CN107206348A - 用于氨的催化氧化的催化网和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了用于减少在氨氧化过程中的N2O量的催化网(1)，所述催化网包含第一层(2)织造或针织的第一网丝材料(4)，由此所述第一网丝材料(4)由Pd或富Pd合金制成，由此所述第一层(2)包含第二网丝材料(5)形式的增强物，所述第二网丝材料被织造或针织在所述第一网丝材料(4)之中并且具有与所述第一网丝材料(5)不同的组成。
Description
技术领域
本发明涉及用于氨的催化氧化的催化网和装置。
背景技术
氨氧化成NO(硝酸制造的中间步骤)通常在具有催化网的反应器中进行。这些催化网通常为织造网丝或针织网丝，这些网丝由铂制成或者由铂的合金与作为微量组分的其它贵金属一起制成。
在该过程中，N2O作为不期望的副产物产生。N2O被视为非常强效的温室气体，因此在氨氧化过程中限制N2O的产生非常重要。
从WO01/87771中已知，在基于Pt的传统催化网下游使用由Pd或富Pd网丝制成的催化网可以减少所产生的N2O的量。这可能是通过N2O分子的离解来起效的。
然而，这种基于Pd的催化网在机械性质上相对较弱，这就意味着，其在使用期间可能出现断裂，而这显然将导致部分N2O绕过基于Pd的催化网而不与催化活性金属接触。因此，在使用期间，N2O水平将升高，使得这种基于Pd的催化网具有有限的技术寿命，并且甚至可能需要使氨氧化设备停工以更换催化网。
由于Pd及其它贵金属都非常昂贵，因此使用更厚且因此强度更大的网丝来制作基于Pd的催化网，或者使用更多的网丝来制作强度更大的催化网，从经济角度而言并不具有吸引力。此外，这在技术上也不具有吸引力，因为随着网丝直径增大，压降也增大，这将对过程的总体效率而言为不利的。因此，对于基于Pd的催化网而言，在指定催化活性下的网强度和材料用量的优化非常重要。
氨氧化期间出现的另一个问题是，需连续使用多个基于Pd的催化网，并且这些网在使用期间可能会熔合在一起。
这降低总体高度，换句话讲，减小气体流动方向上的尺寸，从而使得在使用期间，气体与基于Pd的催化网的接触时间减少，并因此降低催化网的性能。此外，这再次导致反应器中的压降增大，从而降低反应器的生产能力和/或增大作用于基于Pd的催化网上的力。
断裂的形成以及高度的塌缩在整个基于Pd的催化网上通常不是均匀分布的。
任何不均匀分布的负面效应将导致总体歧化效应，因为与平均值的局部偏差(例如，高于平均局部压降或局部温度)形成加快进一步偏差的关键点，从而可能导致严重故障，例如，由于在网的某个点处存在优先流动，导致流动分布较差，故而发生氨滑移。
发明内容
本发明旨在通过提供一种用于减少在氨氧化过程中产生的N2O量的催化网来解决或减少上述及其它问题，该催化网包含第一层织造或针织的第一网丝材料，由此所述第一网丝材料由Pd或富Pd合金制成，由此所述第一层包含第二网丝材料形式的增强物，该第二网丝材料被织造或针织在第一网丝材料之中并且具有与第一网丝材料不同的组成。
第一网丝材料和第二网丝材料可以单股长网丝或股数非常有限的长网丝的形式存在，或者可为若干或甚至许多较短长度的网丝。
优选地，第一层为针织层。
富Pd合金是指含有50重量％或更多Pd的合金。例如，第一网丝材料由具有至少75.0重量％Pd的合金制成。
优选地，第一网丝材料由具有多于80.0重量％且少于82.0重量％Pd的合金制成。更优选地，第一网丝材料由具有至少80.0重量％Pd和至少10.0重量％Pt的Pd-Pt-Rh合金制成。
本发明的优点在于，第二网丝材料形成基于Pd的机械结构的增强物。
在这种情况下，第二网丝材料为第二增强网丝材料，该第二增强网丝材料被织造或针织在第一网丝材料之中，使得催化网在操作或使用期间机械强度更大，并且因此使得催化网可以用得更久，或者对于相同的预计使用情况，减少需要使用的贵金属量。第二网丝的组成可被选择成使得它可以最佳地实施其增强功能。
在一个优选的实施方案中，第二网丝材料由Pt或富Pt合金制成，并且优选地由具有1％-10％Rh的Pt-Rh合金制成。
这种材料与基于Pd的第一网丝材料相比强度大得多，并且此外还具有针对所需氨氧化成NO的进一步的催化活性。
换言之，这种Pt或富Pt第二网丝材料在本发明中协同地使用，为基于Pd的第一层提供增强作用。
在另一个优选的实施方案中，催化网包含第二层织造或针织的第三网丝材料，由此所述第三网丝材料由Pd或富Pd合金制成，由此所述第二层还包含第二网丝材料，该第二网丝材料被织造或针织(优选地针织)在第三网丝材料之中，并且由此优选地，第二网丝材料将第一层和第二层结合在一起。
第二网丝的存在不仅将使催化网与其它情况相比强度更大，而且还将降低所述两层发生熔合的趋势，从而保持更长时段的高性能。
另外，与两个或更多个单层催化网相比，单个多层催化网更容易安装在反应器中并且更容易从反应器移除。
在一个具体实施方案中，第一网丝材料和第三网丝材料的重量百分比总和介于33重量％和67重量％之间，并且优选地介于45重量％和65重量％之间。
优选地，第二网丝材料设置在延伸到第一层之外的环中，使得第二网丝材料的至少50重量％设置在第一层之外，并且更优选地，第一层和第二层平行设置，由此第二网丝材料以绒头纱线的形式存在，所述绒头纱线在第一层与第二层之间来回穿梭，使得第一层和第二层形成一定距离，进一步降低这些层发生熔合的趋势。
此外，该距离在整个催化网上是一致的，使得局部偏差得以避免，进一步有助于实现长期的良好性能。
在另一个优选的实施方案中，第一网丝材料和第三网丝材料具有相同的组成，并且优选地具有相同的厚度。优选地，所述层均为具有相同几何结构的针织层。这将便于催化网的制造。
在另一个优选的实施方案中，在催化网的位于第一层与第二层之间的部分中，第二网丝材料相对于第一层所限定的平面以一个或多个角度设置，其中所述一个或多个角度介于30°和90°之间，并且优选地介于40°和90°之间。这样，位于所述两层之间的第二网丝材料部分地或完全地平行于气体流，从而对压降仅具有有限的影响。
因此，该角度被视为介于第一层所限定的平面与所述位于第一层和第二层之间的第二网丝的平均方向之间的最小角度。
本发明还涉及一种用于将氨催化氧化成NO的装置，该装置包括至少一个催化网，该催化网由Pt或具有至少70重量％Pt的富Pt网丝材料制成，并且该装置在所述催化网的下游还包括根据本发明的催化网。
附图说明
为了阐释本发明，下文参考以下附图给出了根据本发明的催化网及其应用的具体实施方案的非限制性示例：
图1示出了催化网的结构的透视图，由此为清楚起见，仅示出一些针迹，并且
图2示出了图1的催化网的结构的侧视图。
具体实施方式
附图中的催化网1主要由两层组成，更具体地讲，主要由第一层2和第二层3组成，所述第一层和所述第二层均为针织的。
第一层2由第一网丝4制成，在该示例中但并非必需的是，该第一网丝具有0.076mm的直径，并且由具有81.5重量％Pd、15重量％Pt和3.5重量％Rh的组成的合金制成。在该示例中但并非必需的是，第二层3由与第一层2相同的网丝材料制成。
第一层2和第二层3具有大约0.55mm的厚度d并且以大约1.4mm的距离D放置，形成2.5mm的总体厚度D+2d。
在第一层2和第二层3的针织网丝4的针迹之间，设置有绒头纱线5，该绒头纱线在第一层2与第二层3之间来回穿梭。绒头纱线5由第二网丝制成，在该示例中但并非必需的是，该第二网丝具有0.07mm的直径，并且由具有95重量％Pt和5重量％Rh的组成的合金制成。
一般来讲，第一网丝和第二网丝的网丝直径可以在0.06mm至0.105mm的范围内，但也可例外地在此范围之外。
为了使这两种类型的网丝之间的区别明显，附图中用细线指示绒头纱线5，并用较粗的线指示第一网丝4。
在催化网1的位于第一层2与第二层3之间的部分中，绒头纱线5与第一层2所延伸的几何平面6形成两个平均方向，由A和B指示。这些方向A、B与第一层2所延伸的几何平面6分别形成最小角度α、β，所述最小角度α、β分别为大约60°、大约45°。
需注意，图2为在角度α和β最小的方向上的侧视图。在所有其它侧视图中，这些角度α和β将看起来更大。
用于第一层2和第三层3的第一网丝4的重量为催化网1的总重量的48％，并且绒头纱线/第二网丝5的重量为催化网1的总重量的52％。催化网1的总重量为大约1220g/m2。
如上所述的催化网1可以在可商购获得的工业平板针床针织机上制造。根据EP0504723，平板针床针织机的设置在相对于针数时优选地介于约3.63mm和约0.81mm之间，并且对于网孔长度而言介于2mm和6mm之间。
测量催化网1的条带的拉伸强度，并将该拉伸强度与针织催化网的相互重叠的两个相同条带进行比较，所述针织催化网并非根据本发明进行制造并且仅由第一网丝4制成，总重量为770g/m2。
所有测试件均具有50mm的宽度，并且在测试前经过热处理，在1000℃下在空气中测试0.5小时以模拟使用期间的老化。结果如下：
结果显示，在具有相同量的第一网丝4的情况下，根据本发明的催化网1的强度比传统针织富Pd催化网大约40％，并且因此将具有更长的使用寿命以及更稳定的操作状态。
按照如下方式测试催化网1的催化特性：
使用有效直径为22cm的测试反应器。在该测试反应器中，依次安装以下催化网：
·标准针织催化网，其由直径为0.076mm、含有Pt+5重量％Rh合金且总重量为600g/m2的网丝制成
·根据本发明的如上所述的催化网1
·两个另外的催化网，与第一位置的催化网相同
·几何结构与第一位置的催化网相同的催化网，但该催化网由含有15重量％Pt和3.5重量％Rh的Pd合金制成
·两个另外的催化网，与第一位置的催化网相同
将催化网的床加热至890℃。在5.0巴的绝对压力下运行反应器。
向催化网的床提供29.6kg/h NH3的进气，该进气为10.20％NH3的空气混合物形式。在一定时间之后，测定运行过程中的N2O含量，其结果如下：
| 天数 | 2 | 3 | 5 | 7 | 9 | 12 |
| N2O(ppm) | 280 | 265 | 330 | 335 | 355 | 360 |
需注意，N2O含量在O2含量降为0％之后测定。
在9天后测定的氧化反应的NO选择性为93.4％。
Claims (15)
1.用于减少在氨氧化过程中的N2O的量的催化网(1)，所述催化网包含第一层(2)织造或针织的第一网丝材料(4)，由此所述第一网丝材料(4)由Pd或富Pd合金制成，其特征在于，所述第一层(2)包含第二网丝材料(5)形式的增强物，所述第二网丝材料被织造或针织在所述第一网丝材料(4)之中并且具有与所述第一网丝材料(5)不同的组成。
2.根据权利要求1所述的催化网，其特征在于，所述第二网丝材料(5)由Pt或富Pt合金制成。
3.根据权利要求2所述的催化网，其特征在于，所述第二网丝材料(5)由具有1％-10％Rh的Pt-Rh合金制成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的催化网，其特征在于，所述第一层(2)为针织层。
5.根据前述权利要求中任一项所述的催化网，其特征在于，所述第一网丝材料(4)由具有至少75.0重量％Pd的合金制成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的催化网，其特征在于，所述第一网丝材料(4)由具有至少80.0重量％Pd和至少10.0重量％Pt的Pd-Pt-Rh合金制成。
7.根据前述权利要求中任一项所述的催化网，其特征在于，所述第一网丝材料(4)由具有多于80.0重量％且少于82.0重量％Pd的合金制成。
8.根据前述权利要求中任一项所述的催化网，其特征在于，所述第二网丝材料(4)设置在延伸到所述第一层(2)之外的环中，使得所述第二网丝材料(5)的至少50重量％设置在所述第一层(2)之外。
9.根据前述权利要求中任一项所述的催化网，其特征在于，所述催化网包含第二层(3)织造或针织的第三网丝材料，由此所述第三网丝材料由Pd或富Pd合金制成，由此所述第二层(3)还包含所述第二网丝材料(5)，所述第二网丝材料被织造或针织在所述第三网丝材料之中。
10.根据权利要求9所述的催化网，其特征在于，所述第二层(3)为针织层，并且所述第一网丝材料(4)和所述第三网丝材料具有相同的组成。
11.根据权利要求9或10所述的催化网，其特征在于，所述第一层(2)和所述第二层(3)平行设置，由此所述第二网丝材料以绒头纱线(5)的形式存在，所述绒头纱线在所述第一层(2)与所述第二层(3)之间来回穿梭。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的催化网，其特征在于，在所述催化网的位于所述第一层(2)与所述第二层(3)之间的部分中，所述第二网丝材料(5)相对于所述第一层(2)所限定的平面(6)以一个或多个角度(α,β)设置，由此所述一个或多个角度(α,β)介于30°和90°之间。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的催化网，其特征在于，所述第二层(3)为针织层。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的催化网，其特征在于，所述第一网丝材料(4)和所述第三网丝材料的重量百分比总和介于33重量％和67重量％之间，并且优选地介于45重量％和65重量％之间。
15.用于将氨催化氧化成NO的装置，所述装置包括至少一个催化网，所述催化网由Pt或具有至少70重量％Pt的富Pt网丝材料制成，并且所述装置在所述催化网的下游包括根据前述权利要求中任一项所述的催化网(1)。
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