DE3042362C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Katalysator mit einer in Strömungsrichtung der Reaktanten angeordneten Packung von Gazen aus einem Drahtgewebe, das aus einem Platingruppenmetall oder einer Platingruppenmetall-Legierung besteht.

Ein solcher Katalysator ist aus der FR-PS 24 33 975 vorbekannt. Dieser Katalysator soll so ausgebildet sein, daß die Gaze gute katalytische Eigenschaften hat, für ihre Herstellung jedoch wenig Edelmetall benötigt wird. Um dieses Ziel zu erreichen, ist bei dem vorbekannten Katalysator vorgesehen, daß aus einem ursprüng­ lich kreisrunden Draht ein Gewebe mit relativ großer Maschenweite hergestellt wird und daß der Draht danach durch Rollen, Hämmern oder Pressen in eine flache Querschnittskontur gebracht wird, so daß Streifen entstehen, deren Oberfläche größer ist als bei der ursprünglich kreisrunden Drahtform. Dieses Verfahren ist relativ aufwendig, weil zunächst ein Draht mit kreisrundem Querschnitt bereitgestellt werden muß, der zu Gaze verarbeitet werden muß, die dann anschließend einem weiteren Arbeitsprozeß unterworfen werden muß, um den flachen bzw. rechteckigen Drahtquerschnitt zu erhalten. Außerdem muß relativ große Sorgfalt darauf verwendet werden, daß bereits bei der Verarbeitung des runden Drahtes zu der Gaze die gewollte Zuordnung der einzelnen Drahtabschnitte nach der Bearbeitung angemessen berücksichtigt wird.

Die Erfindung will nun einen anderen Weg gehen, um mit möglichst wenig Materialeinsatz einen optimal wirkenden Katalysator her­ stellen zu können und dabei auf ein aufwendiges Herstellungs­ verfahren verzichten zu können. Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Katalysator so auszu­ gestalten, daß er auf einfache Weise herzustellen ist und daß er auch bei relativ geringem Materialeinsatz in hohem Maße wirksam ist.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird mit der Erfindung vor­ geschlagen, daß bei einem gattungsgemäßen Katalysator die ein­ zelnen Gazen, gegebenenfalls zu Gruppen zusammengefaßt, Drähte unterschiedlicher Querschnitte aufweisen, wobei der Drahtquer­ schnitt in Strömungsrichtung der Reaktanten von Gaze zu Gaze bzw. von Gazegruppe zu Gazegruppe abnimmt.

Bei dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Katalysators wird von der Überlegung ausgegangen, daß sich bei der Gasreini­ gung die Verhältnisse vom Katalysatoreingang zum Katalysatoraus­ gang stark verändern, indem der Anteil schädlicher Gasbestand­ teile am Katalysatoreingang wesentlich höher als gegen den Kata­ lysatorausgang hin ist. Diesem Umstand wird bei heutigen Kataly­ satoren nicht Rechnung getragen, der Drahtquerschnitt ist über den gesamten Katalysator von seinem Gaseinlaß bis zu seinem Gas­ auslaß unverändert und ist so ausgelegt, daß die katalytisch wirksame Drahtoberfläche entsprechend den Verhältnissen am Gas­ einlaß des Katalysators ausreicht, was bedeutet, daß gegen den Gasauslaß hin eine viel zu große katalytisch aktive Drahtober­ fläche vorliegt, die überhaupt nicht genutzt werden kann. Bei der Erfindung wird dagegen vom Gaseinlaß zum Gasauslaß des Katalysa­ tors hin der Drahtquerschnitt in dem Maße verringert, daß die im jeweiligen Bereich der Gazepackung angesichts des Verunreini­ gungsgrades des Gases notwendige katalytisch wirksame Oberfläche vorliegt. Zumindest ist eine solche Veränderung des Drahtquer­ schnittes vorzusehen, damit der Katalysator diesem Ziel möglichst nahe kommt. Ohne Beeinträchtigung der Wirksamkeit des Katalysa­ tors wird der Materialeinsatz wesentlich verringert, und die Herstellung der Gazen für den Katalysator bereitet keinerlei besondere Schwierigkeiten, indem die einzelnen Gazen, gegebenen­ falls gruppenweise, aus Draht unterschiedlichen Querschnittes zum Einsatz kommen.

Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, wird in weiterer Aus­ gestaltung der Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Katalysators zur katalytischen Luftoxidation von Ammoniak bei mittlerem oder hohem Druck für die Herstellung von Salpetersäure vorgeschlagen.

Insbesondere bei der Herstellung von Salpetersäure ist es seit langem der Wunsch der Hersteller, eine Anlage gleichmäßig unter Bedingungen betreiben zu können, die die höchste Ausbeute an Stickoxid ergeben, was aber nicht notwendigerweise einen Betrieb der Anlage unter wirtschaftlichsten Bedingungen bedeutet. In vielen Fällen mögen die ökonomischen Arbeitsbedingungen vor­ schreiben, daß die Anlage unterhalb des Bereiches maximaler Aus­ beute betrieben wird. Das Arbeiten unterhalb des Bereiches maxi­ maler Ausbeute kann jedoch für den Betreiber der Anlage unbefrie­ digend sein, weil ja ein Rückfluß des in die Anlage investierten Kapitales erwartet wird.

Für den Betreiber der Anlage ist es wesentlich, daß beim Ammoniak­ oxidationsverfahren eine maximale Umwandlung bei einem Minimum an Edelmetalleinsatz und demzufolge einem minimalen Verlust an Edelmetall bei dem Katalysator erhalten wird.

Es wurden Versuche gemacht, die Menge des in den Katalysator­ einheiten verwendeten Platins dadurch zu verringern, daß der Durchmesser des für die Gazen verwendeten Drahtes generell ver­ ringert wurde. Das ist jedoch nicht erfolgreich gewesen, weil dann die Gazen nur für eine begrenzte Zeit unbeschädigt zur Verfügung standen. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung hat es sich gezeigt, daß die geringe Standfestigkeit von der Tatsache herrührt, daß die Oxidationsreaktion hauptsächlich in den Gazen am Anfang der Einheit (in Richtung der Gasströmung durch die Ein­ heit gesehen) erfolgt. In der Zeichnung (Fig. 1) ist grafisch der Gewichtsverlust über der Gazeanordnung aufgetragen, und es zeigt sich ein typisches Gewichtsverlustprofil in einer 40-Gazen-Kata­ lysatoreinheit mit einer Beladung von 100 metrischen Tonnen Am­ moniak je m² Gaze je Tag. Katalysatoren gemäß der vorlie­ genden Erfindung sind auf der Basis von Gewichtsverlustkurven gemäß der Zeichnung entwickelt worden.

Mit der vorliegenden Erfindung ist die gleiche Umwandlungseffi­ zienz wie bisher erzielbar; es muß aber wesentlich weniger Edel­ metall verwendet werden, oder es kann bei gleichem oder zumindest etwa gleichem Edelmetalleinsatz eine wesentlich höhere Ausbeute als bisher erzielt werden. Außerdem bleibt die Wirksamkeit des Katalysators über einen wesentlich längeren Zeitraum als bisher erhalten, und es wird der Grad der Verunreinigung verringert, weil bei den bekannten Lösungen das Maß der zu erwartenden Verun­ reinigung einen zusätzlichen Einsatz von Edelmetall notwendig macht, was bei einem erfindungsgemäßen Katalysator entfällt.

Die Anzahl der Gazen in jedem Bereich des Katalysators mit dem­ selben Drahtquerschnitt wird zweckmäßigerweise unter Zugrunde­ legung des Linienzuges gemäß der Zeichnung (Fig. 1) bestimmt, indem der Linienzug in einzelne Stufen zerlegt wird. Bei stufenweiser Darstellung stellt die horizontale Erstreckung jeder Stufe die Anzahl der in jeder Stufe verwendeten Gazen dar, die dem Gewichtsverlust ent­ spricht, der von der vertikalen Erstreckung der Stufe repräsen­ tiert ist.

Die Gazen aus dem Draht mit größtem Querschnitt sind dort angeordnet, wo die meiste Reaktion erfolgt und wo die meisten Gewichtsverluste vor­ liegen, also am Gaseingang des Katalysators. Der die Gazen bil­ dende Draht besteht aus einem Platingruppenmetall, aus einer Legierung aus Platingruppenmetallen oder aus einer Legierung mit einem oder mehreren Platingruppenmetallen und einem Metall oder mehreren Metallen, das bzw. die nicht der Platin­ gruppe zugehören, wobei die Komponente aus der Platingruppe zumindest 90 Gew.-% des gesamten Metallgehaltes ausmacht. Bevor­ zugte Platingruppenmetall-Legierungen sind eine 10% Rhodium-Pla­ tin-Legierung oder eine 5% Rhodium-5% Palladium-Platin-Legierung.

Eine Lösungsmöglichkeit gemäß der Erfindung ist nachfolgend beschrieben und mit einem konventionellen Katalysator mit einer Gazepackung verglichen.

Gemäß Fig. 2 ist bei dem Katalysator ein Gehäuse 1 vorgesehen, durch das das der Katalysatorwirkung auszusetzende Strömungsmittel in Richtung der Pfeile 2 und 3 geleitet wird. Eine im Gehäuse 1 angeordnete Packung besteht aus insgesamt sechs Gazelagen. Jede Gazelage besteht aus Draht aus katalytisch akti­ vem Material, gemäß der Erfindung. Bei dem erfindungsgemäßen Katalysator sind die beiden in Strömungsrichtung ersten Gazen 4 und 5 aus einem Draht gewebt, dessen Querschnitt größer ist als der Querschnitt des Drahtes, aus dem die in Strömungsrichtung folgenden vier Gazen 6 bis 9 gewebt sind. Insbesondere bleibt bei dem erfindungsgemäßen Katalysator, ausgehend von einem üblichen Katalysator, eine be­ stimmte Anzahl von Gazen am Anfang der Packung unverändert, wäh­ rend die darauffolgenden Gazen durch eine Anzahl von Gazen er­ setzt sind, die aus einem Draht mit geringerem Querschnitt be­ stehen. Alle die ursprünglichen Gazen ersetzenden Gazen können dabei aus Draht des gleichen verringerten Querschnitt bestehen, oder diese Gazen können zu Gruppen zusammengefaßt sein, bei denen der Drahtquerschnitt innerhalb jeder Gruppe gleich ist, von Gruppe zu Gruppe jedoch zum Ende der Packung hin abnimmt. Dabei sind alle die ursprünglichen Gazen ersetzenden Gazen aus einem Draht hergestellt, dessen Querschnitt kleiner als der Querschnitt des Drahtes der vorhergehenden Gazen ist.

Die Einsatzzeit einer Gazepackung ist durch die Verschmutzung der am Packungsanfang befindlichen Gazen begrenzt. Gemäß der Erfin­ dung kann diesem Problem ohne Erhöhung des Einsatzes an Platin­ gruppenmetall dadurch Rechnung getragen werden, daß die Gesamt­ zahl der Gazen unter Einschluß der eine größere Anzahl von Gazen aus Draht geringeren Querschnittes ersetzenden Gazen erhöht wird. Das erhöht die Lebensdauer einer Packung ohne Verringerung der Effizienz aber bei Einsatz von weniger katalytischem Material, als es ander­ weitig der Fall wäre.

Es ist nicht zweckmäßig, den Querschnitt des Drahtes in allen Gazen unterschiedslos zu verringern, weil während des katalyti­ schen Prozesses an den Gazen Metall verloren geht, so daß ein Draht zu geringen Querschnittes die Lebensdauer bzw. Einsatzzeit des Katalysators verringern würde, was zu häufigen Betriebsunterbrechungen führen müßte.

Katalysatorgazen, wie sie zweckmäßigerweise in Ammoniakoxida­ tionsanlagen verwendet werden, haben im allgemeinen einen Durch­ messer von 76 µm. Manchmal wird dünnerer, 60 µm dicker Draht ver­ wendet, das ist jedoch nur bei Oxidationsanlagen üblich, die bei atmosphärischem Druck arbeiten, bei denen in jedem Fall die An­ zahl der verwendeten Gazen relativ klein, beispielsweise etwa vier, ist.

Der größer bemessene Draht mit einem Durchmesser von 76 µm wird für Gazen verwendet, die bei Oxidationsanlagen mit mittleren und hohen Drücken zum Einsatz kommen. Ein weiteres Merkmal dieser Anlagen ist, daß mehr Gazen verwendet werden, etwa 6 bis 10 bei Mitteldruckanlagen und bis zu 50 bei Hochdruckanlagen.

Bei dem erfindungsgemäßen Katalysator enthält eine Packung von Gazen aus katalyti­ schem Metall für den Einsatz in Anlagen für die katalytische Luftoxidation von Ammoniak bei mittleren und hohen Drücken min­ destens zehn Gazen, wobei die Gazen im Bereich des Gasauslasses des Katalysators aus dünnerem Draht oder Draht mit geringerem Querschnitt bestehen, als die Gazen im Bereich des Gaseinlasses des Katalysators.

Zweckmäßigerweise sind 25 bis 60% der Gazen, vorzugsweise 30 bis 50% aus Draht des dickeren Types mit einem größeren Querschnitt.

Bei Verwendung der derzeit üblichen Gazen bei der vorliegenden Erfindung sollten die dickeren Gazen vom Typ 76 µm und die dünne­ ren Gazen vom Typ 60 µm Drahtdurchmesser sein.

Wo eine bestimmte Anzahl von Gazen unverändert sein soll, sollte diese Anzahl in einer Hochdruckanlage allgemein etwa 20 bis 25 sein. Bei Mitteldruckanlagen sollte die unveränderte Anzahl der Gazen vorzugsweise etwa drei sein.

Bei der Erfindung können üblicherweise aus Draht geringeren Querschnittes herge­ stellte und im Bereich des Gasauslasses des Katalysators angeord­ nete Gazen auch Draht größeren Querschnittes enthalten, wie er normaler­ weise in Gazen im Bereich des Gaseinlasses des Katalysators vor­ handen ist. Es bestehen dabei zumindest einige der Kettfäden oder der Schußfäden der gewebten Gaze aus Draht geringeren, andere aus Draht größeren Querschnittes. Statt dessen können auch alle Kettfäden aus Draht geringeren, alle Schußfäden aus Draht größeren Querschnittes bestehen oder umgekehrt.

Beispiel 1

In einer Anlage für die gewerbliche Herstellung von Salpeter­ säure wurde eine Umwandlungseffizienz von nahezu 95,5% erreicht, wobei neun Gazen verwendet wurden, die aus einem 0,076 mm dicken Rh-Pt-Draht gefertigt waren und deren Maschenweite 1024 cm^-2 betrug. Das Gesamtgewicht des verwendeten katalytischen Materia­ les betrug 38,285 kg. Nachdem die letzten sieben der insgesamt neun Gazen durch neun Gazen der gleichen Maschenweite, jedoch aus einem 10% Rh-Pt-Draht von 0,060 mm gewebt, ersetzt worden waren, waren die Umwandlungseffizienz und die Lebensdauer der Packung unverändert. Die Gesamtmenge des verwendeten Materiales war jedoch von 38,285 auf 33,5 kg, also um 12 ¹/₂% verringert worden.

Beispiel 2

Ausgegangen wurde von einer Anlage, die 15,7 Tonnen NH₃ je m² Netzfläche je Tag liefert. Die Anlage hatte zunächst neun Gazen aus 0,076 mm dickem Draht einer 10% Rh/Pt-Legierung. die Umwandlungseffizienz beträgt normalerweise 95,0%, wobei 38,285 kg Edelmetall zur An­ wendung kommen.

Bei drei im Rahmen dieses Beispieles durchgeführten Versuchen wurde ein Drittel der Gazen, nämlich drei, aus dickem Draht belassen und eine unterschiedliche Anzahl von Gazen durch solche aus dünnerem Draht ersetzt.

Beim ersten Versuch bestand die Packung aus drei gewebten metal­ lischen Gazen aus 0,076 mm dickem Draht und aus neun Gazen aus 0,060 mm dickem Draht. Es wurden 37,744 kg Edelmetall verwendet, d. h. es wurden 1,4% eingespart, und die Umwandlungseffizienz betrug 95,2%. Darüber hinaus stieg die Lebensdauer der Packung leicht an.

Beim zweiten Versuch bestand die Packung aus drei Gazen aus 0,076 mm dickem Draht und sieben Gazen aus 0,060 mm dickem Draht. Es wurden für die Packung 32,193 kg Metall verwendet. Die Umwandlungseffizienz betrug 95,0%., eine Verlängerung der Lebensdauer ergab sich nicht.

Wurden dabei zehn Gazen aus dünnem Draht verwendet, so wurden zwar 5,8 Gew.-% Edelmetall mehr verwendet, es ergab sich jedoch auch eine deutliche Steigerung der Ausbeute an Salpetersäure und der Lebensdauer. Die Verwendung von neun Gazen aus dünnem Draht ergab eine Edelmetallersparnis von 1,4 Gew.-%, es ergab sich jedoch noch ein leichter Anstieg der Säureherstellung und der Lebensdauer der Packung. Die Verwendung von sieben Gazen aus dünnem Draht ergab eine sehr deutliche Ersparnis an Edelmetall, nämlich 15,9 Gew.-% bei etwa gleicher Ausbeute und Lebensdauer.

Beispiel 3

Eine Anlage zur Herstellung von Salpetersäure enthielt einund­ zwanzig Gazen aus 76 µm dickem Draht, die 31,471 kg wogen. Sie hatte eine Umwandlungseffizienz von 93,%. Ein Drittel der ein­ undzwanzig Gazen aus dickem Draht, d. h. sieben Gazen, wurden belassen, der Rest wurde durch dreiundzwanzig Gazen aus 60 µm dickem Draht ersetzt. Der gesamte Gewichtseinsatz an Edelmetall betrug dann 32,982 kg, d. h. der Mehreinsatz betrug 4,8%. Die Um­ wandlungseffizienz stieg jedoch auf 94,5% an, und die Lebensdauer der Packung stieg deutlich an. Damit wurden bei einem minimalen Mehreinsatz an Edelmetall ein wesentliche Verbesserung des erzielten Ergebnisses erreicht.

Claims (2)

1. Katalysator mit einer in Strömungsrichtung der Reaktanten angeordneten Packung von Gazen aus einem Drahtgewebe, das aus einem Platingruppenmetall oder einer Platingruppenmetall- Legierung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Gazen, gegebenenfalls zu Gruppen zusammen­ gefaßt, Drähte unterschiedlicher Querschnitte aufweisen, wobei der Drahtquerschnitt in Strömungsrichtung der Reaktanten von Gaze zu Gaze bzw. von Gazegruppe zu Gazegruppe abnimmt.

2. Verwendung des Katalysators nach Anspruch 1 zur katalytischen Luftoxidation von Ammoniak bei mittlerem oder hohem Druck für die Herstellung von Salpetersäure.