close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY18496

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2014.08.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 18496
(13) C1
(19)
B 01J 8/00
B 01J 15/00
B 01J 19/00
C 01B 21/26
C 01B 21/28
(2006.01)
(2006.01)
(2006.01)
(2006.01)
(2006.01)
РЕАКТОР И СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ
КАТАЛИТИЧЕСКИХ ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИХ ГАЗОФАЗНЫХ
РЕАКЦИЙ И ПРИМЕНЕНИЕ ТАКОГО РЕАКТОРА
(21) Номер заявки: a 20091692
(22) 2008.05.28
(31) 10 2007 026 712.8 (32) 2007.06.06 (33) DE
(85) 2010.01.06
(86) PCT/EP2008/004232, 2008.05.28
(87) WO 2008/148487, 2008.12.11
(43) 2010.10.30
(71) Заявитель: ТиссенКрупп Ухде ГмбХ
(DE)
(72) Авторы: ШВЕФЕР, Мейнхард; ГРОУВС,
Майкл; ФУХС, Юрген; МАУРЕР, Райнер; СИЕФЕРТ, Рольф; ХЮНДГЕН,
Бернхард (DE)
(73) Патентообладатель: ТиссенКрупп Ухде
ГмбХ (DE)
(56) US 5266291, 1993.
SU 1711659 A3, 1992.
SU 1740037 A1, 1992.
RU 2205794 C2, 2003.
SU 1489825 A1, 1989.
EP 0334710 A1, 1989.
BY 18496 C1 2014.08.30
(57)
1. Реактор для проведения каталитических экзотермических газофазных реакций в подаваемой газовой смеси, содержащей аммиак и кислород, содержащий по направлению
Фиг. 1
BY 18496 C1 2014.08.30
потока подаваемой газовой смеси впускную зону (1) для введения подаваемой газовой
смеси, содержащей аммиак и кислород; реакционную зону (2), включающую по меньшей
мере один катализатор (4); выпускную зону (3) для выведения полученного газа и средства для уменьшения переноса тепла реакции из реакционной зоны (2) во впускную зону (1)
в виде по меньшей мере одной изоляционной прокладки (6), изолирующей внутреннее
пространство реактора в области впускной зоны (1) или в области впускной зоны (1) и реакционной зоны (2) от стенки (5) реактора и помещенной в область впускной зоны (1) или
в область впускной зоны (1) и реакционной зоны (2), и/или в виде по меньшей мере одного устройства для подачи охлаждающего агента, помещенного в область впускной зоны
(1) или в область впускной зоны (1) и реакционной зоны (2); внутренние стенки реактора в
области впускной зоны (1) или в области впускной зоны (1) и реакционной зоны (2) выполнены из инертного материала.
2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что инертный материал выбран из группы,
включающей керамику, кварцевое стекло, шамот, эмаль и металлы.
3. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что впускная зона (1), реакционная зона (2) и
выпускная зона (3) окружены стенкой (5) реактора, которая сконфигурирована как двойная стенка в области впускной зоны (1) или в области впускной зоны (1) и реакционной
зоны (2), а устройство для подачи охлаждающего агента установлено в пространстве (9),
образованном двойной стенкой (5) реактора, или во внутренней стенке (5) реактора.
4. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что впускная зона (1), реакционная зона (2) и
выпускная зона (3) окружены стенкой (5) реактора, содержащей опору для катализатора
(4) и для изоляционной прокладки (6), которая термически изолирует внутреннее пространство реактора в области впускной зоны (1) или в области реакционной зоны (2) и
впускной зоны (1) от стенки (5) реактора и таким образом препятствует переносу тепла из
реакционной зоны (2) в подаваемую газовую смесь во впускной зоне (1).
5. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что впускная зона (1), реакционная зона (2) и
выпускная зона (3) окружены стенкой (5) реактора, которая в области впускной зоны (1)
или в области впускной зоны (1) и реакционной зоны (2) сконфигурирована как двойная
стенка, а для возможности охлаждения внутренней стенки (5) реактора внизу двойной
стенки (5) реактора в области реакционной зоны (2) выполнено по меньшей мере одно
впускное отверстие (7) для ввода охлаждающего агента в пространство (9), образуемое
двойной стенкой (5) реактора.
6. Реактор по п. 5, отличающийся тем, что во внутренней стенке (5) реактора выполнено по меньшей мере одно отверстие (10) для подачи охлаждающего агента во впускную
зону (1) и смешивания с подаваемой газовой смесью.
7. Реактор по п. 5, отличающийся тем, что на двойной стенке (5) реактора выполнены
соединения (7a, 7b) для впуска и выпуска охлаждающего агента.
8. Реактор по любому из пп. 4-6, отличающийся тем, что стенка (5) реактора сконфигурирована как стенка сосуда высокого давления или окружена кожухом (20) высокого
давления.
9. Реактор по любому из пп. 5-6, отличающийся тем, что стенка (5) реактора сконфигурирована как двойная стенка, содержащая опору для катализатора (4) и содержащая по
меньшей мере одно впускное отверстие (7) для охлаждающего агента.
10. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что катализатор (4) введен в гильзу (14), выполненную из термостойкого и теплоизолирующего материала.
11. Реактор по п. 10, отличающийся тем, что гильза (14) окружена металлическим
стаканом (16) из теплостойкого материала, нижний конец которого предпочтительно
снабжен металлическим выступом (17), и на нижнем конце металлического стакана (16)
расположена решетка (18) для подачи газовой смеси из реакционной зоны (2) в выпускную зону (3).
2
BY 18496 C1 2014.08.30
12. Реактор по п. 11, отличающийся тем, что гильза (14) и металлический стакан (16)
соединены посредством болтов и гаек (19) с кожухом (20) высокого давления, окружающим стенку (5) реактора.
13. Реактор по любому из пп. 10-12, отличающийся тем, что содержит воспламенительное копье (25).
14. Реактор по любому из пп. 10-12, отличающийся тем, что стенка (5) реактора сконфигурирована как стенка сосуда высокого давления, на внутренней части которой установлено охлаждающее устройство, предпочтительно охлаждающее устройство (27),
выполненное из тонкостенных трубок, для уменьшения температурной нагрузки на стенки
(5) реактора в выпускной зоне (3).
15. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что катализатор (4) содержит окислы переходных металлов.
16. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что катализатор (4) сконфигурирован в виде
сот или налагается и/или вводится в носитель, сконфигурированный в виде сот.
17. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что катализатор (4) находится в виде слоя
или пакета, имеющего глубину в направлении потока по меньшей мере 3 см.
18. Способ проведения каталитических экзотермических газофазных реакций в подаваемой газовой смеси, содержащей аммиак и кислород, в реакторе по п. 1, характеризующийся тем, что
I) вводят подаваемую газовую смесь, содержащую аммиак и кислород, во впускную
зону (1) реактора;
II) обеспечивают в реакционной зоне (2) условия для полного или частичного превращения подаваемой газовой смеси, содержащей аммиак и кислород, в продукты экзотермической реакции;
III) производят выпуск полученного газа из реактора через выпускную зону (3).
19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что применяют катализатор, содержащий
окисел переходного металла.
20. Способ по п. 18, отличающийся тем, что применяют катализатор, сконфигурированный в виде сот.
21. Способ по п. 18, отличающийся тем, что применяют катализатор в виде слоя или
пакета, имеющего глубину в направлении потока газовой смеси по меньшей мере 3 см.
22. Применение реактора по п. 1 для окисления аммиака.
23. Применение по п. 22, отличающееся тем, что реактор встроен в установку для получения капролактама или азотной кислоты.
Данное изобретение относится к усовершенствованному реактору для каталитических
газофазных реакций и процессам, выполняемым с его помощью, в особенности к усовершенствованным окислительным процессам, например окислению аммиака, которые могут
применяться, например, как составные части процесса получения капролактама или азотной кислоты.
При выполнении каталитических газофазных реакций во многих случаях выделяется
тепло. Вызываемое этим повышение температуры внутри реактора может быть опасным,
в особенности когда применяются взрывчатые смеси исходных материалов.
Тепло, выделяемое при экзотермических газофазных реакциях, может достигать частей
реактора, расположенных выше реакционной зоны по потоку, например, из-за тепловой
проводимости нагретых стенок реактора, с помощью конвекции вследствие завихрения
реакционных газов, распространяющихся в направлении, противоположном потоку, а
также в результате теплового излучения. Вследствие такого переноса тепла подаваемый
газ перед достижением реакционной зоны может нагреваться так сильно, что еще до входа
3
BY 18496 C1 2014.08.30
в эту зону могут происходить нежелательные вторичные реакции или неконтролируемые
преждевременные реакции.
Примером экзотермической газофазной реакции, которая выполняется в большом промышленном масштабе, является получение азотной кислоты (HNO3). Она обычно выполняется в промышленном масштабе путем каталитического окисления аммиака при
катализаторах Pt/Rh в процессе Оствальда. Здесь NH3 окисляется очень избирательно до
NO, которая в ходе дальнейшего процесса окисляется до NO2 и, наконец, реагирует с водой в абсорбционной колонне, образуя HNO3. Катализаторы Pt/Rh располагаются в виде
тонкой металлической сетки по широкой площади. Обычными размерами таких сеток являются диаметры 0,5-5 м. Толщина пакета сеток в зависимости от количества применяемых сеток обычно составляет от нескольких мм до 2 см максимально. Газовая смесь,
обычно содержащая 8-12 % аммиака по объему и воздух, проходит через сетки при температуре 850-950 °С, устанавливающейся на сетках вследствие экзотермической реакции.
Горячий реакционный газ затем охлаждается в теплообменнике, в котором вырабатывается водяной пар или нагревается технологический газ.
Такая геометрия катализатора, а именно большой диаметр и очень малая высота сетки,
выбрана потому, что, во-первых, окисление NH3 должно происходить за очень короткое
время пребывания вследствие возможной дополнительной реакции NO и, во-вторых, падение давления, вызываемое потоком через сетки, и механическая нагрузка на сетки
должны поддерживаться как можно более низкими. Таким образом, поток через сетки в
промышленном производстве HNO3 имеет относительно низкую линейную скорость, составляющую в зависимости от диапазона давления около 0,4-1,0 м/с при атмосферных условиях, около 1-3 м/с в случае процесса горения при средних абсолютных давлениях в
диапазоне 3-7 бар и около 2-4 м/с в случае процесса сгорания при высоких абсолютных
давлениях в диапазоне 8-12 бар, причем эти скорости являются приведенными скоростями
для газа, нагретого теплом реакции. Вдобавок, если поток имеет слишком большую скорость, реакция на сетках Pt/Rh может быть заторможена с помощью охлаждения струей
втекающего газа (эффект "продувки").
Нижний предел скорости впуска смеси воздуха и аммиака определяется скоростью
распространения пламени возможного теплового горения аммиака, так что обратный ход
пламени реакции, возгоревшегося на катализаторе, в пространство свободного газа вверх
по потоку слоя катализатора, может быть в любом случае исключен.
Помимо классических сетчатых катализаторов, в научной и патентной литературе
описывается применение для окисления аммиака катализаторов, не содержащих благородных и редких металлов, но основанных на окислах переходных металлов. Они могут
быть использованы либо сами по себе, либо в комбинации с сетками Pt/Rh.
Обзор такой литературы можно найти, например, у Садыкова и др., Appl. Catal.
General A: 204 (2000) 59-87. Непосредственной причиной применения катализаторов, не
содержащих благородных и редких металлов, является экономия благородных металлов, в
особенности платины. Катализаторы из благородных металлов расходуются при окислении аммиака и, следовательно, должны пополняться в зависимости от пропускной способности сеток с интервалами от трех месяцев до года, что чрезвычайно дорого.
Катализаторы, основанные на окислах переходных металлов, подобно сетчатым катализаторам Pt/Rh, обычно действуют при относительно низких скоростях впуска. Это необходимо, в частности, для того, чтобы избежать затормаживания окисления аммиака
после того, как он воспламенится на катализаторе. Катализаторы, основанные на окислах
переходных металлов, обычно менее активны, чем катализаторы на основе благородных
металлов, и по сравнению с последними имеют значительно более высокую температуру
воспламенения, а также более высокую температуру затормаживания.
4
BY 18496 C1 2014.08.30
В заявке WO-A-99/25650 описывается, как можно понизить температуру "продувки" с
помощью применения очень тонко измельченных гранул катализатора, размещенных в
капсулах, без снижения давления.
При каталитическом окислении аммиака всегда возникает проблема возможного его
воспламенения до контакта с катализатором настоящего окисления, например, на горячих
стенках трубы и неизбирательного превращения его при этом в N2 и H2O или N2O.
В EP-A-1028089 утверждается, что обратное излучение от сгорания аммиака при достижении распределительных устройств для транспортирования смеси NH3 / воздух может
привести к нагреванию этих внутренних устройств, в результате чего часть втекающего
NH3 окисляется до N2O на поверхности этих устройств.
Проблема преждевременного воспламенения NH3 приобретает особое значение при
необходимых в промышленных масштабах производства высоких концентрациях NH3
8-12 % по объему, поскольку сгорание при таких условиях становится самоподдерживающимся и может даже усиливаться за счет выделяемого при реакции тепла.
Вдобавок, к действительной температуре воспламенения, то есть критической температуре поверхности, выше которой может происходить разложение NH3, удаление тепла,
выделяемого при разложении NH3, также является делом первостепенной важности.
Это удаление улучшается при увеличении скорости течения по поверхностям газовой
струи (охлаждающее действие) и более низкой температуре этой струи. Вдобавок, время
пребывания подаваемой газовой струи до вхождения ее в контакт с катализатором уменьшается и время протекания возможной неизбирательной преждевременной реакции, таким
образом, тоже уменьшается.
При промышленном производстве HNO3 путем окисления аммиака на сетках Pt/Rh
низкая температура инициирования высокоактивных катализаторов Pt/Rh делает возможной относительно низкую температуру на входе - около 200 °С. Таким образом, преждевременное воспламенение аммиака не является препятствием для промышленного
осуществления процесса, несмотря на низкие скорости впуска.
Однако когда применяются катализаторы с низкой каталитической активностью, подаваемая смесь газов должна иметь более высокую температуру (предварительный нагрев) либо процесс должен проходить с низкими скоростями впуска; предпочтительно
сочетание этих двух параметров. При этих условиях риск преждевременного воспламенения аммиака возрастает.
Эксперименты с катализаторами сотовой структуры, которые по сравнению с платиновыми сетками имеют уменьшенное поперечное сечение и увеличенную глубину слоя,
показывают, что избирательность образования желаемого окисла NOx при низких скоростях впуска подаваемой газовой смеси становится очень малой. Следовательно, экономическая выгода такого процесс весьма проблематична. Такое явление теоретически может
компенсироваться повышением скорости впуска подаваемой газовой смеси. Однако повышение скорости впуска на практике подлежит ограничению, поскольку происходит непропорциональное падение давления и, вдобавок, при некоторых обстоятельствах достигается
только неполное сгорание аммиака.
Такие же проблемы существуют, в принципе, и при других экзотермических газофазных
реакциях промышленного масштаба, например, окислительных реакциях иных, чем окисление аммиака, эпоксидировании или свободнорадикальной галогенизации углеводородов.
Целью данного изобретения является создание реактора и процесса каталитической
экзотермической газофазной реакции с пониженным риском преждевременного воспламенения подаваемого газа или газовой смеси и возникновения нежелательных вторичных
реакций.
В данном изобретении предлагается реактор для проведения каталитических экзотермических газофазных реакций в подаваемой газовой смеси, содержащей аммиак и кислород, содержащий по направлению потока подаваемой газовой смеси впускную зону 1 для
5
BY 18496 C1 2014.08.30
введения подаваемой газовой смеси, содержащей аммиак и кислород; реакционную зону 2,
включающую по меньшей мере один катализатор 4; выпускную зону 3 для выведения полученного газа; и средства для уменьшения переноса тепла реакции из реакционной зоны 2
во впускную зону 1 в виде по меньшей мере одной изоляционной прокладки 6, изолирующей внутреннее пространство реактора в области впускной зоны 1 или в области впускной
зоны 1 и реакционной зоны 2 от стенки 5 реактора и помещенной в область впускной зоны 1
или в область впускной зоны 1 и реакционной зоны 2, и/или в виде по меньшей мере одного
устройства для подачи охлаждающего агента, помещенного в область впускной зоны 1
или в область впускной зоны 1 и реакционной зоны 2; внутренние стенки реактора в области впускной зоны 1 или в области впускной зоны 1 и реакционной зоны 2 выполнены
из инертного материала.
Подаваемый газ входит в реактор через впускную зону 1 и затем течет через реакционную зону 2, в которой находится катализатор 4. Здесь подаваемый газ полностью или
частично вступает в экзотермическую реакцию, образуя конечный газообразный продукт
реактора, который затем покидает реактор через выпускную зону 3. Вследствие того, что в
реакционной зоне 2 образуется тепло, возникает риск переноса, по крайней мере, части
этого тепла в обратном направлении к подаваемому газу во впускной зоне 1 вследствие
теплопроводности, конвекции и/или излучения и нежелательного нагревания подаваемого
газа или поверхности стенки реактора во впускной зоне 1.
Чтобы предотвратить или хотя бы воспрепятствовать этому, область впускной зоны 1
или область впускной зоны 1 и реакционной зоны 2 снабжены в главном варианте осуществления данного изобретения средством, которое уменьшает перенос тепла из реакционной зоны 2 во впускную зону 1.
В дополнительном варианте осуществления данного изобретения внутренние стенки
реактора в области впускной зоны 1 или в области впускной зоны 1 и реакционной зоны 2
выполняются из инертного материала. Такое исполнение предотвращает или препятствует
каталитической реакции подаваемого газа на внутренних стенках реактора.
В данном описании термин "инертный материал" относится ко всем материалам, которые не способствуют никаким нежелательным вторичным реакциям при температурах,
преобладающих в подаваемых газах во впускной зоне или при температурах на поверхностях внутренней стенки впускной зоны. Эти материалы могут дополнительно уменьшать
перенос тепла из реакционной зоны 2 во впускную зону 1. Инертные и теплоизоляционные материалы входят в состав предпочтительного осуществления изобретения.
Инертные материалы покрывают внутренние стенки реактора. Они, например, налагаются на внутренние стенки реактора или присутствуют в реакторе в виде гильзы, или
стенки реактора состоят из инертных материалов.
Примерами инертных материалов являются керамика, в частности керамика, спекшаяся до высокой плотности, а также кварцевое стекло, шамот, эмаль или металлы, имеющие
полированные поверхности.
При выборе средств уменьшения переноса тепла из реакционной зоны 2 во впускную
зону 1 можно использовать различные подходы к решению.
В одном из примеров осуществления область впускной зоны 1 или область впускной
зоны 1 и реакционной зоны 2 снабжена изоляционной прокладкой 6, которая изолирует
внутреннее пространство реактора от стенки 5 реактора. Эта изоляционная прокладка 6
функционирует, по существу, двумя способами. Тепло, которое легко передается по стенке 5 реактора из реакционной зоны 2 во впускную зону 1, может пройти через плохо проводящую изоляционную прокладку 6 на поверхность, обращенную к подаваемому газу,
лишь с большим трудом. Вдобавок, непосредственная теплопередача по изоляционной
прокладке 6 из реакционной зоны 2 во впускную зону 1 уменьшается в результате низкой
теплопроводности изоляционной прокладки 6.
6
BY 18496 C1 2014.08.30
Во втором примере осуществления область впускной зоны 1 или область впускной зоны 1 и реакционной зоны 2 снабжена устройством, через которое может быть пропущен
охлаждающий агент. Это устройство поглощает часть тепла, вырабатываемого в реакционной зоне 2, так что это тепло не может быть передано дальше во впускную зону 1, и/или
это тепло вводится в подаваемый газ в том месте впускной зоны 1, в котором подаваемый
газ еще настолько охлажден, что подъем температуры, вызываемый вводом этого тепла,
не является критическим; или охлаждающий агент понижает температуру во впускной зоне 1, примыкающей к реакционной зоне 2, до такой степени, что температура во впускной
зоне 1 остается в некритическом диапазоне, несмотря на тепло, отводимое из реакционной
зоны 2. Особо предпочтителен реактор, снабженный комбинацией этих двух средств.
В добавочном предпочтительном исполнении предлагаемый реактор в области впускной зоны 1 или в области впускной зоны 1 и реакционной зоны 2 снабжен средствами, которые уменьшают перенос тепла из реакционной зоны 2 во впускную зону 1, а внутренние
стенки реактора в области впускной зоны 1 или в области впускной зоны 1 и реакционной
зоны 2 выполнены из инертного материала.
В данном изобретении также предлагается способ выполнения каталитических экзотермических газофазных реакций, в которых применяется вышеописанный реактор.
Способ содержит следующие этапы:
I) вводят подаваемую газовую смесь, содержащую аммиак и кислород, во впускную
зону (1) реактора;
II) обеспечивают в реакционной зоне (2) условия для полного или частичного превращения подаваемой газовой смеси, содержащей аммиак и кислород, в продукты экзотермической реакции;
III) производят выпуск полученного газа из реактора через выпускную зону (3).
При реализации способа с применением вышеописанного реактора осуществляют
обеспечение средств для уменьшения переноса тепла реакции из реакционной зоны 2 во
впускную зону 1 и/или применение реактора, внутренние стенки которого в области впускной зоны 1 или в области впускной зоны 1 и реакционной зоны 2 выполнены из инертного материала.
В качестве подаваемых газов можно использовать множество разнообразных газов
или, предпочтительно, газовых смесей. Природа этих газов или газовых смесей не является решающим фактором до тех пор, пока они представляют собой подаваемые газы или
подаваемые газовые смеси, которые способны участвовать в каталитической экзотермической газофазной реакции в реакторе, предлагаемом в данном изобретении.
Примерами химических реакций, которые могут выполняться в предлагаемом реакторе, являются окислительные реакции всех типов и другие экзотермические радикальные
газофазные реакции, например реакции галогенирования.
Реактор, предлагаемый в данном изобретении, преимущественно используется для
окисления аммиака, в частности для получения капролактама и азотной кислоты.
Предлагаемому реактору также отдается предпочтение при выполнении реакции Андрусова, в частности, для синтеза цианистого водорода из аммиака, кислорода и углеводородов, предпочтительно метана.
В описании, приведенном ниже, окисление аммиака для получения азотной кислоты в
качестве образцовой реакции будет объяснено более подробно с помощью примера. Однако реактор и процесс, предлагаемые в данном изобретении, как указывалось выше, пригодны также в принципе для других реакций.
В качестве катализаторов можно использовать все катализаторы, которые подходят для
соответствующей целевой реакции или реакций. Они могут быть использованы, например,
в чистом виде как "цельноактивные" (all-active) катализаторы или в виде катализаторов на
носителе. Возможно также применение катализаторов всех обычных геометрических
форм, например таблеток, гранул, экструдата или порошка в виде слоев, пакетов, сеток
или иных форм, например в форме монолитных сот.
7
BY 18496 C1 2014.08.30
В соответствии с данным изобретением можно использовать, например, катализаторы,
содержащие окиси переходных металлов, как описано, например, в Appl. Catal. General A:
204 (2000) 59-87, в патенте США 5.690.900 или в EP-A-946.290.
Наиболее часто применимыми являются кобальтосодержащие катализаторы. Из структурных типов наиболее применимы перовскиты.
В соответствии с данным изобретением предпочтительно использовать для окисления
аммиака катализаторы сотовой формы. Они могут применяться, например, в форме сотовых "цельноактивных" катализаторов или катализаторов на носителе в виде сотовых носителей, на которые и/или в которые нанесено и/или введено каталитически активное
вещество.
Особое предпочтение отдается катализаторам, например, в виде слоев, пакетов или
сот, которые, если смотреть в направлении потока, имеют глубину по меньшей мере 3 см,
предпочтительно 5 см, особо предпочтительно 10 см и еще более предпочтительно от 10
до 200 см.
Следующие примеры и фигуры иллюстрируют изобретение, не ограничивая его объем. На фигурах:
фиг. 1 - устройство в соответствии сданным изобретением в продольном разрезе;
фиг. 2 - дополнительное устройство в соответствии с данным изобретением в продольном разрезе;
фиг. 3 - дополнительное устройство в соответствии с данным изобретением в продольном разрезе;
фиг. 4 - дополнительное устройство в соответствии с данным изобретением в продольном разрезе;
фиг. 5 - дополнительное устройство в соответствии с данным изобретением в продольном разрезе;
фиг. 6 - реактор для окисления аммиака, модифицированный в соответствии сданным
изобретением, в продольном разрезе;
фиг. 7 - дополнительное устройство в соответствии с данным изобретением в продольном разрезе.
Фигуры подробно описаны в следующих примерах.
Пример 1.
На фиг. 1 основные характерные особенности изобретения показаны на примере устройства для окисления аммиака.
Устройство для окисления аммиака можно разделить на три зоны, а именно впускную
зону 1, реакционную зону 2 и выпускную зону 3.
Газовая смесь, содержащая аммиак и кислород (ниже называемая "подаваемой газовой
смесью"), вводится во впускную зону 1 и сталкивается с катализатором 4 окисления аммиака в последующей реакционной зоне 2. Получаемая в реакции окисления газовая смесь
затем покидает реакционную зону 2 через выпускную зону 3.
В примере осуществления, показанном на фиг. 1, все три зоны 1, 2, 3 предлагаемого
устройства окружены стенкой 5, которая дополнительно служит опорой для катализатора 4
и для изоляционной прокладки 6. Стенка 5 может сама по себе образовывать стенки сосуда высокого давления или, альтернативно, стенка может располагаться в пространстве,
которое, в свою очередь, окружено кожухом высокого давления (на фиг. 1 не показано).
Тепловое разделение впускной зоны 1 и реакционной зоны 2 осуществляется с помощью изоляционной прокладки 6, которая выполнена из теплоизоляционного газонепроницаемого материала. Изоляционная прокладка 6 предотвращает или препятствует
проникновению тепла во впускную зону 1 и переносу его в подаваемую газовую смесь в
результате тепловой проводимости стенки 5 реакционной зоны 2. Часть стенки 5, расположенная во впускной зоне, становится теплее за счет переноса тепла реакции из реакционной зоны 2, но перенос тепла в подаваемую газовую смесь в значительной степени
8
BY 18496 C1 2014.08.30
задерживается теплоизоляционной прокладкой 6. Поскольку изоляционная прокладка 6
обладает низкой теплопроводностью, она также предотвращает или препятствует непосредственному переносу тепла по прокладке 6 из реакционной зоны 2 во впускную зону 1.
В результате соответствующего подбора материалов и толщины изоляционной прокладки 6 температура стенки изолирующей прокладки 6, обращенной к подаваемой газовой смеси, остается ниже температуры воспламенения или реагирования подаваемой
газовой смеси, и нежелательные преждевременные реакции устраняются.
Пример 2.
На фиг. 2 показано устройство, подобное показанному на фиг. 1. За исключением способа теплового разделения между впускной зоной 1 и реакционной зоной 2 этот пример
осуществления подобен устройству примера 1.
Это устройство для окисления аммиака также содержит впускную зону 1, реакционную зону 2 и выпускную зону 3.
Газовая смесь, содержащая аммиак и кислород, вводится во впускную зону 1. Затем
смесь сталкивается с катализатором 4 окисления аммиака в реакционной зоне 2. Получаемая
в реакции окисления газовая смесь покидает реакционную зону 2 через выпускную зону 3.
Стенка 5 всех трех зон поддерживает катализатор 4. Стенка 5 может сама по себе образовывать стенки сосуда высокого давления или, альтернативно, стенка может располагаться в пространстве, которое, в свою очередь, окружено кожухом высокого давления (не
показанным здесь).
На высоте впускной зоны 1 и реакционной зоны 2 стенка 5 сконфигурирована как
двойная стенка. В конце двойной стенки на высоте реакционной зоны 2 имеется впускное
отверстие 7 для охлаждающего агента, который совместим с подаваемой газовой смесью,
реакциями, выполняемыми в реакторе, катализатором 4 и получаемой газовой смесью. В
установках для получения азотной кислоты в качестве охлаждающего агента можно использовать, например, воздух.
Охлаждающий агент течет в пространстве 9 двойной стенки и охлаждает внутреннюю
часть стенки 5. Этим обеспечивается тепловое разделение впускной зоны 1 и реакционной
зоны 2, поскольку тепло из реакционной зоны 2, достигающее впускной зоны 1 в результате теплопроводности стенки 5, передается охлаждающему агенту.
Охлаждающий агент входит во впускную зону 1 через множество небольших отверстий 10 в конце двойной стенки на высоте впускной зоны 1 и смешивается с подаваемой
газовой смесью.
Температура в подаваемой газовой смеси и на внутренней поверхности стенки 5 может поддерживаться ниже температуры воспламенения или реагирования подаваемой газовой смеси путем соответствующего выбора расстояния между впускным отверстием 7 и
отверстиями 10 и соответствующего выбора типа, количества, расхода и входной температуры охлаждающего агента таким образом, чтобы нежелательные преждевременные реакции устранялись.
Пример 3.
На фиг. 3 показано устройство, предлагаемое в данном изобретении, с помощью которого
производится особенно эффективное тепловое разделение впускной и реакционной зон.
Устройство для окисления аммиака также содержит впускную зону 1, реакционную
зону 2 и выпускную зону 3.
Газовая смесь, содержащая аммиак и кислород, вводится во впускную зону 1. Затем
смесь сталкивается с катализатором 4 окисления аммиака в реакционной зоне 2. Получаемая
в реакции окисления газовая смесь покидает реакционную зону 2 через выпускную зону 3.
Стенка 5 всех трех зон поддерживает катализатор 4 и изоляционную прокладку 6.
Стенка 5 может сама по себе образовывать стенки сосуда высокого давления или, альтернативно, стенка 5 может располагаться в пространстве, которое, в свою очередь, окружено
кожухом высокого давления (здесь не показан).
9
BY 18496 C1 2014.08.30
На высоте впускной зоны 1 и реакционной зоны 2 стенка 5 сконфигурирована в виде
двойной стенки. Здесь также предусмотрены соединения (соединительные патрубки) 7a, 7b
для охлаждающего агента. Соответствующим охлаждающим агентом может быть, например, вода или воздух. Охлаждающий агент может течь в параллельном или противоположном направлении относительно направления потока подаваемой газовой смеси.
Тепловое разделение впускной зоны 1 и реакционной зоны 2 осуществляется как с помощью изоляционной прокладки 6, так и с помощью течения охлаждающего агента через
пространство 9 между двойными стенками 5.
Изоляционная прокладка 6, которая выполняется из теплоизолирующего материала и
покрывает стенку 5 на высоте реакционной зоны 2 и впускной зоны 1, предотвращает перенос тепла, которое пришло во впускную зону 1 из реакционной зоны 2 в результате теплопроводности стенки 5, в подаваемую газовую смесь. Поскольку изоляционная
прокладка 6 обладает низкой теплопроводностью, она также предотвращает или препятствует переносу тепла из реакционной зоны 2 во впускную зону 1.
Охлаждающий агент протекает через пространство 9 в двойной стенке 5 и охлаждает
внутреннюю часть стенки 5. Тем самым создается дополнительное тепловое отделение
впускной зоны 1 от реакционной зоны 2, поскольку тепло, достигающее впускной зоны 1
из реакционной зоны 2 за счет теплопроводности стенки 5, переносится в охлаждающий
агент. После протекания через двойную стенку охлаждающий агент покидает пространство 9 между двойными стенками снова через одно из соединений 7a, 7b.
Действие изоляционной прокладки 6 в этом случае помогает охлаждению с помощью
охлаждающего агента. В результате соответствующего подбора изоляционных материалов
и их толщины, а также охлаждающего агента, температура стенки изоляционной прокладки 6, обращенной к подаваемой газовой смеси, остается ниже температуры воспламенения
или реагирования подаваемой газовой смеси, и нежелательные преждевременные реакции
устраняются.
Пример 4.
На фиг. 4 показано устройство, подобное устройству на фиг. 2. Здесь тепловое разделение между впускной зоной 1 и реакционной зоной 2 осуществляется с помощью охлаждения впускной зоны.
Устройство для окисления аммиака также содержит впускную зону 1, реакционную
зону 2 и выпускную зону 3.
Газовая смесь, содержащая аммиак и кислород, вводится во впускную зону 1. Затем
смесь сталкивается с катализатором 4 окисления аммиака в реакционной зоне 2. Получаемая в реакции окисления газовая смесь затем покидает реакционную зону 2 через выпускную зону 3.
Стенка 5 всех трех зон удерживает катализатор 4. Стенка 5 может сама по себе образовывать стенки сосуда высокого давления или, альтернативно, стенка 5 может располагаться в пространстве, которое, в свою очередь, окружено кожухом высокого давления
(здесь не показан).
На высоте впускной зоны 1 стенка 5 сконструирована в виде двойной стенки. На конце двойной стенки вблизи реакционной зоны 2 имеется впускное отверстие 7 для охлаждающего агента, который совместим с подаваемой газовой смесью, реакциями,
выполняемым в реакторе, катализатором 4 и получаемой газовой смесью. В установках
для получения азотной кислоты в качестве охлаждающего агента можно использовать,
например, воздух.
Охлаждающий агент течет через пространство 9 в двойной стенке и охлаждает внутреннюю часть стенки 5 на высоте впускной зоны 1. Тем самым осуществляется тепловое
разделение впускной зоны и реакционной зоны, поскольку тепло, достигающее впускной
зоны 1 из реакционной зоны 2 в результате теплопроводности стенки 5, переносится в охлаждающий агент.
10
BY 18496 C1 2014.08.30
Охлаждающий агент входит во впускную зону 1 через множество небольших отверстий 10 в конце двойной стенки, так что охлаждающий агент смешивается с подаваемой
газовой смесью, текущей в реактор.
Температура в подаваемой газовой смеси и на внутренней поверхности стенки 5 может поддерживаться ниже температуры воспламенения или реагирования подаваемой газовой смеси путем соответствующего выбора расстояния между впускным отверстием 7 и
отверстиями 10 и соответствующего выбора типа, количества, расхода и входной температуры охлаждающего агента таким образом, чтобы нежелательные преждевременные реакции устранялись.
Пример 5.
На фиг. 5 показано устройство, подобное устройству на фиг. 3. Однако здесь изоляционная прокладка 6 присутствует только на высоте впускной зоны 1.
Устройство для окисления аммиака также содержит впускную зону 1, реакционную
зону 2 и выпускную зону 3.
Газовая смесь, содержащая аммиак и кислород, вводится во впускную зону 1. Затем
смесь сталкивается с катализатором 4 окисления аммиака в реакционной зоне 2. Получаемая в реакции окисления газовая смесь затем покидает реакционную зону 2 через выпускную зону 3.
Стенка 5 всех трех зон удерживает катализатор 4 и изоляционную прокладку 6. Стенка 5
может сама по себе образовывать стенки сосуда высокого давления или, альтернативно,
стенка 5 может располагаться в пространстве, которое, в свою очередь, окружено кожухом высокого давления (здесь не показан).
На высоте впускной зоны 1 и реакционной зоны 2 стенка 5 сконфигурирована в виде
двойной стенки. Здесь также предусмотрены соединения 7а, 7Ь для охлаждающего агента.
Охлаждающий агент может течь в параллельном или противоположном направлении относительно направления потока подаваемой газовой смеси. Тепловое разделение впускной зоны 1
и реакционной зоны 2 осуществляется как с помощью изоляционной прокладки 6, так и с
помощью потока охлаждающего агента в пространстве 9 между двойными стенками 5.
Изоляционная прокладка 6, которая выполняется из теплоизолирующего материала и
покрывает стенку 5 на высоте впускной зоны 1, предотвращает перенос тепла, поступившего во впускную зону 1 из реакционной зоны 2 вследствие теплопроводности стенки 5, в
подаваемую газовую смесь. Поскольку изоляционная прокладка б обладает низкой теплопроводностью, она также предотвращает или препятствует переносу тепла из реакционной зоны 2 во впускную зону 1.
Охлаждающий агент протекает через пространство 9 в двойной стенке 5 и охлаждает
внутреннюю часть стенки 5. Тем самым создается дополнительное тепловое разделение
впускной зоны 1 и реакционной зоны 2, поскольку тепло, поступающее во впускную зону 1
из реакционной зоны 2 вследствие теплопроводности стенки 5, переносится в охлаждающий агент. После протекания через двойную стенку охлаждающий агент покидает пространство 9 между двойными стенками снова через один из соединительных патрубков 7a, 7b.
Действие изоляционной прокладки 6 помогает охлаждению с помощью охлаждающего
агента. В результате соответствующего подбора изоляционных материалов и их толщины,
а также охлаждающего агента, температура стенки изоляционной прокладки 6, обращенной
к подаваемой газовой смеси, остается ниже температуры воспламенения или реагирования
подаваемой газовой смеси, и нежелательные преждевременные реакции устраняются.
Пример 6.
Этот вариант осуществления изобретения состоит, в основном, в замене существующей головки (cap) обычного реактора для окисления аммиака. На фиг. 6 показан реактор
для окисления аммиака, предлагаемый в данном изобретении.
Смесь, содержащая кислород и аммиак, входит в устройство по трубе 12. Смесь проходит через катализатор 4 окисления аммиака, который (катализатор) в данном случае
11
BY 18496 C1 2014.08.30
имеет сотовую конфигурацию и/или находится на сотовом носителе. Здесь аммиак путем
реакции с частью кислорода из подаваемой смеси превращается в закись азота. В результате экзотермической реакции происходит повышение температуры в катализаторе 4, который находится в реакционной зоне 2. Получаемая горячая смесь вытекает через
отверстие 13 ниже катализатора 4 в пространство 3, которое представляет собой выпускную зону. Из пространства 3 полученный горячий газ подается в газовую турбину (которая здесь не показана) или в один или несколько теплообменников (не показаны здесь) для
получения энергии или использования технологического тепла иным способом.
Для осуществления теплового разделения стороны подачи и реакционной зоны 2 катализатор 4 окисления аммиака вводится в гильзу 14, выполненную из теплостойкого теплоизолирующего материала, например керамики или кварцевого стекла. Тем самым предотвращается преждевременное воспламенение подаваемой газовой смеси аммиака и кислорода.
Катализатор 4 свободно посажен в гильзу 14 и удерживается опорным кольцом 15, а в
случае катализатора, состоящего из нескольких частей, - несколькими опорными брусьями (не показаны) из теплостойкого материала, например керамики или плавленого кварца.
Опорное кольцо 15 исключает любой обходный путь газа. Опорные брусья, если они установлены, занимают только незначительную часть поперечного сечения потока.
Для опоры и защиты гильзы 14 последняя окружена металлическим стаканом 16, выполненным из материала, стойкого к высокой температуре. Нижний конец металлического стакана 16 снабжен выступом 17, который поддерживает опорный брус или опорное
кольцо 15 и тем самым также катализатор 4. На нижнем конце металлического стакана 16
предусмотрена решетка 18, через которую получаемый газ вытекает из катализатора 4 в
пространство 3. Решетка 18 служит для механической стабилизации металлического стакана 16 и для поддержки нескольких опорных брусьев. Если катализатор 4 для окисления
аммиака не представляет собой единый монолит, а состоит из нескольких частей, решетка 18 служит для поддержки отдельных частей через опорный брус. Если гильза 14 непредвиденно сломается, например в результате теплового напряжения, металлический
стакан 16, выступ 17 и решетка 18 также удержат гильзу 14 и катализатор 4 от падения в
пространство 3.
Гильза 14 и металлический стакан 16 закрепляются болтами и гайками 19 к кожуху 20
высокого давления реактора для окисления аммиака. Область повышенного давления герметизируется с наружной стороны нажимным фланцем 23, установленным на сосуде.
Для замены катализатора трубу 12 удаляют с помощью разъединения винтовых соединений. Затем отвинчивают гайки или болты 19 и металлический стакан 16 и удаляют
из реактора керамическую или кварцевую гильзу 14 вместе с катализатором 4. Чтобы свести к минимуму время простоя (также по сравнению с обычным реактором для окисления
аммиака), заранее приготовленный второй узел, содержащий металлическую и керамическую или кварцевую детали 16, 14 и свежий катализатор 4 для окисления аммиака, может
быть немедленно установлен в реактор.
Для запуска реакции окисления аммиака при необходимости катализатор 4 можно
предварительно подогреть или активировать с помощью воспламенительного копья
(ignition lance) 25. Копье 25 содержит тонкую трубку, через которую в реактор для окисления аммиака подается водород, и устройство, которое может поджигать струю водорода
на открытом конце трубки.
Смотровое стекло 26, вставленное в изогнутую часть трубы реактора для окисления
аммиака, позволяет контролировать процесс воспламенения и состояние катализатора 4
для окисления аммиака во время работы. Контроль может выполняться визуально или посредством соответствующих измерительных устройств, например фотометров.
Для снижения температурной нагрузки на материал стенки сосуда высокого давления
в пространстве 3 ниже катализатора 4 для окисления аммиака эта стенка снабжена утоненным трубчатым средством охлаждения 27, установленным с внутренней стороны. По
трубкам средства охлаждения протекает вода или другой охладительный агент.
12
BY 18496 C1 2014.08.30
Пример 7.
Этот вариант исполнения предлагаемого в данном изобретении реактора, изображенный на фиг. 7, особенно пригоден для оборудования новых установок для производства
NO, поскольку соответствие диаметру какого-либо существующего устройства утилизации тепла, например бойлера, больше не является необходимым.
Основным отличием варианта на фиг. 7 от реактора примера 6 является то, что утоненная стенка 27 находится близко к металлическому стакану 16 и приспособленность к
значительно большему диаметру устройства, расположенного ниже по потоку, не является
необходимой. В этом варианте осуществления расположенные ниже агрегаты могут совмещаться с реактором для окисления аммиака. В качестве альтернативы изображенной
подвеске металлического стакана 16 металлический выступ 17, предназначенный для опоры катализатора 4, может быть расположен непосредственно на утоненной стенке 27 вместо металлического стакана 16. Это оказывает положительное влияние на механическую
стабильность конструкции.
Другие элементы, показанные на фиг. 7, соответствуют элементам на фиг. 6. Имеются
отверстие 13, опорное кольцо 15, решетка 18, болты и гайки 19, кожух 20 высокого давления, воспламенительное копье 25 и смотровое стекло 26.
Сравнительные примеры 8a-8c и пример 8d, соответствующий данному изобретению
При испытании сотовых катализаторов из окислов переходных металлов в процессе
окисления NH3 была сделана попытка определения влияния отклонения от обычных параметров катализатора на избирательность образования NOx. При сосредоточении потока
на меньшей площади впуска, относительно глубоком слое катализатора (5 см) в экспериментальном реакторе при атмосферных условиях и линейной скорости 1,0 м/с была обнаружена только низкая избирательность образования NO2.
Даже повышение линейной скорости до 2 м/с привело только к незначительному
улучшению избирательности N2. Результаты показаны в таблице ниже.
Линейная Объемная ПревраПример
скорость, скорость, щение
№
м/с
h-1
NH3, %
8a
1,0
10000
≈100
8b
2,0
20000
≈100
8c
1,0
10000
≈100
8d
1,0
10000
≈100
Концентрация
NH3, %
10
10
1
1
Избирательность
NOx, %
47
59
38
100
Материал
реактора
нержавеющая сталь
нержавеющая сталь
нержавеющая сталь
кварцевое стекло
Процедура эксперимента.
Смесь 10 или 1 % аммиака с воздухом пропускали через сотовый катализатор
(200 ячеек на кв.дюйм, длина 5 см, диаметр 1,8 см), содержащий перовскит LaCoO3, который был установлен в трубчатом реакторе, сделанном из нержавеющей стали или кварцевого стекла. Труба реактора располагалась в трубчатой печи, с помощью которой можно было
компенсировать возможные потери тепла. Регулирование температуры осуществлялось с
помощью термоэлектрического элемента, расположенного на 0,5 см ниже сот катализатора (выпускной конец). Температура на выпускном конце составляла постоянно 900 °С.
Состав входящего и выходящего газового потока анализировали с помощью анализатора FTIR (модель Avatar от Nicolet) с газовым элементом.
Данные, приведенные в таблице для экспериментов 8a-8c могут быть объяснены с помощью значительной доли NH3, подаваемой в N2 и H2O перед вводом в зону катализации,
что было подтверждено аналогичным экспериментом в выпускной трубе реактора. Здесь
полное превращение NH3, приводящее к образованию N2 и H2O, было отмечено в максимально нагретой реакционной трубе даже без присутствия сотового катализатора при линейной скорости 1,0 м/с.
13
BY 18496 C1 2014.08.30
Когда эксперимент, соответствующий примеру 8с, выполняется в реакторе из кварцевого стекла, которое является теплоизолятором и в то же время инертным веществом, неожиданно выяснилось, что избирательность NOx резко возрастает (сравните пример 8d,
соответствующий данному изобретению).
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Фиг. 5
14
BY 18496 C1 2014.08.30
Фиг. 6
Фиг. 7
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
15
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
254 Кб
Теги
by18496, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа