1.2.2. Реакторы окисления аммиака

Реактор окисления аммиака до окислов азота в отличие от контактного аппарата в производстве серной кислоты имеет катализатор в виде платиновой сетки, которая может выдерживать значительно более высокие температуры. Данный реактор (рис.1.18) работает непрерывно при нормальном давлении с верхней подачей исходных реагентов (аммиачно-воздушной смеси).

Газовая смесь поступает в картонный фильтр 2, состоящий из ряда кассет, расположенных в верхней части аппарата. После прохождения фильтра исходная смесь через специальные окна и входной конус направляется на катализаторные сетки 4, проходя предварительно через распределительную решетку 3 диаметром около 3000 мм. Рабочая часть реактора, называемая конвертором, имеет диаметр 2800 мм и состоит из трех платино-родиевых сеток общей поверхностью 24 м²

Сетки выполнены из нитей, диаметром 90 мкм с числом отверстий 1024 на 1 см² поверхности. Сетки поддерживаются колосниками, под которыми на решетке расположен слой 5 высотой 250 мм из металлических колец 32х32 мм. Назначение этого слоя состоит в аккумулировании тепла и улавливании частиц платиновой пыли при постепенном сгорании сеток. Аккумулирование тепла значительно облегчает пуск аппарата после его кратковременной остановки.

Так как реакция окисления NH₃ до окислов азота является экзотермической, то в процессе ее выделяется большое количество теплоты и температура выходящих газов поднимается до 920 ⁰С.

Рис. 1.18. Контактный аппарат окисления NH₃ в окислы азота, совмещенный с картонным фильтром: 1 – аварийная мембрана; 2 – картонные фильтры; 3 – распределительная решетка; 4 – катализаторные сетки; 5 – слой колец; 6 – жаростойкая футеровка.

Поэтому нижняя часть реактора имеет жаростойкую футеровку и для утилизации теплоты соединена с котлом-утилизатором.

Суточная производительность указанного выше аппарата составляет 20 т окисляемого аммиака или 50 т слабой азотной кислоты.

В последние годы наиболее распространены контактные аппараты, работающие под небольшим избыточным давлением 0,73 МПа с диаметром сеток 1600 мм (рис.1.19).

Рис.1.19. Контактные аппараты для окисления аммиака:

а – с горизонтальными сетками; б – с коническими сетками; в – с цилиндрическими сетками.

В этих аппаратах для улучшения контакта реагирующих газов с платино-родиевым катализатором сетки могут быть расположены горизонтально (рис.1.19,а), по конусу (рис.1.19,б) и аппараты с цилиндрическими сетками (рис.1.19,в).

В аппарате с горизонтальными сетками (рис.1.19,а) аммиачно-воздушная смесь, содержащая 10,5 – 11 % NH₃ вводится по штуцеру 1, затем по кольцевому зазору между корпусом 2 и внутренним цилиндром, переходящим в конус 3, поднимается в верхнюю часть аппарата. Решетки 5 установлены для равномерного распределения газа по сечению аппарата. Катализаторные сетки 6 (12 шт.) закреплены между фланцами и опираются на колосниковое устройство 7. Температуру контролируют термопарой 8. Слой фарфоровых или кварцевых колец служит аккумулятором тепла. Ниже засыпают слой поглотительной массы 10 для улавливания платиновой пыли. Изображенный на рисунке аппарат отличается от стандартного наличием подогревателя хвостовых газов 11, устанавливаемого над котлом-утилизатором.

Подогрев хвостовых газов увеличивает мощность рекуперационной турбины и снижает расход природного газа. Аппарат снабжен взрывной мембраной 4, рассчитанной на предельное давление – 1 МПа.

Основные элементы контактного аппарата для окисления аммиака выполнены из стали 08Х18Н10Т, внутренний цилиндр и конус 3 – из никеля, а колосниковое устройство – из нихрома (Х15Н60).

Разработан также контактный аппарат с расположением платиновых сеток по конической поверхности (рис. 1.19,б) с углом при вершине 60 или 90⁰.

В нем за счет увеличения поверхности сеток уменьшается скорость течения газов через катализатор, что увеличивает выход окиси азота на 1,5 – 2 % при том же количестве платины. Смотровое окно 13 служит для наблюдения за состоянием катализатора, а опоры 13 необходимы для размещения колосникового устройства.

Для аппаратов большой единичной мощности в Чехии разработана конструкция контактного аппарата с радиальным движением газа (рис.1.19, в). В корпусе 2 небольшого диаметра размещены перфорированные цилиндры 14, между которыми располагается либо насадка из колец 15, либо платиновый катализатор, платиновые сетки натягиваются по внешней поверхности кольца.

Перегородка 16 устраняет прямой проскок газа. За счет увеличения высоты возможно размещение катализаторных сеток с большей поверхностью, что позволяет уменьшить скорость газа и повысить выход окиси азота.

Для снижения потерь платины перспективным является проведение процесса окисления аммиака в двухступенчатом катализаторе, в котором первой ступенью служат платиновые сетки, а второй – оксиды металлов.

В контактном аппарате (рис.1.20), работающем под давлением 0,54 МПа, первая ступень окисления аммиака осуществляется на платиноидных сетках 2. Неплатиновый катализатор 7 загружают в катализаторную корзину из жаростойкой стали. На опорные ребра, приваренные к корпусу аппарата, укладывают литую колосниковую решетку из жаропрочной стали. Поверх решетки размещают нихромовые сетки, которые перекрывают все зазоры между корпусом и корзиной, во избежании проскока аммиака и уноса частиц катализатора. В качестве неплатинового катализатора хорошо зарекомендовал себя железохромовый катализатор. Для снижения температуры в зоне работы неплатинового катализатора реактор имеет рубашку 3, в которую подается охлаждающая вода, что позволяет увеличить срок службы обоих катализаторов.

Примером каталитических реакторов среднего давления в системе газ-газ являются конверторы для получения водорода.

Рис. 1.20. Контактный аппарат:

1 – корпус; 2 – кольца Рашига; 3 – термопары; 4 – смотровое окно; 5 – поворотный механизм; 6 – взрывная пластина; 7 – трубка для разогрева катализатора; 8 – распределительная решетка; 9 – пробоотборник; 10 – катализаторные сетки; 11 – колосники.