УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНИЦИИРОВАНИЯ РЕАКЦИИ КОНВЕРСИИ АММИАКА Российский патент 1996 года по МПК B01J8/04 

Изобретение относится к устройствам для инициирования реакции конверсии аммиака на слое платиноидных катализаторных сеток при пропускании сквозь сетки потока реагентов газовой смеси, содержащей аммиак и кислород. Оно может быть использовано, преимущественно, в реакторах каталитической конверсии аммиака, в частности, в производствах азотной кислоты, синильной кислоты и гидроксиламинсульфата.

Известно устройство для инициирования реакции конверсии аммиака на слое платиноидных катализаторных сеток, содержащие один или несколько электронагревательных элементов [1] каждый из которых выполнен в виде участка полосы, например, квадрата, с эффективной площадью не менее 18 см². Поверхности электронагревательных элементов размещены на некотором расстоянии над поверхностью слоя сеток. Инициирование реакции осуществляется следующим образом: электронагревательный элемент (или элементы) включается в электросеть и разогревается до температуры не менее 1000^оС. Затем в реактор подается смесь реагентов аммиак-кислородсодержащий газ с удельной нагрузкой площади слоя сеток по аммиаку не менее 0,14 кг/(м² · с). В процессе нагрева тепло, исходящее от электронагревательного элемента, передается потоку реагентов, который переносит это тепло на нижележащий локальный участок слоя сеток, нагревая его. На этом участке инициируется реакция конверсии аммиака, которая затем самопроизвольно распространяется по всей площади сеток. В первом устройстве с одним нагревательным элементом инициирование реакции конверсии аммиака осуществляется в реакторе, содержащем слой платиноидных катализаторных сеток диаметром 1,05 м, площадью 0,87 м², толщиной 3 мм (16 стандартных платиноидных сеток с диаметром проволоки 0,092 мм). Электронагревательный элемент расположен над геометрическим центром слоя сеток. Время инициирования реакции по всей площади сеток составило 2 мин. Во втором устройстве с десятью электронагревательными элементами инициирование реакции конверсии аммиака осуществляется в реакторе, содержащем слой сеток диаметром 2,8 м, площадью 6,16 м², толщиной около 0,6 мм (3 стандартных платиноидных сетки). Электронагревательные элементы также расположены над слоем сеток и равномерно распределены по сечению реактора. Время инициирования реакции по всей площади слоя сеток составило 3,5 мин. Таким образом, несмотря на то, что во втором устройстве по сравнению с первым устройством площадь слоя сеток, приходящаяся на один электронагревательный элемент, уменьшилась в 1,4 раза, время инициирования реакции по всей площади сеток во втором устройстве наоборот существенно возросло (3,5 мин: 2 мин=1,75 раза).

Недостатками данного устройства являются: большая потребляемая мощность в процессе нагрева, обусловленная повышенной эффективной площадью электронагревательного элемента и необходимостью поддержания высокой температуры последнего из-за того, что тепло от него передается локальному участку слоя сеток газовым потоком смеси реагентов путем конвекции, а также существенные потери аммиака во время инициирования как из-за необходимости поддерживать высокую нагрузку реактора по аммиаку в пусковой период, так и вследствие значительной продолжительности этого периода. Очевидно, что неэффективная работа данных устройств обусловлена большим периодом времени инициирования реакции по всей площади слоя платиноидных сеток реакторов конверсии аммиака. Из-за значительного период инициирования реакции существенно снижается безопасность процесса, поскольку при повышенном периоде времени распространения реакции окисления аммиака по площади слоя сеток в промышленном реакторе за сетками в результате реакции взаимодействия оксидов азота с аммиаком, проскочившим через участок сеток, на которых реакция окисления аммиака еще не началась, образуется большое количество нитрит-нитратных солей аммония. Эти соли, откладываясь в коммуникациях и трубопроводах, снижают производительность агрегата неконцентрированной азотной кислоты в целом, и, кроме того, при определенных условиях нитрит аммония детонирует со взрывом, что может привести к выходу агрегата из строя и даже к человеческим жертвам.

В качестве важного недостатка второго устройства по сравнению с первым является существенное увеличение (в 1,75 раза) периода времени инициирования реакции по всей площади сеток. Отсюда можно заключить, что при использовании нескольких электронагревательных элементов на период времени инициирования реакции по всей площади сеток очень большое влияние оказывает форма и взаимное расположение образовавшихся фронтов реакции на поверхности слоя сеток около электронагревательных элементов.

Наиболее близким к изобретению, т.е. прототипом, является устройство для инициирования реакции конверсии аммиака, содержащее реактор, внутри которого размещен слой катализаторных сеток и электронагревательные элементы в виде полос, поверхность которых находится в непосредственном контакте с поверхностью слоя сеток. Полосы размещены по всей площади слоя сеток эквидистантно с шагом 100-250 ширин полосы, и каждая полоса имеет ширину 1-10 толщин слоя сеток [2] Устройство подключается к электросети и разогревается до температуры 220-1000^оС, определяемой в зависимости от технологических параметров производства. Затем на сетки подается смесь исходных реагентов, состоящая из аммиака и кислородсодержащего газа, причем удельная нагрузка по аммиаку составляет 0,02 кг/(м² ·с). После инициирования реакции конверсии аммиака на локальных участках, прилегающих к полосам нагревательных элементов, устройство отключают от сети, и реакция распространяется самопроизвольно по всей поверхности сеток в автоволновом режиме. В этом устройстве устранены некоторые недостатки способов-аналогов, а именно, уменьшена потребляемая электрическая мощность и период времени инициирования реакции по всей площади слоя сеток, и тепло от электронагревательных элементов передается не конвекцией, а теплопроводностью. Потребляемая мощность уменьшена из-за того, что электронагревательные элементы лежат непосредственно на поверхности слоя сеток.

Период времени инициирования реакции конверсии аммиака по всей площади сеток сокращен вследствие эквидистантного расположения электронагревательных элементов. При этом образуется фронты реакции движутся навстречу друг другу с эффектом самоускорения и соответствующие точки на этих фронтах равноудалены друг от друга, обладает значительными недостатками.

Недостатки устройства-прототипа заключаются в повышенном периоде времени инициирования реакции по всей площади сеток, а также в пониженном времени безотказной работы устройства (малом периоде наработки устройства на отказ), по сравнению с предлагаемым изобретением. Поскольку полосы электронагревательного элемента расположены эквидистантно по всей поверхности сеток, то все они имеют разную длину и испытывают различные тепловые и динамические нагрузки, что снижает вероятность его безотказной работы в целом. В процессе эксплуатации устройства, выполненного в соответствии с [2] были получены данные, что реакция инициируется не при всех пусках. Были случаи значительного увеличения периода времени розжига сеток (до 1-5 мин) и даже полное отсутствие реакции на поверхности каталитических сеток. Таким образом, эти недостатки устройства-прототипа не позволяют гарантировать его безотказную работу в течение длительного времени, что в настоящий момент не дает возможности провести широкое внедрение этого электрического устройства в азотной промышленности.

Целью изобретения является повышение безопасности процесса конверсии аммиака за счет уменьшения периода времени инициирования реакции по всей площади сеток и в повышении безотказности устройства инициирования реакции конверсии аммиака за счет увеличения периода наработки устройства на отказ.

Это достигается в устройстве для инициирования реакции конверсии аммиака, содержащем корпус, внутри которого размещен слой катализаторных сеток и электронагревательные элементы в виде полос с шириной 1-10 толщин слоя катализаторных сеток. Полосы расположены по хордам с образованием в центре по крайней мере одного многоугольника с длиной стороны 20-1200 толщин слоя катализаторных сеток, при этом расстояние между концами полос по периферийной окружности слоя катализаторных сеток составляет 300-1800 толщин слоя сеток. Число углов многоугольника n определяют по следующему соотношению: n=(1,4-2,3) ·10^-3 ·D. Полосы в местах пересечения помещают друг на друга и расположены по хордам с образованием в центре по крайней мере одного многоугольника с длиной стороны 20-1200 толщин слоя катализаторных сеток, при этом расстояние между концами полос по периферийной окружности слоя катализаторных сеток составляет 300-1800 толщин слоя сеток. Дополнительные отличия от устройства-прототипа заключаются в том, что число углов многоугольника n определяют по следующему соотношению: n=(1,4-2,3) ·10^-3·D, и полосы в местах пересечения помещают друг на друга.

На фиг.1 изображено устройство для инициирования реакции конверсии аммиака на слое катализаторных сеток в реакторе, продольный разрез; на фиг.2 круглый слой катализаторных сеток, представленный на фиг.1; на фиг.3 круглый слой катализаторных сеток, вид сверху; на фиг.4-6 различные варианты размещения полос электронагревательных элементов и различные варианты многоугольников, образуемых в центре реактора этими полосами.

Устройство для инициирования реакции конверсии аммиака размещено в корпусе реактора 1 и содержит расположенные на круглом слое катализаторных сеток электронагревательные элементы 3. Круглый слой катализаторных сеток 2 устанавливается во фланцевом соединении 4. Электрический ток подводится к электронагревательным элементам с помощью вводного устройства 5. Полосы 3 размещены по всей поверхности слоя сеток 2 по хордам и образуют в центре по крайней мере один многоугольник с длиной стороны а, равной 20-1200 толщин слоя катализаторных сеток s, причем полосы 3 пересекаются друг с другом только в одном месте. Расстояние между концами полос 3 по периферийной окружности слоя сеток b составляет 300-1800 толщин слоя сеток s. Число углов многоугольника n лежит в интервале от 3 (фиг.2) до 16 (фиг.5) и в зависимости от диаметра D периферийной окружности слоя сеток 2 определяется по формуле: n= (1,44-2,24) ·10^-3 ·D. В местах пересечения t полосы 3 помещают друг на друга. Многоугольник, образующийся в результате пересечения полос 3 в центре слоя сеток 2 может быть как правильным (фиг.2, 5, 6), так и неправильным (фиг.3, 4).

Устройство для инициирования реакции конверсии аммиака работает следующим образом. Электронагревательный элемент включается в электросеть при помощи вводного устройства 5 и разогревается до 220-1000^оС (в зависимости от значений технологических параметров процесса инициирования давления, температуры, расхода смеси реагентов и нагрузки по аммиаку). Затем в корпус реактора 1, например, сверху вниз, подается смесь реагентов аммиак и кислородсодержащий газ с удельной нагрузкой по аммиаку не менее 0,02 кг/(м² ·с). На локальных участках слоя катализаторных сеток 2, прилегающих к полосам 3 электронагревательного элемента, инициируется реакция конверсии аммиака. После этого электронагревательный элемент отключается от электросети, и распространение инициированных зон реакции по поверхности сеток происходит самопроизвольно. При этом фронты зон реакции конверсии аммиака, инициированные от смежных границ полос движутся навстречу и под определенными углами друг к другу, что обеспечивает уменьшение периода времени инициирования реакции по всей площади сеток.

П р и м е р 1. Испытания проводят в реакторе окисления аммиака круглого сечения диаметром D=1900 мм. В качестве катализатора используют слой из 12 катализаторных платиноидных сеток стандартного плетения из проволоки, выполненной из отечественного сплава N1 (Pt 92,5, Pd 4, Rh 3,5%) диаметром 0,076 мм и толщиной слоя сеток 1,82 мм. Слой сеток устанавливают между фланцами верхней и нижней части реактора. Реактор снабжен окнами визуального наблюдения за ходом распространения инициированной реакции конверсии аммиака по поверхности слоя сеток. В реакторе имеются также термопары для измерения температуры слоя сеток. В качестве исходной смеси реагентов в период пуска используют газовую смесь аммиак-воздух с концентрацией аммиака 8 об. и начальной температурой 200^оС. Исходную смесь под давлением 0,8 МПа и расходом 56000 нм³/ч подают в реактор. Электронагревательные элементы выполняют в виде четырех прямых отрезков (полос) нихромовой проволоки, заключенных в изоляторы из технического фарфора марки МКР Домодедовского филиала Подольского завода огнеупорных изделий. Поверхности этих полос непосредственно соприкасаются с поверхностью слоя платиноидных сеток, и каждая полоса имеет ширину h, равную 4 мм, что составляет 2,2 толщины слоя сеток. Четыре полосы размещены эквидистантно и параллельно с шагом 400 мм. Электрическое напряжение на последовательно подсоединенные электронагревальные элементы подают по токоведущим шинам, размещенным вне корпуса реактора. Нагрев осуществляют от источника переменного тока. Напряжение и ток, подаваемые в электронагревательный элемент, фиксируют по включенным в электрическую цепь вольтметру и амперметру. Испытания проводят следующим образом. Подают электропитание на нагревательный элемент и нагревают его до температуры 220-1000^оС, которую рассчитывают с использованием известных зависимостей, а также контролируют при помощи термодатчиков. Затем в реактор подают поток реагентов газовую смесь, содержащую аммиак и воздух при нагрузке по аммиаку не менее 0,02 кг/(м² ·с). На нагретых участках слоя сеток вблизи краев полос нагревательных элементов инициируется реакция конверсии аммиака, линии фронтов которой начинают распространяться по площади сеток. Время инициирования реакции конверсии аммиака по всей площади сеток фиксируется визуально и с помощью термопар. фронтов которой начинают распространяться по площади сеток. Время инициирования реакции конверсии аммиака по всей площади сеток фиксируется визуально и с помощью термопар.

П р и м е р 2. Все, как в примере 1, с тем отличием, что используют 3 полосы электронагревательных элементов, размещенных по хордам и образующих в центре круглого слоя сеток треугольник с длиной стороны а 36 мм (20 толщин слоя сеток). При этом полосы пересекаются друг с другом только в одном месте и расстояние между концами полос по периферийной окружности слоя сеток b равно 546 мм, что составляет 450 толщин слоя сеток.

П р и м е р 3. Испытания проводят в реакторе окисления аммиака круглого сечения диаметром D= 3800 мм. В качестве катализатора используют слой из 7 платиноидных катализаторных сеток стандартного плетения из проволоки, выполненной из отечественного сплава N1 (Pt 92,5, Pd 4, Rh 3,5%) диаметром 0,092 мм и толщиной слоя сеток 1,29 мм. Слой устанавливается между фланцами верхней и нижней части реактора. Реактор снабжен окнами визуального наблюдения за ходом распространения инициированной реакции конверсии аммиака по поверхности слоя сеток. В реакторе имеются также термопары для измерения температуры слоя сеток. В качестве исходной смеси реагентов в период пуска используют газовую смесь аммиак-воздух с концентрацией аммиака 9,6-10,5 об. и начальной температурой 170-200^оС. Исходную смесь под давлением 0,45 МПа и расходом 45000 нм³/ч подают в реактор. Электронагревательный элемент выполняют в виде 3-х прямых отрезков (полос) нихромовой проволоки, заключенных в изоляторы из технического фарфора марки МКР Домодедовского филиала Подольского завода огнеупорных изделий. Поверхности этих полос, непосредственно соприкасающиеся с поверхностью слоя платиноидных сеток и имеющие ширину h, равную 4 мм (3,1 толщин слоя сеток). Три полосы электронагревательных элементов размещены по хордам, образуют в центре слоя сеток треугольник с длиной стороны а, равной 1546 мм (1200 толщин слоя сеток), и расстояние между концами полос по периферийной окружности слоя сеток b составляет 2322 мм (1800 толщин слоя сеток).

П р и м е р 4. Все, как в примере 3, с тем отличием, что используют три полосы электронагревательных элементов, размещенных по хордам и образующих в центре круглого слоя сеток треугольник с длиной стороны а, равной 785 мм (608 толщин слоя сеток) и расстояние между концами полос по периферийной окружности слоя сеток b составляет 2709 мм (2100 толщин слоя сеток).

П р и м е р 5. Все, как в примере 1, с тем отличием, что используют три полосы электронагревательных элементов, размещенных по хордам и образующих в центре круглого слоя сеток треугольник с длиной стороны а, равной 29 мм (15 толщин слоя сеток) и расстояние между концами полос по периферийной окружности слоя сеток b составляет 455 мм (250 толщин слоя сеток).

П р и м е р 6. Все, как в примере 3, с тем отличием, что используют три полосы электронагревательных элементов, размещенных по хордам и образующих в центре круглого слоя сеток треугольник с длиной стороны а, равной 1674 мм (1300 толщин слоя сеток), и расстояние между концами полос по периферийной окружности слоя сеток b составляет 2447 мм (1900 толщин слоя сеток).

П р и м е р 7. Испытания проводят в реакторе окисления аммиака круглого сечения диаметром 5000 мм. В качестве катализатора используют слой из 5 платиноидных катализаторных сеток стандартного плетения из проволоки, выполненной из отечественного сплава N1 (Pt 92,5, Pd 4, Rh 3,5%) диаметром 0,076 мм и толщиной 0,76 мм. Слой устанавливают между фланцами верхней и нижней части реактора. Реактор снабжен окнами визуального наблюдения за ходом распространения инициированной реакции конверсии аммиака по поверхности слоя сеток. В реакторе имеются также термопары для измерения температуры слоя сеток. В качестве исходной смеси реагентов в период пуска используют газовую смесь аммиак-воздух с концентрацией аммиака 9-9,7 об. и начальной температурой 215^оС. Исходную смесь под давлением 0,51 МПа подают в реактор. Электронагревательный элемент выполняют в виде 8 прямых отрезков (полос) нихромовой проволоки, заключенных в изоляторы из технического фарфора марки МКР Домодедовского филиала Подольского завода огнеупорных изделий. Поверхности этих полос, непосредственно соприкасающиеся с поверхностью слоя платиноидных сеток имеют ширину h, равную 4мм (5,26 толщин слоя сеток). Полосы электронагревательного элемента пересекаются друг с другом только в одном месте и образуют в центре слоя сеток 16-ти угольник со стороной а, равной 460 мм (608 толщин слоя сеток) и расстояние между концами полос по периферийной окружности составляет 980 мм (1290 толщин слоя сеток).

В примере 1 описаны испытания устройства-прототипа. В примерах 2-4, 7 описаны испытания предлагаемого устройства.

В примерах 5, 6 описаны испытания устройства с величинами параметров, выходящими соответственно за нижние и верхние пределы предлагаемых интервалов.

В примере 2 геометрические параметры элементов устройства для инициирования реакции конверсии аммиака соответствуют нижним пределам всех предлагаемых интервалов.

В примере 3 геометрические параметры элементов устройства для инициирования реакции интервалов для длины стороны многоугольника а и расстояния между концами полос по периферийной окружности b.

В примере 4 геометрические параметры элементов устройства для инициирования реакции конверсии аммиака соответствуют средним значениям пределов предлагаемых интервалов для длины стороны многоугольника а и расстояния между концами полос по периферийной окружности b.

В примере 7 геометрические параметры элементов устройства для инициирования реакции конверсии аммиака соответствуют верхнему пределу интервала по числу углов многоугольника и средним значениям пределов интервалов для длины стороны многоугольника а и расстояния между концами полос по периферийной окружности b.

Сравнительные испытания устройства-прототипа (пример N1) и предлагаемого устройства (примеры NN 2, 3, 4, 7) показывают, что при использовании предлагаемого устройства с геометрическими параметрами, лежащими в интервалах с предлагаемыми пределами, время инициирования реакции конверсии аммиака на 1 м площади слоя сеток уменьшается в 2,42-2,83 раза по сравнению с устройством-прототипом. В результате этого увеличивается безопасность процесса инициирования реакции конверсии аммиака на слое катализаторных сеток за счет снижения содержания нитрит-нитратных солей аммония в продуктах реакции.

По истечению одного планового года (330 рабочих дней) испытания предлагаемого устройства с геометрическими параметрами, лежащими в интервалах с предлагаемыми пределами (примеры NN 2, 3, 4, 7) были прекращены, так как к этому времени стал очевидным факт, что предлагаемое устройство обладает наработкой на отказ не менее одного года, причем эта величина превышает наработку на отказ устройства-прототипа в 5 раз.

При испытаниях предлагаемого устройства с геометрическими параметрами, лежащими за пределами заявляемых интервалов изменения параметров (примеры 5 и 6), наработка устройства на отказ уменьшается, по сравнению с заявляемым устройством. Кроме того, в этих испытаниях не было достигнуто снижения времени инициирования реакции конверсии аммиака на 1 м² площади слоя платиноидных катализаторных сеток по сравнению с устройством-прототипом, что в данном случае не позволяет говорить и о повышении безотказности процесса инициирования реакции конверсии аммиака при использовании предлагаемого устройства. Можно предположить, что для условий испытаний предлагаемого устройства по примеру N 5, когда такие его параметры, как длина стороны многоугольника а и расстояние между концами полос по периферийной окружности слоя сеток b лежат ниже нижних пределов заявляемых интервалов, существенно возрастает площадь свободной поверхности слоя катализаторных сеток, лежащая за внешними границами многоугольника, образованного пересечением полос электронагревательного устройства. Такое увеличение площади свободной поверхности слоя катализаторных сеток и приводит к значительному увеличению времени распространения реакции конверсии аммиака по всей поверхности слоя сеток, по сравнению с примерами NN 2, 3, 4, 7, использования предлагаемого устройства.

Таким образом, использование предлагаемого устройства для инициирования реакции конверсии аммиака на круглом слое платиноидных катализаторных сеток с геометрическими параметрами элементов, лежащими в пределах заявляемых интервалов, позволяет повысить безопасность процесса инициирования реакции конверсии аммиака, за счет снижения времени инициирования в 2,42-2,83 раза по сравнению с устройством-прототипом. Помимо этого, предлагаемое устройство обладает существенно более высокой наработкой на отказ, а именно в 5 раз.

Предложено устройство для инициирования реакции конверсии аммиака, содержащее корпус, внутри которого размещен слой катализаторных сеток и электронагревательные элементы в виде полос с толщиной 1 - 10 толщины слоя катализаторных сеток. Полосы расположены по хордам с образованием в центре по крайней мере одного многоугольника с длиной стороны 20 - 1200 толщин слоя катализаторных сеток. Расстояние между концами полос по периферийной окружности слоя катализаторных сеток составляет 300 - 1800 толщин слоя сеток. Число углов многоугольника n определяют по следующему соотношению n = (1,4 - 2,3) • 10^- 3 • D. Полосы в местах пересечения помещают друг на друга. 2 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНИЦИИРОВАНИЯ РЕАКЦИИ КОНВЕРСИИ АММИАКА, содержащее корпус, внутри которого размещен слой катализаторных сеток и электронагревательные элементы в виде полос с толщиной 1 - 10 толщины слоя катализаторных сеток, отличающееся тем, что полосы расположены по хордам с образованием в центре по крайней мере одного многоугольника с длиной стороны 20 - 1200 толщин слоя катализаторных сеток, при этом расстояние между концами полос по периферийной окружности слоя катализаторных сеток составляет 300 - 1800 толщин слоя сеток. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что число углов многоугольника определяют по следующему соотношению: n = (1,4 - 2,3) • 10^- 3 • D. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полосы в местах пересечения помещают друг на друга.