Каталізаторний блок і спосіб його виготовлення

(19) 111) (13) (51) 7B01J35/00, B01J35/04, 35/10 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ 1 НАУКИ УКРАЇНИ ОПИС ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУ АПЬНО* ВЛАСНОСТІ ДО ДЕКЛАРАЦІЙНОГО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД видасться лід відповідальність власника патенту (54) КАТАЛІЗАТОРИ И Й БЛОК І СПОСІБ ЙОГО ВИГОТОВЛЕННЯ (21)2001021075 (22) 15 02 2001 (24) 15 06 2001 (46)1506 2001 Бюл № 5 , 2001 р (72) Чорний Богдан Петрович, Атраментов Володимир Олексійович, Зейдлиць Михайло Петрович Надемський Віктор Анатолійович, Лазоркін Віктор Андрійович (73) ЧОРНИЙ БОГДАН ПЕТРОВИЧ, АТРАМЕНТОВ ВОЛОДИМИР ОЛЕКСІЙОВИЧ, ЗЕЙД ЛИЦЬ МИХАЙЛО ПЕТРОВИЧ, НАДЕМСЬКИЙ ВІКТОР АНАТОЛІЙОВИЧ, ЛАЗОРКІН ВІКТОР АНДРІЙОВИЧ (57) 1 Каталізаторний блок, складений із згорнутих у вигляді спіралей двох стрічок гофрованої і прямої - виготовлених з металів або сплавів платинової групи, утворюючих об'ємну конструкцію із наскрізними каналами, який відрізняється тим, що витки спіралей у напрямі повздовжньої осі блока розташовані по гвинтових траєкторіях при цьому гофрована і пряма стрічки з'єднані між собою у місцях біля торкання стрічок порошкоподібною платиною 2 Каталізаторний блок за п 1, який відрізняється тим, що витки спіралей у напрямі повздовжньої осі блока розташовані переважно з кроком t = (0-2)s/n, де s - ширина стрічки, п - число витків стрічки 3 Каталізаторний блок за п 1 або 2, який відрізняється тим що крок каналів та їх площа поперечного перерізу виготовлені змінними по радіусу-вєктору на горизонтальній проекції блока в полярній системі координат 4 Каталізаторний блок за будь яким з пп 1-3 який відрізняється тим, що із зростанням радіуса вектора крок каналів зменшується 5 Каталізаторний блок за будь-яким з пп 1-3, який відрізняється тим, що із зростанням радіусавектора крок каналів зростає 6 Каталізаторний блок за будь-яким з пп 1-5, який відрізняється тим, що форма поперечного перерізу каналів блока виготовлена за синусоїдальним законом 7 Спосіб виготовлення каталізаторного блока, що включає виготовлення гофрованої та прямої стрічок а потім згортання гофрованої та прямої стрічок у спіралі контактуючі між собою з утворенням об'ємної конструкції із наскрізними каналами який відрізняється тим, що витки спіралей у напрямі повздовжньої осі блока згортають по гвинтових траєкторіях після чого всю конструкцію змочують у концентрованій платиновій кислоті а потім нагрівають її за ступінчастим режимом до температури 10001200°С 8 Спосіб за п 7, який відрізняється тим, що витки спіралей згортають по гвинтових траєкторіях переважно із кроком t = {0-2)s/n, де s - ширина стрічки, п - число витків стрічки Винахід належить до конструкції каталізаторних блоків які застосовуються при окисленні аміаку у виробництві азотної кислоти, а також до способів його виготовлення Недоліком відомого способу є невисока міцність каталізаторного блоку під час тривалої експлуатації, низька ефективність конверсії, а також складність в забезпеченні оптимальної конфігурації каталізатору і внаслідок цього оптимальної дії прирізних параметрах процесу окислення аміаку В основу катагм заторного блоку і способу його виготовлення, які пропонуються, поставлена задача шляхом змін конструкції блока і технологи його виготовлення забезпечити підвищення ефективності конверсії, тривалої МІЦНОСТІ каталізаторного блоку, а також можливість отримання оптимальної Відомий також спосіб виготовлення каталізаторного блоку для очистки газів які відходять він містить в собі виготовлення стрічки гофрованої плівки і стрічки прямої плівки, а потім формування спірального блоку із стрічки гофрованої плівки та стрічки прямої плівки, вкритих каталітичним шаром, який містить в собі метали групи платини (3] 9 Спосіб за будь-яким з пп 7,8, який відрізняється тим, що в процесі згортання гофрованої стрічки до неї докладають змінне розтяжне зусилля, яке забезпечує натяг, рівний 0,05-0,6 межі пружності матеріалу стрічки (О О) со 39766 конфігурації, і внаслідок цього Його оптимальної дії для широкого діапазону параметрів процесу окислення аміаку. Поставлена задача досягається тим, що у каталізаторному бпоці, який складається із згорнутих у вигляді спіралей двох стрічок - гофрованої і прямої, виготовлених з металів або сплавів платинової групи, утворюючих об'ємну конструкцію із наскрізними каналами, новим є те, що витки спіралей у напрямі повздовжньої вісі блоку розташовані по гвинтовим траєкторіям, при цьому гофрована і пряма стрічки з'єднані між собою у місцях біля торкання стрічок порошкоподібною платиною. Поставлена задача досягається також І тим, що витки спіралі у напрямі повздовжньої вісі розташовані переважно з кроком t=(0-2)S/n, де S - ширина стрічки, п - число витків стрічки. Поставлена задача досягається також і тим, що крок каналів і їх площі поперечного перерізу зроблені зміні іо радіусу-вектору на горизонтальній проекц, ,оку в полярній системі координат. Поставлена задача досягається також І тим, що із збільшенням радіусу-вектору крок каналів зменшується. Поставлена задача досягається також і тим, що Із збільшенням радіусу-вектору крок каналів збільшується. Поставлена задача досягається також і тим, що форма поперечного перерізу каналів блоку зроблена за синусоїдальним законом. Поставлена задача досягається також і тим, що у способі виготовлення каталізаторного блоку, який містить в собі виготовлення гофрованої і прямої стрічки, а потім згортання гофрованої і прямої стрічок у спіралі, контактуючі між собою, з утворенням об'ємної конструкції із наскрізними каналами новим є те, що витки спіралей у напрямі повздовжньої вісі блоку згортають по гвинтовим траєкторіям, після чого всю конструкцію змочують у концентрованій платиновій кислоті, а потім нагрівають ТІ за ступінчастим режимом до температури 10001200Х. Поставлена задача досягається також І тим, що а процесі згортання гофрованої стрічки до неї докладають змінне розтягуюче зусилля, яке забезпечує натяг величиною 0,05-0,6 границі пружності матеріалу стрічки. Поставлена задача досягається також і тим, що у міру згортання гофровано) стрічки зусилля натягу зменшують. Поставлена задача досягається також і тим, що у міру згортання гофрованої стрічки зусилля натягу збільшують. Поставлена задача досягається також і тим, що гофровану стрічку виготовлюють у формі синусоїди. Каталізаторний блок і спосіб його виготовлення, якї патентуються, пояснюються схемами (фіг. 1-12). На фіг. 1 показано каталізаторний блок, вид збоку; на фіг. 2 - вид зверху; на фіг. З - переріз А-А на фіг 2; на фіг 4 - вид І на фіг 2; на фіг. 5 - поперечний переріз блоку при t=0; на фіг. б - форма повздовжних каналів; на фіг 7 -поперечний переріз блоку,'у якого із збільшенням радіусу-вектору крок каналів зменшується; на фіг 8 - вид II на фіг 7; на фіг 9 - вид III на фіг 7; на фіг. 10 - поперечний переріз блоку, у якого із збільшенням радіусу-вектору "рок каналів збільшується; на фіг 11 - вид IV на фіг 10, на фіг. 12 - вид V на фіг. 10. Каталізагорний блок складається із згорнутих у вигляді спіралей двох стрічок - гофрованої 1 і прямої' 2 (фіг. 4). Обидві стрічки виготовлені з металів або сплавів платинової групи. Ширина S обох стрічок однакова і при згортанні їх одна стрічка лягає на другу (фіг. 1). При цьому у місцях біля торкання стрічок вони з'єднані між собою порошкоподібною платиною 3 (фіг. 4) Дві разом згорнуті у вигляді спіралей стрічки утворюють об'ємну конструкцію каталізаторного блоку із наскрізними каналами (фіг. 2). Витки спіралей у напрямі повздовжньої еісі блоку 0-0" розташовані по гвинтовим траєкторіям із кроком t (фіг. 1). При величині кроку t>0 каталізаторний блок має форму лійки (фіг. 3). Зокрема, коли величина кроку t=0, витки спіралей розташовані без зміщення (фіг. 5). Форма каналів блоку залежить від профілю гофрованої стрічки (фіг. 4,6). Каталізаторний блок може бути зроблено із змінним кроком по радіусу-вектору г на горизонтальній проекції блоку в полярній системі координат (фіг. 7-12). При цьому із збільшенням радіусу-вектору (гі г2) крок каналів може зменшуватись (фіг. 7-9), або із збільшенням радіусу-вектору (г3г4) збільшуватись (фіг. 10-12). Стрічковий каталізаторний блок, що заявляється, виготовляють таким чином. З платино родієвого сплаву, наприклад, PtRhiO, отримують дріт діаметром 0,8-1 мм. Потім отриманий дріт прокатують на стрічку завтовшки 50-60 мкм. Частину отриманоТ стрічки пропускають через спеціальний пристрій І отримують гофровану стрічку Отриману гофровану стрічку складають з прямою стрічкою і водночас дві стрічки згортають у спіралі, утворюючи таким чином об'ємну конструкцію каталізаторного блоку із наскрізними каналами (фіг. 2). Після закріплення кінців стрічок всю конструкцію знежирюють у соляній кислоті, а потім змочують у концентрованій платиновій кислоті НгРІСІє пНгО. За рахунок капілярного ефекту платинова кислота затікає між стрічками у місцях поблизу їх контактів і утримується там за рахунок сил поверхневого натягу. Змочений у платиновій кислоті каталізаторний блок нагрівається за спеціальним ступінчастим режимом до температури 1000-1200°С. В процесі повільного ступінчастого нагрівання поступово видаляються вода, водень, а потім хлор. В районі контактів двох стрічок утворюється губчаста (за структурою) дрібнодисперсна платина, яка припікається до стрічок, утворюючи механічне з'єднання цих стрічок. При нагріванні змоченого у платиновій кислоті каталізаторного блоку нижче температури 1000° утворюється не досить міцне з'єднання стрічок. При нагріванні цього ж блоку вище температури 1200°С міцність з'єднання двох стрічок гофрованої і прямої починає зменшуватись. В результаті подальшої роботи каталізатору в установці для виробництва азотної кислоти при Температурах від 800 до 1000"С конструкція каталізаторного блоку ще більше зменшується за рахунок розвиненої поверхневої дифузії атомів платини. При цьому чиста губчаста платина, яка приз 39766 начена для зкріплення стрічок між собою, сприяє інтенсивнішому каталізу Каталізаторний блок, що пропонується, працює таким чином Азотна кислота виробляється з аміаку за процесом Освальда, який містить в собі операцію спалювання аміаку на платино родієвому каталі заторі, окислювання отриманого оксиду азоту в диоксид азоту і подальшу абсорбцію дюксиду азоту водою з утворенням азотної кислоти Окислення аміаку атмосферним киснем при високих температурах (820-930°С) - складний процес, який можна представити таким чином 4NH 3 + 5О 2 -*4N0 + 6Н2О (1) Одночасно утворюється азотистий оксид, азот і вода за такими реакціями 4NH 3 + 5О2-> 4 N 2 0 + 6Н2О (2) 4NH 3 + 30 2 ->2N 3 + 6Н2О (3) Небажаними подальшими реакціями є конверсія аміаку, який не прореагував, із монооксидом азоту 4NH 3 + 6NO ->5N 2 + ЄН2О (4) 1 термічний розпад монооксиду азоту 2N0-> N 2 + Ог (5) що призводить до скорочення виходу N0 в загальній реакції Реакція (4) може бути результатом недостатнього розподілу газу t зворотного змішування газу Ступінь розпаду N 0 (5) є функцією часу перебування реагентів у каталізаторному блоці і температури Причому ступінь термічного розпаду N0 (5) зростає із підвищенням температури і часу перебування у каталізаторному блоці Оптимальна температура каталізатору для кожної установки визначається досить швидко точно, а час перебування реагентів у каталізатори ому блоці залежить від його просторової структури У виробництві азотної кислоти використовуються три основних типа установок Найчастіше вони класифікуються як установки атмосферного, середнього і високого тиску ВІДПОВІДНО до величини їх робочого тиску Однак сучасна технологія отримання азотної кислоти шляхом каталітичної конверсії аміаку в азотний оксид охоплює широкий діапазон параметрів процесу, напри лад навантаження аміаку, виробничий тиск і швидкість подачі газу Тому для оптимального функціонування кожної установки необхідно мети каталізатор для окислення аміаку, який задовольняв би конкретним параметрам установки Конструкція стрічкового каталізаторного блоку, який заявляється, забезпечує отримання його оптимальної конфігурації для широкого діапазону параметрів процесу окислення аміаку порівняно з відомими конструкціями бптимізація конфігурації каталізаторного блоку досягається за рахунок підбору кроку витків спіралі у напряму повздовжньої ВІСІ блоку, а також кроку каналів по радіусу-вектору на горизонтальній проекції блоку Збільшення кроку витків у напрямі повздовжньої ВІСІ блоку (кроку t) {фіг 1) призводить до збільшення товщини каталізатору, який ефективніше працює на установках середнього і високого тиску Внаслідок високої швидкості подачі газу на цих установках основна зона реакції переміщується до середини каталізаторного блоку а за рахунок його лійкуватої форми забезпечується біль ша питома поверхня і внаслідок цього - високий коефіцієнт конверсії Установки низького (атмосферного) тиску мають низьку швидкість подачі газу і виробничу температуру Для установок цього типу характер на низька швидкість переносу маси і внаслідок цього — низька швидкість конверсії необхідно ви користовувати каталізатор з великою питомою по верхнею і низькою шпаристістю В конструкції каталізаторного блоку, що заявляється ці умови досягаються зменшенням числа витків спіралі у нап , рямі повздовжньої ВІСІ блоку (t=0-0,3 S/n) Низька шпаристість забезпечується зменшенням КІЛЬКОСТІ каналів у поперечному перерізі блоку, а також їх сумарної площі В конструкції каталізатора який заявляється і який складається з двох стрічок, - гофрованої 1 і прямої 2 - КІЛЬКІСТЬ кеналш при одном/ і тому ж діаметрі поперечного перерізу каталізаторного блоку d може бути різним залежно від кроку Г (фіг 1,2,4) Із збіпьшенням кроку каналіє f зменшується відстань між двома сусідніми витками 8. що дозволяє збільшити КІЛЬКІСТЬ витків при одному й тому ж діаметрі каталізатора і внаслідок цього - збільшити КІЛЬКІСТЬ каналів (фіг 2,4) Навпаки, гз зменшенням кроку каналів V КІЛЬКІСТЬ ВИТКІВ зменшується що призводить до зменшення КІЛЬКОСТІ каналів на тому ж діаметрі каталізатору З іншого боку нерівномірна по радіусу-вектору г зміна кроку каналів неоднозначно впливає на площу поперечного перерізу каналів і на сумарну площу всіх каналів блоку Із збільшенням радіусувектору від гі до г? крок каналів t'i зменшується до кроку і'г (фіг 7-9) При цьому площі каналів Fi спочатку збільшуються, а потім зменшуються до F2 (фіг 8,9) Відстань між витками збільшується від центру (Vi) до периферії каталізатору (фіг 8,9) Така конструкція каталізаторного блоку найоптимальніша для установок середнього і високого тиску Конструкція каталізаторного блоку, в якому із збіпьшенням радіусу-вектору від Гз до г4 крок каналів fз збільшується до крока tU із зміною площі каналів з F3 до F4 та відстані між витками від 5з до 8А прийнятніше для установок атмосферного тиску (фіг 10-12) Для всіх типів установок еитки спіралі у напрямі повздовжньої вісі блоку розташовані переважно з кроком t=(0-2) s/n, де s - ширина стрічки, п - число витків стрічки Крім того, найрацюнальнішою формою поперечного перерізу каналів блоку є форма, зроблена за синусоїдальним законом Це пояснюється тим, що плавні перехо'ди на гофрованій стрічці в місцях вигину забезпечують триваліший строк експлуатації блоку без його руйнування Натяг гофрованої стрічки при й згортанні становить (0 05-0,6) межі пружності матеріалу стрічки При натязі менше 0,05 межі пружності матеріалу гофри на стрічці практично не деформуються, а це не дозволяє отримати спіраль із змінним кроком При натязі більше 0,6 межі пружності матеріалу гофри на стрічці майже повністю зникають, що не раціонально 39766 Приклад. 3 плати но-родієвого сплаву FtRMO отримали дріт діаметром 0,8 мм. Отриманий дріт прокатали на стрічку шириною 1 мм і товщиною 0,05 мм Частину стрічки пропустили через спеціальний пристрій і отримали гофровану стрічку. Гофровану стрічку склали із прямою стрічкою і одночасно обидві стрічки згорнули у спіралі, утворюючи таким чином об'ємну конструкцію каталізаторного блоку з наскрізними каналами діаметром 1700 мм Після закріплення кінців стрічок всю конструкцію знежирили у соляній кислоті, а потім змочили у концентрованій платиновій кислоті. Змочений у платиновій кислоті каталізаторний блок нагріли за спеціальним ступінчастим режимом до температури 1100°С, а потім повільно охолодили. Підготовлений таким чином каталізаторний блок піддали випробуванням на устаиовці по виробництву азотної кислоти Випробування пройшли каталізаторні блоки, що заявляються, з різними параметрами, а також каталізаторний блок відомої" конструкції (базовий об'єкт) І прототип (табл.). За базовий об'єкт праНя дослІДУ Режим роботи установки Тиск, Робоча Робочий бар темпера- час, дні тура, °С вить каталізаторний блок, виготовлений з плетених сіток MULTINIT Аналіз даних, наведених у таблиці 1 свідчить про те, що ефективність конверсії при використанні конструкції каталізаторного блоку, яка заявляється, істотно (на 2,6-4.2%) вище, ніж при використанні каталізаторного блоку з плетених сіток MULTINIT (базовий об'єкт) та на 1,8-2,2% вище у порівнянні з відомою конструкцією стрічкового типу (прототип). Крім того, конструкція каталізаторного блоку, що пропонується, значно, міцніша відомої за прототипом. ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ 1. Дублер X , Кропшофер X. Промышленный опыт с металлическими сетками PLATINiT ®. В Nitrogen 1996, 219 стр. 43-50 2 Дрост Э., Дюблер X. MULTINIT * Новая каталитическая сетка В.Nitrogen, 1997,225, стр. 4 1 46. 3. Патент Российской Федерации № 1837962, МКИ B01J35/00, B01J37/00, 1998 г 4. Патент Российской Федерации № 2126717, МКИ B01J35/00, B01J37/00. 1995г. Параметри каталізаторного блоку Поверхня Кількість Крок Крок на 1 см2 ґраток 2 витків каналів на 1 см спирані Г ,% Ефектив- Примітка ність конверсії, % 1 1 850 460 16 1000 —/t один п 0 2 5 870 290 17,2 1180 1,1 3 10 910 135 18.5 1320 1,8 4 10 910 135 18,7 1360 0,4 5 базовий об'єкт 6 базовий об'єкт 7 прототип 1 850 430 4,3-10"2 780 96 10 910 110 4,3-10'2 780 90.5 10 910 42 " 4,3-1 б"2 770 о Фіг. 1 0 . 380-> 500 600-» 300 600-» 200 580~> 190 440 98,6 97.2 94.2 93,8 92 Каталізатор зруйнувався після 42 год. 39766 d Фіг. 2 А-Л Фіг. З Фіг. 4 о ФІГ. 6 Фіг. 5 Фіг. 7 39766 Фіг. 9 IV "ЧУ Фіг. 11 Фіг. 10 Фіг. 12 Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патечт» Україна, 880ОО, н Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122)3-72-89 (03122)2-57-03 f