Способ каталитического окисления аммиака

Способ каталитического окисления аммиака

Реферат

 

(19)RU(11)1102183(13)C(51)  МПК ⁵    _C01B21/26Статус: по данным на 10.01.2013 - прекратил действиеПошлина: учтена за 20 год с 23.07.2001 по 22.07.2002

(54) СПОСОБ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ АММИАКА

Изобретение относится к способам каталитического окисления аммиака и может быть использовано в агрегатах по производству неконцентрированной азотной кислоты. Известны способы окисления аммиака, в которых поток смеси аммиака и кислородсодержащего газа пропускают сквозь слой содержащего платиноиды сетчатого катализатора, который размещают на поддерживающем слое из прессованных сетчатых рукавов, матов специальной конструкции или слое из колец Рашига, уложенных навалом. В этих способах поток образовавшихся нитрозных газов разделяют в поддерживающем слое на отдельные беспорядочно ориентированные струи различных эквива- лентных гидравлических диаметров и длин одна относительно другой, причем струи имеют сложные траектории движения. Существенным недостатком данных способов является значительная нестабильность газодинамических параметров газового потока при движении его в слое сетчатого катализатора (вектора средней скорости, амплитуды и частоты турбулентных пульсаций и т.д.), обусловленная повышенной нестабильностью газодинами- ческих параметров потока образовавшихся нитрозных газов, движущихся в виде отдельных беспорядочно ориентированных одна относительно другой струи различных эквивалентных гидравлических диаметров и длин, имеющих сложные траектории движения. Это приводит к уменьшению срока службы содержащего платиноиды сетчатого катализатора и увеличению массы и потерь платиноидов катализатора. Другим существенным недостатком известных способов является высокое газодинамическое сопротивление потоку нитрозных газов, создаваемое поддерживающим слоем, которое приводит к значительной потере напора потока и, следовательно, к снижению мощности энерготехнологического агрегата азотной кислоты в целом. Кроме того, из-за высокой плотности упаковки поддерживающего слоя в виде прессованных сетчатых рукавов, матов специальной конструкции или колец Рашига происходит отражение отдельных струй нитрозных газов от отдельных элементов слоя (проволок, колец и т.д.), вызывающее движение этих струй против хода газовой смеси, в результате чего оксиды азота попадают в пространство над сетчатым катализатором, образуя с поступа- ющим на катализатор аммиаком соединения нитрит-нитратных солей аммония, которые диссоциируют на катализаторе, вызывая снижение его активности и, следовательно, уменьшение срока службы катализатора и степени конверсии аммиака до оксидов азота. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ каталитического окисления аммиака, в кото- ром поток смеси аммиака и кислородсодержащего газа пропускают сквозь слой содержащего платиноиды сетчатого катализатора и поток образовавшихся после прохождения катализатора нитрозных газов разделяют на отдельные струи, смежные из которых параллельны, путем пропускания через каналы соплообразной формы, выполненные в поддерживающем катализатор устройстве; диаметр сопел уменьшается по ходу струй нитрозных газов, эквивалентный гидравлический диаметр струи на входе и выходе из канала соплообразной формы равен соответственно 0,06 и 0,015 м, давление и температура нитрозных газов 0,294 МПа (3 ата) и 850^оС, скорости движения струй нитрозных газов на входе и выходе канала при данных температуре и давлении равны соответственно 2,75 и 45 м/с. Недостатком этого способа является значительная нестабильность газодинамических параметров газового потока при движении его в слое катализатора (вектора средней скорости, амплитуды и частоты турбулентных пульсаций и т. д.), вызванная нестабильностью газодинамических пара- метров потока в струях нитрозных газов вследствие повышенных (при указанном в описании патента интервале диаметров струй) расхода нитрозных газов в струе WF (кг/с) и удельного расхода этих газов W (кг/м² с) в каждой струе, где W и - соответственно скорость (м/с) и плотность потока кг/м³ нитрозных газов в струе, взятые при рабочих условиях: F - площадь поперечного сечения струи нитрозных газов, м²)³. Кроме того, этот недостаток вызван существенным изменением удельного расхода потока нитрозных газов в струе по ее длине (приблизительно в 16 раз) из-за уменьшения диаметра сопла по ходу струи нитрозных газов, что приводит к снижению срока службы содержащего платиноиды сетчатого катализатора и увеличению его массы и потерь платиноидов. Целью изобретения является увеличение длительности эксплуатационного пробега, уменьшение общей массы и потерь платиноидов. Поставленная цель достигается тем, что по способу каталитического окисления аммиака путем пропускания исходной аммиачно-воздушной смеси через платиноидный сетчатый катализатор и потока образовавшегося нитрозного газа через поддерживающее устройство с отверстиями, делящее поток газа на отдельные струи, процесс ведут при удельном расходе нитрозного газа в струе (0,129-8,24)-(0,099-0,988) кг/м² с и диаметре отверстия устройства, вычисляемом по формуле d=(1,87-15,7) 10⁵ м/V. где м - динамическая вязкость нитрозных газов; V - скорость звука в этих газах; (1,87-15,7), м³/кг - константы. Предложенные интервалы удельного расхода потока нитрозного газа Р в струе в определенном диапазоне диаметров образуют область Р, показанную на чертеже, в которой обеспечивается положительный эффект изобретения. Использование способа согласно изобретению с удельным расходом в каждой струе, меньшим его нижних значений, а именно ниже 0,129-0,099 кг/м² с, в соответствующем интервале диаметров приводит при снижении потерь платиноидов к одновременному снижению степени конверсии аммиака до оксидов азота. Использование предложенного способа позволит снизить по сравнению с известным способом при эксплуатации в сопоставительных, например, по температуре и давлению условиях массу и потери платиноидов соответственно на 33-50% и 43-52%, а также увеличить срок службы катализатора на 32-37,5%. В таблице приведены результаты лабораторных (примеры 1 и 2), опытно-промышленных (примеры 5-11) и промышленных испытаний (примеры 3 и 4 ) как в режимных параметрах предлагаемого способа каталитического окисления аммиака, так и в запредельных областях параметров в формуле изобретения. При этом в примерах 1 и 3 приведены результаты работы на одних предельных режимных параметрах предлагаемого способа, в примерах 5 и 7 - на других предельных режимных параметрах способа, в примере 9 - в середине предложенных диапазонов режимных параметров способа; в примерах 2, 4, 6 и 8 - с режимными параметрами, находящимися за пределами, указанными в формуле изобретения; в примере 10 - по способу-прототипу (патент США N 3462243); в примере 11 - по предложенному способу при рабочей скорости нитрозных газов в поперечном сечении контактного аппарата, равной скорости, реализуемой в способе -прототипе. (2,75 м/с, пример 10), но с режимными параметрами по формуле изобретения. П р и м е р 1 (согласно изобретению). Испытания проводят на лабораторном аппарате для каталитического окисления аммиака квадратного поперечного сечения со стороной, равной 64 мм, при температуре на сетчатом платиноидном катализаторе 850^оС и давлении, равном 0,0981 МПа (1 ата). Сетчатый катализатор в виде одной стандартной платиноидной сетки (общая масса платиноидов равна 3,588 г) из проволоки диаметром 0,092 мм и с числом отверстий 1024 на 1 см²(ГОСТы: на состав 13498-79, на геометрические параметры 3193-74) горизонтально размещен в контактном аппарате на специальном поддерживающем устройстве, состоящем из параллельных каналов, соприкасающихся друг с другом своими стенками. Эквивалентный гидравлический диаметр каждого канала, найденный для данных рабочих условий d₁=K₁ M/V, равен d₁=1,87 10⁵x х42,97 10^-6/673,6=12 мм, где К₁=1,87 10⁵ м³/кг - константа; М=42,97 10^-6 Па с - динамическая вязкость нитрозных газов; Р=0,0981 МПа (1 ата); V=673,6 м/с - скорость звука в этих газах; толщина стенки равна 1 мм. Концентрация поступающего в аппарат аммиака в аммиачно-воздушной смеси равна 10 об.%. При этом получают степень конверсии аммиака 98,1%. Поток образовав- шихся в результате реакции окисления аммиака на сетчатом платиноидном катализаторе нитрозных газов с общим расходом 4,65 10^-4 кг/с разделяют в описанном поддерживающем устройстве на отдельные параллельные струи с расходом в каждой струе 1,86 10^-5 кг/с, соответствующим удельному расходу в струе 0,129 кг/м² с. При этом потери платины составляют 0,0083 г/т НNO₃ (моногидрата) за 302 ч работы аппарата. П р и м е р 2 (за пределами, указанными в формуле изобретения). Испытания проводят на лабораторном аппарате для каталитического окисления аммиака и при условиях, описанных в примере 1 с тем отличием, что поток нитрозных газов общим расходом 4,25 10^-4 кг/с разделяют на отдельные параллельные струи с расходом в каждой струе 1,7 10^-5 кг/с, соответствующим удельному расходу нитрозного газа в струе 0,118 кг/м² с. Несмотря на то, что потери платины, равные 0,008 г/т HNO₃(моногидрата) за 301 ч работы аппарата, практически совпадают с таковыми в примере 1, по изобретению степень конверсии аммиака составляет 97,3%, по сравнению с примером 1 существенно (на 0,8 об.%) ниже и поверхностная плотность потока нитрозных газов в каждой струе, эти параметры выбраны меньшими минимально возможных нижних пределов с точки зрения степени конверсии аммиака. П р и м е р 3 (согласно изобретению). Испытания проводят на промышленном аппарате для каталитического окисления аммиака с коническим расположением сетчатого катализатора (см. конструкцию контактного аппарата в книге под ред. В.И. Атрощенко. Катализаторы в азотной промышленности. Харьков, Вища школа, 1977, с. 72, рис. 60), работающем в составе отечественного агрегата для производства слабой азотной кислоты под единым давлением 0,716 МПа (7,3 ата) и при температуре на сетчатом платиноидном катализаторе 900^оС. Сетчатый катализатор состоит из пяти стандартных платиноидных сеток (общая масса платиноидов равна 15122 г), описанных в примере 1, и размещен в аппарате указанной конструкции на оригинальном поддерживающем конусообразном устройстве (не описано), содержащем на конической поверхности параллельные каналы, соприкасающиеся друг с другом своими стенками, причем смежные каналы параллельны, т.е. сетчатый катализатор лежит непосредственно на верхних торцах этих каналов. Эквивалентный гидравлический диаметр каждого канала d₁, найденный для указанных рабочих условий из соотношения d₁=K₁ M/V, равен d₁=1,87 10₅ х 44,32 10^-6/691,3= 12 мм, где К₁=1,87 10⁵ м³/кг - константа; М=44,32 10^-6 Па с - динамическая вязкость нитрозных газов; V=691,3 м/с - скорость звука в этих газах, толщина стенки равна 1 мм. Диаметр нижнего основания усеченного конуса равен 1,77 м. угол раскрытия 90^о. Смесь аммиака и кислородсодержащего газа с концентрацией аммиака 10,5 об.% подают в контактный аппарат с расходом 60000 нм³/ч (20,85 кг/с) и пропускают сверху вниз сквозь слой содержащего платиноиды конусообразного сетчатого катализатора. Поток образовавшихся в результате реакции окисления аммиака на сетчатом платиноидном катализаторе нитрозных газов разделяют в описанном поддерживающем устройстве на отдельные струи с расходом в каждой струе 118,6 10^-5 кг/с, соответствующем удельному расходу потока в струе 8,24 кг/м² с. В процессе получают потери платины 0,1 г/т HNO₃(моногидрата) при непрерывной работе аппарата в течение 2750 ч. Степень конверсии аммиака 94,5 об.%. П р и м е р 4 (за пределами, указанными в формуле изобретения). Испытания проводят на промышленном аппарате для каталитического окисления аммиака и при условиях, описанных в примере 3 с тем отличием, что поток нитрозных газов разделяют на отдельные параллельные струи с расходом в каждой струе 179 10^-5 кг/с, соответствующем удельному расходу потока в струе 6,922 кг/м² с, а эквивалентный гидравлический диаметр струй в поддерживающем устройстве выбирают равным 16 мм, т.е. большим, чем диаметр, определяемый из соотношения, указанного в примере 3. Следствием этого является повышение расхода нитрозных газов в каждой струе и увеличение потерь платины до 0,152 г/т HNO₃ за 2030 ч непрерывной работы. Другим существенным отличием является то, что в данных испытаниях, в отличие от примера 3, используют 7 конусообразных платиноидных сеток (общая масса платиноидов равна 21171 г) для получения той же степени конверсии аммиака. П р и м е р 5 (согласно изобретению). Испытания проводят на опытно-промышленном контактном аппарате для каталитического окисления аммиака квадратного поперечного сечения со стороной 200 мм при температуре на сетчатом платиноидном катализаторе 850^оС и давлении, равном 0,0981 МПа (1 ата). Катализатор в виде одной стандартной платиноидной сетки, описанной в примере 1 (общая масса платиноидов равна 35 г), горизонтально размещен в контактном аппарате на специальном поддерживающем устройстве, состоящем из параллельных каналов, соприкасающихся друг с другом своими стенками. Эквивалентный гидравлический диаметр каждого канала d₂, найденный для данных рабочих условий из соотношения d₂= = K₂ M/V, равен d₂=15,7 10⁵х42,97 10^-6 / /673,6=100 мм, где К₂=15,7 10⁵ - константа, М= 42,97 10^-6 Па с - динамическая вязкость нитрозных газов, V=673,6 м/с - скорость звука в этих газах, толщина стенки 1 мм. Концентрация поступающего в аппарат аммиака в аммиачно-воздушной смеси равна 10 об.%. Поток образовавшихся в результате реакции окисления аммиака на сетчатом платиноидном катализаторе нитрозных газов с общим расходом 39,56 10^-4 кг/с разделяют в описанном поддерживающем устройстве на отдельные параллельные струи с расходом в каждой струе 9,89 10^-4 кг/с, соответствующим удельному расходу потока в струе 0,099 кг/м² с. При этом потери платины составляют 0,0078 г/т HNO₃ (моногидрата) при пробеге платиноидного сетчатого катализатора, равном 950 ч. В процессе получают степень конверсии аммиака 97,2 об.%. П р и м е р 6 (за пределами, указанными в формуле изобретения). Испытания проводят на опытно-промышленном аппарате для каталитического окисления аммиака и при условиях, описанных в примере 5, с тем отличием, что поток нитрозных газов с общим расходом 35,6 10^-4кг/с разделяют на отдельные параллельные струи с расходом в каждой струе 8,9 10^-4 кг/с, соответствующем поверхностной плотности потока в струе 0,089 кг/м² с. Несмотря на то, что потери платины, равные 0,0075 г/т HNO₃ (моногидрата) за 942 ч непрерывной работы аппарата, практически совпадают с таковыми, описанными в примере 5, степень конверсии аммиака 96,5% по сравнению с примером 5 существенно (на 0,7 об.%) ниже, так как удельный расход потока нитрозных газов в каждой струе выбран меньшим минимально возможных нижних пределов с точки зрения степени конверсии аммиака. П р и м е р 7 (согласно изобретению). Испытания проводят на опытно-промышленном аппарате для окисления аммиака и при условиях, описанных в примере 5, с тем отличием, что поток нитрозных газов с общим расходом 395,2 10^-4 кг/с разделяют на отдельные параллельные струи с расходом в каждой струе 98,8 10^-4 кг/с, соответствующим удельному расходу потока в струе 0,988 кг/м² с, а сетчатый катализатор состоит из трех платиноидных сеток (общая масса платиноидов равна 105 г). Потери платины равны 0,0315 г/т HNO₃(моногидрата) за 880 ч работы аппарата. Степень конверсии аммиака равна 97 об.%. П р и м е р 8 (за пределами, указанными в формуле изобретения). Испытания проводят на опытно-промышленном аппарате для окисления аммиака и при условиях, описанных в примере 7, с тем отличием, что поток нитрозных газов с общим расходом 432 10^-4 кг/с разделяют на отдельные параллельные струи с расходом в каждой струе 108 10^-4 кг/с, соответствующим удельному расходу потока в струе 1,08 кг/м² с, а сетчатый катализатор состоит из четырех платиноидных сеток (общая масса платиноидов равна 140 г). Потери платины составляют 0,045 г/т HNO₃(моногидрата) при непрерывной работе аппарата в течение 640 ч. Степень конверсии аммиака была примерно такой же, как и в примере 7, т.е. 97,1 об.%. П р и м е р 9 (согласно изобретению). Испытания проводят на опытно-промышленном аппарате для окисления аммиака и при условиях, описанных в примере 5, с тем отличием, что поток нитрозных газов с общим расходом 480 10^-4 кг/с разделяют на отдельные струи с расходом в каждой струе 30 10^-4 кг/с, соответствующим удельному расходу потока в струе 1,2 кг/м² с, причем эквивалентный гидравлический диаметр струи в поддерживающем устройстве выбирают равным 50 мм (d₁< 50 мм < d₂). Существенным отличием является также то, что сетчатый катализатор состоит из трех платиноидных сеток (общая масса платиноидов равна 105 г). Потери платины равны 0,036 г/т HNO₃ (моногидрата) за 705 ч непрерывной работы аппарата. Степень конверсии аммиака 9,96 об.%. П р и м е р 10 (по способу-прототипу, описанному в патенте США N 3462243). Испытания проводят на опытно-промышленном аппарате для каталитического окисления аммиака и при условиях, описанных в способе-прототипе, а именно при давлении, равном 0,2943 МПа (3 ата), температуре 850^оС, причем в аппарате реализуют скорость нитрозных газов, отнесенную к полному сечению аппарата, равную 2,75 м/с. Поток образовавшихся в результате реакции окисления аммиака на сетчатом платиноидном катализаторе (3 стандартные платиноидные сетки общей массой 105 г) нитрозных газов с общим расходом 960 10^-4 кг/с разделяют в поддерживающем устройстве, описанном в способе-прототипе, на отдельные параллельные струи с расходом в каждой струе 671,7 10^-5 кг/с, соответствующим удельному расходу потока в струе 2,377 кг/м² с и 38,035 кг/м² с на входе в канал поддерживающего устройства ( 60 мм) и на выходе из него ( 15 мм) соответственно. Концентрация поступающего в аппарат аммиака в аммиачно-воздушной смеси 10 об.%. Потери платины оказались равными 0,098 г/т HNO₃ (моногидрата) при степени конверсии 96,1% за 740 ч работы аппарата [по описанию патента эти цифры равны соответственно 0,1 г/т HNO₃ (моногидрата) и 96%]. П р и м е р 11 (по изобретению). Рабочая скорость нитрозных газов в поперечном сечении контактного аппарата равна таковой скорости, реализуемой в способе-прототипе, 2,75 м/с (пример 10), но с режимными параметрами по формуле изобретения. Испытания проводят на опытно-промышленном аппарате для окисления аммиака и при условиях, описанных в примере 10, с тем отличием, что поток нитрозных газов разделяют на отдельные параллельные струи с расходом в каждой струе 95 10^-5 кг/с, соответствующим удельному расходу потока в струе 2,63 кг/м² с. Кроме того, катализатор в виде двух стандартных платиноидных сеток (общая масса платиноидов равна 70 г) горизонтально размещен в аппарате на описанном в примере 1 поддерживающем устройстве, в котором образуются струи нитрозных газов с эквивалентными гидравлическими диаметрами, равными 19 мм. В аппарате реализуют скорость нитрозных газов, отнесенную к полному сечению аппарата, равную 2,75 м/с (т.е. такую же, как в способе-прототипе, пример 10). Иными словами, в данном аппарате для каталитического окисления аммиака реализуется изобретение при режимных параметрах, указанных в способе-прототипе. При этом потери платины составляют 0,066 г/т HNO₃ за 980 ч непрерывной работы аппарата, т.е. существенно меньшую величину, чем в способе-прототипе (0,098 г/т HNO₃, моногидрата). Степень конверсии аммиака получена приблизительно такая же, как в способе-прототипе, а именно 96,3 об.%. Из сравнения результатов испытаний, описанных в примерах 1-11 в и в таблице, можно заключить, что при работе с режимными параметрами по удельному расходу потока нитрозных газов, превышающими верхние пределы, указанные в формуле изобретения (для примеров 3 и 4, 7 и 8, 10 и 11), при той же степени конверсии аммиака до оксидов азота в предлагаемом способе уменьшена масса платиноидов на 33-50%, снижены потери платиноидов на 43-52% и увеличен срок службы катализатора на 32-37%; при работе с режимными параметрами, лежащими ниже нижних пределов, указанных в формуле изобретения (для примеров 1 и 2, 5 и 6), примерно при таких же массе и потерях платиноидов и сроке службы катализатора имеет место существенное снижение на 0,7-0,8 об.% степени конверсии аммиака до оксидов азота. В таблице, в графе номер примера, дано: 1 - с предельными режимными параметрами по формуле изобретения; 2 - с режимными параметрами, находящимися за пределами, указанными в формуле изобретения; 3 - с режимными параметрами в середине диапазонов, указанных в формуле изобретения; 4 - по способу-прототипу (патент США N 3462243); 5 - при рабочей скорости нитрозных газов в поперечном сечении контактного аппарата, равной таковой скорости.

Формула изобретения

СПОСОБ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ АММИАКА путем пропускания исходной аммиачно-воздушной смеси через платиноидный сетчатый катализатор и потока образовавшегося нитрозного газа через поддерживающее устройство с отверстиями, делящее поток газа на отдельные струи, отличающийся тем, что, с целью увеличения длительности эксплуатационного пробега, уменьшения общей массы и потерь платиноидов, процесс ведут при удельном расходе нитрозного газа в струе (0,129 - 8,24) - (0,988) кг/м² с и диаметре отверстия устройства, вычисляемом по формуле d = (1,87 - 15,7) 10⁵ m/v, где m - динамическая вязкость нитрозных газов, Па с; v - скорость звука в этих газах, м/с; (1,87 - 15,7) 10⁵, м³/кг - константы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3