СПОСОБ КОНВЕРСИИ АММИАКА Российский патент 1995 года по МПК C01B21/26 

Изобретение относится к способам каталитического окисления аммиака и может быть использовано в производствах неконцентрированной азотной кислоты, синильной кислоты, гидроксиламинсульфата и других, где есть стадия каталитической конверсии аммиака.

Известен способ конверсии аммиака, включающий пропускание смеси реагентов аммиак кислородсодержащий газ сквозь платиноидный каталитический элемент.

Недостатком этого способа является малое количество аммиака, перерабатываемого на единице поверхности катализатора, в том числе и до оксидов азота (количество реагента катализатора в единицу времени называется активностью катализатора).

Наиболее близким техническим решением (прототипом) предлагаемого способа является способ конверсии аммиака путем пропускания аммиака и кислородсодержащего газа сквозь газопроницаемую распределительную пластину и платиноидный каталитический элемент, включенный в электрическую цепь с источником питания, обеспечивающим пропускание по платиноидному каталитическому элементу электрического тока. Применение данного способа приводит к увеличению количества аммиака, перерабатываемого до оксидов азота на единице поверхности каталитического элемента.

Недостатком данного способа является все еще малое количество аммиака, перерабатываемое на единице поверхности платиноидного каталитического элемента, которое обуславливает, с одной стороны, сравнительно малую производительность способа, а с другой приводит к возможности возникновения взрывоопасных ситуаций.

Целью предлагаемого изобретения является повышение производительности.

Данная цель достигается путем пропускания аммиака и кислородсодержащего газа сквозь газопроницаемую распределительную пластину и платиноидный каталитический элемент, включенный в электрическую цепь, при этом на каталитический элемент и распределительную пластину подают разность потенциалов, равную (0,55-0,95)U кВ, где U величина напряжения пробоя газового пространства между элементом и пластиной.

При подаче на каталитический элемент значений напряжений, указанных в предлагаемом способе (0,55-0,95)хU кв по методу, описанному в способе-прототипе, не представляется возможным прийти к результату, достигаемому в предлагаемом способе из-за мгновенной сублимации (испарения) платиноидного каталитического элемента, вследствие его аномально высокого разогрева (см. пример V ниже).

П р и м е р. Испытания предлагаемого способа и способа-прототипа проводят в модели реактора конверсии аммиака, выполненного из электроизоляционного материала и представляющего собой канал прямоугольной формы с размером его поперечного сечения 10х120 мм. Реактор оснащен штуцерами для подачи исходной смеси реагентов аммиак-кислородсодержащий газ и вывода реакционных газов. В реакторе по ходу газа перед и за каталитическим элементом (описание каталитического элемента см. ниже) установлены газопроницаемые распределительные пластины, служащие для выравнивания неоднородностей поля скорости газового потока в области каталитического элемента, которые образуются на выходе из штуцера подачи исходной смеси в реактор, а также из-за конвекции, обусловленной разностью температур газового потока по высоте реактора. В качестве платиноидного каталитического элемента использовали одиночную гладкую поволоку круглого сечения из технически чистой платины или платиноидных сплавов по ГОСТу 13498-79, диаметром 92 мкм (проволока именно такого диаметра используется в отечественной промышленности для плетения каталитических сеток), которую устанавливают в реакторе поперек набегающего потока смеси реагентов вдоль большой оси поперечного сечения реактора. Зазор между распределительными пластинами и каталитическим элементом строго фиксировался при помощи специальных электроизоляционных вкладышей, выполненных из фторопласта и устанавливаемых на держателях каталитического элемента, и ступенчато изменялся от 5 до 40 мм с шагом 5 мм. Точность установки зазора составляла
±0,25 мм. Для поддержания неизменной величины устанавливаемого зазора и устранения провисания каталитической платиновой проволоки при разогреве в ходе реакции на наружной стороне держателя каталитического элемента устанавливалась специально подобранная пружина, обеспечивающая постоянную силу натяжения проволоки. В качестве реагентов использовали технически чистые аммиак и кислород, скорость пропускания которых в реакторе составляла 5-20 см/с при концентрации аммиака в реакционной смеси 5-14 об. и температуре газового потока на входе в реактор 20^оС. Испытания проводились при атмосферном давлении. Предварительно заземленный каталитический элемент и газопроницаемые распределительные пластины подключались к источнику высокого напряжения, причем к платиноидному каталитическому элементу при испытаниях предлагаемого способа подводили отрицательный потенциал, а второй положительный потенциал подводили либо к верхней, либо к нижней распределительной пластине. Величина подаваемого потенциала составляла (0,55-0,98)U кВ, где U величина напряжения пробоя газового пространства.

Перед проведением испытаний предлагаемого способа, платиноидный каталитический элемент предварительно "разрабатывают" в течение 24 ч. С этой целью в реактор подают смесь реагентов аммиак-кислород с концентрацией аммиака 12 об.

Затем переходят непосредственно к проведению испытаний предлагаемого способа. Опыты проводят в автотермическом режиме работы платиноидного каталитического элемента (автотермическим режимом является самоподдерживающий режим протекания реакции за счет тепла, выделяемого в процессе самой реакции), для реакции окисления аммиака на технически чистой платине этот режим реализуется, начиная в концентрации NH₃ 4 об. и выше при исходной температуре реакционной среды -20^оС). Подачу потенциала на каталитический элемент и распределительную пластину осуществляют ступенчато, с интервалом 0,2 кВ через каждые 10 с.

Испытания способа-прототипа проводят следующим образом. После "разработки" каталитического элемента по процедуре, описанной выше, на платиноидный каталитический элемент подают постоянное напряжение от источника в электрической цепи соответствующим способом, указанным для способа-прототипа. Величина подаваемого напряжения устанавливается таким образом, чтобы температура каталитического элемента способа-прототипа была равна максимальной температуре каталитического элемента из того же материала по предлагаемому способу.

В качестве конкретного примера реализации предлагаемого способа конверсии аммиака, но уже не на единичном платиноидном каталитическом элементе, а на элементе в виде сетки стандартного плетения, представлен пример реализации способа на лабораторном реакторе, описанном выше. В качестве каталитического элемента используют сетку стандартного плетения с проволокой диаметром 92 мкм из сплава Сп5 (Р 92,5% Ро 4% Ро 3,5%) по ГОСТу 13498-79 с размером 20х140 мм (размеры рабочей поверхности каталитической сетки соответствуют размерам поперечного сечения реактора). Каталитическую сетку устанавливают вместо одиночной платиноидной проволоки во фланцевом соединении реактора поперек набегающего потока реагентов. К сетке по обеим сторонам меньшей длины точечной сваркой приварены подводящие шины, которые после установки сетки в реактор находятся снаружи реактора. Установку и размещение газопроницаемых распределительных пластин в реакторе осуществляют с помощью электроизоляционных вкладышей, закрепленных на внутренней стенке реактора, и производят аналогично описанному выше. В дальнейшем испытания платиноидного каталитического элемента, выполненного в виде сетки, проводились аналогично и при тех же значениях концентрации аммиака, скорости, величины зазора и значениях подаваемого на каталитическую сетку и распределительную пластину электрических потенциалов, что и для единичного платиноидного каталитического элемента, выполненного в виде проволоки. Испытания способа-прототипа также осуществлялись по процедуре (описанной выше) для единичного каталитического элемента.

Определение количества аммиака, перерабатываемого на единице поверхности каталитического элемента осуществлялось с помощью разработанного в Институте химической физики АН СССР (Черноголовка) электротермографического метода.

Результаты испытаний для одной серии опытов при скорости газового потока 10 см/с и концентрацией аммиака в реакционной смеси равной 10 об. (именно эта концентрация аммиака наиболее употребительна на отечественных агрегатах неконцентрированной азотной кислоты), приведены в таблице.

Подачу положительного потенциала осуществляли на первую по ходу газа распределительную пластину, а отрицательный на сам каталитический элемент. Величина зазора между пластиной и каталитическим элементом составляла h=5 ±0,25 мм. Испытания предлагаемого способа и способа-прототипа проводились для каталитических элементов, выполненных из технически чистой платины и двух, наиболее часто применяемых в отечественной промышленности сплавов марок ПлП= Р-4-3,5 (именуемый на практике как сплав N 1) и ПлП Ру-15-3,5-0,5 (сплав N 5).

В опытах 1-7 приведены результаты испытаний предлагаемого способа и способа-прототипа для конверсии аммиака на каталитическом элементе в виде одиночной проволоки, изготовленной из технически чистой платины при различных значениях подаваемого потенциала.

Опыт 1 соответствует минимальному значению потенциала из заявляемого интервала, опыт 2 максимальному значению потенциала из заявляемого интервала, опыт 3 среднему значению потенциала из заявляемого интервала, опыт 4 значению потенциала ниже нижней границы заявляемого интервала, опыт 5 значению потенциала выше верхней границы заявляемого интервала, опыт 6 испытание по способу-прототипу, опыт 7 испытания по способу-прототипу при подаче минимального значения потенциала из заявляемого интервала.

Из сравнения опытов 1-3 по предлагаемому способу с опытом 6 по способу-прототипу видно, что количество аммиака, перерабатываемого на единице поверхности каталитического элемента, больше, чем по способу-прототипу в 1,5-1,54 раза. Из результата опыта 7 при эксплуатации способа-прототипа с минимальным значением потенциала из заявляемого интервала видно, что этот способ реализовать не удалось из-за мгновенной сублимации (испарения) каталитического элемента. В опыте 4 при значении подаваемого потенциала чуть ниже заявляемого предела не удается увеличить количество перерабатываемого аммиака на единице поверхности катализатора, а в опыте 5 при подаче значения потенциала чуть выше заявляемого интервала происходит пробой газового пространства между каталитическим элементом и пластиной с мгновенной сублимацией (испарением) каталитического элемента в месте возникновения пробоя.

В опытах 8-10 приведены аналогичные испытания для сплава N 1. Опыт 8 соответствует среднему значению потенциала из заявляемого интервала, опыт 9 испытания по способу-прототипу, опыт 10 испытания по способу-прототипу при подаче минимального значения потенциала из заявляемого интервала. Из сравнения опыта 8 по предлагаемому способу с опытом 9 по способу-прототипу видно, что количество аммиака, перерабатываемого на единице поверхности каталитического элемента из сплава N 1 больше, чем по способу-прототипу в 1,29 раза. Опыт 10 подтвердил, что способ-прототип при заявляемых значениях потенциала реализовать не удалось из-за сублимации каталитического элемента.

Опыты 11-13 иллюстрируют испытания для сплава N 5. Опыт 11 соответствует среднему значению потенциала из заявляемого интервала, опыт 12 испытания по способу-прототипу, опыт 13 испытания по способу-прототипу и при подаче минимального значения потенциала из заявляемого интервала. Из сравнения опыта 11 по предлагаемому способу с опытом 12 по способу-прототипу видно, что количество аммиака, перерабатываемого на поверхности каталитического элемента из сплава N 5, больше, чем по способу-прототипу в 1,2 раза. Опыт 13 еще раз подтвердил невозможность реализации способа-прототипа при заявляемых значениях потенциала из-за сублимации каталитического элемента.

В опытах 14-16 представлены испытания предлагаемого способа и способа-прототипа для каталитического элемента в виде сетки из сплава N 5. Опыт 14 соответствует среднему значению потенциала из заявляемого интервала, опыт 15 испытание по способу-прототипу, опыт 16 испытание по способу-прототипу при подаче минимального значения потенциала из заявляемого интервала. Из сравнения опыта 14 по предлагаемому способу с опытом 15 по способу-прототипу видно, что количество аммиака, перерабатываемого на единице поверхности каталитического элемента в виде сетки из сплава N 5 больше, чем по способу-прототипу в 1,19 раза. Как видно из сопоставления опытов 14-16 с опытами 11-13 результаты, полученные при реализации предлагаемого способа конверсии аммиака на платиноидном каталитическом элементе, выполненном в виде сетки стандартного плетения, полностью совпадают с результатами, полученными для единичного каталитического элемента, выполненного в виде отдельной платиноидной проволоки.

В примерах 1-16 каталитический элемент подключен к минусу источника тока, а распределительная пластина к плюсу. Однако при изменении полярности, т. е. подключении к каталитическому элементу положительного (+), а к распределительной пластине отрицательного (-) потенциалов, количество аммиака, перерабатываемого на единице поверхности катализатора, меньше, чем при обратной полярности, о чем свидетельствуют данные примеров 17-19.

Таким образом результаты испытания предлагаемого способа и способа-прототипа показывают, что производительность процесса, определяемая количеством аммиака, перерабатываемого на единице поверхности катализатора, увеличивается в предлагаемом способе по сравнению со способом-прототипом для Сп N 5 на 19-20% для Сп N 1 на 29% для технически чистой платины на 50-54%

Способ конверсии аммиака осуществляют путем пропускания аммиака и кислородсодержащего газа сквозь газопроницаемую распределительную пластину и платиноидный каталитический элемент, на которые подают разность потенциалов, равную U (0,55-0,95) кВ, где U - величина напряжения пробоя газового пространства между элементом и пластиной. Газораспределительная пластина подключена к положительному полюсу источника тока, а платиноидный каталитический элемент - к отрицательному полюсу. 13 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. СПОСОБ КОНВЕРСИИ АММИАКА путем пропускания аммиака и кислородсодержащего газа сквозь газопроницаемую распределительную пластину и платиноидный каталитический элемент, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности, на газопроницаемую распределительную пластину и платиноидный каталитический элемент подают разность потенциалов, равную U · (0,55 ^oC 0,95) кВ, где U величина напряжения пробоя газового пространства между элементом и пластиной. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что газопроницаемая распределительная пластина подключена к положительному полюсу источника тока, а платиноидный каталитический элемент к отрицательному полюсу.