ПЕРВАЯ СТУПЕНЬ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОКИСЛЕНИЯ АММИАКА
FIRST STAGE FOR AMMONIA OXIDATION CATALYST SYSTEM

Изобретение относится к производству азотной кислоты и касается устройства каталитической системы окисления аммиака из катализаторных сеток из платиноидных сплавов.
Известны различные каталитические системы окисления аммиака, которые включают в себя несколько ступеней различных катализаторов для окисления аммиака, улучшающих в целом эксплуатационные показатели ее работы. Это в частности катализаторные сетки из платиноидных сплавов, как первая ступень каталитической системы, и при отсутствии других она является первой и единственной.
Катализаторные сетки первой ступени, как правило, располагаются в плоскости круга на поддерживающем, горизонтально расположенном устройстве.
Известно, что, как правило, эта первая ступень каталитической системы включает в себя несколько катализаторных сеток из платиноидных сплавов, количество которых увеличивается с увеличением скорости и давления исходной аммиачно-воздушной смеси (далее АВС), так как весь аммиак не успевает прореагировать на первой по ходу газа катализаторной сетке и его часть проскакивает ко второй и последующим катализаторным сеткам первой ступени.
Величина проскока аммиака к последующим сеткам первой ступени описывается известной формулой Апельбаума-Темкина. Известно, что окисление аммиака заканчивается после прохождения газом всех сеток в первой ступени каталитической системы, но в любом случае после нее остается незначительное количество не прореагировавшего аммиака.
Известно, что часть последних по ходу газа катализаторных сеток можно заменить не платиновым катализатором, известным как вторая ступень каталитической системы. Известны также удавливающие системы, ламинизирующие как другие дополнительные ступени каталитической системы.
Дополнительные ступени, в частности, уменьшают вложения платиноидов и уменьшают их потери.
Однако их общим недостатком является то, что все дополнительные ступени каталитической системы устанавливаются после катализаторных сеток и касаются окончания процесса окисления аммиака, где его концентрация приближается к нулю, и поэтому не могут повлиять на начало окисления аммиака с максимальной концентацией на уровне 11,0%. Поэтому их ввод в каталитическую систему не приводит к существенному росту конверсии аммиака до NO и в частности для агрегатов, работающих при высоких давлениях и скоростях газа. Она как была, так и осталась на уровне 93-94%.
Известно, что при прочих равных условиях увеличение свободного проходного сечения поверхности катализаторной сетки приводит к снижению скорости прохождения через него газового потока, что является фактором, увеличивающим конверсию.
2
Известно, что уменьшение площади катализатора (проволоки) на 1 см катализаторной сетки приводит к увеличению свободного проходного сечения поверхности катализаторной сетки.
Известно, что с увеличением температуры аммиачно-воздушной смеси АВС или газовой смеси перед последующими катализаторными сетками конверсия аммиака увеличивается.
Известно, что увеличение содержания палладия в сплаве, из которых изготавливаются катализаторные сетки, приводит к снижению температуры зажигания катализатора и увеличению выхода NO при пониженной температуре АВС или газовой смеси, что имеет место на первых по ходу газа катализаторных сетках.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство первой ступени каталитической системы окисления аммиака, изображенной на фиг.1, состоящей из слоя катализаторных сеток из платиноидных сплавов, расположенных не в плоскости круга 1, а в плоскости, образующей конус 2 с углом при вершине 60-120° (прототип, Караваев М.М. Каталитическое окисление аммиака. М.: Химия, 1983 г., с.166-169).
В данном случае конус 2, при вертикальной проекции, представляет собой треугольно-образный элемент гофрированной части предлагаемой ниже первой ступени каталитической системы.
Такое расположение катализатора первой ступени приводит к уменьшению гидравлического сопротивления и к снижению скорости газового потока аммиачно-воздушной смеси (далее АВС) за счет увеличения свободного сечения поверхности для прохождения газового потока, а это является фактором, направленным на стабилизацию и некоторое увеличение конверсии. Однако на практике использование такой каталитической ступени привело к стабилизации конверсии аммиака на уровне 93,7% (Караваев М.М., с.168), так как при таком расположении проблематично более чем в 2 раза увеличить свободную поверхность катализаторных сеток, что и сдерживает существенное увеличение конверсии аммиака.
Недостатком такой каталитической ступени также является отсутствие существенного роста конверсии аммиака до NO.
Задачей данного изобретения является увеличение конверсии аммиака до NO.
Поставленная задача решается тем, что первая ступень каталитической системы, состоящая из слоя катализаторных сеток из платиноидных сплавов, расположенных не в плоскости круга, разделена на две части, причем одна часть, первая по ходу газа, так и расположена не в плоскости круга и выполнена из гофрированной, как минимум одной, катализаторной сетки из платиноидного сплава, гофра которой уложена на формообразующую поддерживающую сетку, а вторая часть расположена в плоскости круга.
2
2
2
Причем гофрированные, катализаторные сетки из платиноидных сплавов выполнены из тканых или вязаных сеток с низкой площадью поверхности катализатора на 1 см (сетки с редким плетением) с количеством отходящих проволок 16-60 штук на периметр квадрата площадью в 1 см как аналога свободного сечения тканой сетки 16-225 плетений на 1 см. Проволока сетки изготовлена из сплава с массовым 40-90% содержанием палладия, а гофра гофрированной катализаторной платиноидной сетки уложена на формообразующую поддерживающую сетку, выполненную из последовательно соединенных элементов треугольно-образной формы с отношением размеров высоты элемента к его основанию, равным 2-12, и которая одним из своих углов уложена на вторую часть первой ступени, расположенную в плоскости круга.
Такие отличия позволили за счет малой площади поверхности самого катализатора (проволоки) катализаторной сетки из платиноидного сплава увеличить ее свободное проходное сечение, что привело к уменьшению скорости прохождения газового потока через гофрированные катализаторные сетки из платиноидного сплава, расположенными первыми по ходу газа, причем последующие нижележащие проволоки катализаторной сетки в гофрированной части будут нагреваться от тепла реакции прореагировавшей АВС на ее верхних проволоках, что в совокупности является мощным фактором, направленным на увеличение конверсии аммиака до NO.
Изготовление гофрированных катализаторных сеток из сплавов с массовым содержанием до 40-90% в нем палладия, и в частности с 0,7-3% родия и/или рутения, до 0,3% иридия, до 0,15% примеси и остальное платина, позволило дополнительно увеличить конверсию аммиака при относительно низкой входной температуре АВС.
Такая совокупность отличительных признаков позволяет решить поставленную задачу увеличения конверсии аммиака до NO.
Проведены исследования и в таблице примеров приведены примеры влияния отличительных признаков в сравнении со стандартной каталитической системой для условий работы распространенного в СНГ агрегата УКЛ-7.
2
Из таблицы видно, что оптимальная первая ступень катализатора, обеспечивающая решение поставленной задачи, указана в примере 13 и 16 и состоит из гофрированной части состоящей из элементов треугольно-образной формы с соотношением размеров высота элемента к его основанию, равным 9, в которой установлена тканая или вязаная сетка с аналогом свободного сечения как тканая 121 пл/см из проволоки с повышенным
содержанием палладия. Однако и на стандартных сплавах уровень конверсии существенно вырастает при таком устройстве первой ступени каталитической системы окисления аммиака.
На фиг.2 изображена схема первой ступени каталитической системы окисления аммиака, которая включает в себя предлагаемую первую ступень каталитического окисления 1, состоящую из расположенной не в плоскости круга 2 гофрированной катализаторной сетки 3 из платиноидного сплава, уложенной на аналогичную формообразующую поддерживающую сетку 4, которая в свою очередь состоит из последовательно соединенных элементов треугольно-образной формы 5, которые одним из своих углов уложены на вторую часть первой ступени 6, расположенную в плоскости круга 2.
Через систему проходит аммиачно-воздушная смесь (АВС) 7.
Первая ступень каталитической системы окисления аммиака работает следующим образом.
2
АВС 7, проходя последовательно через гофрированную катализаторную сетку 3 из платиноидного сплава, имеющую низкую площадь поверхности катализатора на 1 см(сетки с редким плетением) и поддерживающую формообразующую сетку 4, проходит внутрь последовательно соединенных элементов треугольнообразной формы 5, нагревая при этом внутреннюю сторону нижележащих проволок от тепла реакции АВС, которая произошла на вышележащих проволоках гофрированной катализаторной сетки 3 из платиноидного сплава.
Увеличение свободной проходной поверхности катализаторных сеток 3 из платиноидного сплава за счет гофрирования при одновременном увеличении температуры подогрева проволок катализатора в нижележащих проволоках катализатороной сетки и газовой смеси обеспечивает прирост конверсии аммиака на этой части первой ступени каталитической ступени, где концентрация аммиака находится на уровне 11,0%, а существенное общее повышение температуры газа перед второй частью 6 первой ступени 1 обеспечивает высокий уровень конверсии и при прежних скоростях газа, что в совокупности и обеспечивает общий прирост конверсии аммиака вплоть до 96,6%. Изготовление гофрированной катализаторной сетки 3 из сплава с массовым 40-90% содержанием палладия еще больше увеличивает общий прирост конверсии.