Способ инициирования реакции конверсии аммиака

Способ инициирования реакции конверсии аммиака

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение.

Настоящее изобретение относится к способам инициирования реакции конверсии аммиака на сетчатом платиноидном катализаторе при пропускании сквозь него газовой смеси, содержащей аммиак и кислородсодержащий газ, и может быть использовано преимущественно в реакторах каталитической конверсии аммиака промышленных установок по получению азотной, синильной кислот и гидроксиламинсульфата. Следует указать, что в реакторы конверсии аммиака промышленных установок по получению синильной кислоты и гидроксиламинсульфата кроме аммиака с кислородсодержащим газом дополнительно подаются соответственно метан и водяной пар.

Уровень техники.

Известны способы инициирования реакции конверсии аммиака (RU 1476677 С1 МПК В 01 J 8/04, 1987; RU 2054961 С1 МПК В01 J 8/04, 1996) на сетчатом платиноидном катализаторе при пропускании сквозь него газовой смеси, содержащей аммиак и кислородсодержащий газ, в котором непрерывно нагревают локальные участки поверхности катализатора до температуры инициирования реакции с использованием линейных электронагревательных элементов, расположенных непосредственно на поверхности сетчатого платиноидного катализатора.

Основной недостаток рассматриваемых способов-аналогов заключается в том, что в ряде случаев их промышленной реализации возможно прогорание локальных участков сетчатого платиноидного катализатора вследствие непрерывного нагрева этих участков с помощью линейных электронагревательных элементов в период инициирования реакции конверсии аммиака на катализаторе. Очевидно, что такого рода прогорание приводит, с одной стороны, к перерасходу сетчатого платиноидного катализатора, с другой стороны, к повышению взрывоопасности процесса из-за "проскока" непрореагировавшего аммиака в зону, лежащую за сетчатым платиноидным катализатором ("проскок" аммиака происходит не только сквозь прогоревшие места, но и через участки сетчатого платиноидного катализатора, на которых реакция конверсии аммиака еще не началась). В зоне за сетчатым платиноидным катализатором непрореагировавший аммиак реагирует с оксидами азота с образованием нитрит-нитратных солей аммония. Накапливаясь со временем в коммуникациях и трубопроводах промышленных установок, эти соли аммония при определенных условиях могут детонировать со взрывом, что приводит к выходу установки из строя и даже к человеческим жертвам.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению - прототипом, в котором в значительной мере устранены недостатки способов-аналогов, является способ инициирования реакции конверсии аммиака на сетчатом платиноидном катализаторе при пропускании сквозь него газовой смеси, содержащей аммиак и кислородсодержащий газ, в котором периодически нагревают локальные участки поверхности катализатора до температуры инициирования с использованием линейных электронагревательных элементов, расположенных непосредственно на поверхности катализатора (статья: В.И.Чернышев, Е.А.Бруштейн "Снижение расхода платиноидного катализатора и взрывоопасности процесса на стадии окисления аммиака в производстве азотной кислоты", Катализ в промышленности, 2001, №3, стр.30-41, см. второй абзац в левой колонке на стр.38. Ксерокопия данной статьи прилагается). В описании способа-прототипа представлены экспериментально полученные значения электрической мощности, приходящиеся на единицу длины отдельного линейного электронагревательного элемента в зависимости от состава сплава сетчатого платиноидного катализатора, количества сеток в пакете сетчатого платиноидного катализатора и скорости потока аммиачно-воздушной смеси (см. также рис. 7 и 8 на стр.40 вышеуказанной статьи). Длительность периода времени инициирования реакции конверсии аммиака на всей поверхности сетчатого платиноидного катализатора отечественной промышленной установки получения азотной кислоты УКЛ-7 в способе-прототипе составляет 20 - 25с для сетчатого платиноидного катализатора из сплавов Pt - 92,5, Pd - 4,0 и Rh - 3,5 мас.%; Pt - 81, Pd - 15, Rh - 3,5 и Ru - 0,5 мас.% (см. стр.38, первый абзац правой колонки текста, а также рис.7 на стр.40 вышеуказанной статьи).

Недостаток способа-прототипа заключается в том, что в нем не разработаны его основные режимные параметры, а именно, пределы изменения соотношения эквивалентного диаметра нагреваемых локальных участков поверхности катализатора и эквивалентного диаметра отдельного линейного элемента (эквивалентный диаметр dэ - общепринятый геометрический параметр, который определяется из соотношения dэ = 4S/P, где S - площадь поперечного сечения физического объекта, Р - его периметр (см. об этом, например, в книге А.Г.Касаткина "Основные процессы и аппараты химической технологии", М., изд. "Химия", стр.38). Применительно к рассматриваемой модели под эквивалентным диаметром отдельного линейного электронагревательного элемента подразумевается эквивалентный диаметр его действительного поперечного сечения, а под эквивалентным диаметром нагреваемых локальных участков поверхности сетчатого катализатора - эквивалентный диаметр площади этих участков, лежащих непосредственно под линейными электронагревательными элементами), а также длительности периода подключения линейных электронагревательных элементов к источнику электроэнергии. Как показали промышленные исследования, проведенные авторами настоящего изобретения, этот недостаток приводит к повышению периода времени инициирования реакции конверсии аммиака на всей поверхности сетчатого платиноидного катализатора, сохранению возможности прогорания сетчатого платиноидного катализатора, следствием чего является достаточно высокая взрывоопасность данного процесса (процесс инициирования является взрывобезопасным, когда период времени инициирования реакции конверсии аммиака на всей поверхности сетчатого катализатора при использовании линейных электронагревательных элементов не превысит значения, определенного технологическим регламентом производства, определяющим безопасное проведение пускового периода работы реактора. Например, для большинства промышленных установок по получению азотной кислоты это значение составляет 60 с). Кроме того, использование способа-прототипа приводит к перерасходу электроэнергии при инициировании реакции конверсии аммиака, что определяется, в частности, длительностью периода времени подключения линейных электронагревательных элементов к источнику электроэнергии.

Раскрытие изобретения.

Техническая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в повышении взрывобезопасности процесса инициирования реакции конверсии аммиака на поверхности сетчатого платиноидного катализатора за счет снижения периода времени инициирования реакции конверсии аммиака на всей поверхности сетчатого платиноидного катализатора и исключения его прогорания, а также в уменьшении затрат электроэнергии при инициировании.

Данная техническая задача реализуется в способе инициирования реакции конверсии аммиака на сетчатом платиноидном катализаторе при пропускании сквозь него газовой смеси, содержащей аммиак и кислородсодержащий газ, в котором периодически нагревают локальные участки поверхности катализатора до температуры инициирования реакции конверсии аммиака с использованием линейных электронагревательных элементов, расположенных непосредственно на поверхности сетчатого платиноидного катализатора. При этом нагревают локальные участки поверхности катализатора, эквивалентный диаметр которых выбирают в интервале 1-5 от величины наружного эквивалентного диаметра отдельного линейного электронагревательного элемента, и линейные электронагревательные элементы подключают к источнику электроэнергии с длительностью периода подключения, который принимают в соответствующих пределах 20-1 с.

Основные отличительные признаки предлагаемого способа состоят в том, что нагревают локальные участки поверхности катализатора, эквивалентный диаметр которых выбирают в интервале 1-5 от величины наружного эквивалентного диаметра отдельного линейного электронагревательного элемента, и линейные электронагревательные элементы подключают к источнику электроэнергии с длительностью периода подключения, который принимают в соответствующих пределах 20-1 с.

Дополнительным отличительным признаком является то, что в качестве материала сетчатого платиноидного катализатора используют сплавы Pt - 81, Pd - 15, Rh - 3,5 и Ru - 0,5 мас.%; Pt - 92,5, Pd - 4,0 и Rh - 3,5 мас.%; Pt - 95 и Rh - 5 мас.%; Pt - 92,5 и Rh - 7,5 мас.%.

Настоящее изобретение соответствует условию патентоспособности - "новизна", поскольку из уровня техники не удалось найти технического решения, существенные признаки которого полностью совпадали бы со всеми признаками, имеющимися в независимом пункте формулы настоящего изобретения. Настоящее изобретение соответствует условию патентоспособности - "изобретательский уровень", поскольку из уровня техники не удалось найти технического решения, существенные признаки которого обеспечивали выполнение такой же технической задачи, на выполнение которой направлено настоящее изобретение.

В технической литературе отсутствуют сведения о взаимном влиянии основных параметров процесса инициирования реакции конверсии аммиака на сетчатом платиноидном катализаторе при использовании линейных электронагревательных элементов друг на друга - пределов изменения соотношения эквивалентного диаметра нагреваемых локальных участков поверхности катализатора и эквивалентного диаметра отдельного линейного электронагревательного элемента, а также длительности периода их подключения к источнику электроэнергии. На основании промышленных исследований, проведенных авторами настоящего изобретения в реакторах конверсии аммиака различных промышленных установок по получению азотной, синильной кислот и гидроксиламинсульфата, впервые установлено, что указанные в независимом пункте формулы настоящего изобретения пределы приведенных в ней режимных параметров являются одинаковыми для процесса конверсии аммиака в указанных промышленных установках.

Осуществление изобретения.

Настоящее изобретение поясняется нижеприведенными примерами.

Пример 1. Испытания проводят в реакторе конверсии аммиака установки по производству азотной кислоты, работающей под давлением 0,716 МПа, мощностью 348 т в сутки в пересчете на 100% НNО₃ (подробное описание этой установки см. в книге: М. Бонне, Н.Д.Заичко, М.М.Караваев и др., "Производство азотной кислоты в агрегатах большой единичной мощности", под ред. В.М.Олевского, Москва: "Химия", 1985, стр.94-214). Рабочий диаметр сетчатого платиноидного катализатора 1650 мм. В качестве сетчатого платиноидного катализатора используют пакет из 12 тканных катализаторных платиноидных сеток с числом отверстий 1024/см² из проволоки диам. 0,092 мм, выполненной из сплава Pt - 81, Pd - 15, Rh - 3,5 и Ru - 0,5 мас.% с начальной массой ~ 24 кг. Пакет сеток устанавливается в реакторе между фланцами. Реактор конверсии аммиака снабжен окнами визуального наблюдения за ходом распространения инициированной реакции конверсии аммиака на всей поверхности слоя сеток. В реакторе имеются также термопары для измерения температуры слоя сеток. В качестве исходной смеси реагентов в период пуска используют газовую смесь, содержащую аммиак и воздух с концентрацией аммиака в смеси 8 об.% и начальной температурой 130° С. Исходную смесь под абсолютным давлением ~ 0,716 МПа и расходом 45000 нм³/час (~70% от значения расхода при стационарной работе установки) подают в реактор. Для инициирования реакции конверсии аммиака в реакторе монтируют четыре линейных электронагревательных элемента непосредственно на поверхности сетчатого платиноидного катализатора параллельно друг другу на расстоянии 400 мм, которые соединяют последовательно в электрической цепи. Каждый элемент представляет собой отрезок проволоки из сплава с высоким электросопротивлением, например Х27Ю5Т по ГОСТ 5632-72. Элементы заключены в изоляцию на основе электротехнического фарфора марки МКР, получаемого из мулит-корундовой смеси путем ее спекания. Наружный диаметр изоляции элемента составляет 4 мм. Суммарное электросопротивление четырех элементов составляет 7 Ом. Элементы подключают к источнику переменного тока напряжением 220 В через регулирующий трансформатор с пределами регулирования напряжения 20-380 В. Необходимое значение электрического напряжения выбирают таким образом, чтобы мощности выделяемой с поверхности всех элементов было достаточно для достижения локальными участками поверхности сетчатого платиноидного катализатора температуры инициирования реакции конверсии аммиака. Испытания проводят следующим образом. Сначала в реактор конверсии аммиака подают только технологический воздух с расходом 41400 нм³/час. После набора давления до рабочего значения в реактор подают аммиак с расходом 3600 нм³/час. В момент начала подачи аммиака элементы подключают к источнику электроэнергии для реализации первого периода подключения. При этом по приборам фиксируют подаваемое электрическое напряжение и ток, а визуально через смотровые окна и по показаниям термопар - момент инициирования реакции конверсии аммиака на локальных участках поверхности сетчатого платиноидного катализатора, лежащих непосредственно под элементами. Длительность периода подключения элементов к источнику электроэнергии составляет 20 с. При этом нагревают локальные участки поверхности катализатора, эквивалентный диаметр которых равен наружному эквивалентному диаметру элемента. Длительность периода времени инициирования реакции конверсии аммиака на всей поверхности пакета катализаторных сеток после отключения подачи электроэнергии, определенная визуально по секундомеру, составила 18 с.

Пример 2. Все так же, как и в примере 1, с тем отличием, что длительность периода подключения элементов к источнику электроэнергии составляет 10 с. При этом нагревают локальные участки поверхности катализатора, эквивалентный диаметр которых равен 2,5 значения наружного эквивалентного диаметра элемента. Длительность периода времени инициирования реакции конверсии аммиака на всей поверхности пакета катализаторных сеток после отключения подачи электроэнергии, определенная визуально по секундомеру, составила 17 с.

Пример 3. Все так же, как и в примере 1, с тем отличием, что длительность периода подключения элементов к источнику электроэнергии составляет 1 с. При этом нагревают локальные участки поверхности катализатора, эквивалентный диаметр которых равен 5 значениям наружного эквивалентного диаметра элемента. Длительность периода времени инициирования реакции конверсии аммиака на всей поверхности пакета катализаторных сеток после отключения подачи электроэнергии, определенная визуально по секундомеру, составила 16 с.

Пример 4. Все так же, как и в примере 1, с тем отличием, что длительность периода подключения элементов к источнику электроэнергии составляет 22 с. При этом нагревают локальные участки поверхности катализатора, эквивалентный диаметр которых равен 0,85 значения наружного эквивалентного диаметра элемента. Длительность периода времени инициирования реакции конверсии аммиака на всей поверхности пакета катализаторных сеток после отключения подачи электроэнергии, определенная визуально по секундомеру, составила 22 с. Следует отметить, что инициирование реакции конверсии аммиака на сетчатом платиноидном катализаторе в данном случае удавалось реализовать в среднем в одном опыте из пяти, т.е. в четырех опытах реакция конверсии аммиака не инициировалась.

Пример 5. Все так же, как и в примере 1, с тем отличием, что длительность периода подключения элементов к источнику электроэнергии составляет 0,8 с. При этом нагревают локальные участки поверхности катализатора, эквивалентный диаметр которых равен 6,2 значения наружного эквивалентного диаметра элемента. Длительность периода времени инициирования реакции конверсии аммиака на всей поверхности пакета катализаторных сеток после отключения подачи электроэнергии, определенная визуально по секундомеру, составила 15,5 с. Однако при каждом испытании предлагаемого способа в этом случае неизбежно наблюдалось либо прогорание локальных участков поверхности сетчатого платиноидного катализатора, либо нарушение целостности линейных электронагревательных элементов из-за повышенного значения электрической мощности.

Пример 6. Все так же, как и в примере 2, с тем отличием, что в качестве материала сетчатого платиноидного катализатора используют сплав Pt - 92,5, Pd - 4,0 и Rh - 3,5 мас.%. Длительность периода времени инициирования реакции конверсии аммиака на всей поверхности пакета катализаторных сеток после отключения подачи электроэнергии, определенная визуально по секундомеру, составила 16 с.

Пример 7. Все так же, как и в примере 2, с тем отличием, что в качестве материала сетчатого платиноидного катализатора используют сплав Pt - 95 и Rh - 5 мас.%. Длительность периода времени инициирования реакции конверсии аммиака на всей поверхности пакета катализаторных сеток после отключения подачи электроэнергии, определенная визуально по секундомеру, составила 15,5 с.

Пример 8. Все так же, как и в примере 2, с тем отличием, что в качестве материала сетчатого платиноидного катализатора используют сплав Pt - 92,5 и Rh - 7,5 мас.%. Длительность периода времени инициирования реакции конверсии аммиака на всей поверхности пакета катализаторных сеток после отключения подачи электроэнергии, определенная визуально по секундомеру, составила 16,5 с.

Пример 9. Испытания проводят в реакторе конверсии аммиака установки по производству синильной кислоты, работающей под атмосферным давлением, мощностью 19 т в сутки в пересчете на 98,5% HCN (пример одной из схем этой установки см. в книге: С.С.Бобков, С.К.Смирнов. "Синильная кислота", Москва: "Химия", 1970, стр.117-120). Рабочий диаметр сетчатого платиноидного катализатора 1150 мм. В качестве сетчатого платиноидного катализатора используют пакет из 8 тканных платиноидных сеток с числом отверстий 1024/cм²из проволоки диам. 0,092 мм, выполненной из сплава Pt - 92,5 и Rh - 7,5 мас.% с начальной массой ~ 9 кг. Пакет сеток устанавливается в реакторе между фланцами. Реактор конверсии аммиака снабжен окнами визуального наблюдения за ходом распространения инициированной реакции конверсии аммиака на всей поверхности слоя сеток. В реакторе имеются также термопары для измерения температуры слоя сеток. В качестве исходной смеси реагентов в период пуска используют газовую смесь, содержащую аммиак, метан и воздух, с начальной температурой 40° С. Исходную смесь под атмосферным давлением и расходом 6425 нм³/час (~75% от значения расхода при стационарной работе установки) подают в реактор. Для инициирования реакции конверсии аммиака в реакторе монтируют два элемента непосредственно на поверхности сетчатого платиноидного катализатора параллельно друг другу на расстоянии 400 мм и соединяются последовательно в электрической цепи. Элементы аналогичны элементам, используемым в примере 1. Суммарное электросопротивление двух элементов составляет ~ 2 Ом. Элементы подключают к источнику переменного тока, описанному в примере 1. Испытания проводят следующим образом. В реактор конверсии аммиака подают технологический воздух с расходом 5025 нм³/час в смеси с метаном (расход метана - 870 нм³/час) и аммиаком (расход аммиака 530 нм³/час) при концентрации аммиака в смеси ~ 8,2 об.%. В момент начала подачи аммиака элементы подключают к источнику электроэнергии для реализации первого периода подключения. Длительность периода подключения элементов к источнику электроэнергии составляет 10 с. При этом нагревают локальные участки поверхности катализатора, эквивалентный диаметр которых равен 2,5 значения наружного эквивалентного диаметра элемента. Длительность периода времени инициирования реакции конверсии аммиака на всей поверхности пакета катализаторных сеток после отключения подачи электроэнергии, определенная визуально по секундомеру, составила 16,5 с.

Пример 10. Испытания проводят в реакторе конверсии аммиака установки по производству гидроксиламинсульфата (NH₂OH)₂×H₂SO₄, работающей под атмосферным давлением, мощностью 48 т в сутки (пример одной из схем этой установки см. в книге: А.С.Бадриан, Ф.Г.Кокоулин, В.И.Овчинников и др., "Производство капролактама", под ред. В.И.Овчинникова и В.Р.Ручинского, Москва: "Химия", 1977, стр.122-124, 129, 130). Рабочий диаметр сетчатого платиноидного катализатора 2900 мм. В качестве сетчатого платиноидного катализатора используют пакет из 3 тканных платиноидных сеток с числом отверстий 1024/см² из проволоки диам. 0,092 мм, выполненной из сплава Pt - 92,5 и Rh - 7,5 мас.% с начальной массой ~ 18 кг. Пакет сеток устанавливается в реакторе между фланцами. Реактор конверсии аммиака снабжен окнами визуального наблюдения за ходом распространения инициированной реакции конверсии аммиака на всей поверхности слоя сеток. В реакторе имеются также термопары для измерения температуры слоя сеток. В качестве исходной смеси реагентов в период пуска используют газовую смесь, содержащую аммиак, кислород и водяной пар с начальной температурой 100° С. Исходную смесь под атмосферным давлением и расходом 4995 нм³/час (~65% от значения расхода при стационарной работе установки) подают в реактор. Для инициирования реакции конверсии аммиака в реакторе монтируют шесть элементов непосредственно на поверхности сетчатого платиноидного катализатора параллельно друг другу на расстоянии 400 мм и соединяют последовательно в электрической цепи. Элементы аналогичны элементам, используемым в примере 1. Суммарное электросопротивление шести линейных электронагревательных элементов составляет ~ 16 Ом. Элементы подключают к источнику переменного тока, описанному в примере 1. Испытания проводят следующим образом. В реактор конверсии аммиака подают кислород с расходом 945 нм³/час в смеси с водяным паром (расход водяного пара - 3650 нм³/час) и аммиаком (расход аммиака 400 нм³/час) при концентрации аммиака в смеси ~ 8 об.%. Элементы подключают к источнику электроэнергии. Длительность периода подключения элементов к источнику электроэнергии составляет 10 с. При этом нагревают локальные участки поверхности катализатора, эквивалентный диаметр которых равен 2,5 значения наружного эквивалентного диаметра элемента. Длительность периода времени инициирования реакции конверсии аммиака на всей поверхности пакета катализаторных сеток после отключения подачи электроэнергии, определенная визуально по секундомеру, составила 16 с.

Из сравнения результатов по примерам 1-3, 6-10 с подобными результатами по способу-прототипу можно сделать следующий вывод, что использование настоящего изобретения позволяет сократить длительность периода времени инициирования реакции конверсии аммиака на всей поверхности сетчатого платиноидного катализатора с 20-25 с (в способе-прототипе) до 18-15,5 с, т.е. на 10%-22,5% и таким образом существенно повысить безопасность процесса инициирования реакции конверсии аммиака на поверхности сетчатого платиноидного катализатора при использовании линейных электронагревательных элементов.

Из сравнения результатов по примерам 1-3 с подобными результатами по примеру 4 видно, что длительность периода времени инициирования реакции конверсии аммиака на всей поверхности пакета катализаторных сеток после отключения подачи электроэнергии, определенная визуально по секундомеру, составила 22 с, что превышает аналогичное значение для способа-прототипа. Следует отметить, что инициирование реакции конверсии аммиака на сетчатом платиноидном катализаторе в данном случае удавалось реализовать в среднем в одном опыте из пяти, т.е. в четырех опытах реакция конверсии аммиака не инициировалась.

Из сравнения результатов по примерам 1-3 с подобными результатами по примеру 5 видно, что длительность периода времени инициирования реакции конверсии аммиака на всей поверхности пакета катализаторных сеток после отключения подачи электроэнергии, определенная визуально по секундомеру, составила 15,5 с. Однако при каждом испытании предлагаемого способа в этом случае неизбежно наблюдалось либо прогорание локальных участков поверхности сетчатого платиноидного катализатора, либо нарушение целостности линейных электронагревательных элементов из-за повышенного значения электрической мощности, что недопустимо при промышленном использовании.

1. Способ инициирования реакции конверсии аммиака на сетчатом платиноидном катализаторе при пропускании сквозь него газовой смеси, содержащей аммиак и кислородсодержащий газ, в котором периодически нагревают локальные участки поверхности катализатора до температуры инициирования реакции с использованием линейных электронагревательных элементов, расположенных непосредственно на поверхности катализатора, отличающийся тем, что нагревают локальные участки поверхности катализатора, эквивалентный диаметр которых выбирают в пределах от 1 до 5 значений наружного эквивалентного диаметра элемента, и элементы подключают к источнику электроэнергии с длительностью периода подключения, который принимают в соответствующих пределах от 20 до 1 с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала сетчатого платиноидного катализатора используют сплавы Pt - 81, Pd - 15, Rh - 3,5 и Ru - 0,5 мас.%; Pt - 92,5, Pd - 4,0 и Rh - 3,5 мас.%; Pt - 95 и Rh - 5 мас.%, Pt - 92,5 и Rh - 7,5 мас.%.