WO2001087771A1 - Verfahren und vorrichtung zur reduzierung von distickstoffoxid - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for reducing nitrous oxide, which is formed in the catalytic combustion of ammonia and oxygen to nitrogen oxides, a catalyst system consisting of at least a first catalyst network and at least a second catalyst network for the catalytic combustion of ammonia and oxygen to nitrogen oxides is used and wherein at least a first catalyst network is a platinum rhodium network.
  • nitrous oxide (laughing gas), which is suspected of destroying the terrestrial ozone layer, is formed in the process of degrading it his. It is therefore extremely important in the production of nitric acid to subsequently effectively destroy the N 2 O produced or to largely avoid the formation of the nitrous oxide.
  • the yield of desired nitrogen oxides should not be impaired here.
  • DE 198 19 882 A1 discloses a process for the catalytic decomposition of N 2 O in a gas mixture obtained in the production of nitric acid by catalytic oxidation of ammonia over a catalyst for the decomposition of N 2 O, which is characterized in that the resulting from the Catalytic oxidation of ammonia obtained hot gas mixture is contacted with a catalyst for the decomposition of N 2 O before subsequent cooling.
  • DE-OS 22 39 514 discloses an arrangement of catalyst gauzes for accelerating a reaction between two or more gases flowing through the gauze, which is characterized in that a gauze group flow directed downward on the side pe made of precious metallic material is arranged on a second gauze group made of non-precious metallic material and less easily evaporating metallic material that can be removed by the gases, which supports the acceleration of the reaction during operation.
  • DE-OS 19 59 137 discloses a catalyst with a platinum and rhodium content of from 12 to 20% by weight for the oxidation of ammonia to nitrogen oxide.
  • EP 0 359 286 B1 discloses a process for reducing nitrous oxide, which is formed in the catalytic combustion of ammonia and oxygen to give nitrogen oxides and then cooled in a heat recovery unit and absorbed in water and / or dilute nitric acid, which is characterized in that the warm combustion gases are given a retention time of 0.1 to 3 seconds before they are cooled. This makes it possible to decompose up to 90% of the N 2 O formed.
  • EP 0 611 041 B1 discloses a method for attenuating the N 2 O emissions during the start-up phase of an ammonia oxidation reaction, using a platinum-based catalyst mesh and including a platinum trap mesh comprising fibers of a palladium alloy, the palladium alloy 0.1 to 5 Contains% by weight cobalt.
  • DE 198 05 202 A1 describes a process for the production of nitric acid in which ammonia is burned on at least one catalyst network, in particular platinum network, with the supply of oxygen and the reaction gases are cooled, the reaction gases downstream of the catalyst network being cooled via a temperature-stable one Catalyst for the conversion of the N 2 O contained in the reaction gases are performed.
  • ammonia is mixed with oxygen and at a temperature of approx. 860 ° C. by passing a first catalyst mesh, which is a platinum rhodium mesh with typically 5.0 to 10.0% by weight rhodium , and burned by passing a second catalyst network, this second a palladium-rhodium network with at least 92% by weight (or more) of palladium, 2 to 4% by weight of rhodium, the rest of platinum or alternatively with 82 to 83% by weight of palladium, 2 , 5 to 3.5% by weight of rhodium, the rest is platinum, and thereby achieves a highly efficient reduction of the nitrous oxide content.
  • a gas-permeable structure is referred to as a mesh, which is essentially metallic and is produced, for example, by knitting, knitting, weaving or fleece laying.
  • the palladium-rhodium network has a rhodium content of 2.5 to 3% by weight) and a palladium content of 82.5% by weight, since this enables particularly low N 2 O formation to be achieved.
  • the palladium-rhodium mesh is spaced from the platinum-rhodium mesh by means of at least a third mesh in order to avoid welding of the different mesh types, the heat-resistant steel (FeCrAI alloy, e.g. megapyr or Kanthai) has proven itself.
  • FeCrAI alloy e.g. megapyr or Kanthai
  • the palladium-rhodium network can contain at least one further metal from the group consisting of iridium, ruthenium, rhenium, cobalt, nickel, copper, and gold to increase the mechanical stability of the palladium rhodium catalyst networks while maintaining the catalytic function.
  • test reactor test reactor with an effective diameter of 100 mm
  • Example 1 (standard system): PtRh ⁇ networks + PdNi ⁇ networks implementation selectivity of
  • Example 2 (comparative example): PtRh8 networks + PdRhl .5 networks
  • Example 3 (comparative example): PtRh ⁇ networks + PdRh ⁇ networks implementation selectivity of
  • Example 4 PtRh ⁇ networks + PdRh3 networks
  • Example 5 PtRh ⁇ networks + PdRh3Pt5 networks
  • Example 6 PtRh ⁇ networks + PdRh3Pt15 networks
  • Reactor industrial plant with two parallel reactors
  • Reactor 1 (standard system) i: PtRh5 networks + PdNi ⁇ networks Conversion of ammonia into nitrogen oxide: 95% N 2 O emissions: 1500 ppm
  • Reactor 2 (invention): PtRh5 networks + PdPt15Rh2.5 networks Conversion of ammonia to nitrogen oxide: 95% N 2 O emissions: 1000 ppm
  • Example 1 (standard system; I PtRh ⁇ networks + PdNi5 networks Conversion of ammonia into nitrogen oxide: 94-96% N 2 O emissions: 1200-1600 ppm
  • Example 2 (Invention): PtRh ⁇ networks + PdPt15Rh3 networks Conversion of ammonia into nitrogen oxide: 94-96% N 2 O emissions: 400-600 ppm.

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Abstract

Es wird u.a. ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung von Distickstoffoxid bereitgestellt, das bei der katalytischen Verbrennung von Ammoniak und Sauerstoff zu Stickstoffoxiden gebildet wird, wobei ein aus mindestens einem ersten Katalysatornetz und mindestens einem zweiten Katalysatornetz bestehendes Katalysatorsystem zur katalytischen Verbrennung von Ammoniak und Sauerstoff zu Stickstoffoxiden verwendet wird, wobei das mindestens eine erste Katalysatornetz ein Platinrhodiumnetz und das mindestens eine zweite und stromabwärtige Katalysatornetz ein Palladiumrhodiumnetz mit 2 bis 4 Gewichts-% Rhodium ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung von Distickstoffoxid
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung von Distickstoffoxid, das bei der katalytischen Verbrennung von Ammoniak und Sauerstoff zu Stickstoffoxiden gebildet wird, wobei ein aus mindestens einem ersten Katalysatornetz und mindestens einem zweiten Katalysatornetz bestehendes Katalysatorsystem zur katalytischen Verbrennung von Ammoniak und Sauerstoff zu Stickstoffoxiden verwendet wird und wobei mindestens ein erstes Katalysatornetz ein Platinrhodiumnetz ist.
Ein allgemein bekanntes Problem bei der Herstellung von Salpetersäure durch Verbrennung von Ammoniak mittels Sauerstoff unter Bildung von geeigneten Stickstoffoxiden ist die Tatsache, dass dabei Distickstoffoxid (Lachgas) gebildet wird, das bezüglich der Zerstörung der terrestrischen Ozonschicht im Verdacht steht, beim Abbau dieser daran beteiligt zu sein. Es ist bei der Salpetersäureherstellung daher ausgesprochen wichtig, das erzeugte N2O nachträglich wirksam zu zerstören oder aber die Bildung des Lachgases weitestgehend zu vermeiden. Hierbei sollte die Ausbeute an gewünschten Stickstoffoxiden nicht beeinträchtigt werden.
In DE 198 19 882 A1 wird ein Verfahren zur katalystischen Zersetzung von N2O in einem bei der Herstellung von Salpetersäure durch katalytische Oxidation von Ammoniak erhaltenen Gasgemisch an einem Katalysator zur Zersetzung von N2O offenbart, dass dadurch gekennzeichnet ist, dass das aus der katalytischen Oxidation von Ammoniak erhaltene heiße Gasgemisch vor einer nachfolgenden Abkühlung mit Katalysator zur Zersetzung von N2O kontaktiert wird.
DE-OS 22 39 514 offenbart eine Anordnung von Katalysatorgazen zur Beschleunigung einer Reaktion zwischen zwei oder mehreren durch die Gaze hinduchströmenden Gasen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass an der Seite nach unten gerichteter Strömung einer Gazegrup- pe aus kostbarem metallischen Material an eine zweite Gazegruppe aus nicht kostbarem metallischen Material und weniger leicht verdampfendem sowie durch die Gase abführbarem metallischen Material angeordnet ist, welches im Betrieb die Beschleunigung der Reaktion unterstützt.
In DE-OS 19 59 137 ist ein Katalysator mit einem an Platin und Rhodium erniedrigten Gehalt- von 12 bis 20 Gewichts-% zur Oxidation von Ammoniak zu Stickstoffoxid offenbart.
In Hollemann-Wiberg „Lehrbuch der anorganischen Chemie", 71. - 80. Auflage, Verlag Walter de Gruyter & Co., Berlin, 1971 , Seite 360, ist ein Ammoniakverbrennungselement zur Stickoxidgewinnung mit Platinnetzkatalysator und größere Anlagen mit mehreren übereinander angeordneten Drahtnetzen je Verbrennungselement offenbart.
In EP 0 359 286 B1 wird ein Verfahren zur Reduzierung von Distickstoffoxid offenbart, das bei der katalytischen Verbrennung von Ammoniak und Sauerstoff zu Stickstoffoxiden gebildet und daraufhin in einer Wärmerückgewinnungseinheit abgekühlt und in Wasser und/oder verdünnter Salpetersäure absorbiert wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass den warmen Verbrennungsgasen eine Retentionszeit von 0,1 bis 3 Sekunden gegeben wird, bevor sie abgekühlt werden. Hierdurch ist es möglich, das gebildete N2O bis zu 90 % wieder zu zersetzen.
In EP 0 611 041 B1 ist ein Verfahren zur Abschwächung der N2O-Emissionen während der Inbetriebnahmephase einer Ammoniakoxidationsreaktion offenbart, unter Verwendung eines Katalysatornetzes auf Platinbasis und unter Einbeziehung eines Platinauffangnetzes, das Fasern einer Palladiumlegierung umfasst, wobei die Palladiumlegierung 0,1 bis 5 Gewichts-% Kobalt enthält.
In DE 198 05 202 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Salpetersäure beschrieben, bei dem Ammoniak an mindestens einem Katalysatornetz, insbesondere Platinnetz, unter Zufuhr von Sauerstoff verbrannt wird und die Reaktionsgase gekühlt werden, wobei die Reaktionsgase stromab des Katalysatornetzes vor der Kühlung über einen temperaturstabilen Katalysator für die Umwandlung des in den Reaktionsgasen enthaltenen N2O geführt werden.
Die oben aufgezeigten Verfahren weisen entweder unzureichende N2O-Abbauraten oder aber einen apparativ sehr hohen Aufwand auf, der in wirtschaftlicher Hinsicht als nachteilig anzusehen ist. Es ergibt sich daher das Problem, mit Hilfe eines neuartigen Verfahrens und einer neuartigen Vorrichtung zur Reduzierung von Distickstoffoxid, die oben genannten Nachteile zumindest teilweise zu beseitigen, insbesondere ein effizientes und vom apparativen Aufwand her kostengünstiges Verfahren und eine entsprechende Apparatur bereitzustellen.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 und durch eine Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7 sowie durch eine Verwendung nach Anspruch 11 gelöst.
Sowohl beim erfindungsgemäßen Verfahren als auch bei der entsprechenden erfindungsgemäßen Vorrichtung wird Ammoniak mit Sauerstoff vermischt und bei einer Temperatur von ca. 860 °C durch Vorbeileiten an einem ersten Katalysatornetz, das ein Platinrhodiumnetz mit typischerweise 5,0 bis 10,0 Gewichts-% Rhodium ist, und durch Vorbeileiten an einem zweiten Katalysatornetz verbrannt, wobei dieses zweite ein Palladiumrhodiumnetz mit mindestens 92 Gewichts-%) (oder mehr) Palladium, 2 bis 4 Gewichts-% Rhodium, Rest Platin oder alternativ mit 82 bis 83 Gewichts-% Palladium, 2,5 bis 3,5 Gewichts-% Rhodium, Rest Platin ist, und dabei eine hocheffiziente Reduzierung des Distickstoffoxidanteils bewerkstelligt. Als Netz wird ein gasdurchlässiges Gebilde bezeichnet, das im wesentlichen metallisch ist und beispielsweise durch Wirken, Stricken, Weben oder Vlieslegen hergestellt wird.
Überraschenderweise konnte gezeigt werden, dass durch die gleichzeitige Verwendung der beiden erfindungsgemäßen Katalysatornetze, die gebildete N2O-Menge von vornherein erheblich reduziert werden konnte, wobei gleichzeitig eine hocheffiziente NO-Erzeugung stattfand.
Zunächst ist es vorteilhaft, dass das Palladiumrhodiumnetz einen Rhodiumgehalt von 2,5 bis 3 Gewichts-%) und einen Palladiumgehalt von 82,5 Gewichts-% aufweist, da hiermit eine besonders niedrige N2O-Bildung erreicht werden kann.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das Palladiumrhodiumnetz vom Platinrhodiumnetz mittels mindestens eines dritten Netzes beabstandet wird, um auf diese Art und Weise eine Verschweißung der unterschiedlichen Netztypen zu vermeiden, wobei als Material für das dritte Netz hitzebeständiger Stahl (FeCrAI-Legierung z. B. Megapyr oder Kanthai) sich bewährt hat.
Schliesslich kann es vorteilhaft sein, dass das Palladiumrhodiumnetz mindestens ein weiteres Metall aus der Gruppe Iridium, Ruthenium, Rhenium, Cobalt, Nickel, Kupfer, Gold enthält, um die mechanische Stabilität - bei gleichbleibender katalytischer Funktion - der Palladiumrhodi umkatalysatornetze zu erhöhen.
Die nachfolgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung:
1. Versuche im Testreaktor:
Anlagendaten:
Reaktor: Testreaktor mit effektivem Durchmesser von 100 mm
Reaktordruck: 5 bar
Belastung: 10 tN/m2Tag
Temperatur: 865°C
Laufzeit: 20 Tage
Beispiel 1 (Standardsystem): PtRhδ Netze + PdNiδ Netze Umsetzungsselektivität von
Ammoniak zu Stickoxyd: 95.5 - 96%
N2O-Ausstoß: 1000 - 1200 ppm
Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel): PtRh8 Netze + PdRhl .5 Netze
Umsetzungsselektivität von
Ammoniak zu Stickoxyd: 95.5 - 96%
N2O-Ausstoß: 1000 - 1200 ppm
Beispiel 3 (Vergleichsbeispiel): PtRhδ Netze + PdRhδ Netze Umsetzungsselektivität von
Ammoniak zu Stickoxyd: 94,5 - 95%
N2O-Ausstoß: 900 - 1200 ppm
Beispiel 4 (Erfindung): PtRhδ Netze + PdRh3 Netze
Umsetzungsselektivität von
Ammoniak zu Stickoxyd: 95.5 - 96%
N2O-Ausstoß: 300 - 500 ppm
Bemerkung:
Pd-Netze nach Einsatz mechanisch sehr schwach: Risse vorhanden
Beispiel 5 (Erfindung): PtRhδ Netze + PdRh3Pt5 Netze
Umsetzungsselektivität von
Ammoniak zu Stickoxyd: 95.5 - 96%
N2O-Ausstoß: 300 - 500 ppm
Bemerkung:
Pd-Netze nach Einsatz mechanisch schwach aber keine Risse vorhanden
Beispiel 6 (Erfindung): PtRhδ Netze + PdRh3Pt15 Netze
Umsetzungsselektivität von
Ammoniak zu Stickoxyd: 95.5 - 96%
N2O-Ausstoß: 300 - 500 ppm Bemerkung:
Pd-Netze nach Einsatz mechanisch stabil und keine Risse vorhanden.
2.1. Versuche im Industriereaktor:
Anlagendaten:
Reaktor: Industrieanlage mit zwei parallelen Reaktoren
Reaktordruck: 4.8
Belastung: 11.2 tN/m2Tag
Temperatur: 880°C
Laufzeit: 180 Tage
Reaktor 1 (Standardsystem) i: PtRh5 Netze + PdNiδ Netze Umsetzung von Ammoniak in Stickoxyd: 95 % N2O-Ausstoß: 1500 ppm
Reaktor 2 (Erfindung): PtRh5 Netze + PdPt15Rh2,5 Netze Umsetzung von Ammoniak in Stickoxyd: 95 % N2O-Ausstoß: 1000 ppm
2.2. Versuche im Industriereaktor:
Anlagendaten:
Reaktor: Industriereaktor
Reaktordruck: 3.5 bar
Belastung: 5.85 tN/m2Tag
Temperatur: 860°C
Laufzeit: 300 Tage
Beispiel 1 (Standardsystem; I PtRhδ Netze + PdNi5 Netze Umsetzung von Ammoniak in Stickoxyd: 94 - 96 % N2O-Ausstoß: 1200 - 1600 ppm
Beispiel 2 (Erfindung): PtRhδ Netze + PdPt15Rh3 Netze Umsetzung von Ammoniak in Stickoxyd: 94 - 96 % N2O-Ausstoß: 400 - 600 ppm.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Reduzierung von Distickstoffoxid, das bei der katalytischen Verbrennung von Ammoniak und Sauerstoff zu Stickstoffoxiden gebildet wird, wobei ein aus mindestens einem ersten Katalysatornetz und mindestens einem zweiten Katalysatornetz bestehendes Katalysatorsystem zur katalytischen Verbrennung von Ammoniak und Sauerstoff zu Stickstoffoxiden verwendet wird und wobei das mindestens eine erste Katalysatornetz ein Platinrhodiumnetz ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine zweite und stromab- wärtige Katalysatornetz ein Palladiumrhodiumnetz mit mindestens 92 Gewichts-%) Palladium, 2 bis 4 Gewichts-% Rhodium, Rest Platin ist.
2. Verfahren zur Reduzierung von Distickstoffoxid, das bei der katalytischen Verbrennung von Ammoniak und Sauerstoff zu Stickstoffoxiden gebildet wird, wobei ein aus mindestens einem ersten Katalysatornetz und mindestens einem zweiten Katalysatornetz bestehendes Katalysatorsystem zur katalytischen Verbrennung von Ammoniak und Sauerstoff zu Stickstoffoxiden verwendet wird und wobei das mindestens eine erste Katalysatornetz ein Platinrhodiumnetz ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine zweite und stromab- wärtige Katalysatornetz ein Palladiumrhodiumnetz mit 62 bis 83 Gewichts-% Palladium, 2,5 bis 3,5 Gewichts-% Rhodium, Rest Platin ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Palladiumrhodiumnetz einen Rhodiumgehalt von 2,6 bis 3 Gewichts-% und einen Palladium-Gehalt von 82, δ Gewichts-% aufweist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Palladiumrhodiumnetz vom Platinrhodiumnetz mittels mindestens eines dritten Netzes beabstandet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Netz aus einem hitzebeständigen Stahl besteht.
6. Vorrichtung zur Reduzierung von Distickstoffoxid, das bei der katalytischen Verbrennung von Ammoniak und Sauerstoff zu Stickstoffoxiden gebildet wird, wobei ein aus mindestens einem ersten Katalysatornetz und mindestens einem zweiten Katalysatornetz bestehendes Katalysatorsystem zur katalytischen Verbrennung von Ammoniak und Sauerstoff zu Stickstoffoxiden verwendet wird und wobei das mindestens eine erste Katalysatornetz ein Platinrhodiumnetz, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite und stromabwärtige Katalysatornetz ein Palladiumrhodiumnetz mit mindestens 92 Gewichts-% Palladium, 2 bis 4 Gewichts-% Rhodium, Rest Platin ist.
7. Vorrichtung zur Reduzierung von Distickstoffoxid, das bei der katalytischen Verbrennung von Ammoniak und Sauerstoff zu Stickstoffoxiden gebildet wird, wobei ein aus mindestens einem ersten Katalysatornetz und mindestens einem zweiten Katalysatornetz bestehendes Katalysatorsystem zur katalytischen Verbrennung von Ammoniak und Sauerstoff zu Stickstoffoxiden verwendet wird und wobei das mindestens eine erste Katalysatornetz ein Platinrhodiumnetz, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite und stromabwärtige Katalysatornetz ein Palladiumrhodiumnetz mit 82 bis 83 Gewichts-% Palladium, 2,5 bis 3,δ Gewichts-% Rhodium, Rest Platin ist.
δ. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Palladiumrhodiumnetz einen Rhodiumgehalt von 2,δ bis 3 Gewichts-% und einen Palladium-Gehalt von 62, δ Gewichts-% aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis δ, dadurch gekennzeichnet, dass das Palladiumrhodiumnetz vom Platinrhodiumnetz mittels mindestens eines dritten Netzes beabstandet wird.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Netz aus einem hitzebeständigen Stahl besteht.
11. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10 zur Reduzierung von Distickstoffoxid, insbesondere bei der katalytischen Verbrennung von Ammoniak und Sauerstoff zu Stickstoffoxiden.
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