PT1558523E - Método e dispositivo para suportar redes catalíticas num queimador de oxidação de amoníaco - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "MÉTODO E DISPOSITIVO PARA SUPORTAR REDES CATALÍTICAS NUM QUEIMADOR DE OXIDAÇÃO DE AMONÍACO"

Num queimador de oxidação de amoníaco convencional, uma mistura de NH3, O2 e N2 reage a temperatura e pressão elevadas sobre um catalisador metálico de platina para dar óxidos de azoto. A platina volatilizada é recolhida por um material de captação. Tipicamente, tanto o catalisador como o material de captação compreendem uma rede de material tecido ou de malha e, deste modo, várias dessas redes constituem um pacote fixo à estrutura do queimador através de meios de aperto. 0 catalisador/pacote de captação é colocado num suporte no queimador. 0 tipo de suporte mais vulgarmente utilizado é os anéis cerâmicos, os anéis de Raschig, colocados num cesto fixo à estrutura de queimador. Habitualmente, uma rede de suporte de tecido ou de malha de metal não precioso, por exemplo, "Megapyr", é colocada entre o suporte principal e o catalisador/pacote de captação. Esses queimadores convencionais estão adicionalmente descritos em Ullmanns Encyclopaedia, Vol. 20, páginas 314-317, 4a Ed. Se for utilizado no queimador um catalisador de decomposição de N2O, este vai substituir a totalidade ou uma parte do material de suporte.

Os anéis cerâmicos e possível material catalisador cerâmico frequentemente afastam-se da periferia durante a operação devido à dilatação térmica. Este movimento cria uma depressão que, frequentemente, faz com que o pacote de redes se 1 rasgue. Especialmente em torno do bordo exterior das redes, os danos podem ser graves, devido ao abaixamento aí verificado do nível de anéis de Raschig. É uma observação comum que a depressão se torna mais profunda com o número de arranques e paragens na fábrica. Este rasgamento representa um problema devido à perda de eficiência de combustão e tempo de ciclo reduzido, representando também um problema de risco. 0 escorregamento de amoníaco pode formar nitrato de amónio e nitrito de amónio no equipamento a jusante, especialmente no condensador de ácido. 0 nitrito e o nitrato de amónio podem decompor-se violentamente. 0 objectivo da invenção é chegar a uma estrutura de suporte que não vá causar danos ao pacote catalisador durante o funcionamento do queimador. Outro objectivo é chegar a um sistema que evite ou reduza o movimento do material cerâmico em partículas durante o funcionamento.

Estes e outros objectivos da invenção são obtidos com o método e sistema de suporte descritos adiante. A invenção é adicionalmente caracterizada pelas reivindicações da patente. A invenção vai ser descrita com referência aos desenhos, as Figuras 1-2, em que A Figura 1 mostra a formação de uma depressão nos enchimentos cerâmicos contidos num cesto do queimador. A Figura 2 mostra diferentes configurações do "quebra-onda".

Assim, a invenção refere-se a um método e a um sistema de suporte para reduzir o movimento de material cerâmico em partículas e evitar o rasgamento de redes catalisadoras num 2 queimador de oxidação de amoníaco. As redes catalíticas e, possivelmente, as grelhas de suporte estão a ser suportadas pelos enchimentos cerâmicos e possível material catalisador contido no cesto de um queimador com paredes metálicas e placa de fundo perfurada. Um "quebra-onda" está, de um modo preferido, fixo à parede metálica do cesto do queimador ou, alternativamente, à periferia da placa do fundo do cesto do queimador. Os enchimentos cerâmicos vão então movimentar-se com a parede metálica durante a expansão. É preferido que o "quebra-onda" seja perfurado e cheio com enchimentos cerâmicos ou material semelhante para se obter a mesma resistência ao escoamento que o material de enchimento do leito. 0 "quebra-onda" pode ser na forma de uma saliência de forma triangular. Pode ser um triângulo rectângulo com a parede em ângulo recto fixa à parede metálica, ou um triângulo equilátero fixo à periferia da placa de fundo. 0 "quebra-onda" pode também ser uma folha lisa ou perfurada disposta num ângulo de 10-60° em relação à parede. Um ângulo preferido é 25-35°. A saliência ou folha pode ser feita de segmentos e os segmentos podem ter uma parede de extremidade. Também é possível utilizar um "quebra-onda" na forma de uma estrutura em favo de mel, de um modo preferido com um topo inclinado.

Os ensaios iniciais em pequena escala indicaram que, um factor importante para a formação da depressão, é a diferença de expansão dos anéis de Raschig e do suporte de metal devido à variação de temperatura. Passados apenas alguns ciclos de expansão sem quaisquer sistemas de suporte no leito foi criada uma depressão e parte do bordo externo ficou vazia de anéis. Isto é semelhante a observações de queimadores que estiveram em funcionamento. Crê-se que a causa da formação da depressão é a diferença de expansão térmica no metal do cesto do queimador e 3 nos anéis de Raschig cerâmicos. Nas fábricas maiores com até 5 m de diâmetro do queimador, a expansão térmica do cesto de metal vai até 30 mm do raio, provocada por aquecimento desde a temperatura ambiente até à temperatura de funcionamento.

Na Figura 1 está ilustrado o efeito das variações de calor. A Figura IA mostra esquematicamente o equipamento antes de começar. O queimador de oxidação de amoníaco compreende uma camada de catalisador, normalmente na forma de uma pluralidade de redes tecidas ou de malha de fio de Pt/Rh e, normalmente, uma camada de captação de material absorvente, por exemplo, uma liga de paládio na forma de redes tecidas ou de malha. Todas estas redes formam um pacote 1 apoiado sobre uma grelha 2 de aço suportada por uma camada 3 de anéis de Raschig colocados num cesto com parede 4 metálica e placa 5 de fundo perfurada. Alguns ou todos os anéis de Raschig podem ser substituídos por um catalisador cerâmico. O pacote catalisador, o pacote de captação e a rede de suporte são fixos à circunferência do queimador numa saliência por pesos 6 de fixação ou disposição semelhante. O cesto também é fixo à parede do queimador mais ou menos no mesmo lugar. Antes do arranque, o leite de anéis de Raschig é nivelado e a grelha de aço e o pacote de redes catalíticas são instalados e fixos em torno da periferia.

Após o primeiro arranque, a parede de metal e placa de fundo perfurada expandem-se mais do que os anéis de Raschig. Isto significa que os anéis de Raschig não vão expandir-se e preencher o espaço depois da parede metálica se ter movimentado para fora. Esta situação está ilustrada na Figura 1B.

Quando a fábrica pára, a parede metálica arrefece e contrai-se, e os anéis de Raschig na periferia são empurrados 4 para dentro em relação à sua posição original. A Figura 1C mostra uma vista em corte vertical de um pacote catalisador convencional e rede de captação e o seu suporte no final de uma campanha. Aqui forma-se uma depressão 7 que frequentemente faz com que as redes se rasguem. Este rasgamento representa um problema devido à perda de eficiência da combustão e comprimento reduzido da campanha e, também, um problema de risco. São os anéis perto da periferia que se movimentam. Para ultrapassar este problema foi sugerido instalar no leito, uma estrutura de suporte, também chamada "quebra-ondas", para evitar a criação de uma depressão. Com base nas experiências iniciais foi construída uma unidade de teste com dimensões como uma parte do centro para a periferia de um queimador médio. Para simular a expansão térmica, foi instalado força hidráulica para ser capaz de mover uma das paredes curtas. 0 teste piloto não vai ser capaz de reproduzir a expansão ao longo de todo o raio do queimador, mas pode reproduzir o efeito líquido numa extremidade do compartimento. 0 número de expansões de um queimador em funcionamento depende do número de paragens do sistema durante uma campanha, variando este número entre 1 e 10. O primeiro passo foi recriar o fenómeno com a depressão que é formada na periferia do leito de anéis de Raschig durante o funcionamento. Este ponto foi de importância para ver se a expansão térmica podia ser considerada como uma das principais razões. Isto foi feito para simular a expansão térmica deslocando apenas a parede móvel com diferentes comprimentos de expansão. Os diferentes comprimentos de expansão utilizados foram 70, 50 e 30 mm. Para simular a variação da temperatura durante a expansão no funcionamento normal, utilizou-se primeiro um curso de avanço com 30 mm (arranque) e depois cursos 5 consecutivos de recuo e de avanço de 10 mm. Após apenas alguns ciclos de movimento foi criada a depressão e parte da borda exterior estava vazia de anéis. Isto é semelhante às observações feitas em queimadores que tenham estado em funcionamento. Mesmo só com expansões/contracções repetitivas de 10 mm a unidade de testes piloto foi capaz de recriar a formação da depressão.

Foram ensaiados diferentes "quebras-onda" na instalação piloto e estes estão ilustrados na Figura 2. As formas testadas foram uma estrutura em favo de mel curta e longa, uma folha lisa ou perfurada em diferentes ângulos e uma aresta de forma triangular.

Primeiro o "favo de mel" curto como ilustrado na Figura 2d foi colocado no leito próximo da parede móvel sem ser apertado e encheu-se com anéis. 0 resultado de uma expansão de 30 mm foi que o sistema de suporte começou a mover-se para dentro e para cima no leito, ao mesmo tempo que era criada a depressão. Após 8 ciclos, todo o sistema de suporte tinha subido acima do leito de anéis de Raschig e parte da borda exterior ficou esvaziada de anéis. Um fundo perfurado foi soldado ao sistema de suporte em "favo de mel", e colocado no leito como na experiência anterior. O sistema de suporte moveu-se um pouco para cima no leito, mas foi estabilizado e não se moveu para o topo do leito. No entanto, não se verificou nenhum melhoramento na formação da depressão.

Um sistema de suporte em "favo de mel" com fundo foi depois soldado à parede móvel. Os resultados da expansão foram então que, a depressão foi criada no lado de fora "do favo de mel", mas os anéis nas câmaras não se movimentaram nada. A depressão era menor do que nas experiências anteriores, mas após 6 6 ciclos o bordo exterior do sistema de suporte ficou visível no leito.

Também foram realizadas experiências com a estrutura em favo de mel longo (Fig. 2C). Verificou-se que os melhores resultados foram obtidos quando a estrutura de suporte foi soldada à parede móvel e a parte da estrutura de suporte foi cortada como ilustrado na Figura 2E. 0 sistema de suporte em favo de mel curto e longo penetrou no topo da camada de anéis de Raschig na maioria dos casos. Isto pode resultar em arestas vivas que cortam a rede, mesmo sem a formação da depressão. Quando o topo do suporte em favo de mel foi cortado com um topo 8 inclinado, o desempenho melhorou e o suporte não penetrou no topo do leito de anéis de Raschig. Este sistema com muitos compartimentos pequenos vai provavelmente ser um pouco mais complicado de manusear, uma vez que todos os compartimentos têm de ser cheios com anéis. Se estiver montado um fundo perfurado nos compartimentos, podem contudo ser retirados como secções completas.

Foram também realizadas experiências com uma folha 9 lisa colocada no leito a dois ângulos α diferentes de 60° e 75° como ilustrado na Figura 2A. A folha foi soldada à parede móvel e três cunhas 10 de suporte foram soldadas à folha. A folha lisa instalada com um ângulo de 60° deu os melhores resultados sem formação de depressão permanente. Alternativamente, podia ser um triângulo rectângulo com a parede em ângulo recto fixa à parede metálica. A solução com uma folha inclinada está dependente da aspereza da folha e do ângulo de inclinação. Se o ângulo for reduzido, fica coberta mais da área no queimador. Quando a folha não está perfurada, a área de fluxo no queimador vai ser 7 reduzida e criando maior queda de pressão e fluxo desigual sobre a rede de catalisador.

Uma folha perfurada (orifícios de 5 mm) foi colocada no leito com diferentes ângulos, de 60°, 45° e 30°. A folha foi soldada à parede móvel e três cunhas de suporte foram soldadas à folha. Os resultados estão apresentados na Tabela 1:

Tabela 1. α Comprimento de expansão, mm Número de ciclos Profundidade da depressão, mm Comprimento*, mm 60 30 1 15 60 30 2 35 250 60 30 5 50 350 60 30 2,5 30 35Õ1 60 30 3 30 250 60 30 5 40 400 60 30 2, 5 40 350' 60 30 5 50 350 45 30 0,5 10 200 45 30 2, 5 20 3003 45 30 5 25 300 45 30 5, 5 30 350 45 30 10 30 350 45 30 14, 5 35 400 45 30 15 35 400 45 30 24, 5 40 400 45 30 34, 5 40 400 (continuação) α Comprimento de expansão, mm Número de ciclos Profundidade da depressão, mm Comprimento*, mm 45 30 35 35 350 30 30 0,5 0 30 30 1 0 30 30 1,5 20 4 30 30 2 0 30 30 2,5 30 30 30 5 0 30 30 5,5 30 30 30 10 20 5 30 30 10,5 35 30 30 15 25 30 30 15, 5 35 30 30 20 20 * comprimento desde a parede móvel até à depressão (se a depressão for criada afastada da parede móvel). 1. h = 250 2. h = 300 3. A depressão é criada junto à parede móvel 4. A depressão deslocou-se para dentro do leito, cerca de 300 mm 5. A depressão é permanente

Com um ângulo de 60° foi criada uma depressão junto à parede móvel (50 mm aos 5 ciclos). Também com 45° foi criada uma depressão na parede, mas o tamanho era reduzido em comparação com o de 60° (35 mm aos 35 ciclos) . Por utilização de uma folha com uma inclinação de 30° a depressão deslocou-se cerca de 300 9 mm para o leito e a profundidade também foi reduzida (20 mm aos 20 ciclos) .

Também foram realizadas experiências com uma aresta de forma triangular (suporte em forma de pirâmide 11) de folhas perfuradas (5 mm). Foi primeiro colocada no leito sem ser soldada à parede móvel. Com esta disposição dificilmente se observou qualquer melhoramento na formação da depressão. Se este suporte não for fixo, existe uma possibilidade de o topo da pirâmide ir penetrar no leito e resultar em arestas aguçadas que podem rasgar a rede. Quando o suporte foi soldado à parede, o suporte seguiu os movimentos e foi formada uma depressão fora da parte superior do suporte. Esta depressão era significativamente menos profunda do que a que foi observada sem o quebra-ondas instalado. A instalação da aresta de forma triangular que se move com a parede exterior ou com a parte externa do fundo perfurado, vai movimentar os anéis de Raschig juntamente com o metal. Quando a depressão é criada para mais perto do centro do cesto de queimador, a diferença de altura vai ser mais pequena. A seguir são apresentados os resultados das experiências com um "quebra-ondas" em forma de pirâmide. Uma aresta triangular (em forma de pirâmide) foi disposta ao longo da parede exterior. A altura da cristã era de 100 mm e o ângulo entre o chão e o lado era de 45°. A aresta da cristã estava mais próxima 50 mm em relação à parede exterior. A cristã foi fixa à parede exterior. A altura de anéis de Raschig foi 130 mm-300 mm. 10

Tabela 2, Resultados de movimentos da parede com "quebra-ondas" em forma de pirâmide.

Ensaio N° Altura dos anéis (mm) Movimento da parede (mm) Profundidade da depressão (mm) Largura da depressão (mm) 1 130 30 35 300 2 130 30 25 300 3 130 30 35 300 4 130 30/10 20 300 5 130 30/10 30 300 6 130 30/10 25 300 7 200 35 20 250 8 200 30/10 25 300 9 200 30/10 25 350 A depressão que é formada é uma depressão bastante plana sem arestas pronunciadas ou quedas íngremes.

No que respeita à formação da depressão e funcionamento dos queimadores, a solução com as folhas inclinadas perfuradas parece ser a melhor. Com um ângulo de 30° em relação ao plano horizontal a depressão foi formada afastada da parede e a profundidade foi significativamente reduzida em comparação com a original. Quando a depressão é formada um tanto afastada da parede, as forças de rompimento na rede vão ser reduzidas. Evita-se a concentração de forças devida ao peso da rede e a formação da depressão demasiado próxima.

Quase todos os "quebras-onda" que foram tentados deram melhores resultados do que a não utilização de um suporte. Seria também possível utilizar, por exemplo, uma banda de metal de 11 forma sinusoidal fixa à parede metálica. Esta poderia ser colocado imediatamente por baixo da grelha de aço.

Em queimadores que estão em funcionamento, a expansão ocorre ao longo de todo o raio. Na unidade de ensaios piloto a expansão está concentrada a uma distância relativamente curta próximo da parede móvel, mas a unidade de ensaios recria a depressão como se observa em funcionamento. Ambos os "quebras-onda" na forma de uma cristã de formato triangular e uma folha inclinada têm sido testadas em grande escala na fábrica e os resultados do ensaio piloto são confirmados. Quando se utiliza uma folha lisa, o ângulo não é importante porque os anéis de Raschig deslizam facilmente sobre este material. No entanto, quando se utiliza folhas perfuradas o ângulo correcto é importante.

Lisboa, 29 de Novembro de 2010 12

Claims (11)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Sistema de suporte para redes catalíticas num queimador de oxidação de amoníaco, em que as redes (1) catalíticas e possivelmente grelhas de suporte estão a ser suportadas por enchimentos (3) cerâmicos e/ou catalisador contido no cesto de um queimador com paredes (4) metálicas e uma placa (5) de fundo perfurada, caracterizado por uma estrutura (9, 11) de suporte estar fixa à parede metálica e/ou à parte exterior/periferia da placa de fundo sob as redes (1).
2. 2. Sistema de suporte de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a estrutura de suporte ser uma cristã (11) de forma triangular.
3. 3. Sistema de suporte de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a estrutura de suporte ser uma folha (9) lisa ou perfurada disposta num ângulo de 10-60° em relação à parede.
4. 4. Sistema de suporte de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o ângulo ser de 25-35°.
5. 5. Sistema de suporte de acordo com a reivindicação 2, 3 ou 4, caracterizado por a estrutura de suporte ser feita de segmentos.
6. 6. Sistema de suporte de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por os segmentos terem paredes de extremidade. 1
7. 7. Sistema de suporte de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a estrutura de suporte ser uma estrutura em favo de mel.
8. 8. Sistema de suporte de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por a estrutura em favo de mel ter um topo (8) inclinado.
9. 9. Sistema de suporte de acordo com qualquer das reivindicações 2 a 8, caracterizado por a estrutura de suporte estar cheia com enchimentos cerâmicos/catalisador ou material semelhante para se obter a mesma resistência ao fluxo que o material de enchimento do leito.
10. 10. Método para reduzir o movimento de material cerâmico e evitar o rasgamento de redes catalisadoras num queimador de oxidação de amoníaco, em que as redes catalíticas e possivelmente grelhas de suporte estarem a ser suportadas por enchimentos cerâmicos e possivelmente um catalisador sobre uma placa perfurada ou contido num cesto de queimador com paredes metálicas e placa de fundo perfurada, caracterizado por uma estrutura de suporte estar fixa à parede metálica e/ou parte exterior/periferia da placa do fundo do cesto do queimador sob as redes e mover o material cerâmico em conjunto com a parede metálica durante a expansão.
11. 11. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por ser utilizada uma estrutura de suporte formada como uma cristã de forma triangular, uma folha lisa ou perfurada ou uma estrutura em favo de mel. Lisboa, 29 de Novembro de 2010 2