ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОКИСЛЕНИЯ NH Российский патент 2017 года по МПК B01J19/24 B01J19/32 B01J8/02 C01B21/26 

Область техники

Настоящая технология относится к установкам для окисления аммиака (NH₃) и, в частности, к газораспределителям для установок для окисления аммиака (NH₃).

Уровень техники

Сернокислый гидроксиламин можно использовать в производстве капролактама. Капролактам представляет собой органическое соединение с формулой (CH₂)₅C(O)NH и широко используется в качестве исходного материала при получении нейлона-6. Производство сернокислого гидроксиламина можно осуществлять в ряду параллельных ниток, состоящих, например, из следующих операций: производство карбоната аммония, производство нитрита аммония, производство гидроксида аммония, производство дисульфоната гидроксиламина и гидролиз.

Процесс производства нитрита аммония может предусматривать последовательность стадий, которая начинается со сжигания или окисления аммиака в присутствии воздуха. Окисление аммиака может происходить при прохождении через слой кобальтового катализатора, содержащегося в емкости, называемой установка для окисления аммиака (NH₃). Слой катализатора, как правило, небольшой, с глубиной всего лишь несколько дюймов, вследствие кинетики реакции окисления аммиака.

Сущность изобретения

Настоящая технология относится к газораспределителям для установок для окисления аммиака (NH₃).

Согласно одному аспекту обеспечивается установка для окисления аммиака, которая содержит емкость с внутренней стенкой, слой катализатора, содержащийся в емкости, впускное отверстие для газа в емкость и газораспределитель, установленный во впускном отверстии для газа. Установка для окисления аммиака может также содержать распределительное кольцо, присоединенное к внутренней стенке емкости на заранее установленном месте под газораспределителем, причем распределительное кольцо имеет ширину.

Согласно другому аспекту обеспечивается установка для окисления аммиака, которая содержит емкость с внутренней стенкой и впускным отверстием для газа, слой катализатора, содержащийся в емкости, впускное отверстие для газа в емкость, газораспределитель, установленный во впускном отверстии для газа, и распределительное кольцо, присоединенное к внутренней стенке емкости на заранее установленном месте под газораспределителем, причем распределительное кольцо имеет ширину. Газораспределитель может содержать круглую рассеивающую газ пластину, обладающую толщиной и центральной точкой, и множеством отверстий, расположенных в виде ряда концентрических колец, причем каждое кольцо имеет центр в центральной точке рассеивающей газ пластины.

Согласно дополнительному аспекту обеспечивается установка для окисления аммиака, которая содержит емкость с внутренней стенкой и впускным отверстием для газа, слой катализатора, содержащийся в емкости, впускное отверстие для газа в емкость и газораспределитель, установленный во впускном отверстии для газа. Газораспределитель может содержать круглую рассеивающую газ пластину, обладающую толщиной и центральной точкой, множеством отверстий, расположенных в виде ряда концентрических колец, причем каждое кольцо имеет центр в центральной точке рассеивающей газ пластины, и боковая стенка газораспределителя присоединена к рассеивающей газ пластине на нижнем конце боковой стенки газораспределителя и присоединена к впускному отверстию для газа емкости на верхнем конце боковой стенки газораспределителя.

Краткое описание чертежей

Конкретные примеры были выбраны с целями иллюстрации и описания, и показаны на прилагаемых чертежах, образующих часть описания.

На фигуре 1 представлено поперечное сечение одного примера установки для окисления аммиака, имеющей в целом цилиндрическую емкость.

На фигуре 2 представлен вид сверху одного примера газораспределителя согласно настоящей технологии.

На фигуре 3 представлено поперечное сечение второго примера газораспределителя согласно настоящей технологии.

Подробное описание изобретения

На фигуре 1 показана установка 100 для окисления аммиака (NH₃), которую можно использовать в процессе производства сернокислого гидроксиламина. Установка 100 для окисления аммиака содержит емкость 102 и слой 104 катализатора, содержащийся в емкости 102. Катализатор, содержащийся в слое 104 катализатора, может представлять собой кобальтовый катализатор, и слой 104 катализатора может быть небольшим. Например, слой 104 кобальтового катализатора может иметь диаметр 122, который может быть меньше чем диаметр 124 емкости 102. В примере, где слой катализатора имеет диаметр приблизительно 9 футов, слой 104 катализатора может иметь глубину, которая составляет приблизительно от 3 дюймов до приблизительно 5 дюймов. Согласно такому примеру диаметр 124 емкости может составлять приблизительно 120 дюймов.

Окисление аммиака может предусматривать обеспечение сырьевого потока 106 газообразного аммиака, который можно объединить с сырьевым потоком 108 воздуха в смесителе 126, таком как статический смеситель, для образования сырьевого потока 110 смеси газов. Аммиак в сырьевом потоке 106 газообразного аммиака можно объединить с сырьевым потоком 108 воздуха в любом подходящем соотношении с образованием сырьевого потока 110 смеси газов, таком как, например, с соотношением аммиака к воздуху приблизительно 10 мол. %. Сырьевой поток 110 смеси газов можно вводить в установку 100 для окисления аммиака через газораспределитель 112, установленный во впускном отверстии 114 для газа в емкость 102 установки 100 для окисления аммиака.

При высоких скоростях потока сырьевой поток 110 смеси газов может, как правило, вызывать смещение катализатора в слое 104 катализатора, что может приводить к оголенным участкам и позволять не прореагировавшему аммиаку проходить через слой 104 катализатора. Эффективное распределение сырьевого потока 110 смеси газов по слою 104 кобальтового катализатора может снижать смещение катализатора в слое 104 катализатора. Например, обычная каталитическая конверсия в процессах окисления аммиака может составлять от приблизительно 96% до приблизительно 98%, со средним расходом аммиака для одной установки для окисления аммиака приблизительно 4500 фунтов/ч. Улучшение распределения сырьевого потока 110 смеси газов по слою 104 кобальтового катализатора может приводить к улучшению каталитической конверсии. Увеличение степени каталитической конверсии на 1% будет приводить к уменьшению расхода аммиака на 45 фунтов/ч.

В примере, показанном на фигуре 1, установка 100 для окисления аммиака также содержит распределительное кольцо 116. Хотя следует понимать, что включение распределительного кольца 116 в установку 100 для окисления аммиака является необязательным в, по меньшей мере, некоторых примерах. Распределительное кольцо 116 может изменять распределение сырьевого потока 110 смеси газов путем изменения направления потока газа от стенки емкости 102 назад к слою катализатора 104. Как показано на фигуре 1, распределительное кольцо 116 можно присоединить к внутренней стенке 126 емкости 102, которое может выступать по окружности вокруг внутренней стенки 126 емкости 102. Распределительное кольцо 116 имеет ширину 118, которая выступает из внутренней стенки 126 в направлении внутренней части емкости 102, и может быть расположено на заранее определенном расстоянии 120 под газораспределителем 112. Согласно некоторым примерам, где емкость имеет диаметр до приблизительно 15 футов, такой как приблизительно 10 футов, распределительное кольцо 116 может иметь ширину до приблизительно 5 дюймов, включая приблизительно от 1 дюйма до приблизительно 4 дюймов или от приблизительно 1,5 дюймов до приблизительно 3 дюймов. В таких примерах заранее определенное расстояние 120 под газораспределителем 112, на котором распределительное кольцо 116 расположено, может составлять от приблизительно 30 дюймов до приблизительно 50 дюймов или от приблизительно 42 дюймов до приблизительно 47 дюймов.

Газораспределитель 112 может содержать или состоять из круглой рассеивающей газ пластины. Один пример круглой рассеивающей газ пластины показан на фигуре 2. На фигуре 2 представлен вид сверху рассеивающей газ пластины 200, показывая множество отверстий 202, 204, 206, 208 и 210, расположенных в виде ряда концентрических колец 212, 214, 216, 218 и 220, причем центр каждого кольца является центральной точкой 222 рассеивающей газ пластины 200. Хотя расположение отверстий 202, 204, 206, 208 и 210 показано только для одной четверти круга, расположение отверстий может быть симметричным относительно как горизонтальной координатной оси А, так и вертикальной координатной оси В. Таким образом, в примере, показанном на фигуре 2, рассеивающая газ пластина 200 содержит первое кольцо 212 с восемью отверстиями 202, второе кольцо 214 с восемью отверстиями 204, третье кольцо 216 с 8 отверстиями 206, четвертое кольцо 218 с 16 отверстиями 208 и пятое кольцо 220 с 24 отверстиями 210. Угол между каждым отверстием на заданном кольце можно определить путем деления 360° кольца на количество отверстий в кольце.

На основании фигур 1-3 сырьевой поток 110 смеси газов проходит во внутреннюю часть емкости 102 и сквозь слой 104 катализатора через отверстия 202, 204, 206, 208 и 210 рассеивающей газ пластины 200. Как показано на фигурах 2 и 3, отверстия 218, 220, 222, 224 и 226 проходят через рассеивающую газ пластину 200 и могут быть расположены согласно шаблону, такому как в виде ряда колец, сконфигурированному для обеспечения желаемого распределения сырьевого потока 110 смеси газов в емкости.

Расположение отверстий 202, 204, 206, 208 и 210 может называться схемой отверстий рассеивающей газ пластины 200. Например, каждая рассеивающая газ пластина 200 показанных примеров фигур 2 и 3 имеет схему отверстий, как описано в таблице 1.

Отверстия могут иметь любой подходящий диаметр, и диаметр любого одного отверстия может быть таким же или отличаться от диаметра любого другого отверстия, хотя предпочтительно все отверстия имеют одинаковый диаметр.

Каждое отверстие 202, 204, 206, 208 и 210 может также иметь угол ориентации относительно вертикальной осевой линии С, показанной на фигуре 3, который можно выбрать для обеспечения желательного распределения сырьевого потока 110 смеси газов в емкости. Следует отметить, что использование выражения «вертикальный» в данном документе представлено только для иллюстративных целей, для обеспечения ссылки на ориентацию компонентов, как показано, хотя на практике компоненты могут быть ориентированы другим образом.

Согласно одному примеру угол ориентации каждого из отверстий 202, 204, 206, 208 и 210 составляет приблизительно 0° относительно вертикальной осевой линии С, подразумевая, что все отверстия имеют вертикальную ориентацию по всей рассеивающей газ пластине 200. Согласно другому примеру, как показано на фигуре 3, отверстия 202 первого кольца могут иметь первый угол ориентации D, отверстия 204 второго кольца могут иметь второй угол ориентации Е, отверстия 206 третьего кольца могут иметь третий угол ориентации F, отверстия 208 четвертого кольца могут иметь четвертый угол ориентации G, и отверстия 210 пятого кольца могут иметь пятый угол ориентации Н. Углы ориентации D, Е, F, G и Н могут быть одинаковыми или различными. Согласно одному примеру угол ориентации D может составлять приблизительно 0°, угол ориентации Е может составлять приблизительно 35°, угол ориентации F может составлять приблизительно 30°, угол ориентации G может составлять приблизительно 30°, и угол ориентации Н может составлять приблизительно 45°.

Согласно некоторым примерам газораспределитель настоящей технологии может содержать боковую стенку в дополнение к рассеивающей газ пластине 200. На фигуре 3 представлен один такой пример газораспределителя 300, который содержит круглую рассеивающую газ пластину 200 и боковую стенку 302. Рассеивающая газ пластина 200, как показано на фигуре 3, имеет толщину 304 и диаметр 306. Газораспределитель 300 также содержит боковую стенку 308 газораспределителя, соединенную с рассеивающей газ пластиной 200 на нижнем конце 310 боковой стенки 308 газораспределителя. Верхний конец 312 боковой стенки 308 газораспределителя может быть присоединен к впускному отверстию 114 для газа в емкость 102 установки 100 для окисления аммиака. На показанном примере боковая стенка 308 газораспределителя имеет форму усеченного конуса, имеющего диаметр на нижнем конце 310, который равен диаметру 306 рассеивающей газ пластины 200, и верхний диаметр 314 на верхнем конце 312, который меньше чем диаметр нижнего конца 310. Газораспределитель 300 также имеет высоту 316.

На практике сырьевой поток 110 смеси газов обеспечивают в емкость 102 при помощи введения в газораспределитель 300 на верхнем конце 312 боковой стенки 308 газораспределителя и выведения из газораспределителя 300 на нижнем конце 310 боковой стенки 308 газораспределителя через отверстия 202, 204, 206, 208 и 210 рассеивающей газ пластины 200.

Пример 1

Расчетную гидродинамическую (РГД) компьютерную модель использовали для оценки конструкции 1 газораспределителя согласно настоящей технологии, который был сконструирован согласно фигурам 2 и 3. Высота газораспределителя составляла приблизительно 14 дюймов. Верхний диаметр боковой стенки газораспределителя составлял приблизительно 23,25 дюймов, и нижний диаметр боковой стенки газораспределителя составлял приблизительно 44 дюйма. Диаметр рассеивающей газ пластины также составлял приблизительно 44 дюйма, и рассеивающая газ пластина имела толщину приблизительно 1,575 дюймов. Рассеивающая газ пластина имела схему отверстий, как описано в таблице 1. Углы ориентации отверстий в рассеивающей газ пластине изменяли, как описано в таблице 2, для определения влияний углов на распределение сырьевого потока смеси газов в емкости установки для окисления аммиака.

Результаты показали, что углы ориентации отверстий в рассеивающей газ пластине имеют значительное влияние на распределение потока газа в емкости и по слою катализатора. Результаты для случая 13 были наилучшими относительно обеспечения наиболее эффективного распределения газа по слою катализатора.

Пример 2

Работу конструкции 1 газораспределителя согласно настоящей технологии, как описано в примере 1, с углами ориентации в соответствии со случаем 13 в примере 1 сравнивали с работой известного на данный момент газораспределителя с треугольной рассеивающей газ пластиной и без боковой стенки на впускном отверстии для газа установки для окисления аммиака. Треугольная рассеивающая газ пластина имела 45 отверстий, причем каждое отверстие имело диаметр приблизительно 1 дюйм.

Количественные сравнения двух распределителей показаны в таблице 3, где массовое процентное соотношение газа через слой катализатора относительно общего ввода, средневзвешенная по площади скорость газа и стандартное отклонение величины скорости даны рядом.

Падение давления между концами рассеивателей газа конструкции 1 и треугольной пластины также определяли, и их показывают в таблице 4 для рабочего давления приблизительно 12 фунтов на кв. дюйм. Падение давления между концами распределителя для газораспределителя конструкции 1 больше, чем падение давления в рассеивателе газа - треугольной пластине. Без ограничения какой-либо конкретной теорией считается, что это происходит из-за боковой стенки газораспределителя примера 1. Однако падение давления между концами газораспределителя конструкции 1 при рабочем давлении приблизительно 12 фунтов на кв. дюйм и нормальной скорости подачи газа (4600 Па/0,667 фунтов/кв. дюйм) составило только 5,5% рабочего давления, что не считается значительным количеством.

Пример 3

Влияние наличия распределительного кольца, присоединенного к внутренней стенке емкости установки для окисления аммиака, тестировали для установки для окисления аммиака, имеющей известный на данный момент газораспределитель с треугольной рассеивающей газ пластиной и без боковой стенки, на впускном отверстии для газа установки для окисления аммиака. Треугольная рассеивающая газ пластина имела 45 отверстий, каждое отверстие с диаметром приблизительно 1 дюйм. Распределительное кольцо имело ширину приблизительно 3 дюйма и было расположено на приблизительно 45 дюймов ниже газораспределителя.

Количественные сравнения двух установок для окисления аммиака показаны в таблице 5, где средневзвешенная по площади скорость газа и стандартное отклонение величины скорости даны рядом.

На основе количественного сравнения добавление распределительного кольца снижало стандартное отклонение скорости газа в слое катализатора до 1,63 с 2,02, что представляет собой 19% улучшение однородности распределения газа.

Пример 4

Расчетную гидродинамическую (РГД) компьютерную модель использовали для оценки примеров альтернативной конструкции газораспределителя согласно настоящей технологии в комбинации с распределительными кольцами согласно настоящей технологии. Газораспределитель был сконструирован в соответствии с фигурой 2. Модель содержала установку для окисления аммиака с емкостью, имеющей диаметр приблизительно 120 дюймов, и слоем катализатора, имеющим диаметр приблизительно 108 дюймов и глубину приблизительно 4 дюйма. Газораспределитель содержал тонкую круглую рассеивающую газ пластину с толщиной приблизительно 0,25 дюйма и без боковой стенки газораспределителя. Круглая рассеивающая газ пластина содержала вертикальные отверстия, просверленные через круглую рассеивающую газ пластину под углом 90° к поверхности круглой рассеивающей газ пластины, причем каждое отверстие имело диаметр приблизительно 2 дюйма. Установку для окисления аммиака моделировали как имеющую распределительные кольца четырех различных ширин, расположенных в каждом примере на приблизительно 45 дюйма ниже газораспределителя, и результаты показаны в таблице 6.

Конструкции 3-5 в таблице 6 показали наилучшие результаты относительно стандартного отклонения скорости газа в слое катализатора, причем каждый был меньше, чем стандартная скорость в слое катализатора 2,02, которую показывала треугольная пластина в таблице 3. С примером 3 из существующей треугольной пластины в установке для окисления NH₃ Hopewell. Таким образом, 39% улучшение однородности распределения газа достигается путем установки новой упрощенной конструкции №2.

Пример 4 показал меньшее падение давления между концами рассеивателя газа, чем пример 1, что, как считается без ограничения какой-либо конкретной теорией, происходит вследствие удаления боковой стенки распределителя. При нормальной скорости потока падение давления для примера 4 составляет приблизительно 0,16 фунтов/кв. дюйм или 1,3% рабочего давления 12 фунтов/кв. дюйм по сравнению с падением давления 0,667 фунт/кв. дюйм или 5,5% рабочего давления 12 фунт/кв. дюйм, которое получалось в примере 1.

Из вышеизложенного следует понимать, что, хотя конкретные примеры были описаны в данном документе с целями иллюстрации, различные модификации могут быть сделаны без отклонения от сущности или объема данного раскрытия. Таким образом, предполагается, что приведенное выше подробное раскрытие следует рассматривать как иллюстративное, а не ограничивающее, и что следует понимать, что существует нижеследующая формула изобретения, включая все эквиваленты, которая предназначена особо отмечать и явно заявлять заявляемый объект.

Изобретение относится к установкам для окисления аммиака, в частности к газораспределителю для установки для окисления аммиака. Установка для окисления аммиака содержит емкость с внутренней стенкой и впускным отверстием для газа, слой катализатора, содержащийся в емкости, впускное отверстие для газа в емкость и газораспределитель, установленный во впускном отверстии для газа. Газораспределитель содержит круглую рассеивающую газ пластину, обладающую толщиной и центральной точкой, и множеством отверстий, расположенных в виде ряда концентрических колец, причем каждое кольцо имеет центр в центральной точке рассеивающей газ пластины. При этом рассеивающая газ пластина содержит по меньшей мере первое кольцо, второе кольцо и третье кольцо, каждое из которых имеет множество отверстий, причем отверстия в первом кольце имеют первый угол ориентации и отверстия в по меньшей мере одном из второго кольца и третьего кольца имеют второй угол ориентации, больший чем первый угол ориентации. Изобретение обеспечивает эффективное распределение газа по слою катализатора. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил., 6 табл., 4 пр.

1. Установка для окисления аммиака, содержащая:

емкость с внутренней стенкой и впускным отверстием для газа;

слой катализатора, содержащийся в емкости;

впускное отверстие для газа в емкость и

газораспределитель, установленный во впускном отверстии для газа, причем газораспределитель содержит круглую рассеивающую газ пластину, обладающую толщиной и центральной точкой, и множеством отверстий, расположенных в виде ряда концентрических колец, причем каждое кольцо имеет центр в центральной точке рассеивающей газ пластины,

при этом рассеивающая газ пластина содержит по меньшей мере первое кольцо, второе кольцо и третье кольцо, каждый из которых имеет множество отверстий; и

отверстия в первом кольце имеют первый угол ориентации, и отверстия в по меньшей мере одном из второго кольца и третьего кольца имеют второй угол ориентации, больший, чем первый угол ориентации.

2. Установка для окисления аммиака по п. 1, отличающаяся тем, что каждое из множества отверстий первого кольца имеет угол ориентации приблизительно 0° относительно вертикальной осевой линии газораспределителя.

3. Установка для окисления аммиака по п. 1, отличающаяся тем, что круглая рассеивающая газ пластина содержит первое кольцо с восемью отверстиями, второе кольцо с восемью отверстиями, третье кольцо с 8 отверстиями, четвертое кольцо с 16 отверстиями и пятое кольцо с 24 отверстиями.

4. Установка для окисления аммиака по п. 1, отличающаяся тем, что отверстия первого кольца имеют первый угол ориентации, отверстия второго кольца имеют второй угол ориентации, больший, чем первый угол ориентации, и отверстия третьего кольца имеют третий угол ориентации, больший, чем второй угол ориентации.

5. Установка для окисления аммиака по п. 1, дополнительно содержащая распределительное кольцо, присоединенное к внутренней стенке емкости в заранее установленном месте под газораспределителем, причем распределительное кольцо имеет ширину.

6. Установка для окисления аммиака по п. 5, отличающаяся тем, что распределительное кольцо имеет ширину, которая выступает из внутренней стенки в направлении внутренней части емкости до приблизительно 5 дюймов.

7. Установка для окисления аммиака по п. 5, отличающаяся тем, что распределительное кольцо имеет ширину, которая выступает из внутренней стенки в направлении внутренней части емкости от приблизительно 1 дюйма до приблизительно 4 дюймов.

8. Установка для окисления аммиака по п. 1, отличающаяся тем, что газораспределитель дополнительно содержит:

боковую стенку газораспределителя, соединенную с рассеивающей газ пластиной на нижнем конце боковой стенки газораспределителя и соединенную с впускным отверстием для газа емкости на верхнем конце боковой стенки газораспределителя.

9. Установка для окисления аммиака по п. 8, отличающаяся тем, что боковая стенка газораспределителя имеет верхний диаметр на верхнем конце, который меньше диаметра боковой стенки газораспределителя на нижнем конце.

10. Установка для окисления аммиака, содержащая:

емкость с внутренней стенкой и впускным отверстием для газа;

слой катализатора, содержащийся в емкости;

впускное отверстие для газа в емкость;

газораспределитель, установленный во впускном отверстии для газа, причем газораспределитель содержит круглую рассеивающую газ пластину, обладающую толщиной и центральной точкой, и множеством отверстий, расположенных в виде ряда концентрических колец, причем каждое кольцо имеет центр в центральной точке рассеивающей газ пластины, при этом рассеивающая газ пластина содержит по меньшей мере первое кольцо, второе кольцо и третье кольцо; при этом отверстия в первом кольце имеют первый угол ориентации, и отверстия в по меньшей мере одном из второго кольца и третьего кольца имеют второй угол ориентации, больший, чем первый угол ориентации; и

распределительное кольцо, присоединенное к внутренней стенке емкости в заранее установленном месте под газораспределителем, причем распределительное кольцо имеет ширину.