СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДДЕРЖИВАНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКИХ СЕТОК В ГОРЕЛКАХ ДЛЯ ОКИСЛЕНИЯ АММИАКА Российский патент 2006 года по МПК C01B21/28 C01B21/26 

В известной горелке для окисления аммиака смесь NH₃, O₂ и N₂ взаимодействует при повышенной температуре и давлении с применением платинового металлического катализатора до образования оксидов азота. Улетучившуюся платину собирают при помощи улавливающего материала. Обычно как катализатор, так и улавливающий материал включают плетеную или вязаную сетку и, соответственно, несколько таких сеток в виде пакета, прикрепленного к структуре горелки при помощи зажимов. Пакет из катализатора/уловителя расположен в горелке на опоре. Наиболее часто применяемые виды опоры включают керамические кольца и кольца Рашига, помещенные в корзину, прикрепленную к структуре горелки. Как правило, между основной опорой и пакетом из катализатора/уловителя расположена опорная сетка из плетеного или вязаного недрагоценного металла, например, "Megapyr". Такие известные горелки подробно описаны в Ullmanns Encyclopaedia, том 20, стр.314-317, 4^е издание. Использование катализатора для расщепления N₂O в горелке полностью или частично заменяет применение опорного материала.

Керамические кольца и применяемый керамический каталитический материал часто во время работы смещаются с периферии из-за теплового расширения. Такое движение создает желоб, который часто вызывает разрыв пакета из сеток. Повреждение может быть сильным особенно вокруг наружного края сеток из-за пониженного уровня опоры колец Рашига в данном месте. Было отмечено, что желоб углубляется по мере увеличения количества запусков и остановок установки. Такой разрыв представляет собой проблему как из-за снижения эффективности сгорания и продолжительности цикла, так и по причине опасности. Утечка аммиака может привести к образованию нитрита и нитрата аммония в оборудовании, расположенном дальше по ходу процесса, особенно в конденсаторе для кислоты. Нитрат и нитрит аммония способны интенсивно разлагаться.

Целью данного изобретения является разработка опорной структуры, не вызывающей повреждение пакета из катализатора во время работы горелки. Другой целью является разработка системы, предотвращающей или снижающей движение макрочастиц керамического материала во время работы.

Вышеуказанные и другие цели данного изобретения могут быть достигнуты в результате применения описанных ниже способа и опорной системы. Данное изобретение дополнительно характеризуется прилагаемой патентной формулой изобретения.

Данное изобретение далее описано со ссылкой на чертежи, на которых:

фиг.1 показывает образование желоба в керамическом наполнении корзины горелки;

фиг.2 показывает иную конфигурацию "волнолома".

Таким образом, данное изобретение относится к опорной системе для снижения движения макрочастиц керамического материала и предотвращения разрыва каталитических сеток в горелке для окисления аммиака. Каталитические решетки и, возможно, опорные сита поддерживаются керамическими наполнителями и используемым каталитическим материалом, содержащимся в корзине горелки с металлическими стенами и перфорированным дном. "Волнолом" предпочтительно прикреплен к металлической стене корзины горелки либо, альтернативно, к периферической части днища корзины горелки. В таком случае керамические наполнители во время расширения будут двигаться вдоль металлической стены. Предпочтительно, чтобы "волнолом" был перфорирован и заполнен керамическими наполнителями или подобным материалом для получения такого же гидравлического сопротивления, как и наполнитель слоя. "Волнолом" может иметь форму треугольного выступа. Он может иметь вид прямоугольного треугольника, при этом стена с прямым углом прикреплена к металлической стене, либо вид равностороннего треугольника, прикрепленного к периферии днища. "Волнолом" также может представлять собой ровный или перфорированный лист, прикрепленный к стене под углом 10-60°. Предпочтительный угол составляет 25-35°. Выступ листа может состоять из сегментов, при этом сегменты могут заканчиваться стеной. Может быть также использован "волнолом" в виде сотовой структуры предпочтительно с наклонным верхом.

Первоначальные испытания в небольшом масштабе показали, что важным фактором для образования желоба является разница в расширении между кольцами Рашига и металлической опорой из-за изменения температуры. После всего лишь нескольких циклов расширения без каких-либо опорных систем в слое возникает желоб, и часть наружного края освобождается от колец. Это совпадает с явлениями, наблюдаемыми в использовавшихся горелках. Вероятно, причиной образования желоба является разница в тепловом расширении металла корзины горелки и керамических колец Рашига. На больших установках с диаметром горелки до 5 м тепловое расширение металлической корзины, вызываемое нагреванием от температуры окружающей среды до рабочей температуры, составляет до 30 мм в радиусе.

На фиг.1 проиллюстрировано воздействие тепла различного уровня. Фиг.1 схематически показывает оборудование перед началом работы. Горелка для окисления аммиака включает слой катализатора обычно в виде нескольких плетеных или вязаных сеток из Pt/Rh проволоки и, как правило, улавливающий слой геттерного материала, например сплава палладия, в виде плетеных или вязаных сеток. Все указанные сетки образуют пакет 1, опирающийся на стальное сито 2, поддерживаемое слоем колец 3 Рашига, помещенных в корзину с металлической стеной 4 и перфорированным днищем 5. Кольца Рашига могут быть частично или полностью заменены керамическим катализатором. Пакет катализатора, пакет уловителя и поддерживающая сетка прикреплены к окружности горелки на выступе с помощью грузов 6 или подобного устройства. Корзина также прикреплена к стене горелки приблизительно в том же месте. Перед началом работы слой из колец Рашига выравнивают, а вокруг периферии устанавливают и закрепляют стальное сито и пакет из каталитических сеток.

После первого включения металлическая стена и перфорированное днище расширяются больше, чем кольца Рашига. Это означает, что кольца Рашига не будут расширяться и заполнять промежуток после того, как металлическая стена продвинется наружу. Такой случай проиллюстрирован на фиг.1В.

После выключения установки металлическая стена охлаждается и сжимается, а кольца Рашига на периферии продвигаются внутрь относительно их начального положения. Фиг.1С показывает вертикальный вид в разрезе известного пакета катализатора и улавливающей сетки и его опоры в конце рабочего цикла. Образуется желоб 7, который часто вызывает разрыв сеток. Такой разрыв представляет собой проблему как по причине снижения эффективности сгорания и сокращения рабочего цикла, так и из-за вероятной опасности.

Движению подвержены кольца, расположенные близко к периферии. Для устранения данного недостатка было предложено установить в слое опорную структуру, также называемую "волноломом", для предотвращения возникновения желоба. На основании первоначальных экспериментов было сооружено устройство для испытаний, имеющее такие же размеры, как одна часть от центра до периферии средней горелки. Для имитации температурного расширения устанавливают гидравлическое устройство, способное двигать одну из коротких стен. Пилотный тест не может воспроизвести расширение по всему радиусу горелки, однако он способен воспроизвести результирующий эффект в одном конце отделения. Количество расширений горелки во время работы зависит от количества ее выключений во время одного рабочего цикла; указанное количество варьируется от 1 до 10.

Первая стадия включает воссоздание возникновения желоба, образующегося на периферии слоя из колец Рашига во время работы. Этот момент является важным для вывода о том, может ли температурное расширение считаться одной из основных причин. Его осуществляют с целью имитации температурного расширения путем всего лишь перемещения подвижной стены на различные величины расширения. Используемые различные длины расширения составляют 70, 50 и 30 мм. Для имитации изменения температуры во время нормального рабочего расширения вначале осуществляют движение наружу на 30 мм (начало), а затем последующие движения внутрь и наружу по 10 мм. После всего лишь нескольких циклов движений образуется желоб, и часть наружного края освобождается от колец. Это соответствует явлениям, наблюдаемым в работавших горелках. Даже при 10 мм повторном расширении/сжатии пилотная опытная установка способна воссоздать образование желоба.

На пилотной установке испытывали различные "волноломы", проиллюстрированные на фиг.2. Исследуемые образцы имеют вид структуры коротких и длинных сот, гладкого или перфорированного листа под различными углами и выступа треугольной формы.

Вначале, как показано на фиг.2D, короткие "соты" помещают, не закрепляя, в слой рядом с подвижной стеной и заполняют кольцами. Результатом расширения на 30 мм является то, что опорная система начинает двигаться в слое внутрь и наружу одновременно с возникновением желоба. Через 8 циклов вся опорная система поднимается над слоем из колец Рашига, при этом часть наружного края освобождается от колец. К сотовой опорной системе приваривают перфорированное днище и помещают ее в слой, как и в предыдущем эксперименте. Опорную систему перемещают в слое несколько вверх, но останавливают, не доходя до верхней части слоя. Однако улучшения относительно образования желоба не наблюдается.

Затем сотовую опорную систему с днищем приваривают к подвижной стене. Результатом расширения явилось образование желоба вне "сот", но кольца в камерах остались неподвижными. Желоб оказался меньше, чем в предыдущих экспериментах, однако после 6 циклов наружный край опорной системы в слое обнажился.

Были также проведены эксперименты со структурой из длинных сот (фиг.2С). Было установлено, что наилучшие результаты могут быть получены в том случае, когда опорная структура приварена к подвижной стене, а часть опорной структуры отрезана, как показано на фиг.2Е.

В большинстве случаев опорные системы из коротких и длинных сот выходят поверх слоя из колец Рашига. Это может привести к разрыву решетки острыми краями даже без образования желоба. При срезании верхней части сотовой опоры в виде наклонной верхушки 8 производительность повышается, и опора не выходит поверх слоя из колец Рашига. Возможно, такую систему со многими небольшими отделениями несколько сложнее контролировать, поскольку все отделения должны быть заполнены кольцами. Однако если отделения снабжены перфорированными днищами, они могут оказаться поднятыми вверх полностью.

Как показано на фиг.2А, были также проведены эксперименты с гладким листом 9, расположенным в слое под двумя различными углами α 60 и 75°. Лист приваривают к подвижной стене, а к листу приваривают клинья 10. Гладкий лист, установленный под углом 60°, обеспечивает наилучшие результаты, при этом постоянного образования желоба не происходит. Альтернативно, это может быть треугольник с прямым углом, при этом стена с прямым углом прикреплена к металлической стене. Использование наклонного листа зависит от шероховатости листа и угла наклона. При уменьшении угла накрытой оказывается большая площадь в горелке. При отсутствии перфорации в листе площадь сечения потока в горелке снижается, вызывая более сильное падение давления и неравномерный поток через каталитическую решетку.

Перфорированный лист (отверстия размером 5 мм) помещают в слой под различными углами: 60, 45 и 30°. Лист приваривают к подвижной стене, а опорные клинья приваривают к листу. Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1αВеличина расширения, ммЧисло цикловГлубина желоба, ммДлина*, мм6030115 6030235250603055035060302,530350¹6030330250603054040060302,540350²6030550350     45300,51020045302,520300³453052530045305,53035045301030350453014,53540045301535400453024,540400453034,54040045303535350     30300,50 303010 30301,520300⁴303020 30302,530300303050 30305,53030030301020300⁵303010,53530030301525300303015,53530030302020300*расстояние от подвижной стены до желоба (если желоб образовался на расстоянии от подвижной стены).
1) за 250 часов;
2) за 300 часов;
3) желоб образовался рядом с подвижной стеной;
4) желоб переместился в слой, около 300 мм;
5) желоб является постоянным.

С углом, составляющим 60°, желоб образуется рядом с передвижной стеной (50 мм за 5 циклов). При угле в 45° желоб также образуется рядом со стеной, однако его размер уменьшается по сравнению с углом в 60° (35 мм за 35 циклов). При использовании листа с 30° наклоном желоб перемещается приблизительно на 300 мм в слой, и его глубина также снижается (20 мм за 20 циклов).

Были также проведены эксперименты с выступом треугольной формы 11 (опора в виде пирамиды) из перфорированных листов (5° мм). Вначале его помещают в слой без приваривания к подвижной стене. В данном случае не наблюдается какого-либо существенного улучшения относительно образования желоба. Если такая опора не закреплена, существует вероятность, что верхушка пирамиды пройдет через слой и обнажит острые края, которые могут разорвать решетку. Если опора приварена к стене, то она повторяет движения стены, и желоб образуется не сверху опоры. Такой желоб имеет существенно меньшую глубину, чем желоб, образующийся без применения "волнолома". Установка выступа треугольной формы, двигающегося вместе с наружной стеной или наружной частью перфорированного днища, передвигает кольца Рашига вместе с металлом. При возникновении желоба ближе к центру корзины горелки разница в высоте уменьшается.

Ниже приведены результаты экспериментов с "волноломом" в виде пирамиды. Вдоль наружной стены устанавливают треугольный выступ (в виде пирамиды). Высота выступа составляет 100 мм, а угол между основанием и стороной составляет 45°. Самое близкое расстояние края выступа от наружной стены составляет приблизительно 50 мм. Выступ прикрепляют к наружной стене. Высота колец Рашига составляет 130-300 мм.

Таблица 2
Результаты движения стены с "волноломом" в виде пирамиды№ испытанияВысота колец (мм)Движение стены (мм)Глубина желоба (мм)Ширина желоба (мм)113030353002130302530031303035300413030/1020300513030/1030300613030/102530072003520250820030/1025300930030/1025350

Образующийся желоб представляет собой довольно плоское углубление без острых краев или отвесных понижений.

Что касается образования желоба и работы горелок, то использование перфорированных наклонных листов оказалось наилучшим решением. При угле в 30° к горизонтальной плоскости желоб образуется на некотором расстоянии от стены, и его глубина существенно уменьшается по сравнению с оригиналом. При образовании желоба на некотором расстоянии от стены разрывающие силы, действующие на решетку, уменьшаются. Концентрации сил удается избежать благодаря весу решетки и слишком близкому к ней образованию желоба.

Применение почти всех испытанных волноломов привело к лучшим результатам, чем полное отсутствие опоры. Например, может быть также использована металлическая лента синусоидальной формы, прикрепленная к металлической стене. Она может быть расположена непосредственно под стальным ситом.

В работающих горелках расширение происходит вдоль всего радиуса. В установке для пилотных испытаний расширение концентрируется на относительно коротком расстоянии вблизи от подвижной стены, однако установка для испытаний воссоздает желоб, аналогичный желобу, возникающему во время работы. "Волноломы" как в виде выступа треугольной формы, так и наклонного листа подвергали полномасштабным заводским испытаниям, подтверждающим результаты пилотных испытаний. При использовании ровного листа угол не имеет значения, поскольку кольца Рашига легко скользят по такому материалу. Однако при использовании перфорированных листов правильный угол имеет большое значение.

Изобретение относится к опорной системе для каталитических решеток в горелке для окисления аммиака и к способу уменьшения движения макрочастиц керамического материала, вызванного тепловым расширением. Опорная система состоит из каталитических решеток (1) и, возможно, опорных сит (2), которые поддерживаются керамическими наполнителями, заключенными в корзину горелки с металлическими стенами и перфорированным дном. К металлической стене (4) и/или наружной части периферии днища (5) прикреплена опорная структура (9). Результат изобретения: разработка опорной структуры, не вызывающей повреждение пакета из катализатора во время работы горелки и разработка системы, предотвращающей движение макрочастиц керамического материала, 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Опорная система для каталитических решеток в горелке для окисления аммиака, в которой каталитические решетки (1) и, возможно, опорные сита поддерживаются керамическими наполнителями (3) и/или катализатором, находящимся в корзине горелки с металлическими стенами (4) и перфорированным днищем (5), отличающаяся тем, что опорная структура (9, 11) прикреплена к металлической стене и/или наружной части периферии днища под решетками (1).2. Опорная система по п.1, отличающаяся тем, что указанная структура имеет выступ треугольной формы (11).3. Опорная система по п.1, отличающаяся тем, что опорная структура представляет собой гладкий или перфорированный лист (9), установленный под углом от 10 до 60° к стене.4. Опорная система по п.3, отличающаяся тем, что указанный угол составляет от 25 до 35°.5. Опорная система по пп.2, 3 или 4, отличающаяся тем, что опорная структура состоит из сегментов.6. Опорная система по п.5, отличающаяся тем, что сегменты имеют концевые стены.7. Опорная система по п.1, отличающаяся тем, что опорная структура имеет вид сот.8. Опорная система по п.7, отличающаяся тем, что опорная сотовая структура имеет наклонную вершину (8).9. Опорная система по любому из пп.2-4, 6-8, отличающаяся тем, что опорная структура заполнена керамическими наполнителями/катализатором или подобным материалом для получения такого же гидравлического сопротивления, как и наполнитель слоя.10. Опорная система по п.5, отличающаяся тем, что опорная структура заполнена керамическими наполнителями/катализатором или подобным материалом для получения такого же гидравлического сопротивления, как и наполнитель слоя.11. Способ уменьшения движения керамического материала и избежания разрыва каталитических решеток в горелке для окисления аммиака, при котором каталитические решетки и, возможно, опорные сита поддерживают керамическими наполнителями и, возможно, катализатором на перфорированной пластине либо заключают в корзину горелки с металлическими стенами и перфорированным дном, отличающийся тем, что опорную структуру прикрепляют к металлической стене и/или наружной части периферии днища корзины горелки под решетками так, что она двигает керамический материал вместе с металлической стеной во время расширения.12. Способ по п.11, отличающийся тем, что применяемая в нем опорная структура имеет вид треугольного выступа, гладкого или перфорированного листа или сотовой структуры.