ПАКЕТ КАТАЛИЗАТОРНЫХ СЕТОК ДЛЯ КОНВЕРСИИ АММИАКА
PACKET OF CATALYST GRIDS FOR CONVERTING AMMONIA

Изобретение относится к пакету катализаторных сеток для конверсии аммиака в газовой смеси, содержащей кислород, выполненных из сплавов платиноидов, и может быть использовано в агрегатах азотной и синильной кислот, а также гидроксиламинсульфата.
Известен пакет катализаторных сеток, включающий только сетки из сплавов с повышенной концентрацией платины 90-95% (остальное родий) [см. строку по п.3.5. в колонках 3 и 5 в таблице из статьи Чернышева В.И., Тертышного И.Г. из журнала Катализ в промышленности. №6. 2007. С.29-38 - ксерокопии двух начальных страниц этой статьи и таблицы в ней прилагаются].
Недостатком такого пакета является большая масса дорогостоящей платины и соответственно высокие ее потери в процессе эксплуатации пакета.
Известен также пакет катализаторных сеток, включающий только сетки из сплавов с пониженной концентрацией платины 70-85% (остальное палладий и родий) [см. предыдущую ссылку, а именно строку по п.3.5. в колонках 2 и 4 таблицы].
Недостатком такого пакета является пониженная активность и селективность катализатора за счет замены более активной в процессах конверсии аммиака платины на менее активный палладий [об активности и селективности платины и палладия см. монографию Караваев М.М., Засорин А.П., Клещев Н.Ф. Каталитическое окисление аммиака. М: Химия, 1983, с.31, строка 27 сверху].
Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению - прототипом является пакет катализаторных сеток для конверсии аммиака в газовой смеси, содержащей кислород, включающий слои сеток из сплавов платиноидов с пониженной 70-85% и повышенной 90-95% концентрацией платины [см. рис.1 из статьи Гущина Г.М., Дмитриева В.А., Саханской И.Н., Сивкова Г.М., Черемных В.П. из журнала Цветные металлы. №1. 2007. С.39-44 - ксерокопия статьи прилагается].
Основным недостатком данного пакета является повышенная начальная масса платиноидов в нем и повышенные их потери в процессе эксплуатации пакета за счет неупорядоченного расположения слоев сеток с пониженной и с повышенной концентрацией платины.
Технический результат, на решение которого направлено настоящее изобретение, заключается в уменьшении массы платиноидов, входящих в состав пакета катализаторных сеток и их потерь в процессе эксплуатации пакета без снижения степени конверсии аммиака до целевого продукта (NО в производствах азотной кислоты и гидроксиламинсульфата и HCN в производстве синильной кислоты).
Данный технический результат достигается тем, что пакет катализаторных сеток для конверсии аммиака в газовой смеси, содержащей кислород, включающий слои сеток из сплавов платиноидов с пониженной 70-85% и с повышенной 90-95% концентрацией платины, состоит из трех слоев, причем первый слой по ходу газовой смеси включает сетки из сплава с пониженной концентрацией платины, количество которых составляет 1/6-1/3 от общего числа сеток в пакете, второй слой имеет сетки из сплава с повышенной концентрацией платины в количестве 1/3-2/3 от общего числа сеток в пакете и третий слой включает сетки из сплава с пониженной и/или с повышенной концентрацией платины. В качестве сплавов с пониженной концентрацией платины применяются сплавы Pt - 70, Pd - 23 и Rh - 7%; Pt - 81, Pd - 15, Rh - 3,5 и Ru - 0,5%; Pt - 85, Pd - 11,5 и Rh - 3,5%, а в качестве сплавов с повышенной концентрацией платины применяются сплавы Pt - 90, Pd - 5 и Rh - 5%; Pt - 92,5 и Rh - 7,5%; Pt - 95 и Rh - 5%. Сетки выполнены ткаными или вязаными и изготовлены из проволок, диаметр которых лежит в интервале 0,076-0,092 мм.
Основные отличительные признаки пакета катализаторных сеток для конверсии аммиака в газовой смеси, содержащей кислород, в соответствии с настоящим изобретением заключаются в том, что пакет состоит из трех слоев, причем первый слой по ходу газовой смеси включает сетки из сплава с пониженной концентрацией платины, количество которых составляет 1/6-1/3 от общего числа сеток в пакете, второй слой имеет сетки из сплава с повышенной концентрацией платины в количестве 1/3-2/3 от общего числа сеток в пакете и третий слой включает сетки из сплава с пониженной и/или с повышенной концентрацией платины.
Дополнительные отличительные признаки пакета катализаторных сеток для конверсии аммиака в газовой смеси, содержащей кислород, заключаются в том, что в качестве сплавов с пониженной концентрацией платины применяются сплавы Pt - 70, Pd - 23 и Rh - 7%; Pt - 81, Pd - 15, Rh - 3,5 и Ru - 0,5%; Pt - 85, Pd - 11,5 и Rh - 3,5%, а в качестве сплавов с повышенной концентрацией платины применяются сплавы Pt - 90, Pd - 5 и Rh - 5%; Pt - 92,5 и Rh - 7,5%; Pt - 95 и Rh - 5%. Сетки выполнены ткаными или вязаными и изготовлены из проволок, диаметр которых лежит в интервале 0,076-0,092 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.
Настоящее изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень», поскольку из уровня техники не удалось найти технического решения, отличительные признаки которого обеспечивали получение такого же технического результата, на выполнение которого направлено настоящее изобретение.
На чертеже изображен в продольном разрезе размещенный в корпусе реактора 1 пакет катализаторных сеток 2 для конверсии аммиака в газовой смеси, содержащей кислород, включающий слои сеток из сплавов платиноидов с пониженной 70-85% и повышенной 90-95% концентрацией платины. Пакет состоит из трех слоев 3, 4 и 5, причем первый слой 3 по ходу газовой смеси включает сетки из сплава с пониженной концентрацией платины, количество которых составляет 1/6-1/3 от общего числа сеток n в пакете, второй слой 4 имеет сетки из сплава с повышенной концентрацией платины в количестве 1/3-2/3 от общего числа сеток n в пакете и третий слой 5 включает сетки из сплава с пониженной и/или повышенной концентрацией платины. В качестве сплавов с пониженной концентрацией платины применяются сплавы Pt - 70, Pd - 23 и Rh - 7%; Pt - 81, Pd - 15, Rh - 3,5 и Ru - 0,5%; Pt - 85, Pd - 11,5 и Rh - 3,5%, а в качестве сплавов с повышенной концентрацией платины применяются сплавы Pt - 90, Pd - 5 и Rh - 5%; Pt - 92,5 и Rh - 7,5%; Pt - 95 и Rh - 5%. Сетки выполнены ткаными или вязаными и изготовлены из проволок, диаметр которых лежит в интервале 0,076-0,092 мм.
Пакет катализаторных сеток для конверсии аммиака в газовой смеси, содержащей кислород, работает следующим образом. Газовая смесь, содержащая аммиак и кислород (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 три слоя 3, 4 и 5 пакета катализаторных сеток 2, в котором осуществляется каталитическая конверсия аммиака до целевого продукта. Целевыми продуктами являются: в производстве азотной кислоты и гидроксиламинсульфата - NO; в производстве синильной кислоты - HCN. Образовавшаяся в результате конверсии аммиака газовая смесь, содержащая целевой продукт, выходит из корпуса реактора 1.
Технологические параметры и результаты промышленной реализации предложенного пакета катализаторных сеток, пакета-прототипа и существующего пакета в агрегатах азотной кислоты АК-72, УКЛ-7, синильной кислоты и гидроксиламинсульфата представлены в таблицах 1 и 2 соответственно.
Из рассмотрения табл.2 следует:
3
3
Для агрегата азотной кислоты АК-72: Примеры 1 - прототип и 2 - по изобретению (тканые сетки) осуществлены одновременно в 2-х параллельно работающих реакторах одного агрегата с пакетами новых катализаторных сеток. Примеры 3 - прототип и 4 - по изобретению (тканые сетки) осуществлены так же, как и примеры 1 и 2, с пакетами катализаторных сеток, прошедших эксплуатацию в примерах 1 и 2. Примеры 5 и 6 - по изобретению (тканые сетки), причем пакеты катализаторных сеток выполнены из проволок диаметром 0,092 и 0,082 мм соответственно и эти пакеты устанавливались на пакеты катализатора-уловителя. Пример 7 - прототип (тканые сетки), в котором количество сеток с повышенной концентрацией Pt во втором слое составляет 1/6 от общего числа сеток n=6 в пакете, т.е. ниже нижнего предела в независимом пункте формулы изобретения. Из сопоставления результатов в примерах 2 и 1, 4 и 3 видно, что пакет катализаторных сеток по изобретению по сравнению с пакетом-прототипом имеет меньшие исходные массы пакета и Pt в нем на 13,5-14,4%, а также на 8-9% меньшие потери масс пакета и Pt в нем после эксплуатации при сохранении на том же уровне 95,4-95,6% степени конверсии NH до целевого продукта NO. Из сравнения результатов примеров 2, 4-6 - по изобретению с результатами примера 7 видно, что при вышеуказанном выходе в примере 7 за нижний предел количества сеток из сплава с повышенной концентрацией Pt во втором слое степень конверсии NH до целевого продукта NO падает на ~1% (с 95,4-95,6 до 94,4%).
3
3
Для агрегата азотной кислоты УКЛ-7: Примеры 8, 10 и 11 - прототип (тканые сетки), причем в примере 10 количество сеток в первом и втором слоях составляет соответственно 1/10 и 4/5 от общего числа сеток n=10 в пакете, т.е. ниже нижнего предела и выше верхнего предела в независимом пункте формулы изобретения. В примере 11 количество сеток в первом слое составляет 2/5 от общего числа сеток n=10 в пакете, т.е. выше верхнего предела в независимом пункте формулы изобретения. Примеры 9 и 12 - по изобретению, причем пакеты катализаторных сеток выполнены ткаными и вязаными из проволок диаметром 0,092 и 0,076 мм соответственно. В третьих слоях пакетов находятся: в примере 9 сетки из сплава с пониженной концентрацией Pt и в примере 12 сетки из сплава с пониженной и повышенной концентрацией Pt. Из сопоставления результатов в примерах 9 и 8 видно, что пакет катализаторных сеток по изобретению по сравнению с пакетом-прототипом имеет меньшие исходные массы пакета и Pt в нем на ~15 и 12,5% соответственно, а также на ~13 и 10% меньшие потери масс пакета и Pt в нем после эксплуатации при сохранении на том же уровне степени конверсии NH до NO 93,4-93,5%. Из сравнения результатов примера 9 - по изобретению с результатами примера 10 (в обоих пакетах n=10) видно, что при вышеуказанном выходе в примере 10 за нижний и верхний пределы количества сеток с пониженной концентрацией Pt в первом слое и сеток с повышенной концентрацией Pt во втором слое возрастает исходная масса пакета и масса дорогостоящей Pt в нем соответственно на ~1,5 и 5,5%, а также увеличиваются потери масс пакета и Pt в нем после эксплуатации соответственно на ~4,9 и 9%. Из сравнения результатов примера 9 - по изобретению с результатами примера 11 (в обоих пакетах n=10) видно, что при вышеуказанном выходе за верхний предел количества сеток из сплава с пониженной концентрацией Pt в первом слое степень конверсии NH до целевого продукта NO падает на 0,7% (с 93,4 до 92,7%).
Для агрегата синильной кислоты: Пример 13 - существующий пакет из тканых катализаторных сеток. Примеры 14, 15 - по изобретению (тканые сетки). В третьих слоях пакетов: в примерах 15 находятся сетки из сплава с пониженной концентрацией Pt, а в примере 14 - сетки из сплавов с пониженной и повышенной концентрацией Pt. Из сравнения результатов примера 14 - по изобретению с результатами примера 13 (в обоих пакетах n=8) видно, что пакет катализаторных сеток по изобретению имеет меньшую на ~2% исходную массу пакета и меньшую на ~6,6% массу Pt в нем, а также меньшие потери масс пакета и Pt в нем после эксплуатации на ~7,2 и 11,5%. Из сравнения результатов примера 15 - по изобретению (в пакете n=7) с результатами примера 13 (в пакете n=8) видно, что пакет катализаторных сеток по изобретению имеет меньшую на 14,5% исходную массу пакета и меньшую на ~19% массу Pt в нем, а также меньшие потери масс пакета и Pt в нем после эксплуатации на ~19 и 22%.
Для агрегата гидроксиламинсульфата: Пример 16 - существующий пакет из тканых катализаторных сеток. Примеры 17, 18 - по изобретению (тканые сетки), причем в третьем слое пакета по примеру 18 содержится сетка из сплава с пониженной концентрацией Pt, а в третьем слое пакета по примеру 18 - сетка из сплава с повышенной концентрацией Pt. Из сравнения результатов примеров 17, 18 - по изобретению с результатами примера 16 (в пакетах по примерам 16-18 n=3) видно, что пакет катализаторных сеток по изобретению имеет меньшую на 1,8-3,6% исходную массу пакета и меньшую на 5,8-11,6% массу Pt в нем, а также меньшие потери масс пакета и Pt в нем после эксплуатации на 6,7-13,3 и 10,5-20,5%.
Таблица 1
Технологические параметры
Параметры
Агрегаты азотной кислоты
Агрегат синильной кислоты
Агрегат гидроксиламинсульфата (ГАС)
АК-72
УКЛ-7
1. Производительность
1150
355
19,2
24
т 100% HNO<sub>3</sub>/сут
т 100% HNO<sub>3</sub>/сут
т 98,5% HCN/сут
т 100% ГАС/сут
2. Количество реакторов конверсии NH<sub>3</sub>, шт.
2
1
1
1
3. Диаметр пакета катализаторных сеток, мм:
- фактический
3900
1700
1200
2900
- рабочий (эффективный)
3800
1650
~1150
2750
4. Расходы, нм<sup>3</sup>/час:
- воздуха
95000
54000
6500
-
- аммиака
10570
6060
1075
1080
- метана
-
-
1130
-
- кислорода
-
-
-
1450
- водяного пара, т/ч
-
-
-
5400
5. Давление абсолютное, МПа
0,38
0,7
атмосферное
атмосферное
6. Температура пакета катализаторных сеток, °С
850
900
910
920
Таблица 2
Результаты промышленной реализации
Пример
Период эксплуатации катализаторного пакета при испытании, ч
Средняя степень конверсии NH<sub>3</sub> до NO и NH<sub>3 </sub>до HCN
Исходная масса катализаторного пакета, г
Потери катализаторного пакета за период испытания, г
Количество сеток в катализаторном пакете штук: № сплава, ⌀ проволоки, мм:
1 слой
2 слой
3 слой
1
2
3
4
5
6
Агрегат азотной кислоты АК-72
1 прототип
2025
95,5
78845
4773,3
2: №1, 0,0925: №2, 0,092
2 по изобретению
2025
95,6
67756
4367,1
2: №2, 0,0922: №1, 0,0922: №2, 0,092
3 прототип
2226
95,4
74071,7
5310,4
2: №1, 0,0925: №2, 0,092
4 по изобретению
2226
95,5
63388,9
4832,1
2: №2, 0,0923: №1, 0,0921: №2, 0,092
5 по изобретению
~4500
95,5
44582
8829 без учета улавливания
1: №2, 0,0922: №1, 0,092 1: №2, 0,092 и пакет сеток катализатора-уловителя Pd-90, Au-10%
6 по изобретению
~4000
95,4
53307
9384 без учета улавливания
2: №3, 0,0823: №4, 0,082 1: №3, 0,082 и пакет сеток катализатора-уловителя Pd-95, Ni-5%
7 прототип за заявленными пределами в формуле изобретения
2127
94,4
67145
4379.3
2: №2, 0,0921: №1, 0,092 3: №2, 0,092
Агрегат азотной кислоты УКЛ-7
8 прототип
1548
93,5
25592
3434
3: №1, 0,0929: №2, 0,092
9 по изобретению
1553
93,4
21655
2983
3: №2, 0,0925: №1, 0,092 2: №2, 0,092
10 прототип за заявленными пределами в формуле изобретения
1561
93,4
21988
3128
1: №2, 0,0928: №1, 0,092 1: №2, 0,092
11 прототип за заявленными пределами в формуле изобретения
1557
92,7
21536
3105
4: №2, 0,0924: №1, 0,092 2: №2, 0,092
12 по изобретению
1565
93,5
21266
3070
3: №2, 0,0769: №1, 0,076 3: 2, №2 и 1, №1 0,076
Агрегат синильной кислоты
13 существующий пакет
2409
58,1
8998
290
8: №5, 0,092
14 по изобретению
2399
58,2
8817
269
2: №2, 0,0924: №5 0,0922: №2 и №5, 0,092
15 по изобретению
2416
58,1
7692
238
2: №2, 0,0924: №5, 0,092 1: №2, 0,092
Агрегат гидроксиламинсульфата
16 существующий пакет
6571
96,9
17997
6516
3: №5, 0,092
17 по изобретению
6589
96,9
17349
5648
1: №2, 0,0921: №5, 0,092 1: №2, 0,092
18 по изобретению
6557
97,0
17673
6082
1: №2, 0,0921: №5, 0,092 1: №5, 0,092
Примечание: Номера и составы сплавов:
№1 Pt - 92,5; Pd - 4 и Rh - 3,5%
№2 Pt -81; Pd - 15; Rh - 3,5 и Ru - 0,5%
№3 Pt - 70; Pd - 23 и Rh - 7%
№4 Pt - 95 и Rh - 5%
№5 Pt - 92,5 и Rh - 7,5%