Способ каталитического окисления аммиака
(19)RU(11)1102183(13)C(51) МПК 5 C01B21/26Статус: по данным на 10.01.2013 - прекратил действиеПошлина: учтена за 20 год с 23.07.2001 по 22.07.2002
(54) СПОСОБ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ АММИАКА
Изобретение относится к способам каталитического окисления аммиака и может быть использовано в агрегатах по производству неконцентрированной азотной кислоты. Известны способы окисления аммиака, в которых поток смеси аммиака и кислородсодержащего газа пропускают сквозь слой содержащего платиноиды сетчатого катализатора, который размещают на поддерживающем слое из прессованных сетчатых рукавов, матов специальной конструкции или слое из колец Рашига, уложенных навалом. В этих способах поток образовавшихся нитрозных газов разделяют в поддерживающем слое на отдельные беспорядочно ориентированные струи различных эквива- лентных гидравлических диаметров и длин одна относительно другой, причем струи имеют сложные траектории движения. Существенным недостатком данных способов является значительная нестабильность газодинамических параметров газового потока при движении его в слое сетчатого катализатора (вектора средней скорости, амплитуды и частоты турбулентных пульсаций и т.д.), обусловленная повышенной нестабильностью газодинами- ческих параметров потока образовавшихся нитрозных газов, движущихся в виде отдельных беспорядочно ориентированных одна относительно другой струи различных эквивалентных гидравлических диаметров и длин, имеющих сложные траектории движения. Это приводит к уменьшению срока службы содержащего платиноиды сетчатого катализатора и увеличению массы и потерь платиноидов катализатора. Другим существенным недостатком известных способов является высокое газодинамическое сопротивление потоку нитрозных газов, создаваемое поддерживающим слоем, которое приводит к значительной потере напора потока и, следовательно, к снижению мощности энерготехнологического агрегата азотной кислоты в целом. Кроме того, из-за высокой плотности упаковки поддерживающего слоя в виде прессованных сетчатых рукавов, матов специальной конструкции или колец Рашига происходит отражение отдельных струй нитрозных газов от отдельных элементов слоя (проволок, колец и т.д.), вызывающее движение этих струй против хода газовой смеси, в результате чего оксиды азота попадают в пространство над сетчатым катализатором, образуя с поступа- ющим на катализатор аммиаком соединения нитрит-нитратных солей аммония, которые диссоциируют на катализаторе, вызывая снижение его активности и, следовательно, уменьшение срока службы катализатора и степени конверсии аммиака до оксидов азота. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ каталитического окисления аммиака, в кото- ром поток смеси аммиака и кислородсодержащего газа пропускают сквозь слой содержащего платиноиды сетчатого катализатора и поток образовавшихся после прохождения катализатора нитрозных газов разделяют на отдельные струи, смежные из которых параллельны, путем пропускания через каналы соплообразной формы, выполненные в поддерживающем катализатор устройстве; диаметр сопел уменьшается по ходу струй нитрозных газов, эквивалентный гидравлический диаметр струи на входе и выходе из канала соплообразной формы равен соответственно 0,06 и 0,015 м, давление и температура нитрозных газов 0,294 МПа (3 ата) и 850оС, скорости движения струй нитрозных газов на входе и выходе канала при данных температуре и давлении равны соответственно 2,75 и 45 м/с. Недостатком этого способа является значительная нестабильность газодинамических параметров газового потока при движении его в слое катализатора (вектора средней скорости, амплитуды и частоты турбулентных пульсаций и т. д.), вызванная нестабильностью газодинамических пара- метров потока в струях нитрозных газов вследствие повышенных (при указанном в описании патента интервале диаметров струй) расхода нитрозных газов в струе W
F (кг/с) и удельного расхода этих газов W (кг/м2 
с) в каждой струе, где W и - соответственно скорость (м/с) и плотность потока кг/м3 нитрозных газов в струе, взятые при рабочих условиях: F - площадь поперечного сечения струи нитрозных газов, м2)3. Кроме того, этот недостаток вызван существенным изменением удельного расхода потока нитрозных газов в струе по ее длине (приблизительно в 16 раз) из-за уменьшения диаметра сопла по ходу струи нитрозных газов, что приводит к снижению срока службы содержащего платиноиды сетчатого катализатора и увеличению его массы и потерь платиноидов. Целью изобретения является увеличение длительности эксплуатационного пробега, уменьшение общей массы и потерь платиноидов. Поставленная цель достигается тем, что по способу каталитического окисления аммиака путем пропускания исходной аммиачно-воздушной смеси через платиноидный сетчатый катализатор и потока образовавшегося нитрозного газа через поддерживающее устройство с отверстиями, делящее поток газа на отдельные струи, процесс ведут при удельном расходе нитрозного газа в струе (0,129-8,24)-(0,099-0,988) кг/м2 с и диаметре отверстия устройства, вычисляемом по формуле
d=(1,87-15,7) 105 м/V. где м - динамическая вязкость нитрозных газов;
V - скорость звука в этих газах;
(1,87-15,7), м3/кг - константы. Предложенные интервалы удельного расхода потока нитрозного газа Р в струе в определенном диапазоне диаметров образуют область Р, показанную на чертеже, в которой обеспечивается положительный эффект изобретения. Использование способа согласно изобретению с удельным расходом в каждой струе, меньшим его нижних значений, а именно ниже 0,129-0,099 кг/м2 с, в соответствующем интервале диаметров приводит при снижении потерь платиноидов к одновременному снижению степени конверсии аммиака до оксидов азота. Использование предложенного способа позволит снизить по сравнению с известным способом при эксплуатации в сопоставительных, например, по температуре и давлению условиях массу и потери платиноидов соответственно на 33-50% и 43-52%, а также увеличить срок службы катализатора на 32-37,5%. В таблице приведены результаты лабораторных (примеры 1 и 2), опытно-промышленных (примеры 5-11) и промышленных испытаний (примеры 3 и 4 ) как в режимных параметрах предлагаемого способа каталитического окисления аммиака, так и в запредельных областях параметров в формуле изобретения. При этом в примерах 1 и 3 приведены результаты работы на одних предельных режимных параметрах предлагаемого способа, в примерах 5 и 7 - на других предельных режимных параметрах способа, в примере 9 - в середине предложенных диапазонов режимных параметров способа;
в примерах 2, 4, 6 и 8 - с режимными параметрами, находящимися за пределами, указанными в формуле изобретения;
в примере 10 - по способу-прототипу (патент США N 3462243);
в примере 11 - по предложенному способу при рабочей скорости нитрозных газов в поперечном сечении контактного аппарата, равной скорости, реализуемой в способе -прототипе. (2,75 м/с, пример 10), но с режимными параметрами по формуле изобретения. П р и м е р 1 (согласно изобретению). Испытания проводят на лабораторном аппарате для каталитического окисления аммиака квадратного поперечного сечения со стороной, равной 64 мм, при температуре на сетчатом платиноидном катализаторе 850оС и давлении, равном 0,0981 МПа (1 ата). Сетчатый катализатор в виде одной стандартной платиноидной сетки (общая масса платиноидов равна 3,588 г) из проволоки диаметром 0,092 мм и с числом отверстий 1024 на 1 см2(ГОСТы: на состав 13498-79, на геометрические параметры 3193-74) горизонтально размещен в контактном аппарате на специальном поддерживающем устройстве, состоящем из параллельных каналов, соприкасающихся друг с другом своими стенками. Эквивалентный гидравлический диаметр каждого канала, найденный для данных рабочих условий d1=K1 M/V, равен d1=1,87 105x х42,97 10-6/673,6=12 мм, где К1=1,87 105 м3/кг - константа; М=42,97 10-6 Па с - динамическая вязкость нитрозных газов; Р=0,0981 МПа (1 ата); V=673,6 м/с - скорость звука в этих газах; толщина стенки равна 1 мм. Концентрация поступающего в аппарат аммиака в аммиачно-воздушной смеси равна 10 об.%. При этом получают степень конверсии аммиака 98,1%. Поток образовав- шихся в результате реакции окисления аммиака на сетчатом платиноидном катализаторе нитрозных газов с общим расходом 4,65 10-4 кг/с разделяют в описанном поддерживающем устройстве на отдельные параллельные струи с расходом в каждой струе 1,86 10-5 кг/с, соответствующим удельному расходу в струе 0,129 кг/м2 с. При этом потери платины составляют 0,0083 г/т НNO3 (моногидрата) за 302 ч работы аппарата. П р и м е р 2 (за пределами, указанными в формуле изобретения). Испытания проводят на лабораторном аппарате для каталитического окисления аммиака и при условиях, описанных в примере 1 с тем отличием, что поток нитрозных газов общим расходом 4,25 10-4 кг/с разделяют на отдельные параллельные струи с расходом в каждой струе 1,7 10-5 кг/с, соответствующим удельному расходу нитрозного газа в струе 0,118 кг/м2 с. Несмотря на то, что потери платины, равные 0,008 г/т HNO3(моногидрата) за 301 ч работы аппарата, практически совпадают с таковыми в примере 1, по изобретению степень конверсии аммиака составляет 97,3%, по сравнению с примером 1 существенно (на 0,8 об.%) ниже и поверхностная плотность потока нитрозных газов в каждой струе, эти параметры выбраны меньшими минимально возможных нижних пределов с точки зрения степени конверсии аммиака. П р и м е р 3 (согласно изобретению). Испытания проводят на промышленном аппарате для каталитического окисления аммиака с коническим расположением сетчатого катализатора (см. конструкцию контактного аппарата в книге под ред. В.И. Атрощенко. Катализаторы в азотной промышленности. Харьков, Вища школа, 1977, с. 72, рис. 60), работающем в составе отечественного агрегата для производства слабой азотной кислоты под единым давлением 0,716 МПа (7,3 ата) и при температуре на сетчатом платиноидном катализаторе 900оС. Сетчатый катализатор состоит из пяти стандартных платиноидных сеток (общая масса платиноидов равна 15122 г), описанных в примере 1, и размещен в аппарате указанной конструкции на оригинальном поддерживающем конусообразном устройстве (не описано), содержащем на конической поверхности параллельные каналы, соприкасающиеся друг с другом своими стенками, причем смежные каналы параллельны, т.е. сетчатый катализатор лежит непосредственно на верхних торцах этих каналов. Эквивалентный гидравлический диаметр каждого канала d1, найденный для указанных рабочих условий из соотношения d1=K1 M/V, равен d1=1,87 105 х 44,32 10-6/691,3= 12 мм, где К1=1,87 105 м3/кг - константа; М=44,32 10-6 Па с - динамическая вязкость нитрозных газов; V=691,3 м/с - скорость звука в этих газах, толщина стенки равна 1 мм. Диаметр нижнего основания усеченного конуса равен 1,77 м. угол раскрытия 90о. Смесь аммиака и кислородсодержащего газа с концентрацией аммиака 10,5 об.% подают в контактный аппарат с расходом 60000 нм3/ч (20,85 кг/с) и пропускают сверху вниз сквозь слой содержащего платиноиды конусообразного сетчатого катализатора. Поток образовавшихся в результате реакции окисления аммиака на сетчатом платиноидном катализаторе нитрозных газов разделяют в описанном поддерживающем устройстве на отдельные струи с расходом в каждой струе 118,6 10-5 кг/с, соответствующем удельному расходу потока в струе 8,24 кг/м2 с. В процессе получают потери платины 0,1 г/т HNO3(моногидрата) при непрерывной работе аппарата в течение 2750 ч. Степень конверсии аммиака 94,5 об.%. П р и м е р 4 (за пределами, указанными в формуле изобретения). Испытания проводят на промышленном аппарате для каталитического окисления аммиака и при условиях, описанных в примере 3 с тем отличием, что поток нитрозных газов разделяют на отдельные параллельные струи с расходом в каждой струе 179 10-5 кг/с, соответствующем удельному расходу потока в струе 6,922 кг/м2 с, а эквивалентный гидравлический диаметр струй в поддерживающем устройстве выбирают равным 16 мм, т.е. большим, чем диаметр, определяемый из соотношения, указанного в примере 3. Следствием этого является повышение расхода нитрозных газов в каждой струе и увеличение потерь платины до 0,152 г/т HNO3 за 2030 ч непрерывной работы. Другим существенным отличием является то, что в данных испытаниях, в отличие от примера 3, используют 7 конусообразных платиноидных сеток (общая масса платиноидов равна 21171 г) для получения той же степени конверсии аммиака. П р и м е р 5 (согласно изобретению). Испытания проводят на опытно-промышленном контактном аппарате для каталитического окисления аммиака квадратного поперечного сечения со стороной 200 мм при температуре на сетчатом платиноидном катализаторе 850оС и давлении, равном 0,0981 МПа (1 ата). Катализатор в виде одной стандартной платиноидной сетки, описанной в примере 1 (общая масса платиноидов равна 35 г), горизонтально размещен в контактном аппарате на специальном поддерживающем устройстве, состоящем из параллельных каналов, соприкасающихся друг с другом своими стенками. Эквивалентный гидравлический диаметр каждого канала d2, найденный для данных рабочих условий из соотношения d2= = K2 M/V, равен d2=15,7 105х42,97 10-6 / /673,6=100 мм, где К2=15,7 105 - константа, М= 42,97 10-6 Па с - динамическая вязкость нитрозных газов, V=673,6 м/с - скорость звука в этих газах, толщина стенки 1 мм. Концентрация поступающего в аппарат аммиака в аммиачно-воздушной смеси равна 10 об.%. Поток образовавшихся в результате реакции окисления аммиака на сетчатом платиноидном катализаторе нитрозных газов с общим расходом 39,56 10-4 кг/с разделяют в описанном поддерживающем устройстве на отдельные параллельные струи с расходом в каждой струе 9,89 10-4 кг/с, соответствующим удельному расходу потока в струе 0,099 кг/м2 с. При этом потери платины составляют 0,0078 г/т HNO3 (моногидрата) при пробеге платиноидного сетчатого катализатора, равном 950 ч. В процессе получают степень конверсии аммиака 97,2 об.%. П р и м е р 6 (за пределами, указанными в формуле изобретения). Испытания проводят на опытно-промышленном аппарате для каталитического окисления аммиака и при условиях, описанных в примере 5, с тем отличием, что поток нитрозных газов с общим расходом 35,6 10-4кг/с разделяют на отдельные параллельные струи с расходом в каждой струе 8,9 10-4 кг/с, соответствующем поверхностной плотности потока в струе 0,089 кг/м2 с. Несмотря на то, что потери платины, равные 0,0075 г/т HNO3 (моногидрата) за 942 ч непрерывной работы аппарата, практически совпадают с таковыми, описанными в примере 5, степень конверсии аммиака 96,5% по сравнению с примером 5 существенно (на 0,7 об.%) ниже, так как удельный расход потока нитрозных газов в каждой струе выбран меньшим минимально возможных нижних пределов с точки зрения степени конверсии аммиака. П р и м е р 7 (согласно изобретению). Испытания проводят на опытно-промышленном аппарате для окисления аммиака и при условиях, описанных в примере 5, с тем отличием, что поток нитрозных газов с общим расходом 395,2 10-4 кг/с разделяют на отдельные параллельные струи с расходом в каждой струе 98,8 10-4 кг/с, соответствующим удельному расходу потока в струе 0,988 кг/м2 с, а сетчатый катализатор состоит из трех платиноидных сеток (общая масса платиноидов равна 105 г). Потери платины равны 0,0315 г/т HNO3(моногидрата) за 880 ч работы аппарата. Степень конверсии аммиака равна 97 об.%. П р и м е р 8 (за пределами, указанными в формуле изобретения). Испытания проводят на опытно-промышленном аппарате для окисления аммиака и при условиях, описанных в примере 7, с тем отличием, что поток нитрозных газов с общим расходом 432 10-4 кг/с разделяют на отдельные параллельные струи с расходом в каждой струе 108 10-4 кг/с, соответствующим удельному расходу потока в струе 1,08 кг/м2 с, а сетчатый катализатор состоит из четырех платиноидных сеток (общая масса платиноидов равна 140 г). Потери платины составляют 0,045 г/т HNO3(моногидрата) при непрерывной работе аппарата в течение 640 ч. Степень конверсии аммиака была примерно такой же, как и в примере 7, т.е. 97,1 об.%. П р и м е р 9 (согласно изобретению). Испытания проводят на опытно-промышленном аппарате для окисления аммиака и при условиях, описанных в примере 5, с тем отличием, что поток нитрозных газов с общим расходом 480 10-4 кг/с разделяют на отдельные струи с расходом в каждой струе 30 10-4 кг/с, соответствующим удельному расходу потока в струе 1,2 кг/м2 с, причем эквивалентный гидравлический диаметр струи в поддерживающем устройстве выбирают равным 50 мм (d1< 50 мм < d2). Существенным отличием является также то, что сетчатый катализатор состоит из трех платиноидных сеток (общая масса платиноидов равна 105 г). Потери платины равны 0,036 г/т HNO3 (моногидрата) за 705 ч непрерывной работы аппарата. Степень конверсии аммиака 9,96 об.%. П р и м е р 10 (по способу-прототипу, описанному в патенте США N 3462243). Испытания проводят на опытно-промышленном аппарате для каталитического окисления аммиака и при условиях, описанных в способе-прототипе, а именно при давлении, равном 0,2943 МПа (3 ата), температуре 850оС, причем в аппарате реализуют скорость нитрозных газов, отнесенную к полному сечению аппарата, равную 2,75 м/с. Поток образовавшихся в результате реакции окисления аммиака на сетчатом платиноидном катализаторе (3 стандартные платиноидные сетки общей массой 105 г) нитрозных газов с общим расходом 960 10-4 кг/с разделяют в поддерживающем устройстве, описанном в способе-прототипе, на отдельные параллельные струи с расходом в каждой струе 671,7 10-5 кг/с, соответствующим удельному расходу потока в струе 2,377 кг/м2 с и 38,035 кг/м2 с на входе в канал поддерживающего устройства (
60 мм) и на выходе из него ( 15 мм) соответственно. Концентрация поступающего в аппарат аммиака в аммиачно-воздушной смеси 10 об.%. Потери платины оказались равными 0,098 г/т HNO3 (моногидрата) при степени конверсии 96,1% за 740 ч работы аппарата [по описанию патента эти цифры равны соответственно 0,1 г/т HNO3 (моногидрата) и 96%]. П р и м е р 11 (по изобретению). Рабочая скорость нитрозных газов в поперечном сечении контактного аппарата равна таковой скорости, реализуемой в способе-прототипе, 2,75 м/с (пример 10), но с режимными параметрами по формуле изобретения. Испытания проводят на опытно-промышленном аппарате для окисления аммиака и при условиях, описанных в примере 10, с тем отличием, что поток нитрозных газов разделяют на отдельные параллельные струи с расходом в каждой струе 95 10-5 кг/с, соответствующим удельному расходу потока в струе 2,63 кг/м2 с. Кроме того, катализатор в виде двух стандартных платиноидных сеток (общая масса платиноидов равна 70 г) горизонтально размещен в аппарате на описанном в примере 1 поддерживающем устройстве, в котором образуются струи нитрозных газов с эквивалентными гидравлическими диаметрами, равными 19 мм. В аппарате реализуют скорость нитрозных газов, отнесенную к полному сечению аппарата, равную 2,75 м/с (т.е. такую же, как в способе-прототипе, пример 10). Иными словами, в данном аппарате для каталитического окисления аммиака реализуется изобретение при режимных параметрах, указанных в способе-прототипе. При этом потери платины составляют 0,066 г/т HNO3 за 980 ч непрерывной работы аппарата, т.е. существенно меньшую величину, чем в способе-прототипе (0,098 г/т HNO3, моногидрата). Степень конверсии аммиака получена приблизительно такая же, как в способе-прототипе, а именно 96,3 об.%. Из сравнения результатов испытаний, описанных в примерах 1-11 в и в таблице, можно заключить, что при работе с режимными параметрами по удельному расходу потока нитрозных газов, превышающими верхние пределы, указанные в формуле изобретения (для примеров 3 и 4, 7 и 8, 10 и 11), при той же степени конверсии аммиака до оксидов азота в предлагаемом способе уменьшена масса платиноидов на 33-50%, снижены потери платиноидов на 43-52% и увеличен срок службы катализатора на 32-37%; при работе с режимными параметрами, лежащими ниже нижних пределов, указанных в формуле изобретения (для примеров 1 и 2, 5 и 6), примерно при таких же массе и потерях платиноидов и сроке службы катализатора имеет место существенное снижение на 0,7-0,8 об.% степени конверсии аммиака до оксидов азота. В таблице, в графе номер примера, дано:
1 - с предельными режимными параметрами по формуле изобретения;
2 - с режимными параметрами, находящимися за пределами, указанными в формуле изобретения; 3 - с режимными параметрами в середине диапазонов, указанных в формуле изобретения;
4 - по способу-прототипу (патент США N 3462243); 5 - при рабочей скорости нитрозных газов в поперечном сечении контактного аппарата, равной таковой скорости.
Формула изобретения
с и диаметре отверстия устройства, вычисляемом по формулеd = (1,87 - 15,7)
105 m/v,где m - динамическая вязкость нитрозных газов, Па
с;v - скорость звука в этих газах, м/с;
(1,87 - 15,7)
105, м3/кг - константы.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
