DE2101188A1 - Verfahren zur Oxydation von Ammoniak - Google Patents

Verfahren zur Oxydation von Ammoniak

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Description

PatenumMVW Dr. Dioter- p, Morf Dr. Hans-A. Brawns 12. Januar 1971
B-1052-β
Engelhard Minerale & Chemicals Corporation, Newark, New Jersey, V.St.A.
Verfahren zur Oxidation von Ammoniak
In einem.Verfahren zur Oxidation von Ammoniak, bei dem Ammoniak und ein oxidierendes Gas. mit einem mehrschichtigen Polster aus Platinmetallkatalysator in Berührung gebracht! werden, wird gemäss der Erfindung ein Verfahren zur Herabsetzung der Menge an erforderlichem Platinmetallkatalys'atpr geliefert;. Sie für eine 95#ige Aojmoniakumwandlung erforderlicae, optimale Xatalysatormeijge wird daduroh herabge- j setzt, dftse ein erheblicher (Peil der Gase bzw. des Net*e* durch eipe durchlässige Struktur aus korroaionabeatändigem Nichtedelaetall ersetzt wird, weiche den Strömungewiderstand des Seils des Katalysatornetres, das Ton des optimalen Polster entfernt worden ißt, iiauliert. Die Platinmetalle** und durchlässige Struktur umfaeitnde, erhaltene latalysaHor- ' packung ist hinsichtlich des Amaoniakumwandluni i* op len Polster äquivalent, und die Verflüchtigung 4·· 11a metallne^ses ist erheblich herabtesetit.
Die Erfindung betrifft eine Verbesserung innerhalb des Verfahrens zur Oxidation von Ammoniak, wobei Katalysatoren aus Flätinmetallgaze verwendet werden. Die Erfindung befasst sich insbesondere mit der Herabsetzung der Menge an Platinmetallkatalysator in einem derartigen Verfahren ohne Verminderung der Umwandlungswirksamkeit.
Bei der technischen Herstellung von Salpetersäure wird Ammoniakgas gemischt mit einem oxidierenden Gas, ζ. Β. Luft, über einen Platinmetallnetzkatalysator bei einer erhöhten Temperatur, z. B. 650 bis 1000° C geleitet, um Stickstoffoxide zu erhalten. Es sind variierende Drucke bis zu 8 kg/cm und höher angewendet worden. Das aus dem Ammoniakkonverter abströmende Gas, welches Stickstoffoxide enthält ι wird dann weiter unter Erzielung Von Salpetersäure behandelt«
Der Platinmetallkatalysator ist gewöhnlich ein mehrschichtiges Polster mit einem Durchmesser von etwa 40 bis 152 cm (16 bis 60 inch) in Form von Sieben mit Sieböffnungen von 0,18 ns (80 mesh) aus Draht von 76 u (5 mil). Üblicherweise ist das Gewicht des Polsters 62 g (2 troy ounces) je tägliche 0,9 Tonnen Kapazität äquivalent, und ein Polster kann aus 10 bis 50
dieser teuren Siebe bestehen. Es wurde gefunden» dass diese Platinmenge erforderlich ist, um eine hohe Umwandlung üter ein· angemessene länge eines Betriebszeitraums einer Anlag· *u erhalten. j
1 ί
Di· Prüfung tin·· verwendeten Katalysators zeigt, dass eine sichtbare Yeiänderung im Oberflächenaussehen bei einigen der Siebe stittfindet, sobald die Beajrtion stattfindet. Die Verändert ng is Aue a eh «η nimm* ab, wenn **n gegen aw. j unteren leil des Xatalysstorpolsters bebaut* Intereasanterweise stige* die Indiitbe des Polster« kein Anstichen einer stattgtfttUuun leaktionj trotid·« werden viele Problem·
Γ * fc 41 ... ■ OWGINAL INSPECTED
10·Ιϊβ/1Μ0
eingebracht, wenn die Endsiebe entfernt werden. Beispiels- ' weise wird das Verfahren, wenn die Katalysatorbeschickung auf unter etwa 62 g (2 troy ounces) de tägliche 0,9 Tonnen Salpetersäure herabgesetzt wird, zunehmend weniger wirksam. . Bei 31 g (1 troy ounce) ist das Verfahren an der Grenze und unvollständig, und unterhalb von etwa 15 bis 16 g (0,5 troy ounce) ist das Verfahren gefährlich, da ein explosives Gemisch stromabwärts des Katalysators erzeugt wird·. Es war daher wesentlich, genügend Siebe zu verwenden, so dass die Umwandlung vollständig ist. Es ist jedoch klar, dass die Siebe sehr kostspielig sind, und es wäre somit ein grosser Vorteil, die Anzahl der zur Herbeiführung der vollständigen Umwandlung notwendigen Siebe herabzusetzen. |
Es wurde nun ein Verfahren gefunden, das eine geringere Menge an Platinmetall verwendet,als bisher zur Erzielung einer vergleichbaren Umwandlungswirksamkeit notwendig war. Dadurch ergeben sich nicht nur Einsparungen hinsichtlich der Kosten, sondern es wird auch ein wirtschaftlicherer Betrieb einer Anlage innerhalb der Sicherheitsgrenzen ermöglicht. Dies wird dadurch erreicht, dass anstelle einiger der bisher für eine optimale Umwandlung erforderlichen Platinmetallsiebe durch eine Nichtedelmetallstruktur ersetzt werden.
Es sei bemerkt, dass einer der häufig angeführten Gründe für die Verwendung vieler Schichten der Platinmetallsiebe darin besteht, dass die Extraschichten der Gaze bzw. des Netzes als Rückschichten benötigt werden, wenn die vorderen Schichten schlechter werden, um die Anzahl der Stillegungszeiten für den Ersatz und für Reparaturen zu vermindern. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass der Katalysator auf Grund der Verschlechterung der oberen Katalysatorschichten und des sich daraus ergebenden. Verlustes der Katalysatorwirkeamkeit , * versagt, bevor irgendeine wesentliche Veränderung im Aussehen der unteren oder Bodenschichten auftritt. Vit voret·-
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hend angegeben, erreicht Jedoch, wenn zuwenig Siebe verwendet werden, die Umwandlungsleistung nicht den optimalen Wert. Im vorliegenden Verfahren wird, obwohl weniger Schichten von Platinmetallsieben angewendet werden, kein häufigerer Ersatz des Katalysators gegenüber dem Stand der Technik erforderlich·
Die kombinierte Katalysatorpackung besitzt zusätzlich zu den Kosteneinsparungen an Edelmetallkatalysator weitere Vorteile. Unter den Vorteilen ist die überraschende Herabsetzung der Verflüchtigung des Platinnetzes. Bekanntlich ist zu erwarten, dass sich etwa 0,37 g (0,012 troy ounce) Metall der Platingruppe aus den Edelmetallsieben , je 0,9 Tonne in einer Hochdruckanlage erzeugter Salpetersäure verflüchtigen. Überraschenderweise wird diese Verflüchtigung unter Verwendung der kombinierten Katalysatorpackung gemäss der Erfindung erheblich, in der Grossenordnung von 25 bis 30 % herabgesetzt.
Ein'anderer Vorteil besteht darin, dass festgestellt wurde, dass das durchlässige Polster als JFangmittel für einen Teil der während des Verfahrens verflüchtigten Edelmetalle wirkt.
Ein weiterer bemerkenswerter Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie in bereits bestehenden Anlagen angewendet werden kann.
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Oxidation von Ammoniak zu Oxiden des Stickstoffs, worin ein Gemisch aus Ammoniak und ein sauerstoffhaltiges Gas in einem fieaktor bei erhöhter Temperatur und Druck mit einem Katalysatorpolster, das aus Platinmetallgaze bzw. -netz aufgebaut ist, in Berührung gebracht wird. Die Erfindung betrifft insbesondere die Herabsetzung der in dem Verfahren erforderlichen Platingaze.
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B-1052-a
Gemäss der Erfindung wird in einem Verfahren zur Oxidation von Ammoniak zu Oxiden des Stickstoffs, bei dem ein Gemisch aus Ammoniak und einem sauerstoffhaltigen Gas in einem Reaktor bei erhöhter iEemperatur und Druck mit einem aus etwa 10 bis 50-Schichten Platinmetallnetz bestehendem Katalysatorpolster in Berührung gebracht wird, eine Methode zur Herabsetzung der Menge an Katalysatornetz aus Metallen der Platingruppe vorgesehen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die optimale Menge an Gaze, die zur Erzielung einer wenigstens 95%igea Umwandlung von Ammoniak in Stickstoffoxide erforderlich ist, bestimmt wird, der Druckabfall über das Polster aus Katalysatorgaze unter den Reaktionsbedingungen bestimmt wird, etwa 1/3 bis 2/3 des Polsters aus ' j Katalysatorgaze durch eine durchlässige Struktur aus einem korrosionsbeständigen Nichtedelmetall ersetzt wird, wobei die Struktur eine solche Porosität aufweist, dass der Gesamtdruckabfall über die verbleibende Gaze plus die durchlässige Struktur praktisch gleich dem des optimalen Polsters aus Katalysatorgaze ist und die Ammoniakoxidation durchgeführt wird.
Als direktes Ergebnis der Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens ist es möglich, eine Salpetersäureanlage zu betreiben, in der weniger Platinmetallgaze verwendet wird, als bisher als wesentlich für eine wirksame HH,-Umwandlung angesehen wurde. Im speziellen kann das Verfahren in wirksamer | Weise unter Anwendung von weniger als die üblichen 62 g (2 troy ounce) Pt-Metallgaze je tägliche/tonnen Salpetersäure, beispielsweise etwa 15 bis weniger als 62 g ζ 0,5 bis weniger als 2 troy ounces) und vorzugsweise unter Verwendung von. etwa 15 bis 4-7 g (0,4 bis 1,5 troy ounces) Platinmetall je tägliche 0,9 Tonnen der Salpetersäurekapazität betrieben werden.
Die durchlässige Struktur, die anstelle der Gaze bzw. des
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Netzes eingesetzt wird, ist aus einem Nichtedelmetall in Form eines wahllos orientierten, offenen Metallgeflechts hergestellt. Das Metall muss die Fälligkeit besitzen, scharfe Arbeitsbedingungen und die korrosive Umgebung auszuhalten. Beispielsweise Ineonel und Mchrom und allgemeine nickel- und chromhaltige Hochtemperaturlegierungen sind geeignete Metalle. Die durchlässigen Strukturen mit beliebig orientierten Drähten können aus einem gewirkten Metallgeflecht nach bekannten Techniken, die beispielsweise in der US-PS 2 334· 263 beschrieben sind, hergestellt werden. Sie können auch aus Metallschaum oder verfilztem Metall hergestellt werden. Die Menge und Stärke des verwendeten Metalls hängt von dem gewünschten Druckabfall für die gesamte Packung bei den gegebenen Reaktionsbedingungen ab. Die Öffnungen der Struktur bilden kein einheitliches Muster, und das Polster besitzt einen Strömungswiderstand, der einen gleichmassigen Druckabfall über die Struktur bewirkt.
Die Katalysatorgazö.und die durchlässige Struktur sind die wesentlichen Bestandteile der Katalysatorpackung. Ein oder mehrere übliche Getter und/oder korrosionsbeständige Schweiss-Sperrsiebe können in der Katalysatorpackung zwischen der Katalysatorgaze und der durchlässigen Struktur vorliegen.' Ein geeignetes Getter ist beispielsweise ein feinmaschiges, gewebtes Netz aus Gold oder einer Goldlegierung, beispielsweise gemäss der US-PS 3 434 826. Der Zweck der Siebe dient dazu, ein Verschweissen zwischen irgendeiner der verschiedenen Komponenten der Katalysatorpackung bei den Betriebsbedingungen zu verhindern. Zweckmässig können Nichromsiebe verwendet werden. Es ist wesentlich, dass die Katalysatorgaze und die durchlässige Struktur unmittelbar angrenzend aneinander vorliegen, ausgenommen wenn sie durch die Einfügung von Gettern und/oder Schweiss-Sperrsieben getrennt sind. Unter den letzteren Bedingungen müssen die Beetandteile benachbart in der gesamten Katalysatorpackung
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vorliegen. Es wurde gefunden, dass die Getter und Siebe praktisch keinen Beitrag zum Druckabfall über die Katalysatorpackung liefern.
Der Druckabfall über die Katalysatorpackung ist ein kritisches Merkmal der Erfindung. Der optimale Druckabfall in einem üblichen Katalysator kann durch bekannte Methoden bestimmt werden, und der optimale Druckabfall kann in der vorliegenden, kombinierten Struktur unter Verwendung der gleichen festgelegten Methoden nachgeahmt werden. Es ist jedoch bekannt, dass, wenn die durchlässigen Polster lediglich zur Verbesserung der Beständigkeit gegenüber dem Gasstrom dienen, j somit die Gasverteilung über das Katalysatorpolster verbessert wird. Es wurde beispielsweise gefunden, dass ein einfacher Ersatz von Mchrom-Sieben mit Sieböffnungen von 0,18 mm (80 mesh) anstelle der Edelmetallgaze nicht arbeitet. Feinmaschige Nichrom-Siebe bleiben unter den scharfen Betriebsbedingungen des Konverters nicht unversehrt. Innerhalb eines kurzen Zeitraums tritt eine katastrophale Oxidation des Metalls ein, wodurch sich ein Zusammenfallen des Siebes und ein damit verbundener hoher Widerstand gegenüber der normalen Gasströmung ergibt. Andererseits erwiesen sich Polster mit einem wahllos orientierten, offenen Metallgeflecht als wirksam, d. h. in denen die Metallstränge bzw. -fasern,
durch a
welche/axe Struktur sowohl durch die Tiefe als auch durch | die Fläche verschlungen oder verflochten sind, eine Struktur mit gleichmässiger Dichte und der Porösität bilden, welche den gewünschten Druckabfall herbeiführt. In der Praxis können die Polster in solchen Ausmaseen ausgebildet werden, dass sie sich an jeden beliebigen gegebenen Konverter ale Ersatz für einen Teil der Katalysatorgaze ohne Modifikation der Anlage anpassen und doch die Kriterien gleichmäesiger · ' Dichte, Festigkeit und dee vorbestimmten Druckabfalle er- ■' ' füllen.
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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und Beispiele, welche eine Ausführungsform der Erfindung erläutern, besser verständlich.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ammoniakoxidationsvorrichtung. Die Ausführungsform ist mit einer Katalysatorpackung wiedergegeben, d.h. einschliesslich der Gaze bzw.des Netzes und des durchlässigen Polsteas gemäss der Erfindung.
Pig. 2 ist eine Draufsicht eines mehrschichtigen Katalysatorpolsters aus Platinmetallgaze, wobei Teile davon zum (Teil weggeschnitten sind.
Fig. 3 ist eine Draufsicht auf ein durchlässiges Polster.
Fig. 4- zeigt zwei Kurven, in denen der Druckabfall in einem Ammoniakoxidationsreaktor gegen die Ammoniakumwandlungswirksamkeit unter Verwendung von Ergebnissen, die mit verschiedenen Katalysatoren erhalten wurden, aufgetragen ist.
Fig. 5 gibt eine graphische Darstellung von vier Kurven wieder, welche verschiedene Katalysatoren und die Ammoniakumwandlungswirksamkeit dieser Katalysatoren,auf getragen gegen Stunden,wiedergeben. Die Kurven vergleichen die Wirksamkeit von liehrschicht-Platinmetallkatalysatoren mit 10 und 20 Gazeschichten mit Katalysatoren, die eine durchlässige Struktur anstelle von 10 der 20 Schichten gemäss der Erfindung aufweisen.
Die in Fig. 1 schematisch wiedergegebne Ammoniakoxidationsvorrichtung wurde zur Prüfung verschiedener Katalysatoren verwendet. In der Vorrichtung bestand der Reaktor 10 aus einem Reaktorgehäuse 11, das aus einem rostfreien Stahlrohr mit etwa 50 mm (2 inch) äusserem Durchmesser χ 3 mm
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(0,120 inch) Wandstärke χ 31»5 cm (12 1/2 inch) Länge bestand, mit dem ein Bohr 12 aus rostfreiem Stahl von 50 mm (2 inch) äusserem Durchmesser χ 9*52 mm (0,375 inch) Wandstärke χ 61 cm (24 inch)/ verschweisst war, Sie Zone 13» an der sie verschweisst waren, wurde zum Halten eines Quarzrings 14 von 21,4 mm (0,84 inch) innerem Durchmesser χ 38 mm (1,5 inch) äusserem Durchmesser verwendet, worauf die Katalysatorpackung 15 angeordnet wurde· Ein zweiter Quarzring 16 der gleichen Grosse wie Hing 14 wurde oben auf die Katalysatorpackung 15 aufgebracht. In der Zeichnung besteht die Katalysatorpackung aus einem Hehrschichtpolster 17 aus Platinmetallgaze, beispielsweise mit 10 bis 20 Schichten, und | einer durchlässigen Struktur 18. Die Katalysatorpackung 15 wurde durch eine Quarzauskleidung 19, die sich unterhalb einer Druckfeder 20 befand, an Ort und Stelle gehalten. Der federdruck der Feder 20 wurde dazu verwendet, die Katalysatorpackung 15 an Ort und Stelle zu halten und längs des Katalysators eine Kanalbildung zu verhindern. Die Quarzauskleidung 19 diente dazu, die Reaktion des Ammoniaks mit den hei ssen * Metallwänden des Reaktorgehäuses zu verhindern. Quarzwolle (nicht gezeigt) wurde zwischen die Auskleidung 19 und das Reaktorgehäuse 11 gepackt, um eine Gasableitung der aktiven Katalysatoroberfläche, die 21,3 mm (0,84 inch) Durchmesser aufwies, zu verhindern.
Ss wurden Thermoelemente 21 bzw. 22 zur Aufzeichnung der temperatur 6,3 mm (1/4 inch) unterhalb der Katalysatorpackung 15 "bzw. am Reaktorbodenauslass 23 verwendet. Die Thermoelementabzweigungen 24 und 25 wurden auch zur Entnahme von Gasproben aus einem Gasstrom bei Betrieb der Anlage verwendet. Das über der Katalysatorpackung 15 angeordnete Thermoelement 26 und die Abzweigung 27 wurden zur Messung der Temperatur und zur Abzweigprobeentnahme stromaufwärts vom Katalysator verwendet. Die Einlassleitung 28 für Luft wurde mit dem Reaktor 10 durch Flansch« 29 dzw, 30 von 68 kg (150 pound) verbunden.
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Ira Betrieb wurde ein Versuch eingeleitet, indem die Vorrichtung mit Stickstoff unter Druck gesetzt wurde: .und der Stickstoff auf 280° C vorerhitzt wurde· Nachdem eine Gastemperatur von 280° 0 erreicht worden war, wurde der Stickstoff durch Luft ersetzt und die Strömung auf den richtigen Wert eingestellt. Die Luft aus einem Kompressor (nicht gezeigt) wurde filtriert und getrocknet und durch einen Bota-Durchflussmesser (nicht gezeigt) bei 10,2 m*/h (360 standard cubic feet per hour (SOfH)) in einen Vorerhitzer (nicht gezeigt) eir«eführt, wo die Lufttemperatur auf 280° C gebracht wurde. Ammoniak wurde aus einem erhitzten Zylinder (nicht gezeigt) mit unter Druck stehendem Ammoniak durch ein Jllter (nicht gezeigt) zur Entfernung von teilchenförmigen Stoffen verdampft. Das Ammoniak wurde langsam durch einen Bota-Durchf lussmesser (nicht gezeigt) in die vorerhitzte Luft bei 1,1 mVh (40 SClH) eingeführt. Dieses vorerhitzte Gasgemisch aus 90 % Luft und 10 % Ammoniak wurde in den Reaktor 10 eingeführt. Das Vermischen von Ammoniak und Luft, um das Gemisch aus 10 % Ammoniak und 90 % Luft zu erhalten, erfolgte mit einem Zerstäuberrohr 31, aus dem Ammoniak in die vorerhitzte Luft zugegeben wurde. Die gesamte Gasbeschickung in den Reaktor betrug 11,3 m^/h (400 SCIH), und die Lineargeschwindigkeit betrug 8,1 m/sek. (27 feet per second). Der Reaktordruck betrug 4,9 atü (70 psig). Ammoniak wurde sehr langsam eingeführt, und die Beaktionszündung wurde durch einen plötzlichen Anstieg der Temperaturen beobachtet.
Die Strömung des Ammoniaks wurde auf den richtigen Vert eingestellt, und in regulären Abständen wurden analytische Proben entnommen.
Die Analyse der Gasbeschickung erfolgt· durch Durchspülung einer Probeküvette mit einem Seil der Gasbeschickung bei Baumtemperatur und darauffolgendes Vergchliessen der Küvette. Ein Überschuss an Ο,Ιη-HgSO^-Lösung wurde su. der Küvette ge-
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geben und die Säure mit O,In-NaOH rücktitriert, um den Volumenprozentgehalt an HH, durch die Differenz zu ermitteln. Gleichzeitig wurde ein evakuierter Kolben auf AtmoB-phärendruck mit einer Probe des Produktgases bei 100° C gefüllt. Das erhaltene HO + NOg-Gasgemisch wurde mit überschüssigem HpO2 oxidiert, um eine Salpetersäurelösung zu erhalten. Die Salpetersäure wurde mit 0,In-NaOH zur Bestimmung der Gesamtstickstoffoxide in Volumenprozent titriert· Die Umwandlungswirksamkeiten wurden,iiach-dem Gasvolumenkorrekturen vorgenommen worden waren, als
Umwandlungswirksamkeit
Vol.» HH, .,.·(
berechnet.
Die Druckabfälle wurden mit einem Differential-Quecksilbermanometer gemessen.
Fig.· 2 ist eine Draufsicht eines Mehrschichtgazepolsters, in dem 0,18 mm (80 mesh) Gaze aus 76 P- (3 mil) Draht aus einer Platin-IO^Bhodiumlegierung, d. h. einer Legierung, die 90 % Platin und 10 % Ehodium enthält, hergestellt wurde. Gewöhnlich werden 10 bis 50 derartiger Gazeschichten als eine Katalysatorpackung für die Oxidation von Ammoniak ver- J wendet. In der Figur sind Teile der oberen Schichten teilweise weggeschnitten.
Fig. 5 ist eine Draufsicht eines durchlässigen Polsters, das durch Zusammenpressen einer aus einem Band aus gewirktem oder gestricktem Metallgeflecht hergestellten Hülse gefertigt wurde. Das Metall besteht aus Inconel-Draht von t · 280 Ai (11 mil). Das verwendete Material ist als gewirkte Hülse oder Manschette aus einem losen Geflecht entweder aus Nichrom oder Inconel im Handel erhältlich. Das durchlässige
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Polster wird durch Aufwickeln der Hülse unter Füllung einer Form aus rostfreiem Stahl und Zusammenpressen zu einer erforderlichen Dichte, um den gewünschten Druckabfall zu ergeben, hergestellt.
Fig. 4 zeigt den Einfluss des Druckabfalls auf die Ammoniakumwandlungswirksamkeit. Die Druckabfälle waren der Hauptwert für die letzten 50 Stunden-Intervalle, während denen die Ammoniakumwandlungswirksamkeit bei einem Maximum lag oder ein stetiger Wert für den Versuch. Die Ammoniakumwandlungswirksamkeit war der Mittelwert für das 50-Stunden-Intervall. Die Druckabfälle wurden mit einem Differential-Mano-
en meter ermittelt, dessen Probenahmeabzweigung/ oberhalb und unterhalb des Katalysatornetzes bzw. der Katalysatorgaze und der durchlässigen Struktur angeordnet waren. Die Umwandlungswirksamkeiten wurden durch die vorstehend beschriebene Methode ermittelt. Die gestrichelte Linie in Fig. 4 gibt die Ergebnisse unter Verwendung üblicher Mehrschichtgazekatalysatoren und die durchgezogene Linie die Ergebnisse mit verschiedenen Katalysatorpackungen, welche durchlässige Polster enthalten, wieder.
Fig. 5 zeigt die Ergebnisse der Umwandlungswirksamkeit der Ammoniakoxidationsversuche mit verschiedenen Katalysatoren. Die Versuche werden in Verbindung mit den folgenden Beispielen genauer beschrieben.
Beispiel 1
Proben üblicher Mehrschicht-Ammoniakoxidationskatalysatoren wurden hergestellt, die 4, 5, 10, 20 und 30 Schichten aus 0,18 mm (80 mesh) Gaze aus 76/U (3 mil) Draht aus Pt-10 % Bh-Legierung, wie in Fig. 2 gezeigt, aufwiesen. Durchlässige Polster wurden aus einem Band aus gewirkten bzw. gestrickten Inconel-Drähten von 280 a (11 mil) hergestellt, die in einer zylindrischen Form von 33 nm (1 1/2 inch) Durchmesser
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.zu einer Dicke von 4,32, 5 oder 5,72 mm (0,17, 0,33 oder 0,225 inches) zusammengepresst wurden. Die Polster von 4,32 mm (0,170 inch) Stärke wurden aus einer gewirkten Inconel-Hülse von 76 mm (3 inch) Breite und 1,78 mm (7 inch). Länge hergestellt, wobei ein Druck von 2270 kg (2,5 tons) zum Zusammendrücken der gerollten Hülse angewendet wurde. Das Gewicht der 4,32 mm (0,170 inches) dicken Polster betrug etwa 9»85 6» äas der 5*0 mm (0,200 inch) dicken Polster betrug 13,10 g und das der 5,72 mm (0,225 inch) dicken Polster betrug 32,91 g·
D.er Druckabfall über verschiedene Siebe bzw. Gazen und Polster wurde: getrennt bei 30° C, einer Luftströmung von 7,1 m5/h (250 SCEH) und 4,9 atü (70 psig) bestimmt. Obgleich die gewählten Bedingungen weniger streng als die Betriebsbedingungen bei der Ammoniakoxidation sind, wurden diese Versuche zum Auswählen von Inconal-Polstern angewendet, die in den Versuchen mit Pt-10 % -Bh-Gaze getestet werden sollen. Der Druckabfall eines durchlässigen Polsters, gemessen bei 30° C, ist im allgemeinen etwa 10 % geringer als derjenige, der für das gleiche Polster unter Ammoniakoxidationsbedingungen gemessen wird. Jedoch ist es möglich, den Bereich der Polster,die den gewünschten Druckabfall bei den Arbeitsbedingungen ergeben können, annähernd zu bestimmen. Die Druckabfälle bei den weniger scharfen Bedingungen sind in Tabelle Z aufgeführt.
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Tabelle I
Druckabfallmessungen bei 30° C, 7,1 mVh (250 SCEH) Luft . strömung und 4,9 atü (70 psig) Druck
Katalysatorgaze Druckabfall mm Hg (" Hg)
10 Schichten Pt-10 % Eh 15 (0.6)
20 Schichten Pt-10 % Eh 30 (1.2)
30 Schichten Pt-10 % Eh 45 (1.8)
Durchlässige Struktur
4,32 mm (0,170 M Inconel-Polster 20 (0.8)
5,08 mm (0,20O1) Inconel-Polster 30 (1.2)
Beispiel 2
Es wurden verschiedene Katalysatoren unter Verwendung der in Verbindung mit Pig. 1 beschriebenen Vorrichtung und des beschriebener» Verfahrens getestet. Zu den untersuchten Katalysatoren gehörten Katalysatoren vom üblichen Mehrschi chtgazetyp mit 10 Schichten (Versuche EP-1 und EP-9), 20 Schichten (EP-2) und 30 Schichten (BP-6) aus Pt- 10 % Eh-Gaze. Die Katalysatorpackungen, die in den Versuchen EP-3, EP-4, EP-5, EP-7 und EP-8 verwendet wurden, waren aus 4, 5 und 10 Schichten Pt-10 % Eh-Gaze und einem durchlässigen Inconel-Polster (PIP) von 4,32, 5,08 oder 5,72 mm (0,170, 0,200 oder 0,225 inch) Stärke, wie in Tabelle II gezeigt, aufgebaut. Die Versuche wurden 150 bis 600 Stunden durchgeführt, und die Ammoniak-Umwandlungswirksamkeit und der Druckabfall wurden bestimmt. Die Ammoniak-Umwandlungswirksamkeit wurde in den letzten 50 Betriebsstunden ermittelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle II wiedergegeben und in den Pig. 4 und 5 dargestellt.
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B-1052-a O? Katalysator-
packung
a b e /r 2101188 (0.8)*
10 Schichten
Pt-10 % Bh
Ver-
suchs-
stun-
den
1 X e II (1.55)
Ver
such
Nr.
20 Schichten
Pt-10 % Bh
151 NH,
Umwand
lungswirk
samkeit
(*)
Druckabfall
mm Hg (Inches Hg)
(3.60)
BP-1 4- Schichten
Pt-10 % Bh &
5,72 mm (0.225")
FIP
530 89,4 20 (1.40)
BP-2 10 Schichten
Pt-10 % Bh %
4-,52 mm (0.170")
ELP
159 95,9 39 (1.65)
BP-5 10 Schichten
Pt-10 % Bh %
5*08 mm (0.200")
PIP
294 72,3 s 91 (2.45)
BP-4 30 Schichten
Pt-10 % Bh
297 94,5 35 (1.25)
BP-5 5 Schichten
Pt-10 % Bh &
5,08 mm (0.200")
FIP
317 95,8 42 (2.50)
BP-6 10 Schichten
Pt-10 % Bh &
5.08 mm (0.200M)
FIP
294 95,5 .62 (0.60)
BP-7 10 Schichten
Pt-10 % Bh
628 87,1 32
BP-8 573 94,8 64
BP-9 92,1 15
berechnet aus den Werten für BP-2 und EP-6 FIP * Durchlässiges Inconel-Polster
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Unter Bezugnahme auf Tabelle II und Fig. 4 ergibt sich., dass bei einem Druckabfall zwischen etwa 17 und 76 mm Hg (0,7 und 3,0" Hg) die Umwandlungswirksamkeit über etwa 90 % liegt und dass ein optimaler Druckabfallbereich existiert, nämlich etwa 38 bis 64 mm Hg (1,5 bis 2,5" Hg), in dem- die Ammoniak-Umwandlungswirksamkeit bei einem Maximum von etwa 95 "bis 96 % liegt. Druckabfälle oberhalb und unterhalb des Optimums liefern geringere Umwandlungswirksamkeiten. Die Versuche BP-2 (20 Gazeschichten) und EP-6 (30 Gazeschichten) zeigten, dass diese beiden Katalysatoren die Umwandlung mit über 95%iger Ausbeute bewirkten. In den Versuchen unter Verwendung von Katalysatoren mit weniger als 20 Gazeschichten wurde ein durchlässiges Polster hinzugefügt, um den Druckabfall des Katalysators in den optimalen Bereich gemäss BP-2 und SP-6 zu bringen. In den Versuchen simulieren die Katalysatoren von EP-4 und EP-5 am engsten den Druckabfall des 20schichtigen Katalysators, und der Katalysator von EP-8 simuliert am nächsten den Druckabfall des 3Oschichtigen Katalysators. Die Ergebnisse der Versuche EP-4 und EP-5 und EP-8 zeigen, dass die kombinierten Katalysatorpackungen gemäss der Erfindung die Umwandlung praktisch in Anglei ·- chung an die hohe Umwandlungswirksamkeit, d. h. etwa 95 %» der optimalen üblichen Katalysatorgazepolster herbeiführten.
Wie vorstehend angegeben, wurden die Versuche EP-1 und EP-9 unter Verwendung von lediglich 10 Schichten Pt-10 % Eh— Gaze als Katalysator durchgeführt. Wenn ein durchlässiges Inconel-Polster mit 10 Schichten aus Pt-10 % Eh-Gaze, wie in EP-4, EP-5 und EP-8 verwendet wurde, ergab sich durch den höheren Druckabfall eine ausserordentliche Verbesserung hinsichtlich der Ammoniak-Umwandlungswirksamkeit. EP-3 veranschaulichte einen Fall, bei dem die Anzahl der Gazeschichten auf 4 herabgesetzt wurde und ein dickeres, durchlässiges Inconel-Polster verwendet wurde. Der Druckabfall
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war zu hoch,und die Ergebnisse waren geringer als die optimale Umwandlung.
In diesen Laboratoriumsversuchen entsprachen die Gazeschichten etwa den folgenden Platinmetall-Katalysatorbeschickungen: 4 Schichten zu 12,4 g (0,4 troy ounce)} 5 Schichten zu 15»8 g (0,5 troy ounce)} 10 Schichten zu 51 g (1 troy ounce)} 20 Schichten zu 62 g (2 troy ounces) und JO Schichten zu 95 g (5 troy ounces) Pt-Metall je tägliche 0,9 t (1 USA-ton) Salpetersäure. In der Technik besteht die Praxis, eine Katalysatorbeschickung von wenigstens etwa 62 g (2 troy ounces) zur Erzielung einer Umwandlung von etwa 95 % zu verwenden, | und eine Katalysatorbeschickung von weniger als etwa 15,8 g (0,5 troy ounce) wird als gefährlich angesehen. Die Werte zeigen, dass der Betrieb mit 10 Sieben oder Gazen, entsprechend 51 g (1 troy ounce) an der Grenze war. Die Versuche BP-4, EP-5 und KP-8 zeigten, dass, wenn eine Katalysatorpackung gemäss der Erfindung verwendet wurde, optimale Umwandlung bei dieser geringen Platinmetall-Katalysatorbeschickung erreicht werden konnte. Versuch BP.-7 zeigte Ergebnisse für 5 Schichten P-fc-10 Bh-Gaze auf einem durchlässigen .Inconel-Polster und gibt an, dass die Umwandlung, obgleich nicht optimal, zufriedenstellend verläuft und eine Anlage innerhalb dieses Bereichs sicher arbeitet. Somit wurde j der sichere Arbeitsbereich durch Anwendung der Erfindung erhöht.
Die Ergebnisse in Tabelle II und Pig. 4 zeigen, dass der durch die durchlässigen Inconel-Polster erzeugte Druckabfall direkt die Ammoniakoxidation zu einem hohen Ausmass beeinflusst, wenn ihr Strömungswiderstand den für die Anzahl der ersetzten Katalysatorschichten simuliert.
Die vorliegenden Versuche wurden bei einer Lineargeachwin-
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digkeit von 8,1 m/s (27 feet per second) durchgeführt. Für Anlagen, die bei mittleren und hohen Drücken arbeiten, kann die Lineargeschwindigkeit von etwa 4,5 bis 24 m/s (15 bis 80 feet per second) variieren. Ein geeigneter Druckabfall wurde zwischen etwa 17 bis 76 mm Hg (0,7 bis 3,0" Hg) und vorzugsweise 58 bis 64 mm Hg (1,5 bis 2,5" Hg) für Anlagen ermittelt, die bei einer Lineargeschwindigkeit von 8,1 m/s (27 feet per second) arbeiten, Für Anlagen, die bei anderen Lineargeschwindigkeiten arbeiten, variiert der optimale Druckabfall in Abhängigkeit von der Lineargeschwindigkeit, und dies kann aus der folgenden Gleichung berechnet werden:
Druckabfallbereich, mm Hg (inches Hg)
wobei V» die tatsächliche Lineargeschwindigkeit des die Katalysatorpackung verlassenden Gases, α/β (feet per second)
und A - 60 bis 350.
Es ist bekannt, dass neue Platinmetallkatalysatorgaze bzw. -netze einen bestimmten Betriebszeitraum erfordern, bevor die Gazedrähte ausreichend "getrieben" (sprouted) sind, um optimale Ergebnisse hinsichtlich der Ammoniakoxidationswirksamkeit zu liefern. Fig. 5 zeigt die Oxidationswirksamkeit, aufgetragen gegen die Stunden im Betrieb für die in Tabelle II als EP-1, BP-2, EP-4 und BP-5 angeführten Versuche. Ein Vergleich der "Zusammenbruchszeiträume" (break-in) für die üblichen Katalysatoren und die erfindungsgemässen Katalysatorpackungen zeigt, dass der Zusammenbruchszeitraum für den üblichen 20schichtigen Katalysator (Versuch Nr. BP-2) etwa gleich dem des erfindungsgemässen Katalysators ist, der nur 10 Schichten Platinmetallgaze antielt (Versuche EP-4 und BP-5). Im Hinblick auf diese kombinierten Katalysatorpackungen der Erfindung kann, nach-
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dem das Inconel-Polster genügend oxidiert worden ist, so dass keine weitere Oxidation stattfindet und folglich ein Anstieg des Drahtdurchmessers eintritt, keine Veränderung im Druckabfall oder in der Ammoniak-Umwandlungswirksamkeit "beobachtet werden. Das durchlässige Inconel-Polster behält seine mechanische Festigkeit trotz des schweren Oxidüberzugs bei. Es ergibt sich auch aus Fig. 5» dass die Katalysatorpackungen der Erfindung (Versuche Nr. EP-4 und BP-5) ihre hohe Wirksamkeit über die 3OOstündige Prüfdauer beibehielten. (Datsächlich zeigen die Ergebnisse, dass die Katalysatoren der Versuche BP-4 und BP-5 vergleichbare Leistungen zu dem üblichen 20schichtigen Katalysator, der in Versuch Nr. EP-2 verwendet wurde, trotz der herabgesetz- ι ten Menge an Platinmetallgaze in dem Reaktor lieferten. Sie Ergebnisse in Tabelle IX zeigen, dass die Katalysatorpackung des Versuchs Nr. BP-8 ihre hohe Wirksamkeit 628 Stunden mit der gleichen Menge an Katalysatorgaze, die in den Versuchen EP-4 und BP-5 verwendet wurde, beibehielt.
Beis-piel 5
Ein grosstechnischer Versuch zeigte die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung. Es wurde eine Katalysatorbeschickung aus 1520 g (48,9 troy ounces) Gaze aus Platin-Ehodium-Legierung aus einem Inconel-Polster von 4,32 mm (0,170M) Stärke und etwa 1,6 kg (3,5 pounds) Gewicht verwendet. · ( Zwischen das Inconel-Polster und die Gaze wurden drei Schweiss-Sperrsiebe aus Nichrom abwechselnd mit zwei Gettersieben aus einer Pd-Au-Legierung eingefügt,wobei die gesamte Katalysatorpackung angrenzend war. Der verwendete Hexagonalkonverter betrug 40,6 cm (16 inches) über die Flächen, und die optimale Gazebeschickung, die für eine 95#ige Ammoniakumwandlung erforderlich war, hätte 3»75 kg ■ (120 troy ounces) Gaze aus Platin-Bhodium-legierung be- . tragen. Bei einer Säureproduktionsgeechwindigkeit von
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to
50,5 t (55*4 US-tons) oe Tag,ausgedrückt als 100%ige Salpetersäure, lag die Ammoniakumwandlungswirksamkeit im Mittel bei 95 % für eine zweiwöchige Betriebsperiode·
Beispiel 4-
Es wurden verschiedene Versuche in einem Salpetersäure-Konverter mit einer Kapazität von etwa 54-,5 t (60 tons) je Tag durchgeführt. Es erfolgte ein Standard-Versuch unter Verwendung eines üblichen Pt-Rh.-Gazekatalysators bei einer Beschickung von 3,75 kg (120 troy ounces) Edelmetall (etwa 48 Siebe). In Jedem dieser Versuche unter Verwendung von Katalysatoren gemäss der Erfindung wurden grob 60 % der normalen Gazebeschickung durch ein durchlässiges Polster ersetzt. Typische Ergebnisse sind in Tabelle III zusammengefasst.
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Tabelle III
Zusammenfassung der Testergebnisse in einem Konverter mit einer Kapazität von 54. 5 t (60 tons) .1e Tag
Versuch-Nr.
Übliche Arbeitsweise
Gazebeschickung g (T oz.)
Versuchsstunden
Ammoniakumwandlungswirksamkeit
Säurestärke (%)
Produktionsgeschwindigkeit 0,9 t/Tag 100 % Säure
Platinverluste g/Tag (T oz/day)
3750 (120)
500 - 1000 95,6
54 20,2 (0,65)
1520 (48,9) 1550 (49,7)
671
92,7
55,3
881 94,7
55,5
56,6 54,6 14,9'(0,48) 15,3 (0,49)
In Tabelle III beziehen sich die normalen Betriebsbedingungen auf einen Versuch, in dem lediglich ein üblicher Pt-Bh-Gazekatalysator bei einer Beschickung von 3,75 kg (120 troy ounces) oder 68,5 g (2,2troy ounces) ^e tägliche 0,9 t verwendet wird. Test A bezieht sich auf einen Versuch,in dem ein durchlässiges Inconel-Polster von 5 bis 7,6 mm (0,2 bis 0,3") Stärke anstelle von 60 % der Gaz.e eingesetzt wurde. In Test B wurde ein durchlässiges Mchrom-Polster von 5 bis 7,6 mm (0,2 bis 0,3") Stärke anstelle von etwa 60 % der Gaze eingesetzt. Auf der Basis von Laboratoriumsversuchen simulierten die kombinierten Katalysatorpackungen den Druckabfall des Standard-Versuchs.
Test A verlief 28 Tage ohne Verlust an Umwandlungswirksamkeit zufriedenstellend. Eine Erhöhung der Säureproduktion über den Normalbetrieb wurde beobachtet. Bas Polster wurde sorgfältig geprüft. Mikrophotographien zeigen, dass die
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Drähte sich in gutem Zustand befanden. Ein Oxidüberzug, der sich gebildet hat, zeigte sich als dunkle Bereiche auf den hellgefärbten Drähten. Der Oxidüberzug drang nicht tief in das Metall ein, und das Polster behielt seine festigkeit ohne Verkrümmung. Eine Probe dieses Polsters zeigte, dass der Platingehalt gerade wahrnehmbar war, jedoch 9»3 g (0,30 ozs.) Rhodium abgefangen waren. Dies war eine 35%ige Ausbeutewirksamkeit. Diese Ergebnisse laufen parallel zu LaboratoriumsVersuchsproben.
Test B, der mit einem Nichrom-Polster durchgeführt wurde, erfolgte 37 Tage» wobei die Ammoniak-Umwandlungswirksamkeit und die Salpetersäureproduktion normalen Versuchen vergleichbar war.
Die Testergebnisse zeigen, dass unter Verwendung des erfindungsgemässen Katalysators 60 % weniger Gazebeschickung zur Erzielung der gleichen Ammoniak-Umwandlungswirksamkeit, die mit einem üblichen Gazekatalysator erhalten wird, verwendet werden kann, und die kombinierte Katalysatorpackung kann eine äquivalente oder möglicherweise grössere Säureproduktion und äquivalente Säurestärke gegenüber dem üblichen Gazekatalysator liefern. Darüberhinaus wurden die Platin-Verluste durch Verflüchtigung um wenigstens 25 % durch Verwendung des durchlässigen Polsters, das auch als ein Getter für Rhodium dient, herabgesetzt.
Die erhebliche Herabminderung der Verflüchtigung von Platin war überraschend und stellt eine wesentliche Einsparung der Betriebskosten dar. Es wurde festgestellt, dass in einer üblichen Einheit das Hauptausmass der Verflüchtigung in den oberen 4 bis 6 Gazeschichten stattfindet, d. h., sie ist nicht gleichmässig über die Gaze verteilt. Somit sollte auf dieser Basis die Menge an verflüchtigtem Platinmetall gleich sein, ungeachtet dessen, ob ein üblicher Katalysator oder ein
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Katalysator der Erfindung verwendet wird. Wie jedoch vermerkt, wird in sämtlichen Versuchen die Herabsetzung der Verflüchtigung um 25 bis 3JO % des normalerweise verflüchtigten Betrags herabgesetzt. Es wird angenommen, dass durch die Verwendung des erfindungsgemässen Katalysators eine Herabsetzung der lemperaturfluktuierung mit einer sich daraus ergebenden Verminderung lokalisierter Erhitzung des Siebes stattfindet.
Beispiel 5
In einem Konverter mit einer Kapazität von 150 t (165 USA-tons) Salpetersäure je Tag wurden Versuche unter Verwendung j einer üblichen Katalysatorgaze bei einer Katalysatorbeschikkung von 10,3 ^g (350 troy ounces) (oder 62 g (2 troy ounces) je tägliche 0,9 t) und Katalysatorpackungen, in denen 55 % der Gaze durch ein durchlässiges Polster gemäss der Erfindung ersetzt worden war, durchgeführt. Das in diesen Versuchen verwendete Polster war ein in Abschnitte eingeteiltes Polster aus Nichrom mit einer Stärke von 5*0 bis 7»6 mm (0,2 bis 0,3"). Auf der Basis dieser Laboratoriumsversuche wurde der Druckabfall des üblichen Katalysators durch den Gesamtdruckabfall in der Einheit der kombinierten Katalysatorpackung nachgeahmt. Die Versuchsergebnisse sind in !Tabelle IV zusammengefasst ·
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Tabelle IV
Zusammenfassung
einer
der Versuchs erg ebnisse in einem
täglichen Kapazität von 15Ot
Versuch Übliche
Arbeitsweise
55,5 (1,72) viele Versuche ι Konverter mit 56
Durchschnitt für Gazebeschik-
kung
kg (T. oz.)
10,3 (330) A-1* 165
Versuchs
stunden
1000 - 1200 4,6 (149,5) A-2 38,2 (1,23)
Ammoniak-Um
wandlungswirk
samkeit (%)
95 - 97 1554 4,3 (138)
Säurestärke (%) 56 1380
Produktionsge- 165
schwindigkeit
0,9 t/Tag, 100 %
Säure
95,9 96,5
(96,6 -ersten
988 Stunden)
Platinverluste
g/Tag (T oz/Tag)
56 ·
165 .
40,1 (1,29)
* 2 Pd-Au-Getterbahnen wurden unter dem Sieb verwendet
Die Ergebnisse zeigen, dass die erfindungsgemässen Katalysatoren eine Katalysator-Lebensdauer-Ammoniakumwandlungswirksamkeit vergleichbar mit einem üblichen Katalysator aufweisen,wobei die Platinmetall-Verflüchtigungsverluste um über 25 % herabgesetzt sind.
Die vorstehenden spezifischen Beispiele dienen lediglich zur Erläuterung der Erfindung, und es können viele Modifikationen innerhalb des Eahmens der Erfindung vorgenommen werden.
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Claims (6)

ir Patentansprüche
1. Verfahren zur Oxidation von Ammoniak unter Herstellung von Oxiden des Stickstoffs, wobei ein Gemisch von Ammoniak und einem oxidierenden Gas bei erhöhter !Temperatur und Brück mit einem Katalysatorpolster, das etwa 10 bis 50 Schichten Gaze aus Metall der Platingruppe enthält, in Berührung gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herabsetzung der Menge an Platinmetallgaze die optimale Menge der zur Erzielung einer wenigstens etwa 95%igen Umwandlung von Ammoniak in Stickstoffoxide erforderlichen Gaze ermittelt wird, der Druckabfall über das Katalysatorgazepolster unter den f Reaktionsbedingungen ermittelt wird, etwa 1/3 bis 2/3 der Gaze durch eine durchlässige Struktur aus einem korrosionsbeständigen Nichtedelmetall ersetzt wird, wobei die Struktur eine solche Porosität aufweist, dass der gesamte Druckabfall über die Katalysatorpackung, welche die restliche Gaze und die durchlässige Struktur enthält, praktisch gleich dem des optimalen Katalysatorpolsters ist, und die Ammoniakoxidation bewirkt wird,
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine durchlässige Struktur in Form eines Polsters aus beliebig .orientiertem Metall verwendet wird. J
3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine durchlässige Struktur verwendet wird, die aus Inconel-oder Nichromdrähten hergestellt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine durchlässige Struktur verwendet wird, die aus gewirktem Metallgeflecht hergestellt ist, das unter Bildung eines Polsters aus beliebig orientiertem Metall zusammengepresst ist.
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5· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsprodukt als eine Stufe bei der Herstellung von Salpetersäure verwendet wird und der Katalysator der Platinmetallgruppe in der Katalysatorpackung in einer Menge von 15 bis 4-7 g(0»5 bis "^5 troy ounces), berechnet auf der Basis von Metall je 0,9 t täglicher SaIpetersäure-Produktion, vorli egt.
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P 21 Ol 188. 1 ^^Ztsg, ■ 3. März 1971
Engelhard Minerals &
Chemicals Corporation <-""-"''- B-1O52/1O52-A
Neue Patentansprüche 6 und 7
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Getter für Platinmetalle in der Katalysatorpackung zwischen der Katalysatorgaze und der durchlässigen Struktur vorliegt.
7« Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Getter ein feinmaschiges Netz aus Gold oder einer Goldlegierung ist.
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