NO318861B1 - Understottelsesinnretning for katalysatornett og fremgangsmate for a redusere bevegelse av partikulaert keramisk materiale som folge av termisk ekspansjon - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en understøttelsesinnretning og en framgangsmåte for å redusere bevegelse av partikulært keramisk materiale som følge av termisk ekspansjon.

I en konvensjonell reaktor for ammoniakkoksidasjon vil en blanding av NH3, 02 and N2 reagere ved forhøyede temperaturer og trykk over en platinametallkatalysator til nitrogen-oksider. Fordampet platina blir fanget opp av et oppsamlingsmateriale. Karakteristisk vil både katalysatoren og oppsamlingsmaterialet bestå av en vevd eller strikket nett og følgelig flere slike katalysatornett formet til en pakke festet til reaktorstrukturen med en festeinnretning. Katalysator/oppsamlingspakken er plassert på en støtteanordning i reaktoren. Den mest brukte typen av støtteanordning er keramiske ringer, Rachig-ringer, plassert i en kurv som er festet til reaktorstrukturen. Vanligvis blir en katalysatornett av vevd eller strikket, uedelt metall, for eksempel "Megapyr", plassert mellom den primære støtteanordningen og katalysator/oppsamlingspakken. Slike konvensjonelle reaktorer er videre beskrevet i Ullmanns Encyclopaedia, vol. 20, side 314-317, 4. utg. Hvis en N20-dekomponeringskatalysator blir brukt i reaktoren, vil den helt eller delvis erstatte støttematerialet.

De keramiske ringene, og eventuelt keramisk katalysatormateriale, forflytter seg ofte bort fra periferien ved drift. Dette på grunn av termisk ekspansjon. Denne bevegelsen skaper en grøft som ofte fører til at pakken med katalysatornett revner. Særlig rundt ytterkanten av katalysatornettene kan skadene bli store på grunn av at nivået til Raschig-ringene der er senket. Det er en vanlig observasjon at grøftene blir dypere desto flere ganger produksjonsanlegget blir startet og stanset. Denne skaden utgjør et problem både på grunn av tap av forbrenningseffektivitet og redusert syklus, og er dessuten en sikkerhetsrisiko. Ammoniakksvinnet kan danne ammoniumnitrat og ammoniumnitrid i nedstrømsutstyret, særlig i syrekondensatoren. Ammoniumnitrat og -nitrid kan dekomponere voldsomt.

Oppfinnelsens formål er å komme fram til en støttestruktur som ikke vil forårsake skade på katalysatorpakken når reaktoren er i drift. Et annet formål er å komme fram til en innretning som forhindrer eller reduserer bevegelse i materiale bestående av keramiske partikler under operasjon.

Disse og andre formål med oppfinnelsen kan oppnås ved hjelp av en framgangsmåte og en understøttelsesinnretning som beskrevet nedenfor. Oppfinnelsen karakteriseres videre av patentkravene. Oppfinnelsen vil bli beskrevet med referanse til tegningene Figur 1-2, der

Figur 1 viser dannelsen av en grøft i det keramiske fyllmaterialet omsluttet av en

reaktorkurv.

Figur 2 viser forskjellige utforminger av "støttestrukturen"

Oppfinnelsen vedrører følgelig en framgangsmåte og en understøttelsesinnretning for bevegelsesreduksjon i materiale bestående av keramiske partikler og å unngå skader på katalysatornettene i en reaktor for ammoniakkoksidasjon. Katalysatornettene og eventuelt støttenettene blir holdt oppe av keramisk fyllmateriale og mulig katalysatormateriale omsluttet av en reaktorkurv med metallvegger og perforert bunnplate. En støttestruktur er foretrukket festet til metallveggen på reaktorkurven eller alternativt til periferien av reaktorkurvens bunnplate for å redusere bevegelse av fyllmateriale og/eller katalysator som følge av termisk ekspansjon. Det keramiske fyllmaterialet vil da forflytte seg sammen med metall-veggen under ekspansjonen. Det foretrekkes at støttestrukturen er perforert og fylt med keramisk fyllmateriale eller liknende materiale for å oppnå den samme strømnings-motstand som fyllmaterialet i katalysatorsengen. Støttestrukturen kan ha form av en triangelformet forhøyning. Den kan være et rettvinklet triangel med en rettvinklet vegg festet til metallveggen, eller et likesidet triangel festet til periferien av bunnplaten. Støttestrukturen kan også være en glatt eller perforert plate plassert i en vinkel på 10-60° mot veggen. Den foretrukne vinkelen er 25-30°. Forhøyningen eller platen kan være laget av segmenter og segmentene kan ha en endevegg. Det er også mulig å bruke en støttestruktur i form av en cellelignende struktur, helst med en skrånende topp.

Innledende forsøk i liten skala indikerte at en viktig faktor for dannelse av grøften er forskjellen i ekspansjon av Raschig-ringene og metallstøtten grunnet temperatur-forskjeller. Etter kun få sykluser med ekspansjon uten noen understøttelsesinnretning i katalysatorsengen, ble det dannet en grøft og en del av ytterkanten ble tom for ringer. Dette likner observasjoner gjort fra reaktorer som har vært i virksomhet. Årsaken til dannelsen av grøfter antas å være forskjellen i termisk ekspansjon i metallet i kurven og de keramiske Raschig-ringene. På større produksjonsanlegg med opp til 5 m i reaktor-diameter, kan reaktorkurvens termiske ekspansjon være inntil 30 mm på radiusen, forårsaket av oppheting fra temperaturen i omgivelsene til operasjonstemperatur. Effekten av varmevariasjonene er illustrert i Figur 1. Figur 1A viser skjematisk utstyret før start. Reaktoren for ammoniakkoksidasjon omfatter et katalysatorlag, vanligvis i form av flere materialer, vevd og strikket av Pt/Rh metalltråd og normalt et oppsamlingslag av gettermateriale, for eksempel en palladiumlegering i form av vevde eller strikkede nett. Alle disse nettene danner en pakke 1 som hviler på et stål-nett 2 holdt oppe av et lag Raschig-ringer 3 plassert i en kurv med metallvegg 4 og perforert bunnplate 5. Enkelte eller samtlige Raschig-ringer kan erstattes av en keramisk katalysator. Katalysatorpakken, oppsamlingspakken og støttenettet er festet til reaktorens omkrets på et framspring med festelodd 6 eller liknende arrangement. Kurven er også festet til reaktorveggen på omtrent samme sted. Før start blir Raschig-ringenes katalysatorseng planet og stålnettet og pakken med katalysatornett blir installert og festet rundt periferien.

Etter første oppstart ekspanderer metallveggen og den perforerte bunnplaten mer enn Raschig-ringene. Dette betyr at Raschig-ringene ikke vil ekspandere og fylle tomrommet etter at metallveggen har flyttet seg utover. Denne situasjonen er illustrert i Figur 1B.

Når produksjonsanlegget stenges vil metallveggene avkjøles og trekke seg sammen, og Raschig-ringene i periferien blir presset innover i forhold til sin opprinnelige posisjon. Figur 1C viser et vertikalt snitt av en konvensjonell katalysator og pakken med oppsamlingsmateriale og dens støtteanordning ved slutten av en produksjonsperiode. Her er det dannet en grøft 7 som ofte forårsaker at katalysatornettene revner. Denne skaden utgjør et problem både når det gjelder tap av forbrenningseffektivitet og redusert produksjonsperiode, og er dessuten en sikkerhetsrisiko.

Det er ringene nær ytterkanten som forflytter seg. For å overvinne dette problemet ble det foreslått å installere en støttestruktur, også kalt en "bølgebryter" i katalysatorsengen for å unngå dannelse av grøft. Basert på innledende forsøk ble det konstruert en forsøksenhet med dimensjoner som ett stykke fra sentrum tii periferien av en gjennomsnittlig reaktor. For å simulere temperaturekspansjon, ble det installert hydraulisk kraft for å kunne forflytte en av de korte veggene. Pilotforsøket vil ikke være i stand til å reprodusere ekspansjonen over hele reaktorens radius, men kan reprodusere nettoeffekten i den ene enden av kammeret. Antallet ekspansjoner for en reaktor i drift avhenger av antallet nedstenginger i løpet av en periode. Dette tallet kan variere mellom 1 og 10.

Første steg var å gjenskape fenomenet med grøften som er dannet i periferien av Raschig-ringenes katalysatorseng under operasjon. Dette punktet var viktig for å forstå hvorvidt temperaturekspansjonen kan anses som en av hovedgrunnene. Dette ble gjort for å simulere temperaturekspansjonen ved kun å flytte den bevegelige veggen med forskjellige ekspansjonslengder. De forskjellige ekspansjonslengdene som ble brukt var 70, 50 og 30 mm. For å simulere temperaturvariasjonen ved normal drift, ble det brukt først et slag utover med 30 mm (oppstart) og deretter suksessivt slag på 10 mm innover og utover. Etter bare noen få sykluser med bevegelse ble grøften dannet og deler av ytterkanten var tom for ringer. Dette er likt observasjoner gjort i reaktorer som har vært i drift. Selv med bare 10 mm gjentatte ekspansjoner/sammentrekninger var pilot-testenheten i stand til å gjenskape dannelsen av grøften.

Forskjellige støttestrukturer ble prøvd ut på pilotanlegget, og disse er illustrert i Figur 2. De uttestede formene var en kort og en lang cellestruktur, en glatt eller perforert plate i forskjellige vinkler og en triangelformet forhøyning.

Først ble den korte "cellestrukturen" (honeycomb), som er vist i Figur 2D, plassert på katalysatorsengen ved siden av den bevegelige veggen uten å være festet og ringene ble fylt i. Resultatet av en ekspansjon på 30 mm var at understøttelsesinnretningen begynte å bevege seg innover og_oppover på katalysatorsengen, samtidig som grøften ble dannet. Etter 8 sykluser hadde hele understøttelsessystemet hevet seg over katalysatorsengen med Raschig-ringer, og deler av ytterkanten var tom for ringer. En perforert bunn ble sveiset til understøttelsesinnretningen i "celle"-struktur (honeycomb) og plassert på katalysatorsengen som i det forrige eksperimentet. Understøttelsesinnretningen flyttet seg litt opp på katalysatorsengen, men ble stabilisert og flyttet seg ikke til toppen av katalysatorsengen. Det var forøvrig ingen forbedring når det gjaldt grøftedannelsen.

Et celleformet understøttelsesstruktur med bunn ble så sveiset til den bevegelige veggen. Resultatet av ekspansjonen ble da at grøften ble dannet utenfor "cellen", men ringene i kamrene beveget seg ikke i det hele tatt. Grøften var mindre enn i de foregående eksperimentene, men etter 6 sykluser ble ytterkanten av understøttelsesstrukturen synlig på katalysatorsengen.

Eksperimenter med den lange cellestrukturen (Fig 2C) ble også utført. Det ble funnet at man oppnådde de beste resultatene når støttestrukturen var sveiset til den bevegelige veggen og deler av støttestrukturen var kuttet bort som vist i Figur 2E.

I de fleste tilfeller penetrerte den korte og den lange celleformede understøttelsesstrukturen toppen av laget med Raschig-ringer. Dette kan resultere i skarpe kanter som skjærer i katalysatornettet, selv uten grøftdannelsen. Da toppen av den celleformede støtten ble kuttet med en skrånende topp 8, ble utførelsen forbedret og støtteanordningen penetrerte ikke toppen av sengen med Raschig-ringer. Denne strukturen som har mange små kammer vil trolig være noe mer komplisert å håndtere ettersom alle kamrene må fylles med ringer. Hvis det er montert en perforert bunn i kamrene, kan de imidlertid løftes ut som hele seksjoner.

Eksperimenter ble også utført med en glatt plate 9, plassert på katalysatorsengen ved to forskjellige vinkler a 60 og 70" som illustrert i Figur 2A. Platen var sveiset til den bevegelige veggen og de tre støttekilene 10 ble sveiset til platen. Den glatte platen som ble installert med en vinkel på 60" gav det beste resultatet og hadde ingen permanent grøftdannelse. Et alternativ kunne være et rettvinklet triangel med den rettvinklede veggen festet til metallveggen. Løsningen med en skrånende plate er avhengig av platens grovhet og skråningsvinkelen. Hvis vinkelen blir redusert, blir mer av området i reaktoren dekket. Når platen ikke er perforert, vil strømningsområdet i reaktoren bli redusert og skape større fall i trykket og ujevn strømning over katalysatornettet.

En perforert plate (5 mm hull) ble plassert på katalysatorsengen med forskjellige vinkler, 60°, 45° og 30°. Platen var sveiset til den bevegelige veggen og tre støttekiler ble sveiset til platen. Resultatene er gjengitt i Tabell 1:

1. h=250 2. h=300

3. Grøften blir dannet ved siden av den bevegelige veggen

4. Grøften har forflyttet seg inn i katalysatorsengen, omkring 300 mm

5. Grøften er permanent

Med en vinkel på 60° ble en grøft dannet ved siden av den bevegelige veggen (50 mm på 5 sykluser). Også ved 45° ble en grøft dannet ved veggen, men størrelsen var redusert sammenliknet med 60° (35 mm på 35 sykluser). Ved å bruke en plate med 30" skråning forflyttet grøften seg omkring 300 mm inn i katalysatorsengen, og dybden ble også redusert (20 mm på 20 sykluser).

Eksperimenter ble også utført med en triangelformet forhøyning (pyramideformet støtteanordning) av perforerte plater (5 mm) Den ble først plassert i katalysatorsengen uten å være sveiset til den bevegelige veggen. Med denne plasseringen ble det knapt observert noen forbedring i grøftdannelsen. Hvis denne støtteanordningen ikke blir festet, er det en mulighet for at toppen av pyramiden vil penetrere sengen og resultere i skarpe kanter som kan ødelegge nettet. Da støtteanordningen ble sveiset til veggen, fulgte støtte-anordningen bevegelsene og en grøft ble dannet utenfor toppen av støtteanordningen. Denne grøften var vesentlig grunnere en det som ble observert da støttestrukturen ikke var installert. Installasjonen av den triangelformede forhøyningen som forflytter seg med den ytre veggen eller den ytre delen av den perforerte bunnen vil flytte Raschig-ringene sammen med metallet. Når grøften er dannet nærmere sentrum av reaktorkurven, vil høydeforskjellen bli mindre.

I det følgende er resultatene gjengitt for eksperimenter med en pyramideformet støtte-struktur. Et triangelformet forhøyning (pyramideformet) ble plassert langs den ytre veggen. Høyden på forhøyningen var 100 mm og vinkelen mellom gulvet og sidene var 45°. Kanten av forhøyningen var på det nærmeste omtrent 50 mm fra den ytre veggen. For-høyningen var festet til den ytre veggen. Høyden på Raschig-ringene var 130 - 300 mm.

Grøften som blir dannet er en heller flat fordypning uten skarpe kanter eller bratte fall.

Når det gjelder grøftdannelsen og driften av reaktorene, ser løsningen med perforerte skrådde plater ut til å være den beste. Med en vinkel på 30° mot det horisontale nivået ble grøften dannet borte fra veggen og dybden var betydelig redusert sammenliknet med originalen. Når grøften blir dannet litt unna veggen vil risikoen forødeleggelse av nettet bli redusert. Man unngår styrkekonsentrasjon som følge av nettets vekt og grøftdannelse for tett sammen.

Nesten alle støttestrukturene som ble utprøvd gav bedre resultat enn å ikke bruke noen støtteanordning i det hele tatt. Det ville også vært mulig å bruke for eksempel et sinus-formet metallband festet til metallveggen. Dette kunne plasseres rett under stålnettet.

I reaktorer som er i drift, skjer ekspansjonen over hele radiusen. I pilotforsøkenheten er ekspansjonen konsentrert om en relativt kort distanse nær ved den bevegelige veggen, men testenheten gjenskaper grøften som den er observert under drift. Både "støtte-strukturer" i form av en triangelformet forhøyning og en skrånende plate har blitt testet ut i full skala på fabrikken, og resultatene fra pilotforsøket er bekreftet. Når en glatt plate blir brukt, har vinkelen ingen betydning siden Raschig-ringer glir lett på et slikt materiale. Når perforerte plater blir brukt er imidlertid en korrekt vinkel viktig.

Claims (11)

1. En understøttelsinnretning for katalysatornett i en reaktor for ammoniakkoksidasjon, der katalysatornettene (1) og et eventuelt støttenett blir holdt oppe av keramisk fyllmateriale (3) og/eller katalysator i en reaktorkurv med metallvegger (4) og en perforert bunnplate (5), karakterisert ved at en støttestruktur (9,11) er festet til metallveggen og/eller den ytre delen/periferien av bunnplaten for å redusere bevegelse av fyllmateriale og/eller katalysator som følge av termisk ekspansjon.

2. En understøttelsesinnretning i følge patentkrav 1, karakterisert ved at støttestrukturen er fylt med keramiske fyllmaterialer/katalysator eller liknende materialer for å oppnå den samme strømningsmotstanden som katalysatorsengens fyllmateriale

3. En understøttelsesinnretning i følge patentkrav 1, karakterisert ved at støttestrukturen er en triangelformet forhøyning (11).

4. En understøttelsesinnretning ifølge patentkrav 1, karakterisert ved at støttestrukturen er en glatt eller perforert plate (9) plassert i en vinkel på 10-60° mot veggen.

5. En understøttelsesinnretning ifølge patentkrav 4, karakterisert ved at vinkelen er 25-35°.

6. En understøttelsesinnretning ifølge patentkrav 3,4 og 5, karakterisert ved at støttestrukturen er framstilt av segmenter.

7. En understøttelsesinnretning ifølge patentkrav 6, karakterisert ved at segmentene har endevegger.

8. En understøttelsesinnretning ifølge patentkrav 1, karakterisert ved at støttestrukturen er en cellestruktur (honeycomb).

9. En understøttelsesinnretning ifølge patentkrav 8, karakterisert ved at cellestrukturen har en skrånende topp (8).

10. En framgangsmåte for å redusere et keramisk materiales bevegelse og for å unngå ødeleggelse av katalysatornett i en reaktor for ammoniakkoksidasjon, hvor katalysatornettene og eventuelle støttenett blir holdt oppe av keramisk fyllmateriale og eventuelt en katalysator på en perforert plate eller inne i en reaktorkurv med metallvegger og perforert bunnplate, karakterisert ved å feste en støttestruktur til metallveggen og/eller den ytre delen/periferien av bunnplaten i reaktorkurven som beveger det keramiske materialet sammen med metallveggen under ekspansjon.

11. Framgangsmåte ifølge patentkrav 10, karakterisert ved å bruke en støttestruktur utformet som en triangelformet forhøyning, en glatt eller perforert plate eller en cellestruktur.