Опорная система катализатора для горелок для окисления аммиака
CATALYST SUPPORT SYSTEM FOR BURNERS FOR AMMONIA OXIDATION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области опорных систем катализатора для горелок для окисления аммиака.
Предпосылки создания изобретения
Сведение к минимуму термических напряжений является важной задачей при дизайне опорных структур катализатора в горелках для аммиака, называемых обычно корзинами горелки для аммиака. Это представляет сложную задачу вследствие высоких температур, используемых в процессе сжигания аммиака. Действительно, большие перепады температур, которые могут даже превышать 500°С, между относительно горячими опорными структурами катализатора и относительно холодными стенками реактора приводят к различиям в термическом расширении, которые могут быть более значительными во время переходных режимов. Эти различия необходимо сглаживать, чтобы предотвратить возникновение неприемлемо больших термических напряжений. Прежде всего, большие термические напряжения могут привести к тому, что горелка не сможет выполнять свою основную функцию и тем самым вызвать утечку аммиака и дальнейшее повышение температуры или изменение распределения температуры в пределах горелки. Это может привести к образованию трещин и разрушению корзины, когда нарушается целостность стенки горелки. Вследствие этого, различный обмен в пароводяном контуре также может привести к опасности появления неисправности. Повторное изменение температуры из-за запуска и остановки производственного процесса повышает риск повреждения корзины задолго до достижения предполагаемого срока службы корзины горелки.
rd
th
В результате избыточного термического напряжения существующие опорные структуры катализатора имеют тенденцию к разрушению путем растрескивания между вертикальной стенкой от главного фланца и сборочным узлом корзины, и в сварном шве между полкой катализатора и стенкой корзины. Примеры таких существующих опорных структур катализатора включают опорные структуры катализатора Grand Paroisse (GP) и тип Uhde (см., например, R. Buchenau, The catalyst basket - How to prolong the service life, paper presented at the 3 UHDE Nitric Acid Symposium, Dortmund, 26-28 of May 1986).
Одна из попыток преодоления этих проблем описана в WO 2013034304. Однако этот конкретный тип корзины горелки содержит множество различных деталей, например, направляющих стержней, которые должны быть приварены, тем самым затрудняя сборку корзины горелки и, кроме того, создавая множество сварных соединений, которые образуют слабые звенья в дизайне. Такие слабые звенья склонны к разрывам и другим механическим повреждениям. Трещина или разрыв в ободе позволяют аммиаку просачиваться, тем самым уменьшая объем аммиака, проходящего через слой катализатора, что приводит к менее эффективному процессу. Утечка аммиака также может привести к высоким локальным температурам, которые могут вызвать повреждение компонентов горелки. Кроме того, непрореагировавший аммиак может образовывать нитраты аммония, которые могут создавать риск взрыва.
Таким образом, существует потребность в опорных системах катализатора для горелок для окисления аммиака, которые являются менее подверженными повреждению, вызванному термическим напряжением. Кроме того, существует потребность в стабильных опорных системах для катализаторов. Также, существует потребность в опорных системах для катализаторов, которые обеспечивают герметичное разделение между пространством выше и ниже катализатора горения аммиака. Кроме того, опорная система катализатора предпочтительно способствует равномерному нисходящему потоку газа.
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является обеспечение устройств и способов для каталитического окисления аммиака, которые удовлетворяют одной или нескольким из вышеуказанных потребностей.
Настоящее раскрытие относится к ободу (100) для опорной системы катализатора для горелок для окисления аммиака, содержащему верхний фланец (110) и внутреннюю стенку (120), при этом
- верхний фланец (110) содержит плоский участок (111), закругленный наружный край (112) и закругленный внутренний край (113), причем закругленный наружный край (112) и закругленный внутренний край (113) разделены плоским участком (111);
- внутренняя стенка (120) содержит несущую плиту (121), сетчатую полку (122) и полку нижней плиты (123), при этом сетчатая полка (122) и полка нижней плиты (123) прикреплены к несущей плите (121); и
- несущая плита (121) прикреплена к верхнему фланцу (ПО) посредством закругленного внутреннего края (113).
В конкретных вариантах осуществления обод (100), раскрытый в настоящем документе, предусматривает, что несущая плита (121) имеет толщину, которая является постоянной в пределах погрешности 10%, предпочтительно в пределах погрешности 5%, более предпочтительно в пределах погрешности 1%.
В конкретных вариантах осуществления обод (100), раскрытый в настоящем документе, предусматривает, что несущая плита (121) является плоской.
В конкретных вариантах осуществления обод (100), раскрытый в настоящем документе, предусматривает, что отношение ширины плоского участка (111) к радиусу кривизны закругленного наружного края (112) составляет от 0,50 до 10,0.
В конкретных вариантах осуществления обод (100), раскрытый в настоящем документе, предусматривает, что радиус кривизны закругленного наружного края (112) равен радиусу кривизны закругленного внутреннего края (113) в пределах погрешности 10,0%, предпочтительно 5,0%, более предпочтительно 2,0%, наиболее предпочтительно 1,0%.
В конкретных вариантах осуществления обод (100), описанный в настоящем документе, предусматривает, что плоский участок (111) имеет ширину 2,0-20,0 см, предпочтительно 2,0-10,0 см.
В конкретных вариантах осуществления обод (100), описанный в настоящем документе, предусматривает, что закругленный наружный край (112) и/или закругленный внутренний край (113) имеют радиус кривизны по меньшей мере от 20 мм до самое большее 100 мм, предпочтительно от 25 мм до самое большее 50 мм.
В конкретных вариантах осуществления обод (100), раскрытый в настоящем документе, предусматривает, что сетчатая полка (122) и/или полка нижней плиты (123) содержат множество щелей расширения (1221, 1231); при этом щели расширения (1221, 1231) предпочтительно заканчиваются отверстием (1222, 1232), более предпочтительно круглым отверстием (1222, 1232), наиболее предпочтительно круглым отверстием (1222, 1232), имеющим диаметр от 1 мм до 5 мм.
В конкретных вариантах осуществления обод (100), раскрытый в настоящем документе, кроме того, содержит кольцо волнолома (124), прикрепленное к несущей плите (121) между полкой нижней плиты (123) и сетчатой полкой (122); при этом предпочтительно расстояние между полкой нижней плиты (123) и кольцом волнолома (124) составляет от 130 мм до 150 мм.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящее изобретение относится к опорной системе катализатора для горелок для окисления аммиака, содержащей обод (100), как раскрыто в настоящем документе, и корпус, содержащий одну или несколько каталитических сеток, и нижнюю плиту.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящее раскрытие относится к горелке для аммиака, содержащей корпус реактора и опорную систему катализатора, как раскрыто в настоящем документе, при этом корпус реактора содержит стенку реактора (300), опорная система катализатора прикреплена к стенке реактора (300), причем опорная система катализатора предпочтительно прикреплена к стенке реактора посредством одного или нескольких сварных швов.
В конкретных вариантах осуществления горелка для аммиака, раскрытая в настоящем документе, кроме того, предусматривает теплозащитный экран (320), расположенный между опорной системой катализатора и стенкой реактора (300); предпочтительно, когда одна или несколько катушек стенки (310) прикреплены к стенке реактора (300), при этом теплозащитный экран (320) расположен между одной или несколькими катушками стенки (310) и опорной системой катализатора.
В конкретных вариантах осуществления горелка для аммиака, раскрытая в настоящем документе, кроме того, содержит один или несколько противовесов (130) для удерживания одной или нескольких каталитических сеток, при этом один или несколько теплозащитных экранов (131) предпочтительно предусмотрены наверху одного или нескольких противовесов (130).
В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящее изобретение относится к применению обода (100), раскрытого в настоящем документе, опорной системы катализатора, раскрытой в настоящем документе, и/или горелки для аммиака, раскрытой в настоящем документе, для каталитического окисления аммиака.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящее раскрытие относится к способу окисления аммиака, включающему следующие стадии:
- обеспечение горелки для аммиака, раскрытой в настоящем документе;
- направление воздушно-аммиачной смеси над одной или несколькими каталитическими сетками; и
- каталитическое окисление аммиака.
Описание фигур
Последующее описание фигур конкретных вариантов осуществления изобретения представлено только в качестве примера и не предназначено для ограничения настоящего изобретения, его применения или использований. На чертежах одинаковые номера позиций относятся к одинаковым или сходным деталям и признакам.
На фигуре 1 показано радиальное поперечное сечение обода (100).
На фигуре 2 показано радиальное поперечное сечение обода (100).
На фигуре 3 показана сетчатая полка (122) и полка нижней плиты (123).
На фигуре 4 показан противовес (130).
На фигуре 5 показан вид в увеличенном масштабе стержня сборочного узла (133) и паза сборочного узла (134).
На фигуре 6 показан обод (100), прикрепленный к стенке реактора (300).
На фигуре 7 показана часть опорной структуры катализатора для окисления аммиака.
На фигуре 8 показано сравнение термических напряжений в ободах (100) двух опорных структур катализатора.
На фигуре 9 показано сравнение термической деформации в ободах (100) двух опорных структур катализатора.
На фигуре 10 показано сравнение температур в ободах (100) двух опорных структур катализатора после нескольких запусков реактора.
В описании и на чертежах использованы следующие номера позиций: 100 - обод; 110 - верхний фланец; 111 - плоский участок; 112 - закругленный наружный край; 113 - закругленный внутренний край; 120 - внутренняя стенка; 121 - несущая плита; 122 - сетчатая полка; 1221 щели расширения в сетчатой полке; 1222 - отверстия в конце щелей расширения в сетчатой полке; 123 - полка нижней плиты; 1231 - щели расширения в полке нижней плиты; 1232 - отверстия в конце щелей расширения в полке нижней плиты; 124 - кольцо волнолома; 150 - наружная стенка; 130 - противовес; 131 - теплозащитный экран на противовесе; 132 - ручка противовеса; 133 - стержень сборочного узла противовеса; 1331 - затупленные углы стержня сборочного узла; 134 паз сборочного узла противовеса; 1341 - затупленные углы паза сборочного узла; 140 - опора обода; 200 - корпус; 210 - сотовая структура, 300 - стенка реактора; 310 - катушки стенки реактора; 320 - теплозащитный экран между ободом (100) и катушками стенки реактора (310); 330 - верхнее крепление обода к стенке реактора; 331 нижнее крепление обода к стенке реактора.
Описание изобретения
Используемые ниже в данном тексте формы единственного числа «а», «an», «the» включают как единственное, так и множественное число, если из контекста явно не следует иное.
Используемые ниже термины «содержат», «содержит» являются синонимами терминов «включающий», «включают» или «заключают в себе», «заключает в себе» и являются инклюзивными или открытыми формами, и не исключают дополнительные, не указанные части, элементы или стадии способа. Там, где данное описание относится к продукту или процессу, который «содержит» конкретные признаки, части или стадии, это относится к возможности того, что другие признаки, части или стадии могут также присутствовать, но также могут относиться к вариантам осуществления, которые содержат только перечисленные признаки, части или стадии.
Перечисление численных значений посредством диапазонов значений включает все числа и доли, находящиеся в пределах этих диапазонов, включая указанные конечные значения.
Термин «приблизительно», используемый при ссылке на измеряемую величину, такую как параметр, количество, период времени и т.п., предназначен для включения отклонений, составляющих +/-10% или менее, предпочтительно +/-5% или менее, более предпочтительно +/- 1% или менее, и еще более предпочтительно +/- 0,1% или менее от определенной величины до таких пределов, при которых такие отклонения подходят для осуществления раскрытого в настоящем документе изобретения. Следует понимать, что значение, к которому относится термин «приблизительно», также является раскрытым.
Все ссылки, приведенные в данном описании, тем самым считаются включенными во всей своей полноте посредством ссылки.
Если не определено иначе, все термины, раскрытые в настоящем изобретении, включая технические и научные термины, имеют тот же самый смысл, который обычно понятен специалистам в данной области. Для дополнительного разъяснения включены определения для дополнительного пояснения терминов, которые используются в описании изобретения.
В следующем описании различные аспекты или варианты осуществления изобретения определены более подробно. Каждый аспект или вариант осуществления, определенный таким образом, может быть объединен с любым другим аспектом (аспектами) или вариантом (вариантами) осуществления, если явно не указано иное. В частности, любой признак, указанный как предпочтительный или выгодный, может быть объединен с любым другим признаком или признаками, указанными как предпочтительные или выгодные. Следует понимать, что признаки, вводимые выражениями, такими как «в некоторых вариантах осуществления», «обычно» или «предпочтительно», являются необязательными признаками, которые не являются существенными для изобретения, но могут отражать предпочтительные варианты осуществления. Ссылка на протяжении всего данного описания на «один вариант осуществления», «вариант осуществления» означает, что конкретный признак, структура или характеристика, описанные в отношении варианта осуществления, включены по меньшей мере в один вариант осуществления настоящего изобретения. Таким образом, появление фраз «в одном варианте осуществления» или «в варианте осуществления» в различных местах на протяжении всего описания не обязательно относится к одному и тому же варианту осуществления. Кроме того, конкретные признаки, структуры или характеристики могут быть объединены любым подходящим способом, как будет очевидно для специалиста в данной области техники из этого раскрытия, в одном или нескольких вариантах осуществления. Кроме того, хотя некоторые варианты осуществления, описанные в настоящем документе, включают те, а не иные отличительные особенности, входящие в другие варианты осуществления, сочетания отличительных особенностей разных вариантов осуществления считаются входящими в объем изобретения и образуют различные варианты осуществления, как будет понятно специалистам в данной области. Например, в следующей далее формуле изобретения любой из заявленных вариантов осуществления может быть использован в любом сочетании.
Настоящее изобретение относится к горелкам для аммиака и их компонентам, и обеспечивает обод и опорную структуру катализатора, содержащую этот обод. Обод является высокоэффективной структурой, способной выдерживать термическую деформацию во время нормальной работы горелок для аммиака. Во время нормальной работы в горелке для аммиака обод прикреплен к стенке реактора и поддерживает корпус, содержащий катализатор.
Соответственно, в настоящем документе предлагается обод для опорной системы катализатора. Он может быть использован в различных процессах, включающих высокотемпературные каталитические процессы, и особенно подходит для использования в горелках для окисления аммиака. Обод содержит верхний фланец и внутреннюю стенку. Верхний фланец содержит плоский участок, закругленный наружный край и закругленный внутренний край. Закругленный наружный край и закругленный внутренний край разделены плоским участком. Обод обычно представляет собой кольцевую конструкцию, образованную вышеупомянутым закругленным наружным краем, закругленным внутренним краем, плоским участком и внутренней стенкой. Закругленный внутренний край находится ближе к центру кольцевой структуры, чем плоский участок, и плоский участок находится ближе к центру кольцевой структуры, чем закругленный наружный край.
Обод по настоящему изобретению является высоко эффективным в отношении избегания возникновения чрезмерных термических напряжений, тем самым увеличивая срок службы корзин горелок для аммиака и увеличивая эффективность процессов окисления аммиака. Он состоит из нескольких частей, что делает его особенно простым в изготовлении и установке. Кроме того, конструкция содержит только ограниченное количество сварных швов, что ограничивает количество мест, подверженных растрескиванию под действием напряжения. Обод по настоящему изобретению является более надежным, работает эффективно, и поскольку он имеет пониженную склонность к растрескиванию, он уменьшает объем утечки аммиака во время нормальной работы горелки для аммиака, в которой используется обод согласно настоящему изобретению. Кроме того, обод по настоящему изобретению является простым в обслуживании.
Используемый в настоящем документе термин «закругленный наружный край» относится к наружной части верхнего фланца. Он может быть описан как изогнутая конструкция. Во время работы горелки для аммиака он может быть соединен со стенкой реактора горелки для аммиака. Такое соединение между ободом и стенкой реактора называется верхним креплением обода к стенке реактора. В некоторых вариантах осуществления закругленный наружный край соединен со стенкой реактора посредством сварного шва и/или посредством опоры обода. Опора обода представляет собой кольцевую кромку, прикрепленную к стенке реактора, на которой лежит закругленный наружный край.
В альтернативном варианте обод может содержать наружную стенку, и закругленный наружный край соединен с наружной стенкой обода, которая во время нормальной работы соединена со стенкой реактора. Соединение между наружной стенкой обода и стенкой реактора называется нижним креплением обода к стенке реактора. Возможно также, что и закругленный наружный край, и наружная стенка обода соединены со стенкой реактора. Как правило, соединение между стенкой реактора и закругленным наружным краем и/или наружной стенкой обода представляет собой сварной шов. Соответственно, прочное соединение может быть образовано между стенкой реактора и ободом.
Как правило, толщина наружной стенки является по существу равномерной. Другими словами, толщина наружной стенки является, как правило, постоянной в пределах погрешности 10%, предпочтительно 5%, более предпочтительно 1%. Не ограничиваясь какой-либо теорией, равномерная толщина обода может привести к равномерному распределению термического напряжения и уменьшению риска растрескивания.
Используемый в настоящем документе термин «закругленный внутренний край» относится к внутренней части верхнего фланца. Он может быть описан как изогнутая конструкция, которая соединяет верхний фланец с внутренней стенкой.
Используемый в настоящем документе термин «плоский участок» относится к по существу плоской части верхнего фланца между закругленным внутренним краем и закругленным наружным краем. Он представляет собой кольцевую конструкцию, которая во время нормальной работы увеличивает расстояние между внутренней стенкой обода и стенкой реактора горелки для аммиака. Соответственно, термическая деформация может эффективно выдерживаться ободом.
Понятно, что на практике плоский участок не обязательно должен быть совершенно плоским, но он может быть более или менее изогнутым. Например, радиальное поперечное сечение плоского участка может описывать дугу, имеющую угол менее 10°, менее 5° или менее 1°. Увеличение кривизны плоского участка может снизить гибкость обода. Таким образом, плоский участок обычно является по существу плоским.
Как правило, верхний фланец имеет толщину, которая является по существу однородной. Другими словами, толщина верхнего фланца является обычно постоянной в пределах погрешности 10%, предпочтительно 5%, более предпочтительно 1%. Однако толщина стенок не является ключевым параметром, пока стенки являются достаточно толстыми для того, чтобы выдерживать соответствующие нагрузки при нормальных рабочих условиях и с соответствующими допусками на коррозию (например, при окислении).
Внутренняя стенка содержит несущую плиту, сетчатую полку и полку нижней плиты. Сетчатая полка и полка нижней плиты прикреплены к несущей плите. Несущая плита прикреплена к верхнему фланцу на закругленном внутреннем крае. Дополнительно или альтернативно, внутренняя стенка может быть описана следующим образом: внутренняя стенка содержит несущую плиту, которая, в свою очередь, содержит верхний край и нижний край. На своем верхнем крае несущая плита соединяется с закругленным внутренним краем верхнего фланца. На своем нижнем крае полка нижней плиты соединяется с несущей плитой. Между верхним и нижним краем несущей плиты сетчатая полка прикреплена к несущей плите. Во время нормальной работы сетчатая полка поддерживает каталитические сетки, и полка нижней плиты поддерживает нижнюю полку, как правило, свободно плавающую сотовую конструкцию.
Предпочтительно несущая плита является плоской. Несущая плита обычно изготовлена из одного листа металла. Таким образом, конструкция несущей плиты является упрощенной, и несущая плита не содержит слабых мест, таких как сварные швы, что повышает ее упругую деформацию во время нормальной работы. Предпочтительно несущая плита имеет однородную толщину. Альтернативно, толщина несущей плиты предпочтительно является постоянной в пределах погрешности 10%, предпочтительно в пределах погрешности 5%, более предпочтительно в пределах погрешности 1%. Это уменьшает термические напряжения в несущей плите.
В некоторых вариантах осуществления плоский участок имеет ширину от 2,0 до 20,0 см, предпочтительно от 2,0 до 10,0 см. Это помогает получить надлежащую теплоизоляцию между каталитическими сетками и стенкой реактора во время нормальной работы горелки для аммиака, в которой используется обод.
В некоторых вариантах осуществления закругленный наружный край и/или закругленный внутренний край имеют радиус кривизны по меньшей мере от 20 до самое большее 100 мм, предпочтительно от 25 до самое большее 50 мм. Больший радиус, равный более 75 мм, может уменьшить объем пространства, доступного для плоского участка и, таким образом, уменьшить доступную площадь поверхности катализатора. Радиус кривизны помогает уменьшить чрезмерные термические напряжения в ободе.
В некоторых вариантах осуществления отношение ширины плоского участка к радиусу кривизны закругленного наружного края составляет от 0,50 до 10,0, предпочтительно отношение ширины плоского участка к радиусу кривизны закругленного наружного края составляет от 2,5 до 3,0. Это помогает смягчить чрезмерные термические напряжения в ободе. Кроме того, это помогает получить надлежащую теплоизоляцию между каталитическими сетками и стенкой реактора.
В некоторых вариантах осуществления отношение ширины плоского участка к радиусу кривизны закругленного внутреннего края составляет от 0,50 до 10,0, предпочтительно отношение ширины плоского участка к радиусу кривизны закругленного внутреннего края составляет от 2,5 до 3,0. Это помогает смягчить чрезмерные термические напряжения в ободе. Кроме того, это помогает получить надлежащую теплоизоляцию между каталитическими сетками и стенкой реактора.
В некоторых вариантах осуществления радиус кривизны закругленного наружного края равен радиусу кривизны закругленного внутреннего края в пределах погрешности 10,0%, предпочтительно 5,0%, более предпочтительно 2,0%, наиболее предпочтительно 1,0%.
В некоторых вариантах осуществления верхний фланец имеет толщину от 2 мм до 6 мм, например, от 3 мм до 5 мм.
В некоторых вариантах осуществления обод представляет собой кольцевую конструкцию, имеющую внешний диаметр от 1 м до 7 м, более типично от 3 м до 7 м, однако установки высокого давления обычно имеют обод с внешним диаметром от 1 м до 1,5 м.
В некоторых вариантах осуществления отношение ширины плоского участка к наружному диаметру обода составляет от 30 до 550.
В некоторых вариантах осуществления несущая плита имеет толщину от 3 мм до 12 мм, предпочтительно от 4 мм до 6 мм.
В некоторых вариантах осуществления несущая плита имеет длину от 300 мм до 400 мм.
В некоторых вариантах осуществления отношение длины несущей плиты к ее толщине составляет от 25 до 100.
В некоторых вариантах осуществления отношение длины несущей плиты к ширине плоского участка составляет от 1,5 до 8.
Эти характеристики помогают обеспечить эффективную поддержку катализатора, и обод остается гибким, что помогает выдерживать термические напряжения.
Сетчатая полка обычно выполнена в виде пластины, которая прикреплена к несущей плите. Как правило, сетчатая полка приварена к несущей плите. В некоторых вариантах осуществления сетчатая полка имеет толщину от 3 до 20 мм, предпочтительно толщину от 6 до 12 мм. В некоторых вариантах осуществления ширина сетчатой полки составляет от 30 мм до 90 мм, предпочтительно от 50 до 70 мм.
Предпочтительно сетчатая полка ориентирована под углом 90° относительно несущей плиты. В некоторых вариантах осуществления отношение ширины сетчатой полки к толщине сетчатой полки составляет от 1,5 до 18. В некоторых вариантах осуществления отношение ширины сетчатой полки к ширине плоского участка составляет от 0,15 до 1,8. Это позволяет эффективно поддерживать каталитические сетки, при этом также адаптироваться к термическому расширению во время нормального использования.
В некоторых вариантах осуществления сетчатая полка содержит множество щелей расширения. Предпочтительно щели расширения имеют толщину, которая в 0,25-0,5 раз превышает толщину полки. В типичных вариантах осуществления это может соответствовать ширине от 1 до 2 мм. Щели расширения предпочтительно заканчиваются отверстием, более предпочтительно круглым отверстием, наиболее предпочтительно круглым отверстием диаметром от 3 мм до 12 мм, например диаметром от 5 до 10 мм. Длина щелей расширения предпочтительно составляет от 20 до 50 мм, более предпочтительно от 25 до 40 мм. Предпочтительно расстояние между соседними щелями расширения в сетчатой полке составляет от 120 мм до 180 мм.
В некоторых вариантах осуществления щели расширения проходят на 20-70% ширины сетчатой полки, например, 40-50% ширины сетчатой полки. В некоторых вариантах осуществления отношение длины щелей расширения к ширине щелей расширения составляет от 7,5 до 35. В некоторых вариантах осуществления отношение диаметра круглого отверстия к ширине щелей расширения составляет от 1 до 7.
Предпочтительно обод представляет собой кольцевую конструкцию, и щели расширения ориентированы в радиальных направлениях. Также, щели расширения предпочтительно ориентированы перпендикулярно к кольцеобразным кромкам сетчатой полки.
В некоторых вариантах осуществления сетчатая полка прикреплена к несущей плите путем сварки на расстоянии от 6,0 до 10,0 см от верхней части несущей плиты, причем выражение «верхняя часть несущей плиты» обозначает положение, где несущая плита заканчивается и где начинается закругленный внутренний край. В некоторых вариантах осуществления это расстояние в 0,3-2 раз превышает ширину плоского участка.
Сконструированная таким образом сетчатая полка создает более низкие термические напряжения по сравнению с сетчатыми полками в существующих системах.
В некоторых вариантах осуществления полка нижней плиты имеет толщину от 3 до 20 мм, предпочтительно от 6 до 12 мм. В некоторых вариантах осуществления отношение ширины полки нижней плиты к ее толщине составляет от 2 до 14. Предпочтительно, полка нижней плиты ориентирована под углом 90° по отношению к несущей плите.
В некоторых вариантах осуществления нижняя полка плиты имеет ширину от 40 до 100 мм. В некоторых вариантах осуществления отношение ширины полки нижней плиты к ширине плоского участка составляет от 0,8 до 1,4. Предпочтительно полка нижней плиты образует угол от 88° до 92°, более предпочтительно угол 90,0° с несущей плитой.
В некоторых вариантах осуществления полка нижней плиты содержит множество щелей расширения. Предпочтительно щели расширения имеют ширину от 1 мм до 2 мм. Щели расширения предпочтительно заканчиваются отверстием, более предпочтительно круглым отверстием, наиболее предпочтительно круглым отверстием диаметром от 3 мм до 12 мм. Предпочтительно длина щелей расширения составляет от 15 до 70 мм, более предпочтительно от 20 до 40 мм. Предпочтительно расстояние между соседними щелями расширения в полке нижней плиты составляет от 120 мм до 180 мм. Предпочтительно обод представляет собой кольцевую конструкцию, и щели расширения ориентированы в радиальном направлении. Кроме того, щели расширения предпочтительно ориентированы перпендикулярно к кольцеобразным кромкам полки нижней плиты.
В некоторых вариантах осуществления щели расширения проходят на 20-70% ширины полки нижней плиты, например, на 40-50% полки нижней плиты. В некоторых вариантах осуществления отношение длины щелей расширения к ширине щелей расширения составляет от 7,5 до 35. В некоторых вариантах осуществления отношение диаметра круглого отверстия к ширине щелей расширения составляет от 1 до 7. Щели расширения уменьшают термические напряжения в сетчатой полке и в полке нижней плиты.
Верхний фланец и несущая плита могут быть изготовлены из одного листа металла, или они могут быть изготовлены из нескольких листов металла, сваренных вместе. Предпочтительно верхний фланец и несущая плита, взятые вместе, изготовлены не более чем из двух листов металла и содержат не более одного сварного шва. Предпочтительно, чтобы между плоским участком и закругленным внутренним краем верхнего фланца присутствовал по меньшей мере один сварной шов.
Альтернативные способы изготовления обода могут включать диффузионное соединение, сварку трением с перемешиванием или экструзию с конечным сварным швом, однако сварка является наиболее часто используемым способом. Соответственно, закругленный наружный край и плоский участок предпочтительно изготовлены из одного листа металла, закругленный внутренний край и несущая плита предпочтительно изготовлены из другого отдельного листа металла, и два листа металла предпочтительно сварены вместе в точке, где пересекаются плоский участок и закругленный внутренний край. Таким образом, обеспечивается обод, который особенно прост в сборке и который является высоко эффективным в отношении адаптации к термической деформации.
В некоторых вариантах осуществления обод содержит наружную стенку. В таких вариантах осуществления верхний фланец и наружная стенка могут быть изготовлены из одного листа металла, или они могут быть изготовлены из более чем одного листа металла, например, двух листов металла, которые сварены вместе. В некоторых вариантах осуществления наружная стенка приварена к закругленному наружному краю.
В некоторых вариантах осуществления обод дополнительно содержит кольцо волнолома. Кольцо волнолома прикреплено к несущей плите между полкой нижней плиты и сетчатой полкой. Без привязки к какой-либо теории, кольцо способствует обеспечению того, что волнолом эффективно предотвращает утечку аммиака вдоль обода в любых рабочих условиях, включая запуск, нормальную работу, остановку, повторный запуск и т.д.
В некоторых вариантах осуществления кольцо волнолома имеет ширину от 10,0 до 20,0 мм, предпочтительно кольцо волнолома имеет ширину 15,0 мм. В некоторых вариантах осуществления ширина кольца волнолома в 0,05-2 раза превышает ширину плоского участка.
В некоторых вариантах осуществления кольцо волнолома имеет толщину от 10,0 мм до 20,0 мм, предпочтительно кольцо волнолома имеет толщину 15,0 мм. В некоторых вариантах осуществления толщина кольца волнолома в 0,05-2 раза превышает ширину плоского участка.
В некоторых вариантах осуществления ширина кольца волнолома равна толщине кольца волнолома в пределах погрешности 10%, предпочтительно 5%, более предпочтительно 2%, еще более предпочтительно 1%.
Предпочтительно расстояние между полкой нижней плиты и кольцом волнолома составляет от 100 мм до 200 мм, более предпочтительно, 120-150 мм. Один или несколько волноломов могут быть прикреплены к кольцу волнолома, например, один или несколько волноломов, как раскрыто в WO 2004005187. Эти волноломы помогают поддерживать равномерное распределение пакующего материала, что снижает риск повреждения каталитической сетки. Расстояние между полкой нижней плиты и кольцом волнолома зависит от средней точке высоты катализатора, угла волнолома (например, 30°) и необходимости предоставления доступа к кольцу после установки волноломов.
Кроме того, предлагается опорная система катализатора для горелок для окисления аммиака, содержащая обод, раскрытый в настоящем документе. Опорная система катализатора, кроме того, содержит корпус. Корпус содержит одну или нескольких каталитических сеток и нижнюю плиту. В некоторых вариантах осуществления нижняя плита содержит сотовую структуру.
Во время нормального использования сетчатая полка поддерживает одну или несколько каталитических сеток, и полка нижней плиты поддерживает нижнюю плиту. Обод по изобретению обеспечивает высокоэффективную адаптацию каталитических сеток и нижней плиты к термической деформации.
2
В некоторых вариантах осуществления между нижней плитой и одной или несколькими каталитическими сетками предусмотрен наполнитель. Наполнитель может содержать катализатор разложения NO.
Когда между нижней плитой и одной или несколькими каталитическими сетками предусмотрен наполнитель, предпочтительно обеспечивается один или несколько волноломов. Они позволяют избежать образования желобов глубже, чем приблизительно 20-30 мм в наполнителе, предотвращая тем самым разрыв каталитических сеток и утечку технологического газа. Подходящие волноломы раскрыты в WO 2004005187, который включен в настоящий документ посредством ссылки.
Волнолом предпочтительно представляет собой перфорированный лист, ориентированный под углом 20-40°, например, под углом 30° относительно нижней плиты.
Волнолом, кроме того, содержит верхнюю часть. Во время нормального использования верхняя часть волнолома удалена на 10-50 мм, предпочтительно 20-40 мм от одной или нескольких сеток. Во время нормального использовании верхняя часть волнолома располагается ниже одной или нескольких сеток. Предпочтительно волнолом имеет свободу для перемещения как горизонтально, так и вертикально и может удерживаться на месте с помощью L-профиля, приваренного к кольцу волнолома. Волноломы помогают поддерживать равномерное распределение наполнителя, снижая риск разрушения каталитической сетки.
Предпочтительно обод и корпус опорной структуры катализатора изготовлены из никель-железо-хромового сплава. Такие сплавы подходящим образом устойчивы к высоким температурам и химической среде, которая возникает во время нормальной работы горелок для аммиака.
Кроме того, в настоящем документе обеспечена горелка для аммиака, содержащая корпус реактора и опорную систему для катализатора, обеспеченную в настоящем документе. Корпус реактора содержит стенку реактора, и опорная система катализатора может быть прикреплена к стенке реактора посредством одного или нескольких сварных швов. Дополнительно или в качестве альтернативы опорная система катализатора может быть прикреплена к стенке реактора с помощью опоры обода. Предпочтительно закругленный наружный край приварен к стенке реактора.
В некоторых вариантах осуществления теплозащитный экран установлен между опорной системой катализатора и стенкой реактора. В некоторых вариантах осуществления одна или несколько катушек прикреплены к стенке реактора. Катушки могут защитить корпус, работающий под давлением, от перегрева и могут охлаждать наружную стенку. В этих вариантах осуществления теплозащитный экран установлен между опорной системой катализатора и катушками. В некоторых вариантах осуществления теплозащитный экран имеет толщину от 1 мм до 2 мм. Теплозащитный экран способствует обеспечению того, что вся нижняя часть опорной структуры катализатора функционирует при температуре выше, чем 800°С в нормальных рабочих условиях. Кроме того, он уменьшает поток тепла к стенке реактора и катушкам. Таким образом, теплозащитный экран снижает термические напряжения и обеспечивает экономию энергии. Кроме того, теплозащитный экран способствует обеспечению того, что сварные швы на стенке реактора или вблизи от нее сохраняются в условиях, выходящих за пределы диапазона, который является критическим для растрескивания, индуцированного напряжением: в частности, предпочтительно избегать условий эксплуатации, включающих высокую деформацию растяжения (ε>0,001), локализованную на сварном шве, и температуру в интервале 500-750°С.
Предпочтительно расстояние между внутренней стенкой обода и катушками составляет от 25 мм до 40 мм, но может быть больше или меньше в зависимости от диаметра обода. Это гарантирует то, что между опорной структурой катализатора и катушками стенки будет обеспечено достаточное пространство для термического расширения; во время нормального использования термическое расширение опорной структуры катализатора является значительно более высоким, чем термическое расширение катушек стенки, так как опорная структура катализатора функционирует при значительно более высокой температуре, чем катушки стенки.
В некоторых вариантах осуществления горелка для аммиака снабжена множеством противовесов. При обычном использовании прижимные грузы расположены на сетчатой полке и зажимают каталитические сетки. Предпочтительно индивидуальные прижимные грузы имеют массу менее 25 кг, более предпочтительно менее 20 кг, еще более предпочтительно менее 15 кг. В некоторых вариантах осуществления предусматривается в общей сложности 10-25 противовесов. В некоторых вариантах осуществления высота противовесов составляет от 60 мм до 100 мм. В некоторых вариантах осуществления отношение высоты противовесов к ширине плоского участка составляет от 0,3 до 2. Противовесы эффективно удерживают каталитические сетки на месте.
В некоторых вариантах осуществления один или несколько теплозащитных экранов предусмотрены наверху одного или нескольких противовесов. Предпочтительно один или несколько теплозащитных экранов имеют высоту от 50 мм до 250 мм. В некоторых вариантах осуществления отношение высоты теплозащитных экранов к ширине плоского участка составляет от 0,25 до 2. Теплозащитные экраны снижают потери тепла через стенку реактора и могут также уменьшать излучение, которое может влиять на верхнюю часть обода.
В некоторых вариантах осуществления одна или несколько ручек предусмотрены на верхней части одного или нескольких противовесов. Предпочтительно одна или несколько ручек имеют высоту от 2,5 мм до 7,5 см. В некоторых вариантах осуществления две ручки предусмотрены на каждом противовесе.
Предпочтительно один или несколько противовесов изогнуты. Они предпочтительно имеют одинаковый радиус кривизны кольца. В некоторых вариантах осуществления один или несколько противовесов изогнуты под углом 10-30° по всей их длине.
В некоторых вариантах осуществления один или несколько противовесов содержат стержень сборочного узла на первом конце и паз сборочного узла на втором конце. При обычном использовании стержень сборочного узла и паз сборочного узла соседних противовесов входят в скользящее зацепление, образуя таким образом скользящее разъемное соединение между соседними противовесами.
В некоторых вариантах осуществления стержень имеет длину от 3,0 см до 7,0 см; и паз сборочного узла имеет длину от 3,0 до 7,0 см. Предпочтительно стержень сборочного узла имеет ширину от 0,8 см до 1,2 см. Предпочтительно паз сборочного узла имеет ширину от 1,0 см до 1,4 см. Предпочтительно паз сборочного узла имеет ширину, которая шире на 1,0-3,0 мм.
Предпочтительно стержень сборочного узла и паз сборочного узла содержат затупленные углы. Затупленные углы имеют косой край, который ориентирован под углом 30-60° относительно соответствующего конца противовеса.
Стержень сборочного узла и паз сборочного узла обеспечивают легкую установку противовесов. Кроме того, во время нормальной работы стержень сборочного узла может скользить в пазу сборочного узла, тем самым эффективно адаптируясь к тепловому расширению с минимальной величиной термических напряжений в противовесах.
Кроме того, в настоящем документе предлагается применение обода в соответствии с настоящим раскрытием для каталитического окисления аммиака.
Кроме того, в настоящем документе предлагается применение опорной системы катализатора в соответствии с настоящим изобретением для каталитического окисления аммиака.
Кроме того, в настоящем документе предлагается применение горелки для аммиака в соответствии с настоящим изобретением для каталитического окисления аммиака.
Кроме того, в настоящем документе обеспечен способ окисления аммиака. Способ включает следующие стадии: 1) обеспечение горелки для аммиака в соответствии с настоящим раскрытием; 2) направление воздушно-аммиачной смеси над одной или несколькими каталитическими сетками; и 3) каталитическое окисление аммиака.
ПРИМЕРЫ
Пример 1
В первом примере ссылка делается на фигуру 1, на которой показано радиальное поперечное сечение обода (100). Обод (100) представляет собой кольцевую структуру, содержащую верхний фланец (110) и внутреннюю стенку (120). Верхний фланец (110) содержит плоский участок (111), закругленный наружный край (112) и закругленный внутренний край (113). Внутренняя стенка (120) содержит несущую плиту (121), сетчатую полку (122) и полку нижней плиты (123). Сетчатая полка (122) и полка нижней плиты (123) прикреплены к несущей плите (121).
Пример 2
Во втором примере ссылка делается на фигуру 2, на которой показано радиальное поперечное сечение обода (100). Обод (100) представляет собой кольцевую структуру, содержащую верхний фланец (110) и внутреннюю стенку (120). Он имеет наружный диаметр 4,92 м.
Верхний фланец (110) содержит плоский участок (111), закругленный наружный край (112) и закругленный внутренний край (113). Верхний фланец (110) изготовлен из листового металла и имеет толщину 4,0 мм. Плоский участок (ПО) имеет ширину 13,2 см. Закругленный наружный край (112) и закругленный внутренний край (113) имеют радиус кривизны 4,4 см. Закругленный наружный край (112) соединен со стенкой реактора (не показана) посредством опоры обода (140). Закругленный внутренний край (113) приварен к внутренней стенке (120).
Внутренняя стенка (120) содержит несущую плиту (121), сетчатую полку (122), полку нижней плиты (123) и кольцо волнолома (124). Сетчатая полка (122), полка нижней плиты (123) и кольцо волнолома (124) прикреплены к несущей плите (121). Несущая плита (121) имеет толщину 6,0 мм и ширину 337,5 мм. Сетчатая полка (122) имеет толщину 1,0 см и ширину 6,0 см. Сетчатая полка (122) образует угол 90° с несущей плитой (121) и прикреплена к несущей плите посредством сварки на расстоянии 8,0 см от верхней части несущей плиты, т.е. от положения, в котором несущая плита (121) заканчивается и где начинается закругленный внутренний край (113). Полка нижней плиты (123) имеет толщину 10 мм и ширину 55 мм и составляет угол 90,0° с несущей плитой (121). Кольцо волнолома (124) имеет толщину и ширину 15 мм и расположено на расстоянии 138 мм от полки нижней плиты (123).
18 противовесов (130) расположены на сетчатой полке (122). Противовесы (130) прижимают каталитические сетки и/или опоры для катализатора во время обычного использования аммиачной горелки, в которой используется обод согласно изобретению (100). Противовесы (130) имеют высоту 8,0 см. На верхней части противовесов (130) расположены теплозащитный экран (131) и ручка (132). Теплозащитный экран (131) имеет высоту 75 мм. Ручка (132) имеет высоту 51 мм.
Пример 3
Во втором примере ссылка делается на фигуру 3. На фигуре 3 показана сетчатая полка (122) и полка нижней плиты (123). Сетчатая полка (122) и полка нижней плиты (123) содержат 100 щели расширения (1221, 1231). Щели расширения (1221, 1231) заканчиваются круглым отверстием (1222, 1232). Сетчатая полка (122) и полка нижней плиты (123) представляют собой кольцевые структуры, и щели расширения (1221, 1231) расположены в радиальных направлениях. Аналогично, щели расширения (1221, 1231) перпендикулярны кольцевым краям сетчатой полки (122) и полки нижней плиты (123).
Щели расширения (1221) сетчатой полки (122) имеют ширину 3 мм и длину 25 мм. Соответствующие отверстия (1222) имеют радиус 2,5 мм. Щели расширения (1231) полки нижней плиты (123) имеют ширину 3 мм и длину 20 мм. Радиус соответствующих отверстий (1232) составляет 2,5 мм.
Пример 4
В третьем примере ссылка делается на фигуру 4. На фигуре 4 показан вид сверху противовеса (130), обеспеченного в настоящем документе. В общей сложности 18 противовесов обычно используются в горелке для аммиака для зажима каталитических сеток.
Противовес (130) содержит теплозащитный экран (131), две ручки (132), стержень сборочного узла (133) и паз сборочного узла (134).
Противовес согнут под углом 20° по всей длине. Угол изгиба на расстоянии между двумя соответствующими точками на двух ручках составляет 12°. Высота противовеса (130) без учета высоты ручки (132) и теплозащитного экрана (131) составляет 80 мм. Ручка имеет длину 157 мм и длину 45 мм. Он имеет форму изогнутого стержня диаметром 12 мм. Теплозащитный экран имеет высоту 75 мм и толщину 3 мм.
Стержень сборочного узла (133) выступает из первого конца противовеса (130), и паз сборочного узла (134) выполнен в виде выреза на втором конце противовеса (130). Во время нормальной работы каждый стержень сборочного узла (133) вставляется в паз сборочного узла соседнего противовеса (130), так что образуется замкнутое кольцо противовесов. Стержень сборочного узла имеет длину 50 мм и ширину 10 мм. Паз сборочного узла имеет длину 50 мм и ширину 12 мм.
Пример 5
В четвертом примере ссылка делается на фигуру 5, на которой показан крупный план стержня сборочного узла (133) и паз сборочного узла (134). Стержень сборочного узла (133) и паз сборочного узла (134) содержат затупленные углы (1331, 1341). Эти затупленные углы (1331, 1341) имеют косой край, который ориентирован под углом 45° относительно соответствующего конца противовеса.
Пример 6
В шестом примере ссылка делается на фигуру 6, на которой показан обод (100), прикрепленный к стенке реактора (300). Катушки стенки (310) для охлаждения наружной стенки (150) прикреплены к стенке реактора (300). Катушки стенки (310) термически изолированы от обода (100) с помощью теплозащитного экрана (320). Обод (100) содержит наружную стенку (150), которая примыкает к стенке реактора (300). Обод (100) прикреплен к стенке реактора (300) с помощью верхнего крепления обода (330) между закругленным наружным краем (112) и стенкой реактора (300), с помощью нижнего крепления обода (331) между наружной стенкой обода (150) и стенкой реактора (300) или с помощью обоих.
Пример 7
В шестом примере ссылка делается на фигуру 7, на которой показана часть опорной структуры для катализатора окисления аммиака. В частности, обод (100) обеспечен по периметру опорной структуры. Со своей наружной стороны обод (100) примыкает к теплозащитному экрану (320). Со своей внутренней стороны обод (100) примыкает к волнолому (330).
Пример 8
rd
th
В восьмом примере ссылка делается на фигуру 8, на которой показано сравнение термических напряжений в ободе опорной структуры катализатора, как предусмотрено в настоящем документе, с термическими напряжениями в ободе в соответствии с конструкцией Uhde (см., например, R. Buchenau, The catalyst basket How to prolong the service life, paper presented at the 3 UHDE Nitric Acid Symposium, Dortmund, 26-28 of May 1986). В частности, напряжение по фон Мизесу показано в МПа через 50 минут после запуска горелки для аммиака. Очевидно, что ободы в соответствии с настоящим раскрытием приводят к значительно более низким тепловым напряжениям, чем конструкция Uhde предшествующего уровня техники.
Пример 9
rd
th
В девятом примере ссылка делается на фигуру 9, на которой показано сравнение деформаций в ободе опорной структуры катализатора, обеспеченной в настоящем документе, с термическими напряжениями в ободе в соответствии с конструкцией Uhde (см., например, R. Buchenau, The catalyst basket How to prolong the service life, paper presented at the 3 UHDE Nitric Acid Symposium, Dortmund, 26-28 of May 1986). В частности, показаны деформации, возникающие через 50 минут после запуска реактора. Ободы в соответствии с настоящим раскрытием показывают меньшую деформацию/напряжение, чем конструкция Uhde предшествующего уровня техники. Уменьшенное напряжение приводит к более равномерной деформации и улучшенной долговечности.
Пример 10
rd
th
В десятом примере ссылка делается на фигуру 10, на которой показаны температурные профили в ободе опорной структуры катализатора, обеспеченной в настоящем документе (панели а-с), в сравнении с температурными профилями в ободе в соответствии с конструкцией Uhde (панели d-f, см., например, R. Buchenau, The catalyst basket - How to prolong the service life, paper presented at the 3 UHDE Nitric Acid Symposium, Dortmund, 26-28 of May 1986). В частности, температурные профили показаны через 5 минут после запуска реактора (панели а и d), через 15 минут после запуска реактора (панели b и е) и через 50 минут после запуска реактора (панели с и f). Изменения температуры в ободах по настоящему изобретению характеризуются более постепенными изменениями температуры по сравнению с ободами конструкции Uhde.