Каталізатор конверсії аміаку

Реферат: Каталізатор конверсії аміаку в оксид азоту блочної стільникової структури містить у ваговій кількості 0,1-5,0 % паладій і/або платину. UA 82046 U (54) КАТАЛІЗАТОР КОНВЕРСІЇ АМІАКУ UA 82046 U UA 82046 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до каталізаторів для процесу окислення аміаку у виробництві азотної кислоти. Основними промисловими каталізаторами окислення аміаку в даний час є сітки з платини і її сплавів з паладієм і родієм та іншими промоторами, а також уловлюючі сітки, як у ролі які вловлюють платину з каталізаторних сіток, так і в якості каталізаторних сіток (платиноїдні сітки), але меншої активності. В умовах високої вартості металів платинової групи актуальною стає завдання скорочення вкладень і втрат платиноідів. Це завдання в промисловості вирішується шляхом реалізації процесу окислення аміаку на багатоступеневих каталітичних системах, і зокрема на двоступеневій каталітичній системі, в якій як перший ступінь використовують різні сітки на основі металів платинової групи, у тому рахунку і уловлюючі паладієві сітки, а як другий ступінь - шар оксидного каталізатора, так званого неплатинового каталізатора на основі оксидів металів неплатинової групи. Спосіб конверсії аміаку полягає в тому, що реакційну газову суміш, що містить аміак і кисневмісний газ пропускають через таку двоступеневу каталітичну систему окислення аміаку. Відомі каталізатори у вигляді порцеляни, шамоту й кварцу покритих платиною [В.І. Атрощенко "Технологія азотної кислоти", М, Хімія, 1970, стор. 42], які пропонувалося використовувати як каталізатор окислення аміаку, у спочатку існуючому одному ступені каталітичної системи. Такі каталізатори швидко руйнувалися, втрачали свою активність у часі і спостерігалися великі втрати платини. Відомі оксидні каталізатори з металів не платинової групи, що виготовляються у вигляді таблеток або екструзії різної форми, так звані неплатинові каталізатори на основі оксидів металів. До недоліків таких каталізаторів слід віднести значний газодинамічний опір шару каталізатора, необхідність виготовлення спеціальних кошиків для завантаження каталізатора в реактор [патент РФ № 2368417 СІ]. Відомі каталізатори які усувають ці недоліки після розробки блочних оксидних каталізаторів на основі простих і складних оксидів металів [патенти РФ № 2100068; № 2117528;]. Вони мають низький опір і велику геометричну поверхню. Відомі інертні носії для каталізатора блокової стільникової структури та каталізатори блокової стільникового структури, що містять паладій і/або платину, які мають призначення розкладати і/або окисляти багато різних хімічних сполук, у тому числі і група автомобільних каталізаторів блокової стільникової структури які містять паладій і/або платину, але такий каталізатор не має призначення використовуватися для окислення аміаку і в способі конверсії аміаку. Як прототип каталізатора вибраний каталізатор, зазначений у патенті РФ № 2368417 СІ. Цим патентом пропонується каталізатор конверсії аміаку в оксид азоту блокової стільникової структури на основі оксидів металів і спосіб конверсії аміаку, що включає пропускання реакційної газової суміші, що містить аміак і кисневмісний газ через двоступеневу каталітичну систему, сформовану різними способами, у тому числі в комплекті з уловлюючими паладієвими сітками і/або інертними насадками в другому ступені, в якому використовується каталізатор блочної стільникової структури на основі оксидних металів. Недоліком такого каталізатора є знижена селективність каталізатора блочної стільникової структури на основі оксидів металів і відповідно його використання в способі конверсії аміаку не призводить до суттєвого зменшення вкладень платиноїдів і втрат всій каталітичної системи. Відомо [М.М. Караваев, "Каталітичне окислення аміаку", М, Хімія, 1983р, стор. 174], що оксидним каталізаторів властиво збільшення часу контакту. "Виходячи з цього вихід оксиду азоту на оксидних каталізаторах в рівних умовах повинен бути нижче ніж: на платинових". Бажано мати технічний результат від каталізатора конверсії аміаку, який би мав велику селективність і забезпечував більше зменшення зниження вкладень платиноїдів і їх втрат з каталітичної системи при використанні способу конверсії аміаку при відсутності зниження загальної конверсії всій каталітичної системи порівняно з прототипом. Задача, на вирішення якої направлена корисна модель, є розробка такого каталізатора блочної стільникової структури, який по своїй селективності істотно би перевищував неплатиновий каталізатор на основі оксидів металів, а його використання в новому способі конверсії аміаку дозволило б істотно зменшити вкладення платиноїдів і їх втрат з каталізаторних і уловлюючих сітках першого ступеню каталітичної системи окислення аміаку. Задача вирішується використанням відомих носіїв каталізатора блочної стільникової структури, в який, замість введення в нього різним способом оксидів металів, вводиться паладій і платина. 1 UA 82046 U 5 10 15 Такий каталізатор блочної стільникової структури, що містить паладій і/або платину, встановлюється після сіток каталітичної системи конверсії аміаку в другий ступінь каталітичної системи замість каталізатора блочної стільникової структури, який містить оксиди металів, і реакційну газову суміш пропускають через таку каталітичну систему. Тобто пропонується каталізатор конверсії аміаку в оксид азоту блочної стільникової структури, який містить паладій і/або платину, що включає пропускання реакційної газової суміші, що містить аміак і кисневмісний газ, через двоступеневу каталітичну систему, сформовану різними способами, у тому числі в комплекті з уловлюючими паладієвими сітками і/або інертними насадками в другому ступені, в якому використовується каталізатор блочної стільникової структури з вмістом паладію і/або платини. Були проведені порівняльні дослідження різних промислових неплатинових каталізаторів на основі оксидів металів з запропонованим каталізатором блочної стільникової структури з вмістом паладію і/або платини у ваговій кількості 0,1-5,0 %. Дослідження показали, що вже не значне введення в каталізатор блочної стільникової структури 0,1 % паладію і/або платини призводить до різкого збільшення його селективності, а збільшення вище 5,0 % практично не призводить до подальшого росту селективності. Дані представлені у таблиці 1. Таблиця 1 Порівняльні дані селективності різних каталізаторів. № Зразка Неплатиновий каталізатор на основі оксидів металів КНСХ КН-2 КН-2-1 СТК-1 15-2 15-6 18-2 Пропонований каталізатор блочної стільникової структури з ваговим вмістом паладію і\або платини 0,15,0 %. Паладій 0,1-5,0 % Паладій 0,1-5,0 % Паладій 0,1-5,0 % Платина 0,1-5,0 % Платина 0,1-5,0 % Платина 0,1-5,0 % Паладій +платина 0,1-5,0 % Паладій +платина 0,1-5,0 % Паладій +платина 0,1-5,0 % 20 25 30 Швидкість реакцион. газ. суміші м\сек Тиск абс (мПа) Т° С запал 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 320 320 600 320 370 460 620 870 885 900 870 890 920 880 4 4 4 4 40 70 4 71,3 54,8 21,0 71,5 50,0 89,1 77,0 1,0 4,0 4,0 1,0 4,0 4.0 1,0 4,0 4,0 0,1 0,7 0,7 0,1 0,7 0,7 0.1 0,7 0,7 220 220 220 240 240 240 225 225 225 880 880 880 880 880 880 880 880 880 40 60 7600 40 60 7600 40 60 7600 91,1-96,2 78,3-88,1 77,1-87,4 90,6-95,8 78,2-90,0 77,4-89,2 88,8-95,8 90,1-93,3 78,7-88,6 Т°С Пробіг Конверсія % раб час Після стандартного пробігу в 3500 годин неплатинові каталізатори на основі оксидів металів показали селективність з конверсії не вище 45 %, що істотно нижче, ніж пропонований блочний каталізатор стільникової структури з вмістом 0,1-5,0 % паладію і/або платини. З проведених досліджень видно, що каталізатор блочної стільникової структури з вмістом 0,1-5,0 % паладію і/або платини істотно перевершує за рівнем селективності неплатинові каталізатори на основі оксидів металів, яка в значній мірі зберігається за час стандартного пробігу каталітичної системи перевищуючи 3500 годин. На основі цього каталізатора блочної стільникової структури, який містить 0,1-5,0 % паладію і/або платини, спосіб каталітичної конверсії аміаку включає пропускання реакційної газової суміші, що містить аміак і кисневмісний газ, через двоступеневу каталітичну систему, сформовану різними способами, у тому числі в комплекті з уловлюючими паладієвими сітками 2 UA 82046 U 5 10 15 20 25 30 35 і/або інертними насадками у другому ступені, в якому використовують каталізатор блочної стільникової структури з вмістом 0,1-5,0 % паладію і/або платини. Причинно-наслідковий зв'язок з пропонованим каталізатором полягає в його роботі на прикладі №1 (таблиця №2) з каталізатором блочної стільникової структури, який містить 3,0 % паладію в порівнянні з існуючої каталітичної системою як прототипом. Зменшується кількість платиноїдних сіток і пропускається реакційна газова суміш через каталітичну систему. Не дивлячись на те, що запропонований каталізатор блочної стільникової структури містить паладій і/або платину, і буде явно дорожче ніж неплатиновий каталізатор на основі оксидів металів, але за рахунок його більшої селективності в каталітичних системах, при зменшенні платиноїдних сіток, відбувається перерозподіл частини не прореагованого аміаку з зменшеної кількості платиноїдних сіток на каталізатор з високоюселективністю блочної стільникової структури, що містить паладій і/або платину, що приводить до збереження загальної конверсії після всієї каталітичної системи порівняно з використанням неплатинового каталізатора на основі оксидів металів. Тобто, при меншій кількості платиноїдних (каталізаторних і уловлюючих) сітках, не прореагований аміак, який проскочив крізь них, прореагує з високою селективністю на каталізаторі блокової стільникової структури з вмістом паладію і/або платини, що не призводить до зниження виходу оксиду азоту після всієї каталітичної системи. Зменшення кількості платиноїдних сіток свідомо призводить до зменшення вкладень платиноїдів і в основному платини, і відповідно, до зменшення їх прямих втрат. Крім того, виходячи з відомого факту, що блочний стільниковий каталізатор, має значно більшу геометричну поверхню, порівняно з сітками в каталітичної системи, то при нанесенні на нього паладію, як компонента уловлюючого платину, збільшується поверхня, що уловлює платину з каталізаторних сіток. Це призводить до зменшення кількості уловлюючих паладієвих сіток і одночасно збільшує ступінь уловлювання платини більшою поверхнею, що стикається з прохідною реакційною газовою сумішшю, і відповідно до зниження і безповоротних втрат платиноїдів. Таким чином, досягається заявлений технічний результат, і вирішуються задача, на яку спрямований винахід. Приклад №2. При каталізаторі блокової стільникової структури з вмістом платини та паладію і платини, що мають ще більшу селективність, більше знижується кількість каталізаторних і уловлюючих сіток, і відповідно зменшуються їх прямі втрати, а зменшення прямих втрат платини викликає можливість зменшення уловлюючих сіток для уловлювання зменшених втрат платини і відповідно втрат паладію. Були досліджені різні запропоновані каталізатори у способі каталітичної конверсії аміаку. Один з оптимальних вищезазначеного приклада №1 застосування каталізатора блочної стільникової структури з вмістом паладію у ваговій кількості 3,0 % для промислового агрегату УКЛ під тиском 0, 716мПа вказано в таблиці 2. 40 Таблиця 2 Параметри роботи запропонованого способу конверсії аміаку. № п/п 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Параметр 1 Каталізаторні сітки Кількість сіток сплав Pt/Pd/Rh 5/5 Середня вага сітки Загальна вага каталізаторної системи Середній вміст платини у каталізаторній системі (90 %Pt). Вартість платини у системі при 58дол/гр Вартість паладію - 22дол/гр Зменшення витрат на придбання драг металів. Економія - Банківський кредит 15 %+ вартість виготовлення. Уловлюючі сітки 3 Од. Прототип Істот. Приклад №1 Нова виміру Система система 2 3 4 шт гр гр 6 2150 13000 4 2150 8600 гр 11700 77400 дол 678600 448920 дол 229680 дол 34450+11880=46330 дол UA 82046 U Продрвження таблиці 2 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Кількість сіток Pd/Ni 95/5 шт 6 Середня вага сітки гр 1000 Загальна вага уловлюючих сіток гр 6000 Уловлююча поверхня М2 24 Каталізатор блочної стільникової структури з вмістом металів платинової групи* відсутній Розподільник потоку. Уловлююча поверхня. М2 24 Рівень конверсії. % 93,0 Вартість каталізатора блочної стільникової дол 0 структури з вмістом металів платинової групи. Вартість всієї системи уловлюючої системи дол 132000 за драгметалами. Термін пробігу. міс. 6 Неплатиновий каталізатор IK-42-n на основі Висота 50мм оксидів металів. Розподільник потоку. Прямі втрати платини в грамах на пробіг 150 Мг/т 120 суток. гр 6400 Зменшення прямих втрат платини. Гр/дол Безповоротні втрати. %гр. (60 %)3840гр Pt (% уловлювання); вага уловл; вартість. дол 22270 Pd втрати; вага у грамах; Мг/т 63; 3356гр Вага втраченої платини/ вартість (п22-п25) г/дол 22560/148480 Зниження втрат приклада №1 до прототипу. дол 0 Загальна економія за пробіг/рік (п.9+п.28). дол 0 Термін окупності. рік 5 1000 5000 20 Висота 50мм 258 93,0 22000 132000 12 відсутній 85 4350 1870/108460 (90 %)4077гр 23466 60; 3196гр 453/26300 122200 168530/337000 0,1 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 Каталізатор конверсії аміаку в оксид азоту блочної стільникової структури, який відрізняється тим, що містить у ваговій кількості 0,1-5,0 % паладій і/або платину. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4