DK158775B - Katalysator og anvendelse af katalysatoren til fremstilling af salpetersyre - Google Patents

Description

i

DK 158775 B

Den foreliggende opfindelse angår en katalysator med en i reaktanternes strøinningsretning arrangeret pakning af gazer fremstillet af et metaltrådnet, som består af et me-5 tal fra platingruppen eller en legering indeholdende et sådant metal.

En katalysator af denne type kendes fra FR patentskrift nr. 2 433 975. Denne katalysator skal være således ud-10 formet, at gazen har gode katalytiske egenskaber, hvilket imidlertid indebærer, at der ved fremstillingen må benyttes en lille mængde ædelmetal. For at opnå de gode katalytiske egenskaber hos den kendte katalysator er det endvidere nødvendigt, at man ud fra en oprindeligt cirkulær 15 tråd fremstiller et trådvæv med relativt stor maskevidde og bagefter bibringer tråden en flad tværsnitskontur ved valsning, hamring eller presning, således at der opstår strimler, som har en større overflade end den oprindelige cirkelrunde tråd. Denne procedure er relativt kostbar, 20 eftersom man først må fremstille en tråd med cirkulært tværsnit og forarbejde denne til gaze, som man derefter må underkaste en yderligere arbejdsproces for at opnå et rektangulært tværsnit. Desuden må man udvise stor omhu < for at sikre, at man allerede under forarbejdningen af 25 den runde tråd til gaze opnår den ønskede tilordning af de enkelte trådafsnit efter bearbejdningen.

Den foreliggende opfindelse tilsigter at man med mindst muligt materialeforbrug skal kunne fremstille en optimalt 30 virkende katalysator, således at man ikke længere behøver at gøre brug af en bekostelig fremstillingsmetode. Den til grund for opfindelsen liggende opgave består således i at udforme en katalysator af den i krav l's indledning angivne art på en sådan måde, at den er let at fremstil-35 le, og at den også ved et relativt beskedent materialeforbrug har en høj virkningsgrad.

DK 158775 B

2

Denne opgave løses ifølge opfindelsen med en katalysator, der er ejendommelig ved, at de enkelte gazer, som eventuelt er samlet i grupper, indeholder tråde med forskellige tværsnit, idet trådtværsnittet i reaktanternes 5 strømningsretning aftager fra gaze til gaze, henholdsvis fra gazegruppe til gazegruppe.

Ved denne udformning af en katalysator går man ud fra den antagelse, at der i forbindelse med rensning af gasser 10 sker en betydelig ændring af forholdene fra katalysatorindgangen til katalysatorudgangen, idet andelen af skadelige gasbestanddele er væsentlig højere ved indgangen end ved udgangen. I de kendte katalysatorer tages der ikke hensyn til denne omstændighed, idet trådtværsnittet over 15 den samlede katalysator fra gasindgang til gasudgang er uforandret og af en sådan størrelse, at den katalytisk virksomme trådoverflade er tilstrækkelig til at imødekomme forholdene ved gasindgangen. Dette betyder, at der hen imod gasudgangen forekommer en for stor katalytisk aktiv 20 trådoverflade, som overhovedet ikke kan udnyttes. I katalysatoren ifølge opfindelsen sker der derimod en progressiv formindskelse af trådtværsnittet i retning fra gasindgang mod gasudgang på en sådan måde, at der på ethvert sted i gazepakningen foreligger den nødvendige katalytisk 25 aktive overflade, som gassens forureningsgrad tilsiger. I det mindste udviser katalysatoren en sådan forandring af trådtværsnittet, at den kommer så tæt som muligt på denne optimale tilstand. Uden at forringe katalysatorens virkning kan man formindske materialeforbruget væsentligt, og 30 fremstillingen af den fornødne gaze frembyder ingen særlige vanskeligheder, eftersom der til de enkelte gazer eller gazegrupper anvendes tråde med forskellige tværsnit. 1

Katalysatoren ifølge opfindelsen finder især, men ikke udelukkende, anvendelse ved katalytisk luftoxidation af ammoniak ved middelhøjt eller højt tryk med henblik på

DK 158775 B

3 fremstilling af salpetersyre.

Når man skal fremstille salpetersyre, ønsker man at anvende et anlæg, som kan arbejde kontinuerligt under be-5 tingelser, som fører til et maksimalt udbytte af nitrogenoxid, men dette indebærer ikke nødvendigvis, at anlægget kan fungere under de mest Økonomiske omstændigheder. I mange tilfælde vil den mest økonomiske driftsform medføre, at anlægget drives under omstændigheder, 10 som fører til et udbytte, der er mindre end det maksimale udbytte. Dette kan være utilfredsstillende for fabrikanten, som også er nødsaget til at tage anlæggets kapitalafkast i betragtning.

15 Det er derfor væsentligt, at der ved processen til oxidation af ammoniak opnås en maksimal omdannelse under en minimal anvendelse af ædelmetal, hvilket medfører et minimalt tab af ædelmetal fra katalysatoren.

Der har været gjort forsøg på at reducere mængden af an-20 vendt metallisk platin i katalysatorenhederne ved at reducere diameteren af den tråd, udfra hvilken trådnettene fremstilles. Disse forsøg har indtil videre ikke ført til gunstige resultater, eftersom holdbarheden af sådanne trådnet har vist sig at være særdeles beskeden. Det har 25 nu overraskende vist sig, at den ringe holdbarhed skyldes, at hovedparten af oxidationsreaktionen optræder på bestemte områder af trådnettet, som er beliggende på den forrest liggende overflade af katalysatorenheden regnet i den retning, langs hvilken gasserne passerer igennem 30 katalysatorenheden. Tegningens figur 1 viser en grafisk fremstilling af vægttabet som funktion af trådnettets placering, og den viser et typisk vægttab igennem en katalysatorenhed bestående af 40 lag trådnet belastet med 100 tons ammoniak pr. kvadratmeter trådnet pr. dag. Kata-35 lysatorerne ifølge opfindelsen konstrueres på basis af vægttabskurver af den type, som er vist på tegningens figur 1.

DK 158775 B

4

Med den foreliggende opfindelse bliver det derfor muligt at opnå den samme effektive omdannelse som hidtil har været mulig, idet man enten kan anvende en mindre mængde ædelmetal, eller man alternativt kan opnå en større om-5 dannelseseffektivitet under anvendelse af i det væsentlige den samme mængde ædelmetal. Det er også et formål med opfindelsen at opretholde katalysatorenhedens aktivitet i længere perioder, end det hidtil har været muligt, og at reducere virkningerne af en forurening af kataly-10 satorenheden under samtidig anvendelse af en mindre mængde metal end tidligere påkrævet.

>

Antallet af gazer i hvert område af katalysatoren med samme trådtværsnit bestemmes hensigtsmæssigt ud fra fig.

15 1, idet kurveforløbet er opdelt i enkelte trin. Ved trin vis fremstilling angiver den horisontale udstrækning af hvert trin antallet af anvendte gazer i hvert trin, som modsvarer det vægttab, der er angivet ved den vertikale udstrækning af trinnet.

20

De gazer, som har de største trådtykkelser, er således anbragt på de steder, hvor hovedparten af reaktionen foregår, og hvor der derfor sker det største vægttab, altså ved katalysatorens gasindgang. Tråden, som danner 25 gazen, er fortrinsvis fremstillet af et metal fra platingruppen, en legering af metaller fra platingruppen eller en legering af et eller flere metaller fra platingruppen sammen med et eller flere metaller, der ikke stammer fra platingruppen, idet metallet eller metallerne fra platin-30 gruppen udgør mindst 90 vægt-% af det totale metalindhold. Foretrukne legeringer af metaller fra platingruppen omfatter en platinlegering indeholdende 10% rhodium eller en platinlegering indeholdende 5% rhodium og 5% palladium.

I det følgende beskrives en løsningsmulighed ifølge opfindelsen, som sammenlignes med en konventionel kataly- 35

DK 158775 B

5 sator med gazepakning.

På fig. 2 ses en katalysator omfattende et hus 1, hvorigennem det strømmende middel, der skal udsættes for 5 katalysatorvirkningen, strømmer i retningen vist ved pilene 2 og 3. En i huset 1 anbragt pakning består af i alt seks gazelag. Hvert gazelag består af tråd af et katalytisk aktivt materiale. Ved en katalysator ifølge opfindelsen er begge de to lag 4 og 5, som sidder forrest reg-10 net i strømningsretningen, vævet af en tråd, hvis tværsnit er større end tværsnittet af den tråd, hvormed de følgende fire gazer 6-9 er vævet. I forhold til en sædvanlig katalysator er katalysatoren ifølge opfindelsen således indrettet, at et bestemt antal trådnet i den for-15 reste del er uforandrede, medens de følgende gazer er er stattet af gazer vævet af tråd med et mindre tværsnit.

Disse gazer kan alle have et bestemt trådtværsnit, eller de kan være sammenfattet i grupper, hvor trådtværsnittet i den enkelte gruppe er det samme, og hvor tværsnittet 20 aftager fra gruppe til gruppe.

Levetiden for en pakning af trådnet begrænses gennem forurening af de forreste trådnet. Ifølge den foreliggende < opfindelse kan dette problem overvindes uden at man for-25 øger indholdet af metaller fra platingruppen, ved at man forøger det totale antal af trådnet, hvilket gøres ved, at man substituerer et større antal af de trådnet, som har store tråddiametere, med trådnet, som har mindre tråddiametere. Dette forøger levetiden af gazepakningen 30 uden at reducere effektiviteten, idet man kan anvende en mindre mængde katalytisk metal, end der ellers ville være påkrævet.

Det er ikke hensigtsmæssigt uden videre at reducere tråd-35 diameteren i samtlige trådnet, idet der uden den katalytiske proces sker et tab af metal fra trådnettene, og hvis man fremstiller trådnettene af en for tynd tråd, vil

DK 158775B

6 man opnå en kortere levetid og dermed hyppigere afbrydelser af anlægget.

Katalytiske trådnet, som almindeligvis anvendes i anlæg 5 til oxidation af ammoniak, har generelt en diameter på 76 um. Undertiden anvender man en tyndere tråd med en diameter på 60 um·, men dette er som oftest tilfældet i anlæg, som arbejder under atmosfærisk tryk, og i sådanne anlæg er antallet af anvendte trådnet relativt lille, 10 eksempelvis omkring 4.

Den større dimensionerede tråd med diameter 76 um anvendes til fremstilling ved trådnet til brug i anlæg, hvor oxidationen foregår ved middelhøjt eller højt tryk. I 15 dette tilfælde anvender man med fordel et større antal trådnet, dvs. 6 til 10 trådnet i anlæg, som arbejder ved middelhøjt tryk, og op til 50 trådnet i anlæg, som arbejder ved højt tryk.

20 Det er et yderligere aspekt ved den foreliggende opfindelse, at en pakning af katalytiske metaltrådnet til anvendelse i anlæg til katalytisk luftoxidation af ammoniak, hvilke anlæg arbejder ved middelhøjt eller højt tryk, indeholder mindst 10 trådnet, idet de trådnet, som vender 25 ud mod den ene overflade af pakningen (som under drift udgør bagsiden af pakningen) er fremstillet af tyndere tråd eller af tråd med mindre tværsnitsareal end de trådnet, som vender ud imod den anden overflade af pakningen (som under drift vil udgøre pakningens forside).

30

Mellem 25 og 60% af trådnettene, og fortrinsvis mellem 30 og 50% af trådnettene, kan bekvemt være fremstillet af tråd af den tykkere type eller af tråd med et større tværsnitsareal.

Når sådanne tråde anvendes i katalysatoren ifølge opfindelsen, har de tykkeste trådnet en tråddiameter på 76 um, 35

DK 158775 B

7 mens de tyndeste trådnet har en tråddiameter på 60 um.

Når man uændret anvender et bestemt antal trådnet, udgør dette antal generelt imellem 20 og 25 trådnet i et anlæg, 5 som arbejder ved højt tryk. I anlæg, som arbejder ved middelhøje tryk, vil det uændrede antal trådnet fortrinsvis være omkring 3.

I en anden udførelsesform for katalysatoren ifølge op-10 findelsen kan trådnet, som almindeligvis er fremstillet af tyndere tråd og anbragt i nærheden af katalysatorens bagside, tillige indeholde tråd af den større tykkelse, som normalt forekommer i trådnet i nærheden af katalysatorpakningens forside. Med andre ord kan visse af kompo-15 nenterne i enten kædetråden eller skudtråden i trådnettet være fremstillet af tynd tråd, mens andre komponenter kan være fremstillet af tykkere tråd. Alternativt kan hele kædetråden eller hele skudtråden være fremstillet af tynd tråd, ligesom hele kædetråden og hele skudtråden kan være 20 fremstillet af tyk tråd.

Opfindelsen illustreres nærmere ved de følgende eksemp ler.

25 EKSEMPEL 1 I et anlæg til kommerciel fremstilling af salpetersyre opnås en omsætningsgrad af størrelsesordenen ca. 95,5% ved anvendelse af 9 trådnet fremstillet ud fra tråd med 30 en diameter på 0,076 mm og bestående af platin indeholdende 10% rhodium, hvilket trådnet har en maskevidde på _2 1024 cm . Den totale vægt af det anvendte katalysatormetal er 38,285 kg. Når de sidste 7 af disse 9 trådnet udskiftes med 9 trådnet med samme maskevidde fremstillet 35 af en tråd med en diameter på 0,060 mm og bestående af platin indeholdende 10% rhodium, forbliver omsætningseffektiviteten og levetiden af katalysatorpakningen prak-

DK 158775 B

8 tisk talt uforandret. Den totale mængde anvendt metal kan dog herved reduceres fra 38,285 til 33,5 kg, hvilket indebærer en besparelse på 12,5%.

5 EKSEMPEL 2

Et anlæg, som kan forarbejde 15,7 tons NH^ pr. m2 netoverflade pr. dag, er forsynet med 9 trådnet med en tråddiameter på 0,076 mm fremstillet ud fra en legering af 10 platin indeholdende 10% rhodium. Omdannelseseffektivite ten er almindeligvis 95,0%, og der anvendes 38,285 ædelmetal .

Der gennemføres tre forsøg, hvorunder man opretholder tre 15 af trådnettene med stor tråddiameter, mens der indføres vekslende antal trådnet med en mindre tråddiameter.

I det første forsøg bestod katalysatorpakningen af tre metalliske trådnet med en tråddiameter på 0,076 mm og 9 20 metalliske trådnet med en tråddiameter på 0,060 mm. Til fremstillingen af denne pakning benyttedes 37,744 kg ædelmetal, hvilket svarer til en besparelse på 1,4%, og omdannelseseffektiviteten var 95,2%. Desuden udviste katalysatorpakningen en let forøget levetid.

25 I det andet forsøg bestod katalysatorsysternet af tre trådnet med en tråddiameter på 0,076 mm samt 7 trådnet med en diameter på 0,060 mm. Til fremstilling af dette katalysatorsystem benyttedes 32,193 kg metal, hvilket 30 svarer til en besparelse på 15,9 vægt-%. Katalysatoreffektiviteten svarede til 95,0% og der observeredes ikke nogen forøgelse af katalysatorsystemets levetid.

Hvis man endelig anvender 10 trådnet med lille trådtyk-35 kelse, stiger metalforbruget med 5,8 vægt-%, men til gengæld opnår man en væsentlig forøgelse i udbyttet af salpetersyre, ligesom man opnår en forøgelse af katalysator-

DK 158775 B

9 systemets levetid. Ved anvendelse af 9 tynde trådnet opnår man en faktisk besparelse af ædelmetal på 1,4 vægt-%, mens man stadig opnår en lille forøgelse af syreproduktionen og en lille forøgelse af katalysatorsystemets 5 levetid. Hvis man anvender 7 tynde trådnet, opnår man en meget væsentlig besparelse i forbruget af ædelmetal (15,9 vægt-%), mens omdannelsen og levetiden omtrent er uforandret .

10 EKSEMPEL 3

Et anlæg til fremstilling af salpetersyre indeholder 21 trådnet med en trådtykkelse på 76 Mm, som tilsammen vejer 31,471 kg, og dette anlæg udviser en omdannelseseffekti-15 vitet på 93,0%. En trediedel (dvs. 7) af de 21 trådnet med store trådtykkelser blev opretholdt, mens resten blev erstattet af 23 trådnet med en trådtykkelse på 60 urn. Den totale vægt af ædelmetal var derefter 32,982 kg svarende til en forøgelse på 4,8%. Derved forøgedes til gengæld 20 omdannelseseffektiviteten til 94,5%, og også katalysator systemets levetid blev væsentligt forøget. På denne måde tilvejebragtes en væsentlig besparelse i driften af anlægget, mens metalindholdet i katalysatorsystemet kun blev ganske svagt forøget.

25 30 35

Claims (2)

1. Katalysator med en i reaktanternes strømningsretning 5 arrangeret pakning af gazer fremstillet af et metaltrådnet, som består af et metal fra platingruppen eller en legering indeholdende et sådant metal, kendetegnet ved, at de enkelte gazer, som eventuelt er samlet i grupper, indeholder tråde med forskellige tværsnit, idet 10 trådtværsnittet i reaktanternes strømningsretning aftager fra gaze til gaze, henholdsvis fra gazegruppe til gazegruppe.

2. Anvendelse af katalysatoren ifølge krav 1 til kataly-15 tisk luftoxidation af ammoniak ved middelhøjt eller højt tryk med henblik på fremstilling af salpetersyre. " 20 25 30 1