КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ КОНВЕРСИИ АММИАКА Российский патент 1994 года по МПК B01J23/42 C01B21/26 

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

Известен каталитический элемент для реакции конверсии аммиака (1), выполненный в виде пакета проволочных платинородиевых сеток, плотно прилегающих друг к другу. Применяемые в настоящее время в СССР и за рубежом платинородиевые сплавы содержат, как правило 90-95% платины и 10-5% родия.

Недостатками данного платинородиевого каталитического элемента являются значительные потери платиноидов, особенно, с первых по ходу потока смеси реагентов сеток. Главной причиной этих потерь является экстремально высокая поверхностная подвижность материала катализатора в условиях реакции конверсии аммиака, приводящая к интенсивной перестройке макрорельефа поверхности проволок катализатора. В результате динамического воздействия на платинородиевые сетки проходящего сквозь них газового потока имеет место их вибрация, приводящая к отрыву частиц платиноидов и их уносу потоком газа. Дополнительной причиной потерь платиноидов является испарение оксидов платины с поверхности платинородиевых сеток.

Известен каталитический элемент с пакетом платинородиевых сеток и ловушкой для Pt и Rh с промежуточными слоями из керамического материала (2).

Известен слоистый катализатор, использующий слои из огнеупорных материалов (3).

Недостатками известных устройств является невысокая их эффективность из-за низкой степени конверсии аммиака.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является каталитический элемент для конверсии аммиака (4) в виде пакета проволочных платинородиевых сеток, с частичным или полным разделением газопроницаемыми, термостойкими и инертными к процессу конверсии прокладками при последовательном чередовании прокладок и сеток, причем прокладки и сетки плотно прилегают друг к другу. Прокладки выполнены в виде сеток, сплетенных из никелевой проволоки.

Недостатками каталитического элемента-прототипа являются высокие потери платиноидов и снижение степени конверсии аммиака по сравнению с вышеописанным каталитическим элементом аналогом в результате дефиксации аммиака на поверхности никелевых сеток.

Целью изобретения является уменьшение потерь платиноидов.

Поставленная цель достигается каталитическим элементом для реакции конверсии аммиака в виде пакета проволочных платинородиевых сеток с частичным или полным разделением сеток газопроницаемыми термостойкими инертными к процессу конверсии прокладками при последовательном чередовании прокладок и сеток, причем прокладки и сетки плотно прилегают друг к другу. Прокладки выполнены из материалов на основе оксидов алюминия и/или кремния и каждая прокладка имеет толщину, в 4-100 раз превышающую диаметр проволоки сетки.

Отличительными признаками каталитического элемента являются выполнение прокладок из материала на основе оксидов алюминия и/или кремния и каждая прокладка имеет толщину, в 4-100 раз превышающую диаметр проволоки сетки.

Использование изобретения показывает, что при разделении по крайней мере части проволочных платинородиевых сеток в каталитическом пакете газопроницаемыми, инертными к процессу конверсии аммиака прокладками, выполненными из материалов на основе керамики, модификаций кремнезема, потери платиноидов особенно с нижележащих платинородиевых сеток значительно уменьшаются без снижения степени конверсии аммиака. Уменьшение толщины прокладок до значения менее, чем в 4 раза превышающего диаметр проволоки платинородиевой сетки, приводит к резкому возрастанию относительных потерь платиноидов до значений, соответствующих устройству-прототипу, а увеличение толщины прокладок до значения, более чем в 100 раз превышающего диаметр проволоки, приводит к резкому снижению степени конверсии аммиака по сравнению с устройством-прототипом. Уменьшения степени конверсии аммиака при использовании предлагаемой конструкции каталитического элемента не происходит потому, что снижение интенсивности и амплитуды звукового поля газового потока приводит к стабилизации протекания реакции конверсии аммиака на поверхности каждой отдельной платинородиевой сетки.

П р и м е р 1. Сравнительные испытания предлагаемого платинородиевого каталитического элемента и каталитического элемента по прототипу проводят на промышленном реакторе конверсии аммиака агрегата АК-72 с рабочим диаметром каталитического элемента в виде пакета платинородиевых сеток 3800 мм. Процесс конверсии аммиака в этом реакторе протекает при следующих значениях технологических параметров: расход смеси реагентов аммиак-воздух - 100 тыс. нм³/ч, содержание аммиака в смеси - 10,5%, абсолютное статическое давление в реакторе - 4,2 кгс/см², температура контактирования - 860^оС, начальная температура потока смеси реагентов аммиак-воздух - 170^оС.

В качестве платинородиевого каталитического элемента в соответствии с предлагаемым устройством используют семь новых сеток стандартного плетения, выполненных из проволоки диаметром d 92 мкм на основе сплава, содержащего 81% платины и 3,5% родия по ГОСТ 13498-79, которые чередуются с термостойкими прокладками, выполненными в виде набора единичных элементов из ткани на основе кремнеземного волокна марки КТ-11-ТО (содержание кремнезема в материале волокна 93-95 мас.%) толщиной δ= 0,092 мм. В качестве устройства каталитического устройства - прототипа используют также семь новых каталитических сеток из платинородиевого сплава, аналогичного сплаву в предлагаемом устройстве, которые разделены в пакете прокладками в виде сеток из никелевой проволоки диаметром 92 мкм, сплетенных подобно каталитическим сеткам. Платинородиевые сетки, как в предлагаемом устройстве каталитического элемента, так и в устройстве-прототипе чередуют с термостойкими прокладками, начиная с сетки 4 по ходу смеси реагентов, таким образом, что сетки 4, 5, 6, 7 разделены прокладками друг от друга и от части неразделенных между собой 1, 2, 3. Степень конверсии аммиака в ходе рабочего процесса определяют по стандартной методике (5). Перед установкой в реактор и после установленного периода работы в условиях реакции конверсии аммиака - 2025 ч платинородиевые сетки взвешивают каждую в отдельности и по разности начального G_н и конечного G_к значений массы сеток определяли потери платиноидов по формуле
G_п = (G_н - G_к) x 100%/G_н.

Результаты испытаний по примеру 1 представлены в табл.1.

П р и м е р 2. Аналогично примеру 1, только в качестве термостойких прокладок в предлагаемом устройстве каталитического элемента используют набор единичных элементов из ткани на основе кремнеземного волокна КТ-23Н-ТО (содержание кремнезема в материале волокна 98,5-99,2 мас.%) толщиной 0,092 мм. Результаты испытаний по примеру 2 представлены в табл.1.

П р и м е р 3. Аналогично примеру 1, только в качестве термостойких прокладок в предлагаемом устройстве каталитического элемента используют набор единичных элементов из ткани на основе фарфорового волокна (материал волокна содержит MgO 22%, Al₂O₃ 22%, SiO₂ 54%) толщиной 0,092 мм. Результаты испытаний по примеру 3 представлены в табл.1.

П р и м е р 4. Аналогично примеру 1, только в качестве термостойких прокладок в предлагаемом устройстве каталитического элемента используют набор единичных элементов из ткани на основе керамического волокна (материал волокна содержит Al₂O₃ 95%, SiO₂ 5%) толщиной 0,092 мм. Результаты испытаний по примеру 4 представлены в табл.1.

П р и м е р 5. В качестве платинородиевого каталитического элемента в соответствии с предлагаемым устройством используют шесть новых сеток стандартного плетения (диаметр проволоки, плотность плетения, марка сплава сеток аналогичные сеткам в примере 1). Все каталитические платинородиевые сетки в пакете, начиная с первой по ходу потока смеси реагентов, чередуются с термостойкими прокладками, выполненными в виде набора единичных элементов из ткани на основе кремнеземного волокна марки КТ-11-ТО толщиной 0,092 мм. В качестве устройства каталитического элемента-прототипа используют также шесть новых платинородиевых сеток стандартного плетения. Все каталитические платинородиевые сетки элемента-прототипа, начиная с первой по ходу потока смеси реагентов, чередуются с термостойкими прокладками в виде сеток из никелевой проволоки диаметром 92 мкм, сплетенных подобно каталитическим сеткам.

Определение значений степени конверсии аммиака и потерь платиноидов осуществляли аналогично примеру 1. Результаты испытаний представлены в табл.1.

П р и м е р 6. Аналогично примеру 5 только в предлагаемом устройстве каталитического элемента в качестве термостойких прокладок используют набор единичных элементов из ткани на основе кремнеземного волокна марки КТ-23Н-ТО толщиной 0,092 мм. Результаты испытаний по примеру 6 представлены в табл.1.

П р и м е р 7. Аналогично примеру 5, только в предлагаемом устройстве каталитического элемента в качестве термостойких прокладок используют набор единичных элементов из ткани на основе фарфорового волокна толщиной 0,092 мм. Результаты испытаний по примеру 7 представлены в табл.1.

П р и м е р 8. Аналогично примеру 5, только в предлагаемом устройстве каталитического элемента в качестве термостойких прокладок используют набор единичных элементов из ткани на основе керамического волокна толщиной 0,092 мм. Результаты испытаний по примеру 8 представлены в табл.1.

В табл. 1 представлены результаты сравнительных промышленных испытаний предлагаемого устройства каталитического элемента и устройства-прототипа.

В номерах опытов 1-3 каждого из примеров приведены данные по относительным потерям платинородиевых сеток при использовании предлагаемого устройства каталитического элемента при разделении платинородиевых сеток термостойкими прокладками толщиной, соответственно в 4, 50, 100 раз превращающей диаметр проволоки платинородиевой сетки (абсолютное значение толщины прокладок составляет соответственно 0,368, 4,60, 9,20 мм).

В опыте 4 каждого из примеров приведены данные по относительным потерям платинородиевых сеток для предлагаемого устройства каталитического элемента при разделении платинородиевых сеток термостойкими прокладками толщиной ниже нижнего предела заявляемой толщины, а именно, в 3 раза превышающей диаметр проволоки платинородиевой сетки (абсолютное значение толщины прокладок составляет 0,276 мм).

В опыте 5 каждого из примеров приведены данные по относительным потерям платинородиевых сеток при использовании предлагаемого устройства каталитического элемента при разделении платинородиевых сеток термостойкими прокладками толщиной выше верхнего предела заявляемой толщины, а именно, в 105 раз превышающей диаметр проволоки платинородиевой сетки (абсолютное значение толщины прокладок составляет 9,660 мм).

В опыте 6 каждого из примеров приведены данные по относительным потерям платинородиевых сеток для устройства каталитического элемента-прототипа при разделении платинородиевых сеток термостойкими прокладками в виде сеток стандартного плетения из никелевой проволоки толщиной, в 2 раза превышающей диаметр проволоки платинородиевой сетки (абсолютное значение толщины прокладок составляет удвоенное значение диаметра проволоки сетки, т.е. 0,184 мм).

Из сравнения данных опытов 1 и 6 для примеров 1-4 следует, что при разделении части платинородиевых сеток в пакете, начиная с сетки 4 по ходу потока смеси реагентов, в соответствии с предлагаемым устройством термостойкими неметаллическими прокладками толщиной, в 4 раза превышающей диаметр проволоки платинородиевой сетки (данные опытов N 1) по сравнению с устройством-прототипом, т. е. при разделении аналогичным образом платинородиевых сеток в пакете металлическими прокладками в виде сеток стандартного плетения из никелевой проволоки (данные опытов 6), приводит к снижению потерь платиноидов для сеток 4, 5, 6, 7 по ходу потока смеси реагентов соответственно в 2,29; 2,54; 2,91; 3,11 раза (средние значения для примеров 1-8). Значения потерь платиноидов для платинородиевых сеток 1, 2, 3 по ходу потока смеси реагентов в примерах 1-4 практически совпадают.

Увеличение толщины термостойких неметаллических прокладок до значения, в 50 раз превышающего диаметр проволоки платинородиевой сетки (данные опытов 2), приводит к более существенному снижению относительных потерь платиноидов для сеток 4, 5, 6, 7 по ходу потока смеси реагентов (для примеров 1-4) соответственно в 3,39; 6,17; 8,35; 9,79 раза. Значение относительных потерь для платинородиевых сеток 1, 2, 3 по ходу потока смеси реагентов в примерах 1-4 также практически совпадают.

Увеличение толщины термостойких неметаллических прокладок до значения, в 100 раз превышающего диаметр проволоки платинородиевой сетки (данные опытов 3), приводит уже к незначительному по сравнению с данными опытов 2 примеров 1-4 снижению относительных потерь платиноидов для платинородиевых сеток 4, 5, 6, 7 по ходу потока смеси реагентов соответственно в 3,42; 6,42; 8,71; 10,68 раза. Значения относительных потерь для платинородиевых сеток 1, 2, 3 по ходу потока смеси реагентов опять же практически совпадают. При этом значения средней за пробег степени конверсии аммиака для предлагаемого устройства каталитического элемента и устройства-прототипа практически совпадают.

Уменьшение толщины термостойких прокладок до значения свыше, чем в 100 раз превышающего диаметр проволоки сетки (в опытах 5 примеров 1-8 толщина прокладок в 105 раз превышает диаметр проволоки платинородиевой сетки), не приводит к дальнейшему снижению потерь платиноидов (сравни данные опытов 5 и 3 примеров 1-4). При этом, значение средней за пробег степени конверсии аммиака для предлагаемого устройства каталитического элемента по сравнению с устройством-прототипом резко снижается на 2,5-3%.

Уменьшение толщины термостойких неметаллических прокладок до значения, не более, чем в 3 раза превышающего значение диаметра проволоки платинородиевой сетки (данные опытов 4), приводит к снижению относительных потерь платиноидов всего лишь не более, чем на 5% соответственно для сеток 4, 5, 6, 7 по ходу потока смеси реагентов в сравнении с устройством-прототипом.

Разделение всех платинородиевых сеток термостойкими неметаллическими прокладками в соответствии с предлагаемым устройством каталитического элемента конверсии аммиака по сравнению с устройством-прототипом позволяет сократить потери платиноидов и с платинородиевых сеток 1, 2, 3 по ходу потока смеси реагентов соответственно на 10-35% (см. данные примеров 5-8). Следует отметить, что некоторое несоответствие экспериментальных данных примеров 1-4 и 5-8 (сравни относительные потери платиноидов для соответствующих примеров и опытов, например, для сетки 4 по ходу потока смеси реагентов) объясняется существенным изменением газодинамической обстановки по толщине каталитического пакета при сокращении количества платинородиевых сеток в пакете с семи до шести. При этом изменяются значения температуры и количества аммиака, конвертируемого на каждой из платинородиевых сеток каталитического пакета.

Использование предлагаемого устройства каталитического элемента по сравнению с устройством-порототипом позволяет сократить потери платиноидов в интервале от 1,10-1,35 до 3,42-10,68 раза соответственно для первой и последней по ходу потока смеси реагентов платинородиевых сеток каталитического элемента. При этом значение средней за пробег степени конверсии аммиака возрастает на 0,1-0,5%.

В табл.2 представлены сравнительные данные по предложенному и известным устройствам при испытании их в процессе конверсии аммиака.

Сопоставление этих устройств показывает преимущество предлагаемого.

Изобретение касается каталитической химии, в частности каталитического элемента для конверсии аммиака. Цель - уменьшение потерь платиноидов. Для этого каталитический элемент представляет собой пакет проволочных платинородиевых сеток с частичным или полным разделением сеток газопроницаемыми, термостойкими и инертными к процессу конверсии прокладками, выполненными из материала на основе оксидов алюминия и/или кремния, причем каждая прокладка имеет толщину, в 4-100 раз превышающую диаметр проволоки сетки и прокладки и сетки, плотно прилегают друг к другу. Это позволяет сократить потери платиноидов в 3,4-10,7 раза по сравнению с использованием известного каталитического элемента. 2 табл.

КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ КОНВЕРСИИ АММИАКА в виде пакета проволочных платинородиевых сеток с частичным или полным разделением сеток газопроницаемости, термостойкими и инертными к процессу конверсии прокладками при последовательном чередовании прокладок и сеток, причем прокладки и сетки плотно прилегают друг к другу, отличающийся тем, что, с целью уменьшения потерь платиноидов, прокладки выполнены из материала на основе оксидов алюминия и/или кремния и каждая прокладка имеет толщину, в 4-100 раз превышающую диаметр проволоки сетки.