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DE19805202A1 - Process for the preparation of nitric acid and device for carrying out the process - Google Patents

Process for the preparation of nitric acid and device for carrying out the process

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Publication number
DE19805202A1
DE19805202A1 DE19805202A DE19805202A DE19805202A1 DE 19805202 A1 DE19805202 A1 DE 19805202A1 DE 19805202 A DE19805202 A DE 19805202A DE 19805202 A DE19805202 A DE 19805202A DE 19805202 A1 DE19805202 A1 DE 19805202A1
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reaction gases
network
nitric acid
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Inventor
Marton Klein
Ryszard Kubisa
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BASF SE
Original Assignee
L&C Steinmueller GmbH
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    • C01B21/20Nitrogen oxides; Oxyacids of nitrogen; Salts thereof
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Abstract

The invention relates to a method for producing nitric acid, according to which ammonia is burned on at least one catalyst net, especially a platinum net, in the presence of oxygen and the reaction gases are cooled. To prevent the release of laughing gas the invention is characterized in that before cooling the reaction gases are led downstream from the catalyst net across a catalyst having a stable temperature so as to transform the N2O contained in the reaction gases.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Salpetersäure, bei dem Ammoniak an mindestens einem Katalysatornetz, insbesondere Platinnetz, unter Zufuhr von Sauerstoff verbrannt wird und die Reaktionsgase gekühlt werden.The invention relates to a process for the preparation of nitric acid, in which Ammonia on at least one catalyst network, in particular platinum network, is burned with the supply of oxygen and the reaction gases are cooled become.

Die Verbrennung von NH3 an einem Katalysatornetz erfolgt bei Temperaturen von z. B. 800 bis 1000 °C gemäß der nachfolgenden Gleichung:
The combustion of NH 3 on a catalyst network takes place at temperatures of, for. B. 800 to 1000 ° C according to the following equation:

4 NH3 + 5 O2 → 4 NO + 6 H2O (1).4 NH 3 + 5 O 2 → 4 NO + 6 H 2 O (1).

Das hierbei entstehende NO2 reagiert während und nach der Abkühlung der Reaktionsgase auf ca. 20 bis 30°C mit Sauerstoff zu NO2:
The resulting NO 2 reacts with and to oxygen to NO 2 during and after the cooling of the reaction gases to approx. 20 to 30 ° C:

NO + ½O2 → NO2 (2).NO + ½O 2 → NO 2 (2).

Bei Kontakt mit Wasser und Sauerstoff entsteht die gewünschte Salpetersäure HNO3:
The desired nitric acid HNO 3 is formed on contact with water and oxygen:

4 NO2 + 2 H2O + O2 → 4 HNO3 (3).4 NO 2 + 2 H 2 O + O 2 → 4 HNO 3 (3).

Es wurde gefunden, daß als Nebenreaktion bei der Katalytischen NH3- Verbrennung zu NO nach Gleichung (1) auch unerwünschtes N2O (Lachgas) entsteht:
It was found that undesirable N 2 O (laughing gas) also forms as a side reaction in catalytic NH 3 combustion to NO according to equation (1):

4 NH3 + 4 O2 → 2 N2O + 6 H2O (4),
4 NH 3 + 4 O 2 → 2 N 2 O + 6 H 2 O (4),

welches in den nachfolgenden Stufen der Salpetersäureherstellung nicht abgebaut wird.which is not in the subsequent stages of nitric acid production is broken down.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, bei dem bei der Erzeugung von Salpetersäure eine Freisetzung von Lachgas weitgehendst vermieden wird.It is therefore the object of the present invention, a method Specify the release of nitric acid of nitrous oxide is largely avoided.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Reaktionsgase stromab des Katalysatornetzes vor der Kühlung über einen temperaturstabilen Katalysator für die Umwandlung des in den Reaktionsgasen enthaltenen N2O geführt werden.This object is achieved in that the reaction gases are passed downstream of the catalyst network before cooling over a temperature-stable catalyst for the conversion of the N 2 O contained in the reaction gases.

Die Umwandlung kann je nach gewähltem Katalysator durch Zersetzung in die Elemente Stickstoff und Sauerstoff:
Depending on the catalyst selected, the conversion can be carried out by decomposing it into the elements nitrogen and oxygen:

2 N2O → 2 N2 + O2 (5)
2 N 2 O → 2 N 2 + O 2 (5)

oder durch Oxidation:
or by oxidation:

2 N2O + 3 O2 → 4 NO2 (6)
2 N 2 O + 3 O 2 → 4 NO 2 (6)

oder
or

N2O + ½ O2 → 2 NO (7)
N 2 O + ½ O 2 → 2 NO (7)

erfolgen.respectively.

Die Umwandlung durch Oxidation des N2O zu NO oder NO2 führt zu einer Umsatzsteigerung der Salpetersäureproduktion und wird daher bevorzugt.The conversion by oxidation of the N 2 O to NO or NO 2 leads to an increase in sales of the nitric acid production and is therefore preferred.

Lachgas gehört zwar zu den sogenannten endothermen Verbindungen und sollte daher schon bei Raumtemperatur in die Elemente zerfallen, jedoch erfolgt die Zersetzung aber aus kinetischen Gründen erst bei Erwärmung. Die erfindungsgemäße Verfahrensführung nutzt in vorteilhafter Weise die Wärme der Reaktionsgase unmittelbar nach der NH3-Verbrennung. Eine separate Erwärmung der Reaktionsgase für die N2O-Umwandlung ist nicht erforderlich. Es wird vorzugsweise ein hochaktiver Katalysator eingesetzt, da die Verweilzeit der Reaktionsgase nach Austritt aus dem Katalysatornetz bis Eintritt in die Wärmetauscher kurz ist, damit eine thermische Zersetzung des sich gemäß Gleichung (1) bildenden NO in seine Elemente nicht begünstigt wird. Laughing gas is one of the so-called endothermic compounds and should therefore disintegrate into the elements at room temperature, however, for kinetic reasons, the decomposition takes place only when heated. The procedure according to the invention advantageously uses the heat of the reaction gases immediately after the NH 3 combustion. A separate heating of the reaction gases for the N 2 O conversion is not necessary. A highly active catalyst is preferably used, since the residence time of the reaction gases after leaving the catalyst network until entry into the heat exchanger is short, so that thermal decomposition of the NO formed in accordance with equation (1) into its elements is not favored.

Weiterhin ist dafür Sorge zu tragen, daß der Katalysator zur N2O-Umwandlung die gleichzeitig mögliche Reaktion einer NO-Zersetzung nicht bzw. nicht nennenswert beschleunigt.Care must also be taken to ensure that the catalyst for N 2 O conversion does not accelerate the reaction of NO decomposition, or does not accelerate it appreciably.

Es ist bekannt, zur gleichmäßigen Beaufschlagung des der Abkühlung der Reaktionsgase dienenden Wärmetauschers bzw. Heizflächen die Reaktionsgase dem Katalysatornetz über eine Einrichtung zur Strömungsgleichverteilung zu führen, z. B. über eine Schüttung von Raschig- Ringen. Bei der erfindungsgemäßen Verfahrensführung kann der N2O- Umwandlungskatalysator auch in Form von Raschig-Ringen oder dergleichen ausgebildet werden, um neben der N2O-Umwandlung zugleich eine Strömungsvergleichmäßigung zu gewährleisten.It is known to conduct the reaction gases to the catalyst network via a device for uniform flow distribution, for example, in order to apply uniformly to the heat exchanger or heating surfaces used for cooling the reaction gases. B. over a bed of Raschig rings. When carrying out the process according to the invention, the N 2 O conversion catalyst can also be designed in the form of Raschig rings or the like, in order to ensure, in addition to the N 2 O conversion, a flow equalization at the same time.

Auch ist es bekannt, das Platinnetz zu seiner Abstützung auf keramischen Elementen aufliegen zu lassen. Es liegt im Rahmen der bevorzugten Erfindungsführung auch solche Abstützelemente aus einem katalytisch aktiven Material für die N2O-Umwandlung aufzubauen.It is also known to let the platinum network rest on ceramic elements for its support. It is also within the scope of the preferred embodiment of the invention to construct such support elements from a catalytically active material for the N 2 O conversion.

Es ist also zweckmäßig, daß die Reaktionsgase durch eine Schüttung von Katalysatorelementen oder über einen gasdurchlässigen Formkatalysator, wie z. B. Wabenkatalysator, geführt werden.It is therefore appropriate that the reaction gases by a bed of Catalyst elements or a gas-permeable shaped catalyst, such as e.g. B. honeycomb catalyst.

Vorzugsweise wird ein Katalysator ausgewählt aus der Gruppe: Edelmetall oder Keramik.A catalyst is preferably selected from the group: noble metal or ceramics.

Wiederum bevorzugt wird der Einsatz einer Keramik, die mit Metallen, wie z. B. V, Cr, Fe, Ni, Co, Cu, Bi, Ca, Zn, Al, Mg, und/oder deren Oxiden und/oder Edelmetallen dotiert ist. In besonders bevorzugter Weise werden Tonkeramiken, d. h. Keramiken auf Aluminiumsilikat-Basis eingesetzt, weiter bevorzugt Cordierite.Again preferred is the use of a ceramic, which with metals such. B. V, Cr, Fe, Ni, Co, Cu, Bi, Ca, Zn, Al, Mg, and / or their oxides and / or Precious metals is doped. In a particularly preferred manner Clay ceramics, d. H. Ceramics based on aluminum silicate used, further prefers cordierite.

Weiterhin ist es denkbar, als Katalysator Spinelle und/oder Perowskite einzusetzen.It is also conceivable to use spinels and / or perovskites as catalysts to use.

Bei allen eingesetzten Katalysatoren muß dafür Sorge getragen werden, daß sie der Wärmebelastung im Bereich von 800 bis 1000°C unmittelbar nach Austritt der Reaktionsgase aus dem Katalysatornetz standhalten können. With all catalysts used, care must be taken that they immediately follow the thermal load in the range of 800 to 1000 ° C Can withstand the reaction gases from the catalyst network.  

Es kann entweder das reine Katalysatormaterial eingesetzt werden oder Katalysatormaterial wird auf einen ebenfalls temperaturstabilen Träger aufgebracht.Either the pure catalyst material can be used or Catalyst material is also on a temperature stable support upset.

Die Erfindung richtet sich auch auf eine Vorrichtung zur Herstellung von Salpetersäure mit einem Reaktor, mindestens einem sich quer zum Reaktorinneren erstreckenden Katalysatornetz und mindestens einer dem Katalysatornetz nachgeschalteten Heizfläche.The invention is also directed to an apparatus for producing Nitric acid with a reactor, at least one across Catalyst network extending inside the reactor and at least one of the Catalyst network downstream heating surface.

Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, daß zwischen dem Katalysatornetz und der Heizfläche ein gasdurchlässiger temperaturstabiler Katalysator für die Umwandlung von in den Reaktionsgasen enthaltenem N2O angeordnet ist.It is provided according to the invention that a gas-permeable, temperature-stable catalyst for converting N 2 O contained in the reaction gases is arranged between the catalyst network and the heating surface.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn der Katalysator gleichzeitig der Strömungsgleichverteilung dient bzw. das Katalysatornetz für die NH3- Verbrennung abstützt.In this case, it is expedient if the catalyst simultaneously serves for uniform flow distribution or supports the catalyst network for NH 3 combustion.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung soll nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert werden.A device according to the invention will now be described with reference to the accompanying figures are explained in more detail.

In den Reaktor 1 wird über eine Zuleitung 2 eine Mischung aus NH3 und sauerstoffhaltiger Luft O2 eingeleitet. Die Zuleitung 2 mit relativ geringem Querschnitt geht in eine Haube 3 größeren Querschnittes über, an die sich ein zylindrischer Behältergrundkörper 4 anschließt. Quer über die Eintrittsöffnung des Grundkörpers 4 erstrecken sich Platinnetze 5, die gegebenenfalls noch abgestützt sind. Unmittelbar nach den Platinnetzen ist ein Katalysatoreinbau 6 für die N2O-Umwandlung angeordnet, der aus einer Schüttung von katalytisch aktiven Raschig-Ringen 6a und einem die Schüttung tragenden Lochblech 6b besteht. Die aus dem Katalysatoreinbau 6 austretenden Reaktionsgase R treten in einen nur schematisch dargestellten Kühlflächeneinbau 7 ein, der von einem Kühlmittel K durchströmt wird. Die Reaktionsgase werden über einen Auslaß 8 abgezogen.A mixture of NH 3 and oxygen-containing air O 2 is introduced into the reactor 1 via a feed line 2 . The feed line 2 with a relatively small cross section merges into a hood 3 with a larger cross section, to which a cylindrical container base body 4 is connected. Platinum nets 5 extend across the inlet opening of the base body 4 and are optionally still supported. Immediately after the platinum networks, a catalyst installation 6 for the N 2 O conversion is arranged, which consists of a bed of catalytically active Raschig rings 6 a and a perforated plate 6 b carrying the bed. The reaction gases R emerging from the catalyst installation 6 enter a cooling surface installation 7 , which is shown only schematically and through which a coolant K flows. The reaction gases are withdrawn via an outlet 8 .

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung von Salpetersäure, bei dem Ammoniak an mindestens einem Katalysatornetz, insbesondere Platinnetz, unter Zufuhr Sauerstoff verbrannt wird und die Reaktionsgase gekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsgase stromab des Katalysatornetzes vor der Kühlung über einen temperaturstabilen Katalysator für die Umwandlung des in den Reaktionsgasen enthaltenen N2O geführt werden.1. A process for the preparation of nitric acid, in which ammonia is burned on at least one catalyst network, in particular platinum network, with supply of oxygen and the reaction gases are cooled, characterized in that the reaction gases are cooled downstream of the catalyst network before cooling via a temperature-stable catalyst for converting the contained in the reaction gases contained N 2 O. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Katalysator für die Oxidation des N2O eingesetzt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that a catalyst for the oxidation of the N 2 O is used. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß ein Katalysator für die Zersetzung des N2O eingesetzt wird.3. The method according to claim 1, characterized in that a catalyst is used for the decomposition of the N 2 O. 4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsgase über eine Schüttung von Katalysatorelementen geführt werden.4. The method according to at least one of claims 1 to 3, characterized, that the reaction gases over a bed of catalyst elements be performed. 5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsgase über einen gasdurchlässigen Formkatalysator, wie z. B. Wabenkatalysator geführt werden. 5. The method according to at least one of claims 1 to 3, characterized, that the reaction gases over a gas-permeable shaped catalyst, such as e.g. B. honeycomb catalyst.   6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsgase über einen Katalysator ausgewählt aus der Gruppe: Edelmetall oder Keramik geführt werden.6. The method according to at least one of claims 1 to 5, characterized, that the reaction gases are selected from the catalyst Group: precious metals or ceramics. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Keramik eingesetzt wird, die mit Metalloxiden und/oder mit Metallen dotiert ist.7. The method according to claim 6, characterized, that a ceramic is used with metal oxides and / or with Metals is doped. 8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Katalysator Tonkeramiken eingesetzt werden.8. The method according to claim 6 or 7, characterized, that clay ceramics are used as a catalyst. 9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Katalysator Spinelle und/oder Perowskite eingesetzt werden.9. The method according to at least one of claims 1 to 5, characterized, that spinels and / or perovskites are used as catalysts. 10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Temperaturen von 800 bis 1000°C temperaturstabile Katalysatoren eingesetzt werden.10. The method according to at least one of claims 1 to 9, characterized, that at temperatures from 800 to 1000 ° C temperature stable Catalysts are used. 11. Vorrichtung zur Herstellung von Salpetersäure mit einem Reaktor mindestens einem sich quer zum Reaktorinneren erstreckenden Katalysatornetz und mindestens einer dem Katalysatornetz nachgeschalteten Heizfläche, dadurch gekennzeichnet daß zwischen dem Katalysatornetz (5) und der Heizfläche ein gasdurchlässiger temperaturstabiler Katalysator (6; 6a, 6b) für die Umwandlung von in den Reaktionsgasen enthaltenem N2O durch Zersetzung oder Oxidation angeordnet ist.11. Device for the production of nitric acid with a reactor at least one catalyst network extending transversely to the interior of the reactor and at least one heating surface connected downstream of the catalyst network, characterized in that between the catalyst network ( 5 ) and the heating surface a gas-permeable temperature-stable catalyst ( 6 ; 6 a, 6 b ) is arranged for the conversion of N 2 O contained in the reaction gases by decomposition or oxidation. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator gleichzeitig der Strömungsgleichverteilung dient. 12. The device according to claim 11, characterized, that the catalyst also serves for uniform flow distribution.   13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12 dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator gleichzeitig das Katalysatornetz für die NH3- Verbrennung abstützt.13. The apparatus of claim 11 or 12, characterized in that the catalyst simultaneously supports the catalyst network for NH 3 combustion.
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