокладками. Однако эксперимент показал, что при этом существует верхний предел оптимального интервала размеров ячейки, поскольку при увеличении размера ячейки прокладки до значения более, чем в 500 раз превышающего диаметр проволоки платиноидной сетки, резко возрастают потери платиноидов. Это связано с тем, что при превышении указанного размера ячейки прокладки она теряет защитную функцию амортизатора, защищающего платиноидные сетки от вибрационного, истирающего воздействия друг на друга в звуковом поле газового потока, что и вызывает усиление механического разрушения.

Изобретение иллюстрируется примерами, данные которых представлены в сводной таблице.

Сравнительные испытания предлагаемого каталитического элемента проведены на лабораторной установке по следующим характеристикам: рабочий диаметр каталитического элемента в виде пакета диаметром 100 мм; расход смеси реагентов аммиак-воздух составляет 69,2 нм³/ч; содержание аммиака в смеси 10,5% абсолютное статическое давление в реакторе 4,2 кгс/см²; температура контактирования 860^oС; начальная температура потока смеси реагентов 170^oС.

В качестве платиноидного каталитического элемента используют шесть новых сеток стандартного плетения, выполненных из проволоки диаметром 92 мкм на основе сплава, содержащего 81% платины, 3,5% родия, и 15,5% палладия по ГОСТ 13498-79, которые чередуются с термостойкими и инертными прокладками.

Пример 1. Прокладки изготовлены из единичных элементов ткани на основе кремнеземного волокна, содержащего до 5% оксида алюминия марки КТ-11 по ОСТ 6-19-526-87. Эффективная толщина прокладки порядка 2 мм. Размер свободной ячейки прокладки, используемой в этом примере, имеет величину порядка 0,37 мм, т.е. размер свободной ячейки прокладки соответствует величине 4d.

Каждая платиноидная (активная) сетка прокладывается (отделяется) друг от друга инертными прокладками с указанными выше параметрами. Степень конверсии аммиака в ходе рабочего процесса определяют по стандартной методике. Перед установкой в реактор и после установленного периода работы в условиях реакции окисления аммиака 1020 ч, платиноидные сетки взвешивали каждую в отдельности и по формуле определяли потери платиноидов:

G_п (G_н G_к)100%/G_н,

где G_п потери платиноидов;

G_н начальная масса сетки;

G_к конечная масса сетки.

Пример 2. Аналогичен примеру 1, с той разницей, что размер свободной ячейки прокладок, изготовленных из кремнеземного тканого материала имел величину порядка 5d (абсолютное значение 0,46 мм).

Пример 3. Аналогичен примеру 1, с той разницей, что размер свободной ячейки прокладок имеет величину порядка 10d (абсолютное значение 0,92 мм).

Пример 4. Аналогичен примеру 1, с той разницей, что размер свободной ячейки прокладок имеет величину порядка 50d (абсолютное значение 4,6 мм).

Пример 5. Аналогичен примеру 1, с той разницей, что размер свободной ячейки прокладок имеет величину порядка 200d (абсолютное значение 18,4 мм).

Пример 6. Аналогичен примеру 1, с той разницей, что размер свободной ячейки прокладок имеет величину порядка 500d (абсолютное значение 46,0 мм).

Пример 7. Аналогичен примеру 1, с той разницей, что размер свободной ячейки прокладок имеет величину порядка 550d (абсолютное значение 50,0 мм). В связи с ограниченными размерами пилотной установки реактора фактическое разделение платиноидных сеток заключалось в прокладывании после каждой катализаторной сетки двух взаимно перпендикулярных кремнеземных инертных нитей с диаметром, соответствующим (4-100)d платиноидной нити.

Пример 8. Для более корректной проверки влияния размеров свободной ячейки прокладок был проведен ряд опытов на промышленном контактном аппарате АК-72 с диаметром 3800 мм каталитического элемента в виде пакета платинородиевых сеток и в идентичных с примерами 1-7 условиях проведения процесса (температура 860^oС, давление 4,2 ата, и т.д.). Размер свободной ячейки прокладок имеет величину порядка 760d, где d диаметр платиноидной нити (абсолютное значение 70,0 мм). Как и ожидалось, в таких условиях не только увеличились потери платиноидов (см. таблицу), но и снизилась конверсия, что можно объяснить тем, что при значительном увеличении размеров свободной ячейки больше некоторого определенного значения платиноидные сетки как бы "проваливаются" в эту ячейку и эффект разделения фактически сводится к нулю. Это приводит не только к увеличению взаимного трения платиноидных сеток друг с другом (что при наличии значительной вибрации и приводит к потерям кристаллических образований платиноидов, образующихся вследствие каталитической коррозии на поверхности катализаторной нити), но и к уменьшению эффективной толщины катализаторного пакета, т.е. к увеличению проскока аммиака.

Пример 9. Аналогичен примеру 8, с той разницей, что на промышленном контактном аппарате АК2-72 сборка катализаторного пакета осуществлялась вообще без прокладок. Иными словами в данном случае рассмотрен типичный пример проведения процесса конверсии аммиака на отечественных заводах. Потери платиноидов в этом случае несущественно отличаются от результатов, полученных в предыдущем примере, что говорит о том, что уже в примере 8 критический размер свободной ячейки прокладок, позволяющий уменьшить потери платиноидов, пройден.

Удовлетворительная степень конверсии наблюдается в примерах 2-8, а максимальные потери (суммарно по всем и отдельно по каждой платиноидной сетке) в примерах 7-9. Таким образом, оптимум с точки зрения удовлетворения максимальной эффективности катализаторного процесса находится при использовании прокладок с размером свободной ячейки в интервале 5-500d, где d диаметр единичной нити платиноидной сетки (примеры 2-6).

При уменьшении свободной ячейки менее 5d наблюдается тенденция к снижению конверсии, что можно объяснить блокированием (экранированием) поверхности катализаторных сеток инертными прокладками. Кроме этого, в пакете с малыми размерами ячейки прокладки значительно возрастает гидравлическое сопротивление реакционному потоку.

Полученные результаты показывают, что наряду с толщиной прокладок имеет принципиальное значение размер ячейки инертных прокладок, при этом оптимальные размеры ячейки находятся в пределах 5-500 диаметров проволоки платиноидной сетки. Это особенно наглядно иллюстрирует графическая интерпретация результатов, представленных в таблице; относительные потери платиноидов (G_п) с каждой сетки в зависимости от размеров свободной ячейки F/d инертных прокладок даны на чертеже.

На чертеже приведены номера платиноидных сеток 1-6 в соответствии с таблицей.

Из графика видно, что с точки зрения минимизации потерь платиноидов целесообразно работать с прокладками, имеющими размер свободной ячейки менее 500d, однако требования, предъявляемые к конверсии аммиака диктуют ограничения снизу по размеру ячейки прокладки величиной 5d. Таким образом с точки зрения оптимизации обоих параметров (конверсии и потерь платиноидов) выбираемый размер свободной ячейки прокладки находится в интервале 5-500d (примеры 2-7).

Использование предлагаемого каталитического элемента для конверсии аммиака позволяет повысить конверсию от 94,1 до 97,7% (в среднем за пробег), при этом потери платиноидов с сеток остаются на уровне потерь платиноидов в известных способах.