FI69046C - Foerfarande och anordning foer katalytisk oxidering av svaveldioxid - Google Patents

Description

69046

Menetelmä ja laite rikkidioksidin katalyyttiseksi hapetta-miseksi Tämä keksintö kohdistuu menetelmään rikkidioksidin katalyyttiseksi hapettamiseksi useassa vaiheessa johtamalla kuumia rikkidioksidipitoisia kaasuja peräkkäin usean kiinteän kata-lyyttipatjan läpi ja jäähdyttämällä kaasuja vaiheiden välillä. Lisäksi tämä keksintö kohdistuu laitteeseen edellä mainitun menetelmän toteuttamiseksi, jossa on ainakin yksi tuloja poistoaukolla varustettu kammio, jossa on yksi tai useampia rikkidioksidipitoisten kaasujen virtaussuunnassa katsottuna peräkkäisiä vaakasuorassa olevia arinoita, joiden päällä on osasista koostuva kiinteä katalyyttipatja, ja jossa kunkin katalyyttipatjän välillä on laite kaasujen jäähdyttämiseksi katalyyttipatjojen välillä. Kaasun jäähdyttäminen katalyytti-patjojen välillä voi tapahtua reaktorin ulkoisilla tai sisäisillä lämmönsiirtimillä, kylmän raakakaasun tai ilman sekaan-puhalluksella.

Rikkihappoteollisuudessa yleisesti käytetyt rikkidioksidin hapetusreaktorit ovat isoja, osin muurattuja teräspeltilie-riöitä, joissa on useita päällekkäisiä ja kaasun virtaus-suunnassa katsottuna peräkkäisiä, tavallisesti 3-5 vaakasuoran arinan päälle sovitettuja kiinteitä katalyyttipatjoja, jotka koostuvat tavallisesti sylinterimäisistä katalyytti-kappaleista, joissa voi olla reikiä tai ulokkeita. Näissä katalyyttikappaleissa käytetään aktiivisena aineena yleensä alkali-vanadiinipyrosulfaattia. Koska rikkidioksidin reaktio hapen kanssa on eksoterminen ja reaktori adiabaattinen, joudutaan kaasua jäähdyttämään patjojen välillä, jolloin kunkin patjan jälkeen on sovitettu lämmönsiirrin tai kylmä-kaasupuhallus kontaktireaktiossa kuumenneiden kaasujen väli-jäähdy ttämiseksi ennen niiden johtamista seuraavaan patjaan. Rikkidioksidipitoiset kaasut johdetaan katalyyttipatjojen läpi käytännössä ylhäältä alaspäin. Näiden ennestään tunnet- 69046 tujen menetelmien ja laitteiden suuri epäkohta on se, että kaasun mukana kulkeutuvat epäpuhtaudet kuten pöly, rautaoksidit ja -sulfaatit ajan mittaan tukkeavat katalyyttipat-jat ja suurimmalle vaaralle alttiina on ensimmäinen kata-lyyttipatja.

Toinen epäkohta on, että käytettäessä ulkoisia lämmönsiir-timiä katalyyttikammion tulo- ja poistoaukkojen kohdalla tapahtuu huomattava virtausnopeuden muutos, mikä vuorostaan aiheuttaa paine-eroa kaasutilassa katalyyttipatjän lähettyvillä, varsinkin jos kaasutila on aerodynaamisesti epäedullisesti muotoiltu ja aukot ovat lähellä katalyyttikerrosta. Yhdestä aukosta aiheutuva paine-ero voi olla 150-200 Pa. Nykyaikaisilla katalyyteillä ensimmäinen kerroksen painehä-viö on uutena 500-1000 Pa. Näin ollen katalyyttipatjaan voi, varsinkin tällaisten aukkojen lähettyvillä, syntyä kanavoitumista ja siten katalyytin paikoittaista ylikuumenemista kaasun virratessa epätasaisesti katalyyttipatjän läpi, varsinkin väkeviä rikkidioksidipitoisia kaasuja käsiteltäessä. Tämän seurauksena katalyytin hyväksikäyttö on paikoitellen tehotonta ja tämän lisäksi vanadiinikatalyyttien aktiivisuus putoaa ajan mittaan korkeissa lämpötiloissa.

DE-patenttijulkaisusta 138 695 on tunnettua johtaa rikkidioksidipitoisia kaasuja alhaalta ylöspäin useiden peräkkäisten platinapohjäisten katalyyttikerrosten läpi. Mitään elimiä pölyjen erottamiseksi ei tässä ratkaisussa kuitenkaan ole kuten ei myöskään US-patenttijulkaisun 3 997 655 mukaisessa laitteessa, vaikka katalyyttipatjät jälkimmäisessä ratkaisussa onkin sovitettu erillisiin kammioihin välijäähdy-tyksineen.

Myös leijukerrosreaktoreita on kokeiltu rikkidioksidin teolliseen hapetukseen. Niiden epäkohtana on ainakin katalyytin nopea kuluminen.

li 3 69046

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on poistaa tai vähentää edellä mainittuja epäkohtia ja aikaansaada menetelmä ja laite rikkidioksidin katalyyttiseksi hapettamiseksi, joissa katalyyttipatjän tukkeutuminen pölyn johdosta sekä paikoit-tainen ylikuumeneminen kanavoitumisen johdosta on vältetty tai olennaisesti vähennetty.

Keksinnön pääasialliset tunnusmerkit ilmenevät oheisista patenttivaatimuksista .

Esillä olevan keksinnön mukaisesti johdetaan hapetettavat rikkidioksidipitoiset kaasut, ainakin ensimmäisessä vaiheessa katalyyttipatjaa kannattavan arinan alle ja poistetaan katalyyttipatjän yläpuolelta, niin että kaasut joutuvat virtaamaan katalyyttipatjän läpi alhaalta ylöspäin. Kiinteän katalyyttipatjän alle johdetuista kaasuista poistetaan erottunutta pölyä jaksottaisesti katalyyttipatjän alla olevasta tilasta.

Katalyyttipatjän yläpuolinen vapaa tila on tilavuudeltaan edullisesti 1,3 - 6-kertainen katalyyttipatjän tilavuuteen nähden ja kaasun poistoaukko on edullisesti vähintään kata-lyyttipatjan paksuuden etäisyydellä katalyyttipatjän pinnasta.

Näin ollen katalyyttipatjän kanavoituminen sekä sen paikallinen ylikuumeneminen vähentyy huomattavasti.

Kaasun mukana kulkevat kiinteät ja mahdolliset nestemäiset epäpuhtaudet eivät myöskään automaattisesti joudu katalyyttipat jaan, kuten tähän saakka, vaan kerääntyvät katalyytti-patjan alapuolella olevalle kammiopohjalle, (josta ne voidaan poistaa), koska kaasun virtaus hidastuu huomattavasti sen tullessa kammioon, mikä edistää epäpuhtauksien erottumista kaasusta. Tämän ansiosta voidaan katalyytin seulonta-ja vaihtoväliä huomattavasti pidentää.

4 69046

Sovittamalla katalyyttipatjän alapuolella olevan kaasun tu-loaukon eteen sen läheisyyteen virtauksen hajotin, voidaan katalyyttipatjän kanavoitumista edelleen pienentää. Hajotti-men rakenne riippuu tuloputken käyristä osista, tuloputken ja reaktorikammion välisen suulakkeen muodosta ja tuloputken sekä reaktorikammion sisähalkaisijoiden suhteesta. Kulloinkin kysymykseen tuleva optimirakenne voidaan hakea esimerkiksi mallikokeilla. Virtauksen hajotin vähentää tuloaukon ejekto-rivaikutuksesta muutoin syntyvää epätasaista painetta kata-lyyttipatjan alapinnalle sekä edistää ei-kaasumaisten epäpuhtauksien erottumista ja laskeutumista kammion pohjalle.

Nykyaikaiset isokokoiset rikkidioksidin kontaktireaktorien alkupään katalyyttipatjojen katalyyttiosaset (pelletit) eivät normaalivirtauksella ja edellä selostetulla järjestelyllä joudu liikkeeseen, vaikka kaasu virtaakin tavanomaisesta poiketen alhaalta ylöspäin katalyyttipatjän läpi. Tämä voidaan kuitenkin vielä varmistaa sovittamalla tiheähkö metalliverkko tai raskaita ja/tai toisiinsa tarttuvia keramiik-kakappaleita katalyyttipatjän päälle.

Katalyyttipatjaan mahdollisesti kertynyttä pölyä voidaan poistaa johtamalla reaktiokaasuja tai ilmaa hetkellisesti päinvastaiseen suuntaan katalyyttipatjän läpi, esim. seisokin aikana. Vastakkaissuuntainen kaasuvirtaus irrottaa katalyyttipat jaan mahdollisesti tarttunutta pölyä, joka putoaa kammion pohjalle.

Pöly on helposti poistettavissa kammion pohjalta sen seinämään arinan alapuolelle sovitetun avattavan luukun kautta.

On selvää, että kaasun mukana kulkeutuvat kiinteät epäpuhtaudet on paljon helpompi poistaa reaktorikammion pohjalta katalyyttipatjän alapuolelta kuin itse katalyytin seasta, kuten ennestään tunnetuissa menetelmissä. Keksinnön mukaisessa ratkaisussa voidaan kammion pohjalle kertynyt pöly poistaa joko mekaanisesti tai imemällä jopa prosessin ollessa käynnissä tai ainakin lyhytaikaisessa seisokissa.

I! 5 69046

Eräs keksinnön mukaisella menetelmällä saavutettava lisäetu on, että sijoitettaessa jokin myöhempien reaktiovaiheiden tavanomaisista kammioista keksinnön mukaisen ensimmäisen vaiheen alle, ei näiden vaiheiden välistä pohjaa tarvitse lämpöeristää muurauksella, koska kaasujen tulolämpötilat katalyyttikerroksiin ovat suunnilleen samat.

Keksintöä selostetaan alla lähemmin viitaten oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää poikkileikattua pystykuvantoa tavanomaisesta kontaktireaktorista ja kuvio 2 esittää poikkileikattua pystykuvantoa keksinnön suositusta suoritusmuodosta.

Kuvion 1 esittämässä sinänsä tunnetussa kontaktireaktorissa on kolme päällekkäistä kammiota 1, 1' ja 1", jotka on erotettu toisistaan välipohjilla 11. Rikkidioksidipitoiset kaasut tuodaan ylimmän eli ensimmäisen kammion 1 yläosaan tulo-aukosta 2 ja johdetaan kammiossa 1, siinä olevan vaakasuoran arinan 4 päällä olevan kiinteän katalyyttipatjän 5 läpi ylhäältä alaspäin arinan 4 ja pohjan 11 välissä olevaan vapaaseen tilaan ja siitä edelleen poistoaukon 3 kautta välijääh-dyttimeen 6 ja siitä edelleen seuraavaan, kammion 1 alapuolella olevaan kammioon 1’ sen tuloaukon 2' kautta. Lopuksi kaasut poistetaan alimman kammion 1" alaosassa olevan poistoaukon 3" kautta.

Tässä ennestään tunnetussa ratkaisussa kaikki rikkidioksidi-pitoisten kaasujen mukana kulkeutuva pöly ja nestemäiset epäpuhtaudet joutuvat katalyyttipatjaan, jolloin suurin osa niistä jää patjaan aiheuttaen tukkeumia. Poistoaukon 3 ja 3' sijainti aiheuttaa lisäksi alkupään patjojen suhteellisen pienestä painehäviöstä johtuen merkittävän paine-eron sen läheisyydessä olevassa arinan alapuolisessa tilassa. Samoin aiheuttaa tuloaukon 2' sijainti ja myös tuloaukon 2, jos 6 69046 ensimmäinen vaihe ei ole ylinnä, merkittävän paine-eron sen läheisyydessä olevassa patjan yläpuolisessa tilassa. Tämän seurauksena katalyyttipatja helposti kanavoituu aukkojen läheisyydessä, jolloin katalyyttipatja voi paikallisesti ylikuumentua eikä sen käyttö ole riittävän tehokasta.

Kuviossa 2 esitetty keksinnön mukainen ratkaisu poikkeaa kuviossa 1 esitetystä, sinänsä tunnetusta ratkaisusta siinä, että rikkidioksidipitoiset kaasut tuodaan ainakin ensimmäisen vaiheen kammioon 1 arinan 4 alapuolelle, jolloin kaasun tuloaukko 2 on arinan 4 alapuolella ja poistoaukko 3 kata-lyyttipatjan 5 yläpuolella. Tämän jälkeen voidaan kaasut johtaa välijäähdyttimen 6 kautta seuraavaan vaiheeseen, eli kammioon 1', jossa tuloaukko 2' voi tavanomaiseen tapaan olla sovitettu katalyyttipatjän 5 yläpuolelle, sillä tässä vaiheessa kaasut eivät ole niin pölypitoisia, että ne aiheuttaisivat hankaluuksia katalyyttipatjassa 5.

Suurin osa rikkidioksidipitoisten kaasujen sisältämästä pölystä ja käynnistyksen nestemäisistä epäpuhtauksista erottuu jo arinan 4 ja välipohjan 11 välissä olevassa tilassa ja putoaa välipohjalle 11, eikä siten joudu katalyyttipatjaan 5, kuten kuvion 1 mukaisessa ratkaisussa.

Kammion 1 sivuseinämään arinan 4 alapuolelle on muodostettu aukko, jossa on avattava luukku 10, jonka kautta pohjalle 11 pudonnut pöly ja epäpuhtaudet voidaan poistaa kammiosta 1.

Poistoaukon 3 ejektoriefekti on myös helppo eliminoida kuvion 2 esittämässä ratkaisussa, sillä kammion 1 katalyytti-patjan 5 yläpuolella oleva vapaa tila 9 voidaan helposti muodostaa niin suureksi, edullisesti 1,3 - 6-kertaiseksi katalyyttipatjän 5 tilavuuteen nähden ja poistoaukko 3 niin kauas, ettei merkittävää ejektoriefektiä eikä katalyytti-patjan kanavoitumista esiinny. Kammioon 1 on lisäksi sen tuloaukon 2 eteen välimatkan päähän siitä sovitettu virtauk-

It 7 69046 sen hajotin 7, joka jakaa kaasun tasaisesti katalyyttipat-jan 5 koko pinta-alalle vähentäen alapuolista ejektori-efektiä ja siten edelleen kanavoitumista.

Katalyyttipatjän 5 pinnalle on lisäksi sovitettu keramiikka-kappaleita tai metalliverkko 8, joka estää katalyyttiosasia joutumasta leijuvaan liikkeeseen, mikäli virtausnopeus kata-lyyttipatjan läpi nousisi liian suureksi.

Sekä kuvion 1 että 2 mukaisissa ratkaisuissa käytetään normaalisti katalyyttipatjän ja arinan välissä muutaman 10 mm:n paksuista keramiikkakappalekerrosta.

Claims (8)

8 69046

1. Menetelmä rikkidioksidin katalyyttiseksi hapettamiseksi useassa vaiheessa johtamalla kuumia rikkidioksidipitoisia kaasuja peräkkäin usean kiinteän katalyyttipatjän läpi ja jäähdyttämällä kaasuja vaiheiden välillä, jolloin kuumia rikkidioksidipitoisia kaasuja johdetaan ainakin ensimmäisessä vaiheessa kiinteän katalyyttipatjän alle ja poistetaan sen yläpuolelta, tunnettu siitä, että kiinteän katalyyttipatjän alle johdetuista rikkidioksidipitoisista kaasuista erottunutta pölyä poistetaan kiinteän katalyytti-patjan alapuolella olevasta tilasta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että kiinteän katalyyttipatjän puhdistamiseksi johdetaan sen läpi väliaikaisesti ylhäältä alaspäin rikkidioksidipitoisia kaasuja tai muuta kaasua, kuten ilmaa.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kiinteän katalyyttipatjän alle johdetut rikkidioksidipitoiset kaasut saatetaan törmäämään ohja-uslevyyn tai -levyihin kaasuvirran hajottamiseksi ja jakamiseksi tasaisesti katalyyttipatjän yli.

4. Laite rikkidioksidin hapettamiseksi, jossa on ainakin yksi kaasun tulo- (2, 2’) ja poistoaukolla (3, 3') varustettu kammio (1, 1'), jossa on yksi tai useampia rikkidi-oksidipitoisten kaasujen virtaussuunnassa katsottuna peräkkäisiä suurin piirtein vaakasuoria arinoita (4), joiden päällä on osasista koostuva kiinteä katalyyttipatja (5), jossa kunkin katalyyttipatjän (5) välillä on jäähdytys-laite (6), ja jossa kaasun tuloaukko (2) on ainakin ensimmäisen katalyyttipatjän (5) alapuolella, tunnettu siitä, että kammiossa (1) on arinan (4) alapuolella avattava luukku (10) kammion (1) pohjalle (11) kertyneen kaasuista erottuneen pölyn poistamista varten. li 9 69046

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laite, tunnettu kaasun tuloaukon (2) eteen sovitetusta virtauksen hajotti-mesta (7).

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen laite, tunnettu katalyyttipatjän (5) päälle sovitetusta metalli-verkosta (8) tai raskaampien ja/tai toisiinsa tarttuvien osasten kerroksesta.

7. Jonkin patenttivaatimuksista 4-6 mukainen laite, tunnettu siitä, että kammion (1) poistoaukon (3) etäisyys katalyyttipatjän (5) yläpinnasta on ainakin yhtä kuin kata-lyyttipatjan keskimääräinen paksuus.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laite, tunnettu siitä,että kammion (1) katalyyttipatjän (5) yläpuolisen tilan (9) tilavuus on 1,3 - 6-kertainen katalyyttipatjän (5) tilavuuteen nähden. 69046