УЛОВИТЕЛЬ ПЛАТИНОИДОВ ИЗ ГАЗОВОЙ СМЕСИ Российский патент 2010 года по МПК B01J23/44 B01J20/10 B01D53/86 

Изобретение относится к уловителям платиноидов из газовой смеси, установленным непосредственно под слоем платиноидных сеток для конверсии аммиака и выполненным в виде пакета улавливающих сеток из сплава на основе палладия, и может быть использовано в реакторах для конверсии аммиака в агрегатах азотной и синильной кислот, а также гидроксиламинсульфата.

Известен один из первых уловителей благородных металлов из газовой смеси, в частности платиноидов, улетучивающихся из платиноидного катализатора в процессе конверсии аммиака при температуре 900°С, выполненный в виде пакета улавливающих сеток из сплавов палладия и золота (например Pd - 80, Au - 20%) с добавлением ниобия, тантала и тория вместе или отдельно или с добавлением хрома или никеля, или с добавлением марганца и титана или циркония. Пакет улавливающих сеток располагается на расстоянии ~10 мм за слоем платиноидных катализаторных сеток [пат.SU №197459, B01J 23/38, 1967 г., заявитель - фирма Degussa, ФРГ]. Недостатки этого уловителя заключаются в том, что он имеет повышенную массу золота, обладает малой прочностью и большими потерями палладия и золота в процессе его эксплуатации.

Известен уловитель платиноидов из газовой смеси для процесса конверсии аммиака, в котором содержание золота в улавливающих сетках пакета снижено в 2 раза по сравнению с первым аналогом (Pd - 90, Au - 10%) [пат.RU №2009995, С01В 21/26, B01J 23/56, 1994 г. - см. описание уловителя в десятом абзаце описания этого изобретения-аналога]. Недостатки этого уловителя состоят в том, что он имеет малую прочность и большие потери палладия.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению - прототипом, в котором в определенной мере устранены недостатки вышеописанных уловителей-аналогов, является уловитель платиноидов из газовой смеси, выполненный в виде пакета проволочных улавливающих сеток из сплава на основе палладия, разделенных жаростойкими сетками [пат. RU №2154020, С01В 21/26, B01J 35/04, B01J 8/00, 2000 г.].

Жаростойкие сетки выполнены из сталей Х25Ю5 (основные компоненты: Fe - 70, Cr - 25, Al - 5%) и Х25Ю5Т (основные компоненты: Fe - 69, Cr - 25, Al - 5, Ti - 1%). Номинальный диаметр проволоки, из которой изготавливаются жаростойкие сетки - 0,25 и 0,40 мм. [СТО 00195200-011-2007 «Сетки разделительные тканые из прецизионных сплавов», ОАО «Екатеринбургский завод по обработке цветных металлов (ЕзОЦМ)», 2007 г.]. Твердость сплавов Х25Ю5 и Х25Ю5Т составляет соответственно 180-250 и 200-250 НВ¹. (¹ НВ - твердость по Бринеллю.) [см. ГОСТ 12766.1-90. «Проволока из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением», прил. 6, табл. 13]. Номинальный диаметр проволоки, из которой изготавливаются улавливающие сетки, например, из сплава Pd - 95, W - 5%, составляет 0,076, 0,09 и 0,12 мм [СТО 00195200-015-2007 «Сетки улавливающие тканые из палладиевых сплавов», ОАО «ЕзОЦМ», 2007 г.]. Твердость данного палладиевого сплава приближается к твердости Pd и равна ~52 НВ [см. сайт в Интернете: www.eurosplav.ru/i_html/pallad.htm].

Основной недостаток уловителя-прототипа состоит в повышенной вероятности возникновения опасных факторов взрыва и пожара в газовой смеси за пакетом уловителя, равной ~10^-3, которая превышает нормированную величину ≤ 10^-6, установленную Ростехнадзором России [см. пункты 3.1.13 и 6.2 в ГОСТ Р 12.3.047-98 «Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля»] и соответствующую концентрации несконвертированного NH₃ в данной газовой смеси ≤ 0,03 об.%. Этот недостаток обусловлен двумя причинами:

- сталь, из которой выполнены жаростойкие сетки, имеет в 3,46-4,81 раза более высокую твердость по сравнению с твердостью сплава на основе Pd, применяемого для изготовления улавливающих сеток;

- диаметр проволоки жаростойкой сетки превышает диаметр проволоки улавливающей сетки в 2,08-5,26 раза. (см. об этих двух фактах выше в описании уловителя-прототипа).

Поэтому под воздействием турбулентного потока газовой смеси, двигающегося сквозь пакет уловителя, жаростойкие сетки в нем выступают по отношению к улавливающим сеткам в качестве долбежно-режуще-разрывающего инструмента (так же, как не очень острое зубило в руках слесаря по отношению к разрезаемому и разрываемому этим зубилом листу стали, имеющему меньшие твердость и толщину листа по сравнению с твердостью материала зубила и его диаметром соответственно).² (² в промышленных реакторах конверсии аммиака реализуется развитый турбулентный режим движения газовой смеси с числом Рейнольдса (4÷8)×10⁵, имеющий среднюю амплитуду турбулентных пульсаций скорости A±≈0,55W, где W - средняя скорость газового потока, равная отношению расхода газовой смеси к площади поперечного сечения реактора. Частота турбулентных пульсаций скорости -100 Гц. Поскольку на жаростойкие и улавливающие сетки в пакете уловителя воздействует не изменение мгновенной скорости потока газовой смеси от W-A до W+A, а изменение скоростного напора потока (пропорционального квадрату мгновенной скорости) от (W-A)² до (W+A)², отношение последних величин при W, условно равное 1, составит (1+0,55)²:(1-0,55)²≈12. Таким образом, скоростной напор потока изменяется в течение одной секунды стократно в 12 раз, воздействуя на жаростойкие и улавливающие сетки как долбежный инструмент [см. об этом в статье Скворцова Е.С., Чернышева В.И. и др. в журнале "Химическая промышленность", 1978, №12, стр.921]). В результате такого воздействия улавливающие сетки из сплава на основе Pd разрываются на отдельные куски с образованием зазоров между соседними кусками, через которые значительная доля газовой смеси, имеющая после слоя платиноидных сеток концентрацию NH₃ 0,44-0,57 об.%, проходит: либо полностью сквозь все улавливающие сетки пакета без конверсии NH₃, либо только через часть улавливающих сеток пакета, на которой NH₃ частично конвертируется. Вследствие этого концентрация NH₃ в отдельных локальных объемах газовой смеси за пакетом уловителя превышает предельную величину 0,03 об.%, что вызывает вышеуказанное повышение вероятности возникновения опасных факторов взрыва и пожара в газовой смеси за пакетом уловителя, поскольку при охлаждении газовой смеси NH₃ вступает в реакцию с NO (целевой продукт в агрегатах азотной кислоты и гидроксиламинсульфата и побочный продукт в агрегате синильной кислоты) с образованием нитрит-нитратных солей аммония, отложения которых в коммуникациях и оборудовании агрегата могут взорваться при воздействии любого внешнего источника, вызывающего детонацию отложений.

Другой недостаток уловителя-прототипа является таким же, как и у способов-аналогов, и состоит в повышенных потерях платиноидов из улавливающих сеток пакета за счет воздействия турбулентного потока газовой смеси, приводящего к вибрации жаростойких и улавливающих сеток, и трения последних о жаростойкие сетки с отрывом отдельных частиц палладия и уловленных платины и родия от разрыхленных поверхностей проволок улавливающих сеток.

Технический результат, не известный из уровня техники, на решение которого направлено настоящее изобретение, заключается в повышении взрывобезопасности процесса конверсии аммиака за счет снижения величины вероятности возникновения опасных факторов взрыва и пожара в газовой смеси за пакетом уловителя до величины ≤10^-6, установленной Ростехнадзором России, и в уменьшении потерь платиноидов из улавливающих сеток.

Данные технические результаты достигаются в уловителе платиноидов из газовой смеси, выполненном в виде пакета проволочных улавливающих сеток из сплава на основе палладия, разделенных жаростойкими сетками, отличающийся тем, что он установлен на поддерживающем устройстве непосредственно под слоем платиноидных сеток, между улавливающими и жаростойкими сетками размещены прокладки из газопроницаемого материала на основе оксида кремния, каждая из которых имеет толщину, составляющую 2-80 диаметра проволоки улавливающей сетки, причем жаростойкие сетки выполнены из газопроницаемого материала. Между слоем платиноидных сеток и пакетом улавливающих сеток размещены прокладки, между которыми лежит жаростойкая сетка. Между пакетом улавливающих сеток и поддерживающим устройством расположена прокладка. В качестве сплавов на основе палладия применяются сплавы: Pd - 90, Au - 10%; Pd - 91,5, Au - 8,5%; Pd - 95, Ni - 5%; Pd - 95, W - 5%. В качестве газопроницаемого материала на основе оксида кремния используются материалы содержащие: SiO₂ - 93-95 и Al₂O₃ - 4-6%, примеси - остальное.

Диаметр проволоки улавливающей сетки лежит в интервале 0,06-0,15 мм.

Основные отличительные признаки уловителя платиноидов из газовой смеси в соответствии с настоящим изобретением заключаются в том, что он установлен на поддерживающем устройстве непосредственно под слоем платиноидных сеток, между улавливающими и жаростойкими сетками размещены прокладки из газопроницаемого материала на основе оксида кремния, каждая из которых имеет толщину, составляющую 2-80 диаметра проволоки улавливающей сетки, причем жаростойкие сетки выполнены из газопроницаемого материала.

Дополнительные отличительные признаки уловителя платиноидов из газовой смеси состоят в том, что между слоем платиноидных сеток и пакетом улавливающих сеток размещены прокладки, между которыми лежит жаростойкая сетка. Между пакетом улавливающих сеток и поддерживающим устройством расположена прокладка. В качестве сплавов на основе палладия применяются сплавы: Pd - 90, Au - 10%; Pd - 91,5, Au - 8,5%; Pd - 95, Ni - 5%; Pd - 95, W - 5%. В качестве газопроницаемого материала на основе оксида кремния используются материалы содержащие: SiO₂ - 93-95 и Al₂O₃ - 4-6%, примеси - остальное.

Диаметр проволоки улавливающей сетки лежит в интервале 0,06-0,15 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. Несмотря на то, что из уровня техники известно изобретение [пат. RU №2024294, B01J 23/42, С01 В 21/26, 1994 г.], отличительные признаки которого в определенной степени совпадают с отличительными признаками настоящего изобретения в независимом (первом) пункте формулы изобретения, настоящее изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень», поскольку в результате его использования достигается принципиально другой технический результат, не известный из уровня техники³, (³ [см. об этом в п.19.5.3(2) Правил составления, подачи и рассмотрения заявки на выдачу патента на изобретение, утвержденных Приказом Роспатента от 06.06.2003 №82]), а именно, повышение взрывобезопасности процесса конверсии аммиака, а также известный из уровня техники результат - одновременное уменьшение потерь платиноидов из пакета улавливающих сеток.

На чертеже изображен в продольном разрезе размещенный в корпусе реактора 1 уловитель платиноидов 2 из газовой смеси, установленный на поддерживающем устройстве 3 непосредственно под слоем платиноидных сеток 4 для конверсии аммиака и выполненный в виде пакета проволочных улавливающих сеток из сплава на основе палладия 5, разделенных жаростойкими сетками 6, причем между улавливающими и жаростойкими сетками размещены прокладки 7 из газопроницаемого материала на основе оксида кремния, и жаростойкие сетки 6 выполнены из газопроницаемого материала, а каждая прокладка 7 имеет толщину, составляющую 2-80 диаметра проволоки улавливающей сетки 5. Между слоем платиноидных сеток 4 и пакетом улавливающих сеток 2 размещены прокладки 7, между которыми лежит жаростойкая сетка 6. Между пакетом улавливающих сеток 2 и поддерживающим устройством 3 расположена прокладка 7. В качестве сплавов на основе палладия применяются сплавы: Pd - 90, Au -10%; Pd - 91,5, Au - 8,5%; Pd - 95, Ni - 5%; Pd - 95, W - 5%. В качестве газопроницаемого материала на основе оксида кремния используются материалы содержащие: SiO₂ - 93-95 и Al₂O₃ - 4-6%, примеси - остальное.

Диаметр проволоки улавливающей сетки 5 лежит в интервале 0,06-0,15 мм.

Уловитель платиноидов из газовой смеси в реакторе конверсии аммиака работает следующим образом. Исходная смесь газообразных реагентов (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 слой платиноидных сеток 4, в котором осуществляется каталитическая конверсия аммиака до целевого продукта. Концентрация аммиака в исходной смеси газообразных реагентов в производстве азотной кислоты составляет 9,5-11 об.%, в производстве синильной кислоты - 9-13 об.%, в производстве гидроксиламинсульфата - 13,4-13,8 об.%. За слоем платиноидных сеток 4 образуется газовая смесь, в которой наряду с целевыми продуктами (целевыми продуктами являются: в производствах азотной кислоты и гидроксиламинсульфата - NO; в производстве синильной кислоты - HCN) содержится несконвертированный аммиак с концентрацией, например, 0,44-0,57 об.% (0,44 - для отечественного агрегата азотной кислоты АК-72 мощностью 1150 т HNO₃/сут и 0,57 - для отечественного агрегата азотной кислоты, работающего под единым давлением 0,716 МПа, мощностью 355 т HNO₃/сут - см. Производство азотной кислоты в агрегатах большой мощности/под ред. В.М. Олевского. М.: Химия, 1985). Данная газовая смесь затем проходит сквозь уловитель платиноидов 2, в котором происходит конверсия остаточного аммиака, а также улавливание платины и родия. Размещение между улавливающими сетками 5 и жаростойкими сетками 6 мягких прокладок 7 из газопроницаемого материала с толщиной прокладки 2-80 диаметра проволоки улавливающей сетки на основе оксида кремния позволяет существенно уменьшить негативные действия турбулентных пульсаций и тем самым предотвратить разрыв улавливающих сеток 5 в пакете уловителя 2 на отдельные куски. Это обстоятельство приводит к исключению «проскока» несконвертированного аммиака за пакет уловителя 2, что обеспечивает концентрацию аммиака в газовой смеси за пакетом уловителя ≤0,03 об.% и тем самым - взрывобезопасность процесса, что является не известным из уровня техники и неожиданным техническим результатом. Одновременно в 1,4-1,6 раза снижаются потери платиноидов: палладия, а также уловленных платины и родия. Выполнение жаростойких сеток 6 из газопроницаемого материала на основе оксида кремния положительно влияет на указанные технические результаты. Дополнительно эти технические результаты улучшаются благодаря тому, что между слоем платиноидных сеток 4 и пакетом улавливающих сеток 2 размещаются прокладки 7, между которыми лежит жаростойкая сетка 6, а также и благодаря тому, что между пакетом улавливающих сеток 2 и поддерживающим устройством 3 располагается прокладка 7.

Настоящее изобретение может быть использовано в реакторах для конверсии аммиака в агрегатах азотной и синильной кислот, а также гидроксиламинсульфата.

Изобретение относится к каталитической химии и может быть использовано в производстве азотной и синильной кислот, а также гидроксиламинсульфата. Исходная смесь газообразных реагентов сначала проходит слой платиноидных сеток 4. Уловитель платиноидов 2 установлен на поддерживающем устройстве 3 и выполнен в виде пакета проволочных улавливающих сеток из сплава на основе палладия 5, разделенных жаростойкими сетками 6, между которыми размещены прокладки 7 из газопроницаемого материала на основе кремния. Каждая прокладка 7 имеет толщину, составляющую 2-80 диаметра проволоки улавливающей сетки 5. Очищенную от платиноидов газовую смесь удаляют из реактора 1. Изобретение позволяет повысить взрывобезопасность процесса конверсии аммиака и уменьшить потерю платиноидов. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Уловитель платиноидов из газовой смеси, выполненный в виде пакета проволочных улавливающих сеток из сплава на основе палладия, разделенных жаростойкими сетками, отличающийся тем, что он установлен на поддерживающем устройстве непосредственно под слоем платиноидных сеток, между улавливающими и жаростойкими сетками размещены прокладки из газопроницаемого материала на основе оксида кремния, каждая из которых имеет толщину, составляющую 2-80 диаметра проволоки улавливающей сетки, причем жаростойкие сетки выполнены из газопроницаемого материала.

2. Уловитель по п.1, отличающийся тем, что между слоем платиноидных сеток и пакетом улавливающих сеток размещены прокладки, между которыми лежит жаростойкая сетка.

3. Уловитель по п.1, отличающийся тем, что между пакетом улавливающих сеток и поддерживающим устройством расположена прокладка.

4. Уловитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве сплавов на основе палладия применяются сплавы: Pd - 90, Au - 10%; Pd - 91,5, Au - 8,5%; Pd -95, Ni - 5%; Pd - 95, W -5%.

5. Уловитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве газопроницаемого материала на основе оксида кремния используются материалы, содержащие: SiO₂ - 93-95 и Аl₂О₃ - 4-6%, примеси - остальное.

6. Уловитель по п.1, отличающийся тем, что диаметр проволоки улавливающей сетки лежит в интервале 0,06-0,15 мм.