PL236239B1 - Układ do stabilizacji warstwy katalizatora do rozkładu tlenku azotu(I) N₂O w reaktorze utleniania amoniaku - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do stabilizacji warstwy katalizatora do rozkładu tlenku azotu(l) w reaktorze utleniania amoniaku. Wynalazek ten może znaleźć swoje zastosowanie w reaktorach utleniania amoniaku w instalacjach kwasu azotowego.

Reakcja utleniania amoniaku prowadzona jest w aparacie zwanym utleniaczem amoniaku w obecności pakietu siatek z metali szlachetnych (Pt, Rh) jako katalizatora.

W wyniku utleniania amoniaku jako produkt główny powstaje tlenek azotu(II). Obok niego mogą powstawać inne produkty uboczne, w tym gaz cieplarniany tlenek azotu(I). Ze względu na wymagania dotyczące redukcji emisji gazów cieplarnianych jednym ze stosowanych rozwiązań jest umieszczenie w utleniaczu amoniaku bezpośrednio pod pakietem siatek z metali szlachetnych katalizatora do rozkładu tlenku azotu(I). Wewnątrz utleniacza amoniaku zazwyczaj umieszczona jest konstrukcja nośna, najczęściej składająca się z rusztu ulowego lub blachy perforowanej i ściany bocznej, inaczej nazwana koszem katalitycznym, której zadaniem jest podtrzymywanie pakietu siatek z metali szlachetnych oraz zapewnienie równomiernego ich rozłożenia na całej powierzchni. W koszu katalitycznym umieszcza się warstwę wypełnienia ceramicznego, która stabilizuje pakiet siatek lub warstwę katalizatora do rozkładu tlenku azotu(I). Reakcja przebiega w wysokiej temperaturze 780-940°C co stwarza to wiele trudności eksploatacyjnych, szczególnie, związanych z rozszerzalnością termiczną metali. Wyjątkowo niepożądane są zmiany temperatury podczas uruchomiania i wyłączania reaktora. Różna rozszerzalność termiczna elementów reaktora, w tym elementów kosza oraz warstwy wypełnienia ceramicznego lub katalizatora do rozkładu tlenku azotu(I) powoduje powstawanie nierównomierności (zagłębień i grzbietów) pakietu siatek katalitycznych oraz w warstwie wypełnienia ceramicznego lub katalizatora do rozkładu tlenku azotu(l). Jest to przyczyna lokalnych przeciążeń i przegrzania pakietu siatek katalitycznych, mechanicznego uszkodzenia tego pakietu, migracji warstwy wypełnienia ceramicznego lub katalizatora do rozkładu tlenku azotu(I), bocznikowania przepływającej mieszaniny reakcyjnej, co prowadzi do obniżenia sprawności utleniania amoniaku do tlenku azotu(II) oraz zmniejszenia efektywności redukcji emisji tlenku azotu(I), w przypadku zainstalowania pod pakietem siatek katalitycznych katalizatora do rozkładu tlenku azotu(l). Znanych jest wiele propozycji poprawy konstrukcji kosza katalitycznego oraz sposobu jego uszczelnienia umożliwiających wyeliminowanie lub ograniczenie niekorzystnych zjawisk skutkujących niższą efektywnością działania katalizatorów.

Znana jest z opisu patentowego WO91/08982 (Norsk Hydro) konstrukcja nośna podtrzymująca katalizator utleniania amoniaku, która stanowi obojętny porowaty materiał w postaci jednej lub więcej warstw sztywnych segmentów i włóknistych mat odpornych na wysoką temperaturę. Zadaniem tej konstrukcji jest zapewnienie równomiernego podparcia dla pakietu siatek z metali szlachetnych.

Znana jest z opisów patentowych US2017/0239635A1 oraz WO2016/028698 (Alloy Engineering Company) podwójna konstrukcja wsporcza, umożliwiająca niezależne podparcie pakietu siatek katalitycznych oraz warstwy katalizatora do rozkładu tlenku azotu(l).

Kilka rozwiązań konstrukcji kosza katalitycznego opatentował thyssenkrupp.

W opisach patentowych US9242216B2, WO2013/034303A1 oraz US2017/0260051A1 zaproponowano konstrukcję kosza, którego boczne ściany są nachylone pod kątem 5-20° względem bocznej ściany reaktora i nie są mechanicznie połączone z dnem kosza lub dodatkowo dno kosza może mieć przekrój w kształcie litery V, U lub trapezowym. Wg ww. wynalazków w koszu można umieścić dodatkową konstrukcję w postaci siatki, pokrywającej dno oraz boczne ściany kosza.

W opisie patentowym US2017/0348660 przedstawiono różne sposoby instalacji złoża ceramicznych kształtek w koszu, minimalizujące prawdopodobieństwo tworzenia się nierówności i zagłębień w warstwie złoża w obszarze bocznych ścian kosza oraz pozwalające na ograniczenie zjawiska bocznikowania strumienia gazu. Zaproponowane rozwiązanie polega na umieszczeniu większej liczby kształtek o mniejszych rozmiarach w obszarze położonym bliżej bocznych ścian kosza oraz większej liczby kształtek o większych rozmiarach w jego części centralnej. Takie ułożenie warstw złoża powoduje skierowanie znacznej części strumienia gazu przez centralną część kosza, ze względu na większe opory jego przepływu w obszarze obwodowym. To zmniejsza prawdopodobieństwo tworzenia się zagłębień w złożu, wywołanych różną rozszerzalnością cieplną dolnej konstrukcji nośnej i bocznych ścian kosza. Wypełnienie kosza jest umieszczane na elemencie zbliżonym do wyżej opisanej perforowanej konstrukcji uszczelniającej. Ponadto, kształtki o różnych wielkościach mogą być od siebie oddzielone za pomocą elementów separacyjnych, wykonanych z elastycznego materiału, np. siatki.

PL 236 239 B1

Opisy patentowe US9266081B2, US2012/0034148A1 US2010/0166631A1; (Uhde GmbH) dotyczą konstrukcji reaktora przeznaczonego do prowadzenia reakcji egzotermicznych, w tym utleniania amoniaku z wykorzystaniem katalizatora tlenkowego, zwłaszcza tlenków metali przejściowych (np. tlenku kobaltu) w postaci kształtek, kulek lub „plastra miodu”. Jeden z wariantów dotyczy wymiany wnętrza w konwencjonalnym reaktorze utleniania amoniaku, w tym zmiany konstrukcji kosza katalitycznego, umożliwiającej zastąpienie pakietu siatek katalitycznych katalizatorem tlenkowym.

Znane jest z opisu patentowego US9725320B2 (BASF) rozwiązanie polegające na zainstalowaniu na dnie kosza katalitycznego przynajmniej jednej siatki ekranującej o podwiniętych brzegach, które częściowo nachodzą na boczne ściany kosza oraz zainstalowaniu w obszarze bocznych ścian kosza warstwy izolacji termicznej, np. w formie kaset wypełnionych materiałem mikroporowatym w postaci wysoce zdyspergowanej krzemionki. Warstwa izolacji termicznej powinna pokrywać przynajmniej 30% powierzchni bocznej ściany kosza i całkowicie osłaniać szczelinę obwodową niezależnie od warunków pracy reaktora. Zaproponowano wykonanie ścian kasety z różnych materiałów, w zależności od tego, czy znajdują się one w bezpośrednim kontakcie z gazami procesowymi o wysokiej temperaturze (np. Inconel 600, stopu 602 CA) czy też ze ścianą reaktora (np. stal 1.4541). Takie rozwiązanie ma na celu zapobieganie istotnym odkształceniom wewnętrznych elementów kosza w obszarach obwodowych, co pozwalałoby na zachowanie równomiernego rozłożenia warstwy katalizatora.

Znane jest z opisu patentowego US2011/0200515A1 (Johnson Matthey) rozwiązanie polegające na zastosowaniu dwóch współosiowych perforowanych elementów wyznaczających przestrzeń pierścieniową, w której mogą być umieszczone kształtki katalizatora. Konstrukcja zapewnia radialny przepływ strumienia gazu przez warstwę katalizatora.

W opisie patentowym EP 1558523B1 i US2006/0110302A1 (Yara International) przedstawiono rozwiązanie, polegające na zainstalowaniu w złożu ceramicznych kształtek, w części obwodowej kosza, elementów określonych jako „wave breaker”, które mogą mieć formę gładkiej lub perforowanej płyty nachylonej pod różnymi kątami, trójkątnych grzbietów lub rusztu ulowego. Elementy te mogą być zamocowane lub przyspawane do bocznej ściany kosza lub na obwodzie jego dolnej konstrukcji nośnej. Pod wpływem narostu temperatury, konstrukcja „wave breaker” podąża za przemieszczającą się ścianą kosza lub jego perforowanym dnem, osłaniając poszerzającą się szczelinę obwodową i ograniczając dostęp do niej ceramicznym kształtkom. Takie rozwiązanie umożliwia zsynchronizowany ruch złoża z ruchem bocznej ściany kosza, rozszerzającej się pod wpływem narostu temperatury.

Znana jest z patentu WO00140329 (Imperial Chemical Industries) konstrukcja wsporcza, w której główne elementy nośne umieszczone są powyżej warstwy katalizatora. Konstrukcja nośna składa się z podpór głównych rozciągających się w poprzek reaktora i rusztu podtrzymującego złoże katalizatora umieszczonego pod podporami głównymi.

Różnorodność proponowanych rozwiązań świadczy o dużym znaczeniu, jakie przywiązuje się do zapewnienia równomiernego i stabilnego rozłożenia warstwy katalizatora do rozkładu tlenku azotu(l) i pakietu siatek katalitycznych we wnętrzu reaktora utleniania amoniaku. Celem wynalazku jest zapewnienie stabilizacji warstwy katalizatora do rozkładu tlenku azotu(l) w reaktorze utleniania amoniaku.

Układ do stabilizacji warstwy katalizatora do rozkładu tlenku azotu(l) na konstrukcji nośnej w reaktorze utleniania amoniaku, charakteryzuje się tym, że stanowi dodatkową konstrukcję podtrzymującą warstwę katalizatora, składającą się z 3 do 5 siatek ułożonych na konstrukcji nośnej oraz prostokątnych segmentów siatek obwodowych z drutu ze stali żaroodpornej zachowujących swoje właściwości mechaniczne w temperaturze poniżej 100°C, przy czym siatka umieszczona jako najniższa jest o gęstości siatki 0,2-2 oczka na cm² i jest utkana z drutu o średnicy 2,8-20 razy większej od średnicy drutu siatki położonej najwyżej i ma średnicę o 10-20 mm mniejszą od średnicy kosza katalitycznego, zaś kolejne siatki utkane są z drutu o mniejszej średnicy i mają większą gęstość oczek niż siatka z najgrubszego drutu, a ich średnica jest równa średnicy kosza katalitycznego.

Korzystnie siatki wykonane są z kantalu.

Korzystnie grubość drutu, z którego wykonana jest siatka położona jako druga najniższa na konstrukcji nośnej wynosi 0,35-1 mm, a gęstość siatki 1-25 oczek na cm² oraz grubość drutu z którego wykonane są kolejne siatki położone na konstrukcji nośnej oraz siatki obwodowe wynosi 0,15-0,35 mm, a gęstość siatek 9-100 oczek na cm².

Korzystnie najwyższa siatka podtrzymująca warstwę katalizatora leży na dolnej części segmentów siatek obwodowych, a górna część segmentów siatek obwodowych jest swobodnie położona na warstwie katalizatora, przy czym segmenty siatki obwodowej są nacięte w dolnej i górnej części w taki

PL 236 239 B1 sposób, że możliwe jest nachodzenie części segmentu statki obwodowej, zaś segmenty siatki obwodowej rozmieszczone na obwodzie kosza katalitycznego częściowo nakładają się na siebie w 10-40% swojej długości.

Wynalazek pozwala zachować stabilną warstwę katalizatora do rozkładu tlenku azotu(l) w reaktorze utleniania amoniaku podczas jego normalnej eksploatacji. Nieoczekiwanie okazało się, że zastosowanie układu kilku siatek z drutu o różnej średnicy i różnej gęstości oczek umieszczonych na konstrukcji nośnej oraz zastosowanie segmentów siatek obwodowych eliminuje problem powstawania nierównomierności (zagłębień i grzbietów) pakietu siatek katalitycznych oraz w warstwie katalizatora do rozkładu tlenku azotu(I).

P r z y k ł a d

Wynalazek przedstawiono w przykładzie wykonania, na którym Fig. 1 przedstawia układ siatek wg wynalazku, a Fig. 2 przedstawia pojedynczy segment siatki obwodowej z uwidocznionymi nacięciami.

Układ siatek wg wynalazku, umożliwiający stabilizację warstwy katalizatora rozkładu tlenku azotu(I) został zainstalowany w reaktorze utleniania amoniaku o średnicy D, w którym kosz katalityczny składa się z dwóch rozdzielnych elementów: rusztu 1 i ściany bocznej kosza 2. Na ruszcie umieszczono siatkę wykonaną z kantalu typ D o średnicy drutu 2 mm i gęstości siatki 0,5 oczka/m² 3-1. Średnica siatki D2=D-10 mm. Bezpośrednio na niej położone są dwie siatki wykonane z kantalu typ D o średnicy drutu 0,35 mm i gęstości siatki 16 oczek/cm² 3-2 oraz drutu 0,25 mm i gęstości siatki 81 oczek/cm² 3-3. Średnica tych siatek wynosi D. Segmenty siatek obwodowych 4, które przed montażem zostały nacięte z obu stron (Fig. 2), jednym końcem podłożono pod siatkę 3-3, natomiast drugi zagięto i położono na warstwie katalizatora do rozkładu tlenku azotu(I).

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ do stabilizacji warstwy katalizatora do rozkładu tlenku azotu(l) na konstrukcji nośnej w reaktorze utleniania amoniaku znamienny tym, że stanowi dodatkową konstrukcję podtrzymującą warstwę katalizatora, składającą się z 3 do 5 siatek (3) ułożonych na konstrukcji nośnej (1) oraz prostokątnych segmentów siatek obwodowych (4) z drutu ze stali żaroodpornej zachowujących swoje właściwości mechaniczne w temperaturze poniżej 1100°C, przy czym siatka umieszczona jako najniższa jest o gęstości siatki 0,2-2 oczka na cm² i jest utkana z drutu o średnicy 2,8-20 razy większej od średnicy drutu siatki położonej najwyżej i ma średnicę o 10-20 mm mniejszą od średnicy kosza katalitycznego, zaś kolejne siatki utkane są z drutu o mniejszej średnicy i mają większą gęstość oczek niż siatka z najgrubszego drutu, a ich średnica jest równa średnicy kosza katalitycznego.
2. 2. Układ wg zastrz. 1, znamienny tym, że siatki są wykonane z kantalu.
3. 3. Układ wg zastrz. 1, znamienny tym , że grubość drutu, z którego wykonana jest siatka położona jako druga najniższa na konstrukcji nośnej wynosi 0,35-1 mm, a gęstość siatki 1-25 oczek na cm² oraz grubość drutu z którego wykonane są kolejne siatki położone na konstrukcji nośnej oraz siatki obwodowe wynosi 0,15-0,35 mm, a gęstość siatki wynosi 9-100 oczek na cm².