Пакет катализаторных сеток для конверсии аммиака

Пакет катализаторных сеток для конверсии аммиака

Реферат

Изобретение относится к пакету катализаторных сеток для конверсии аммиака в газовой смеси, содержащей кислород, выполненных из сплавов платиноидов, и может быть использовано в агрегатах азотной и синильной кислот, а также гидроксиламинсульфата.

Известен пакет катализаторных сеток, включающий только сетки из сплавов с повышенной концентрацией платины 90-95% (остальное родий) [см. строку по п.3.5. в колонках 3 и 5 в таблице из статьи Чернышева В.И., Тертышного И.Г. из журнала Катализ в промышленности. №6. 2007. С.29-38 - ксерокопии двух начальных страниц этой статьи и таблицы в ней прилагаются].

Недостатком такого пакета является большая масса дорогостоящей платины и соответственно высокие ее потери в процессе эксплуатации пакета.

Известен также пакет катализаторных сеток, включающий только сетки из сплавов с пониженной концентрацией платины 70-85% (остальное палладий и родий) [см. предыдущую ссылку, а именно строку по п.3.5. в колонках 2 и 4 таблицы].

Недостатком такого пакета является пониженная активность и селективность катализатора за счет замены более активной в процессах конверсии аммиака платины на менее активный палладий [об активности и селективности платины и палладия см. монографию Караваев М.М., Засорин А.П., Клещев Н.Ф. Каталитическое окисление аммиака. М: Химия, 1983, с.31, строка 27 сверху].

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению - прототипом является пакет катализаторных сеток для конверсии аммиака в газовой смеси, содержащей кислород, включающий слои сеток из сплавов платиноидов с пониженной 70-85% и повышенной 90-95% концентрацией платины [см. рис.1 из статьи Гущина Г.М., Дмитриева В.А., Саханской И.Н., Сивкова Г.М., Черемных В.П. из журнала Цветные металлы. №1. 2007. С.39-44 - ксерокопия статьи прилагается].

Основным недостатком данного пакета является повышенная начальная масса платиноидов в нем и повышенные их потери в процессе эксплуатации пакета за счет неупорядоченного расположения слоев сеток с пониженной и с повышенной концентрацией платины.

Технический результат, на решение которого направлено настоящее изобретение, заключается в уменьшении массы платиноидов, входящих в состав пакета катализаторных сеток и их потерь в процессе эксплуатации пакета без снижения степени конверсии аммиака до целевого продукта (NО в производствах азотной кислоты и гидроксиламинсульфата и HCN в производстве синильной кислоты).

Данный технический результат достигается тем, что пакет катализаторных сеток для конверсии аммиака в газовой смеси, содержащей кислород, включающий слои сеток из сплавов платиноидов с пониженной 70-85% и с повышенной 90-95% концентрацией платины, состоит из трех слоев, причем первый слой по ходу газовой смеси включает сетки из сплава с пониженной концентрацией платины, количество которых составляет 1/6-1/3 от общего числа сеток в пакете, второй слой имеет сетки из сплава с повышенной концентрацией платины в количестве 1/3-2/3 от общего числа сеток в пакете и третий слой включает сетки из сплава с пониженной и/или с повышенной концентрацией платины. В качестве сплавов с пониженной концентрацией платины применяются сплавы Pt - 70, Pd - 23 и Rh - 7%; Pt - 81, Pd - 15, Rh - 3,5 и Ru - 0,5%; Pt - 85, Pd - 11,5 и Rh - 3,5%, а в качестве сплавов с повышенной концентрацией платины применяются сплавы Pt - 90, Pd - 5 и Rh - 5%; Pt - 92,5 и Rh - 7,5%; Pt - 95 и Rh - 5%. Сетки выполнены ткаными или вязаными и изготовлены из проволок, диаметр которых лежит в интервале 0,076-0,092 мм.

Основные отличительные признаки пакета катализаторных сеток для конверсии аммиака в газовой смеси, содержащей кислород, в соответствии с настоящим изобретением заключаются в том, что пакет состоит из трех слоев, причем первый слой по ходу газовой смеси включает сетки из сплава с пониженной концентрацией платины, количество которых составляет 1/6-1/3 от общего числа сеток в пакете, второй слой имеет сетки из сплава с повышенной концентрацией платины в количестве 1/3-2/3 от общего числа сеток в пакете и третий слой включает сетки из сплава с пониженной и/или с повышенной концентрацией платины.

Дополнительные отличительные признаки пакета катализаторных сеток для конверсии аммиака в газовой смеси, содержащей кислород, заключаются в том, что в качестве сплавов с пониженной концентрацией платины применяются сплавы Pt - 70, Pd - 23 и Rh - 7%; Pt - 81, Pd - 15, Rh - 3,5 и Ru - 0,5%; Pt - 85, Pd - 11,5 и Rh - 3,5%, а в качестве сплавов с повышенной концентрацией платины применяются сплавы Pt - 90, Pd - 5 и Rh - 5%; Pt - 92,5 и Rh - 7,5%; Pt - 95 и Rh - 5%. Сетки выполнены ткаными или вязаными и изготовлены из проволок, диаметр которых лежит в интервале 0,076-0,092 мм.

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, отличительные признаки которого обеспечивали получение такого же технического результата, на выполнение которого направлено настоящее изобретение.

На чертеже изображен в продольном разрезе размещенный в корпусе реактора 1 пакет катализаторных сеток 2 для конверсии аммиака в газовой смеси, содержащей кислород, включающий слои сеток из сплавов платиноидов с пониженной 70-85% и повышенной 90-95% концентрацией платины. Пакет состоит из трех слоев 3, 4 и 5, причем первый слой 3 по ходу газовой смеси включает сетки из сплава с пониженной концентрацией платины, количество которых составляет 1/6-1/3 от общего числа сеток n в пакете, второй слой 4 имеет сетки из сплава с повышенной концентрацией платины в количестве 1/3-2/3 от общего числа сеток n в пакете и третий слой 5 включает сетки из сплава с пониженной и/или повышенной концентрацией платины. В качестве сплавов с пониженной концентрацией платины применяются сплавы Pt - 70, Pd - 23 и Rh - 7%; Pt - 81, Pd - 15, Rh - 3,5 и Ru - 0,5%; Pt - 85, Pd - 11,5 и Rh - 3,5%, а в качестве сплавов с повышенной концентрацией платины применяются сплавы Pt - 90, Pd - 5 и Rh - 5%; Pt - 92,5 и Rh - 7,5%; Pt - 95 и Rh - 5%. Сетки выполнены ткаными или вязаными и изготовлены из проволок, диаметр которых лежит в интервале 0,076-0,092 мм.

Пакет катализаторных сеток для конверсии аммиака в газовой смеси, содержащей кислород, работает следующим образом. Газовая смесь, содержащая аммиак и кислород (воздух и аммиак в производстве азотной кислоты; кислород, аммиак и пары воды в производстве гидроксиламинсульфата; воздух, аммиак и метан в производстве синильной кислоты), поступает в корпус реактора 1 и, двигаясь в нем по направлению стрелки (см. чертеж), проходит три слоя 3, 4 и 5 пакета катализаторных сеток 2, в котором осуществляется каталитическая конверсия аммиака до целевого продукта. Целевыми продуктами являются: в производстве азотной кислоты и гидроксиламинсульфата - NO; в производстве синильной кислоты - HCN. Образовавшаяся в результате конверсии аммиака газовая смесь, содержащая целевой продукт, выходит из корпуса реактора 1.

Технологические параметры и результаты промышленной реализации предложенного пакета катализаторных сеток, пакета-прототипа и существующего пакета в агрегатах азотной кислоты АК-72, УКЛ-7, синильной кислоты и гидроксиламинсульфата представлены в таблицах 1 и 2 соответственно.

Из рассмотрения табл.2 следует:

Для агрегата азотной кислоты АК-72: Примеры 1 - прототип и 2 - по изобретению (тканые сетки) осуществлены одновременно в 2-х параллельно работающих реакторах одного агрегата с пакетами новых катализаторных сеток. Примеры 3 - прототип и 4 - по изобретению (тканые сетки) осуществлены так же, как и примеры 1 и 2, с пакетами катализаторных сеток, прошедших эксплуатацию в примерах 1 и 2. Примеры 5 и 6 - по изобретению (тканые сетки), причем пакеты катализаторных сеток выполнены из проволок диаметром 0,092 и 0,082 мм соответственно и эти пакеты устанавливались на пакеты катализатора-уловителя. Пример 7 - прототип (тканые сетки), в котором количество сеток с повышенной концентрацией Pt во втором слое составляет 1/6 от общего числа сеток n=6 в пакете, т.е. ниже нижнего предела в независимом пункте формулы изобретения. Из сопоставления результатов в примерах 2 и 1, 4 и 3 видно, что пакет катализаторных сеток по изобретению по сравнению с пакетом-прототипом имеет меньшие исходные массы пакета и Pt в нем на 13,5-14,4%, а также на 8-9% меньшие потери масс пакета и Pt в нем после эксплуатации при сохранении на том же уровне 95,4-95,6% степени конверсии NH₃ до целевого продукта NO. Из сравнения результатов примеров 2, 4-6 - по изобретению с результатами примера 7 видно, что при вышеуказанном выходе в примере 7 за нижний предел количества сеток из сплава с повышенной концентрацией Pt во втором слое степень конверсии NH₃ до целевого продукта NO падает на ~1% (с 95,4-95,6 до 94,4%).

Для агрегата азотной кислоты УКЛ-7: Примеры 8, 10 и 11 - прототип (тканые сетки), причем в примере 10 количество сеток в первом и втором слоях составляет соответственно 1/10 и 4/5 от общего числа сеток n=10 в пакете, т.е. ниже нижнего предела и выше верхнего предела в независимом пункте формулы изобретения. В примере 11 количество сеток в первом слое составляет 2/5 от общего числа сеток n=10 в пакете, т.е. выше верхнего предела в независимом пункте формулы изобретения. Примеры 9 и 12 - по изобретению, причем пакеты катализаторных сеток выполнены ткаными и вязаными из проволок диаметром 0,092 и 0,076 мм соответственно. В третьих слоях пакетов находятся: в примере 9 сетки из сплава с пониженной концентрацией Pt и в примере 12 сетки из сплава с пониженной и повышенной концентрацией Pt. Из сопоставления результатов в примерах 9 и 8 видно, что пакет катализаторных сеток по изобретению по сравнению с пакетом-прототипом имеет меньшие исходные массы пакета и Pt в нем на ~15 и 12,5% соответственно, а также на ~13 и 10% меньшие потери масс пакета и Pt в нем после эксплуатации при сохранении на том же уровне степени конверсии NH₃ до NO 93,4-93,5%. Из сравнения результатов примера 9 - по изобретению с результатами примера 10 (в обоих пакетах n=10) видно, что при вышеуказанном выходе в примере 10 за нижний и верхний пределы количества сеток с пониженной концентрацией Pt в первом слое и сеток с повышенной концентрацией Pt во втором слое возрастает исходная масса пакета и масса дорогостоящей Pt в нем соответственно на ~1,5 и 5,5%, а также увеличиваются потери масс пакета и Pt в нем после эксплуатации соответственно на ~4,9 и 9%. Из сравнения результатов примера 9 - по изобретению с результатами примера 11 (в обоих пакетах n=10) видно, что при вышеуказанном выходе за верхний предел количества сеток из сплава с пониженной концентрацией Pt в первом слое степень конверсии NH₃ до целевого продукта NO падает на 0,7% (с 93,4 до 92,7%).

Для агрегата синильной кислоты: Пример 13 - существующий пакет из тканых катализаторных сеток. Примеры 14, 15 - по изобретению (тканые сетки). В третьих слоях пакетов: в примерах 15 находятся сетки из сплава с пониженной концентрацией Pt, а в примере 14 - сетки из сплавов с пониженной и повышенной концентрацией Pt. Из сравнения результатов примера 14 - по изобретению с результатами примера 13 (в обоих пакетах n=8) видно, что пакет катализаторных сеток по изобретению имеет меньшую на ~2% исходную массу пакета и меньшую на ~6,6% массу Pt в нем, а также меньшие потери масс пакета и Pt в нем после эксплуатации на ~7,2 и 11,5%. Из сравнения результатов примера 15 - по изобретению (в пакете n=7) с результатами примера 13 (в пакете n=8) видно, что пакет катализаторных сеток по изобретению имеет меньшую на 14,5% исходную массу пакета и меньшую на ~19% массу Pt в нем, а также меньшие потери масс пакета и Pt в нем после эксплуатации на ~19 и 22%.

Для агрегата гидроксиламинсульфата: Пример 16 - существующий пакет из тканых катализаторных сеток. Примеры 17, 18 - по изобретению (тканые сетки), причем в третьем слое пакета по примеру 18 содержится сетка из сплава с пониженной концентрацией Pt, а в третьем слое пакета по примеру 18 - сетка из сплава с повышенной концентрацией Pt. Из сравнения результатов примеров 17, 18 - по изобретению с результатами примера 16 (в пакетах по примерам 16-18 n=3) видно, что пакет катализаторных сеток по изобретению имеет меньшую на 1,8-3,6% исходную массу пакета и меньшую на 5,8-11,6% массу Pt в нем, а также меньшие потери масс пакета и Pt в нем после эксплуатации на 6,7-13,3 и 10,5-20,5%.

Таблица 1
Технологические параметры
Параметры	Агрегаты азотной кислоты	Агрегат синильной кислоты	Агрегат гидроксиламинсульфата (ГАС)
АК-72	УКЛ-7
1. Производительность	1150	355	19,2	24
	т 100% HNO3/сут	т 100% HNO3/сут	т 98,5% HCN/сут	т 100% ГАС/сут
2. Количество реакторов конверсии NH3, шт.	2	1	1	1
3. Диаметр пакета катализаторных сеток, мм:
- фактический	3900	1700	1200	2900
- рабочий (эффективный)	3800	1650	~1150	2750
4. Расходы, нм3/час:
- воздуха	95000	54000	6500	-
- аммиака	10570	6060	1075	1080
- метана	-	-	1130	-
- кислорода	-	-	-	1450
- водяного пара, т/ч	-	-	-	5400
5. Давление абсолютное, МПа	0,38	0,7	атмосферное	атмосферное
6. Температура пакета катализаторных сеток, °С	850	900	910	920

Таблица 2
Результаты промышленной реализации
Пример	Период эксплуатации катализаторного пакета при испытании, ч	Средняя степень конверсии NH3 до NO и NH3 до HCN	Исходная масса катализаторного пакета, г	Потери катализаторного пакета за период испытания, г	Количество сеток в катализаторном пакете штук: № сплава, ⌀ проволоки, мм:
1 слой
2 слой
3 слой
1	2	3	4	5	6
Агрегат азотной кислоты АК-72
1 прототип	2025	95,5	78845	4773,3	2: №1, 0,0925: №2, 0,092
2 по изобретению	2025	95,6	67756	4367,1	2: №2, 0,0922: №1, 0,0922: №2, 0,092
3 прототип	2226	95,4	74071,7	5310,4	2: №1, 0,0925: №2, 0,092
4 по изобретению	2226	95,5	63388,9	4832,1	2: №2, 0,0923: №1, 0,0921: №2, 0,092
5 по изобретению	~4500	95,5	44582	8829 без учета улавливания	1: №2, 0,0922: №1, 0,092 1: №2, 0,092 и пакет сеток катализатора-уловителя Pd-90, Au-10%
6 по изобретению	~4000	95,4	53307	9384 без учета улавливания	2: №3, 0,0823: №4, 0,082 1: №3, 0,082 и пакет сеток катализатора-уловителя Pd-95, Ni-5%
7 прототип за заявленными пределами в формуле изобретения	2127	94,4	67145	4379.3	2: №2, 0,0921: №1, 0,092 3: №2, 0,092
Агрегат азотной кислоты УКЛ-7
8 прототип	1548	93,5	25592	3434	3: №1, 0,0929: №2, 0,092
9 по изобретению	1553	93,4	21655	2983	3: №2, 0,0925: №1, 0,092 2: №2, 0,092
10 прототип за заявленными пределами в формуле изобретения	1561	93,4	21988	3128	1: №2, 0,0928: №1, 0,092 1: №2, 0,092
11 прототип за заявленными пределами в формуле изобретения	1557	92,7	21536	3105	4: №2, 0,0924: №1, 0,092 2: №2, 0,092
12 по изобретению	1565	93,5	21266	3070	3: №2, 0,0769: №1, 0,076 3: 2, №2 и 1, №1 0,076
Агрегат синильной кислоты
13 существующий пакет	2409	58,1	8998	290	8: №5, 0,092
14 по изобретению	2399	58,2	8817	269	2: №2, 0,0924: №5 0,0922: №2 и №5, 0,092
15 по изобретению	2416	58,1	7692	238	2: №2, 0,0924: №5, 0,092 1: №2, 0,092
Агрегат гидроксиламинсульфата
16 существующий пакет	6571	96,9	17997	6516	3: №5, 0,092
17 по изобретению	6589	96,9	17349	5648	1: №2, 0,0921: №5, 0,092 1: №2, 0,092
18 по изобретению	6557	97,0	17673	6082	1: №2, 0,0921: №5, 0,092 1: №5, 0,092
Примечание: Номера и составы сплавов:
№1 Pt - 92,5; Pd - 4 и Rh - 3,5%
№2 Pt -81; Pd - 15; Rh - 3,5 и Ru - 0,5%
№3 Pt - 70; Pd - 23 и Rh - 7%
№4 Pt - 95 и Rh - 5%
№5 Pt - 92,5 и Rh - 7,5%

1. Пакет катализаторных сеток для конверсии аммиака в газовой смеси, содержащей кислород, включающий слои сеток из сплавов платиноидов с пониженной 70-85% и с повышенной 90-95% концентрацией платины, отличающийся тем, что пакет состоит из трех слоев, причем первый слой по ходу газовой смеси включает сетки из сплава с пониженной концентрацией платины, количество которых составляет 1/6-1/3 от общего числа сеток в пакете, второй слой имеет сетки из сплава с повышенной концентрацией платины в количестве 1/3-2/3 от общего числа сеток в пакете, и третий слой включает сетки из сплава с пониженной и/или с повышенной концентрацией платины.

2. Пакет катализаторных сеток по п.1, отличающийся тем, что в качестве сплавов с пониженной концентрацией платины применяются сплавы Pt - 70, Pd - 23 и Rh - 7%; Pt - 81, Pd - 15, Rh - 3,5 и Ru - 0,5%; Pt - 85, Pd - 11,5 и Rh - 3,5%, а в качестве сплавов с повышенной концентрацией платины применяются сплавы Pt - 90, Pd - 5 и Rh - 5%; Pt - 92,5 и Rh - 7,5%; Pt - 95 и Rh - 5%.

3. Пакет катализаторных сеток по п.1, отличающийся тем, что сетки выполнены ткаными или вязаными.

4. Пакет катализаторных сеток по п.1, отличающийся тем, что сетки изготовлены из проволок, диаметр которых лежит в интервале 0,076-0,092 мм.