1. Исходные данные для расчета

4. Контактные аппараты
Наиболее сложной и претерпевшей значительные усовершенствования является конструкция самого контактного аппарата.
Первым промышленным контактным аппаратом был аппарат Оствальда (рис.6), состоящий из двух концентрических труб: внешней чугунной диаметром 100 мм, эмалированной изнутри, и внутренней из никеля диаметром 65 мм. Аммиачно-воздушная смесь поступала в аппарат снизу по внешней трубе и попадала на катализатор, расположенный в верхней части внутренней трубы. Нитрозные газы по внутренней трубе направлялись вниз в коллектор, отдавая тепло поступающей смеси.

Рис. 6.Контактный аппарат Оствальда:
1 – коллектор аммиачно-воздушной смеси; 2 – платиновая спираль; 3 – смотровое окно; 4 – коллектор нитрозных газов.
Катализатор состоял из лент платиновой фольги толщиной 0,01 мм и шириной 20 мм, свернутых вместе в спираль. Одна из лент гладкая, вторая гофрированная с изгибами в 1 мм. Степень конверсии аммиака достигала 90 – 95%, в смеси с воздухом содержалось 8 объемн.% NН₃, производительность аппарата составляла 100 кг НNО₃ в сутки [2].
Подобная форма катализатора не позволяла повышать производительность аппарата за счет увеличения его размеров. В аппарате Отвальда не обеспечивалась равномерность подачи газовой смеси, так как перед поступлением на катализатор поток газа изменил свое направление на 180° и уже затем поступал на него. Кроме того, конструкция аппарата не позволяла быстро выводить оксиды азота II из зоны высоких температур.
В последующих конструкциях контактного аппарата был использован катализатор в форме сетки из нитей диаметром 0,06 мм.
Первое в России производство азотной кислоты было оснащено контактными аппаратами Андреева, вырабатывавшими 386 кг HNO₃ в сутки и считавшимися наиболее совершенными в мире. Аппарат цилиндрической формы диаметром 300 мм и высотой 450 мм был изготовлен из чугуна. Смесь газов поступала снизу (рис. 7). Сетка платинового катализатора располагалась поперек аппарата, посередине его [2].

Рис. 7. Контактный аппарат Андреева:
1 – платиновые сетки; 2 – смотровое окно.
Применение чугуна для изготовления этого аппарата имело ряд недостатков: протекание побочных реакций, загрязнение платины окалиной. Степень конверсии в нем не превышала 87%.
Аппарат Фишера изготовляли из алюминия, его диаметр был равен 1000 мм, высота 2000 мм (рис. 8). Снизу аппарат заполняли фарфоровыми кольцами Рашига, верхнюю часть футеровали огнеупорным кирпичом. Конструкция аппарата не обеспечивала равномерной подачи аммиачно-воздушной смеси на катализатор, выход оксидов составлял 89 – 92 % при температуре контактирования 700 – 720 °С. Производительность аппарата по аммиаку 600 700 кг/сут. Частицы огнеупорного кирпича, попадая на катализатор, снижали его активность.

Рис. 8. Контактный аппарат Фишера:
1 – насадка; 2 – платиновая сетка; 3 – изоляция.
Аппарат, предложенный фирмой Бамаг (рис. 9), состоял из двух усеченных конусов, соединенных широкими основаниями, между которыми помещались катализаторные сетки. Диаметр аппарата в широкой части был равен 1,1 или 2,0 м.

Рис. 9. Аппарат Бамаг:
1 – насадка; 2 – платиновая сетка; 3 – смотровое окно.
Аммиачно-воздушную смесь подавали в аппарат снизу. Вначале аппарат изготовляли из алюминия, затем его верхнюю, горячую, часть выполняли из нержавеющей стали. Для лучшего перемешивания смеси в нижнюю часть аппарата засыпали кольца Рашига.
Основным недостатком этих аппаратов было направление газовой смеси на катализатор снизу, что приводило к вибрации сеток и к увеличению потери платины.
Исследования конструкции контактного аппарата показали, что направление газовой смеси сверху вниз стабилизирует работу катализаторных сеток, уменьшает потери дорогостоящего дефицитного платинового катализатора, способствует повышению степени конверсии на 1,0 -1,5 % и позволяет применять двухступенчатый катализатор, в котором в качестве второй ступени применяется оксидный не платиновый катализатор.
При подаче газовой смеси в аппарат сверху в нижней его части можно располагать слой изолирующего материала, а также змеевики парового котла и пароперегревателя без опасности загрязнения катализатора пылью огнеупоров и окалиной железа. Это позволяет снизить потери тепла реакции в окружающую среду.
Исследование распределения температур по поверхности катализатора показало, что края катализатора примыкающего к стенкам, имеют более низкую температуру; соответственно снижается и степень контактирования, уменьшая общий выход оксида азота II. В связи с этим большое значение имеет геометрия подводящей части контактного аппарата, она должна представлять собой плавно расходящийся конус с углом при вершине не более 30°.
В США был создан аппарат Парсонса с вертикальным расположением катализаторной сетки, свернутой в виде четырехслойного цилиндра высотой 33 см и диаметром 29 см (рис. 10). Платиновый цилиндр помещали в металлический кожух, футерованный огнеупорным кирпичом, что обеспечивало хороший теплообмен с раскаленным катализатором. Производительность такого аппарата составляла до 1 т аммиака в сутки, степень конверсии 95 - 96 %.

Рис. 10. Аппарат Парсонса:
1 – цилиндрическая платиновая сетка; 2 – кварцевое дно; 3 – смотровое окно; 4 – изоляция.
Преимущество данного аппарата – большая поверхность катализатора по сравнению с объемом аппарата; недостатком его является неравномерное поступление аммиачно-воздушной смеси на катализатор; через нижнюю часть сетчатого катализатора проходит больше смеси, чем через верхнюю.
Испытывался ряд аппаратов различной формы: в виде двух полусфер, конуса и полусферы при направлении потока газов снизу вверх. Особыми преимуществами эти аппараты не обладали даже при проведении процесса до 0,51 МПа; степень конверсии не превышала 90%.
При проведении процесса при повышенном давлении получил распространение аппарат фирмы Дюпон (рис. 11), состоящий из конусов; верхнего – из никеля и нижнего из жароупорной стали. Нижний корпус был снабжен водяной рубашкой для охлаждения. Катализатор, укладываемый на колосники , выполнен в виде пакета прямоугольных сеток.

Рис. 11. Аппарат фирмы Дюпон:
1 – платиновые сетки; 2 – колосники; 3 – водяная рубашка.
Сейчас во всем мире проектируют и строят агрегаты производства разбавленной азотной кислоты большой единичной мощности – до 400 – 600 тыс. т/год. Контактные аппараты с плоскими слоями сеток или слоем зернистого материала, располагаемого поперек хода газа, для таких агрегатов должны иметь большой диаметр до 5 – 7 м. Однако с увеличением диаметра аппарата ухудшается равномерность распределения аммиачно-воздушной смеси по сечению аппарата, увеличивается металлоемкость на единицу производительности, возрастают трудности в уплотнении фланцевых соединений. Аппараты больших диаметров (свыше 4 м) нельзя перевозить по железным дорогам, изготовление их на заводской площадке связано с серьезными трудностями [3].
В связи с этим наиболее перспективным является конвертор с радиальным ходом газовой смеси через катализатор, выполненный в виде цилиндра или конуса. При таком расположении катализатора можно, не изменяя диаметр аппарата, увеличивать его высоту и соответственно производительность.
Конструкции аппаратов с цилиндрическим расположением катализатора известны давно (аппараты Парсонса), но с увеличением их производительности от 4,5 кг/ч до 14,3 т/ч аммиака возникали проблемы распределения потоков газовой смеси, теплообмена, крепления катализатора и др.

Рис. 12. Усовершенствованный аппарат Парсонса:
1 – корпус; 2 – крышки; 3 – коллектор хладоагента; 4 – опорное устройство; 5 – штуцер для вывода нитрозных газов; 6 – катализаторные сетки; 7 – каналы для хладоагента; 8 – каналы для газов.
Одним из новых аппаратов является усовершенствованный аппарат Парсонса (рис. 12); он состоит из корпуса с крышками, штуцеров для ввода аммиачно-воздушной смеси и вывода нитрозных газов [8]. Катализатором являются платиновые сетки, располагаемые вертикально по цилиндрической поверхности и закрепляемые под крышками. Сетки натянуты на керамическое опорное устройство, в котором имеются горизонтальные каналы для подачи аммиачно-воздушной смеси к контактным сеткам и вертикальные каналы для подачи хладоагента. Недостатком такого опорного устройства является распределение газа, поступающего на катализатор, в виде отдельных струй, в результате чего площадь катализатора работает не полностью.

Рис. 13. Контактный аппарат с радиальным ходом газа:
1 – корпус; 2 – крышка; 3 – система опорных элементов; 4 – катализатор; 5 – решетка; 6 – глухое днище.
Предложен аппарат с радиальным ходом газа (рис. 13), который состоит из корпуса 1 и крышки со штуцером для ввода аммиачно-воздушной смеси. В нижней части корпуса расположен штуцер для ввода нитрозных газов. Катализаторные сетки в виде цилиндра и конуса расположены вертикально. Однако этот аппарат также не обеспечивает равномерного поступления газов на катализатор [4].
Предложен аппарат с радиальным ходом газа и гранулированным катализатором; в качестве катализаторов применяются платиновые металлы, нанесенные на носитель, или таблетки неплатинового катализатора (рис. 14).
Аппарат на рис. 14 состоит из цилиндрического корпуса 1, в верхнюю часть которого вводится аммиачно-воздушная смесь, а в нижней выводятся нитрозные газы. Внутри расположены две коаксиальные цилиндрические перфорированные распределительные решетки 3 и 4, между которыми размещен слой гранулированного катализатора 7. Внешний цилиндр закрыт сверху крышкой 2 с центральным отверстием, а снизу – глухим кольцевым днищем 5. Внутренний цилиндр закрыт сверху крышкой, а в низу соединен с выходным штуцером 6.

Рис. 14. Контактный аппарат с гранулированным катализатором.
Аммиачно-воздушная смесь при входе в аппарат делится на два потока. Основная часть проходит в кольцевой зазор между стенками корпуса и внешним распределительным цилиндром и поступает радиально на катализатор. Вторая, меньшая часть, проходит через отверстие в крышке и поступает на катализатор по оси. Равномерное распределение газовой смеси в катализаторе не обеспечивается.
Недостатком этих конструкций является перегрев аммиачно-воздушной смеси более 200 °С вблизи глухого днища вследствие снижения скорости газа до нуля. Перегрев газа вызывает перегрев катализаторных сеток и повышенный их износ.

Рис. 15. Аппарат с катализатором в форме конуса:
1 – рубашка для подогрева газа; 2 – катализатор; 3 – опорное трубное устройство; 4 – водяная рубашка.
Аппарат (рис. 15.), содержит катализатор в виде нескольких слоев платиновой сетки, сваренный из кусков треугольной формы в конус с углом при вершине около 60°. Пакет сеток опирается на конструкцию, состоящую из 6 – 12 труб по образующей конуса, по которым проходит теплоноситель. Такая форма катализатора имеет большую удельную поверхность (по отношению к объему аппарата) по сравнению с плоским катализатором, расположенным поперек хода газа. Однако по сравнению с цилиндрическим катализатором его удельная поверхность меньше [4].

Рис. 16. Контактный аппарат для окисления аммиака под давлением:
1 – корпус; 2 – внутренний конус; 3 – распределительное устройство; 4 – запальник;
5 – катализаторные сетки; 6 – пароперегреватель; 7 – пакеты парового котла;
8 - экономайзер
На рис. 16. изображен контактный аппарат для окисления аммиака под давлением 0,71 МПа [5]. Аппарат представляет собой два конуса, вставленных друг в друга; аммиачно-воздушная смесь поступает снизу в пространство между внутренним и внешним конусом, поднимается вверх и оттуда по внутреннему конусу опускается вниз. На пути к платиновому катализатору, выполненному в виде сеток смесь хорошо перемешивается в распределительном устройстве из колец Рашига.
Для измерения температур поступающей газовой смеси и процесса конверсии аппарат снабжен термопарами: четыре – до катализатора и четыре – после него. Для отбора проб газа имеются пароотборные трубки: четыре до катализатора и четыре после него. Розжиг катализатора производится азотоводородной смесью, подаваемой с помощью поворотной горелки (запальника).

Рис. 17. Контактный аппарат фирмы Гранд Паруасс:
1 – корпус; 2 –решетка; 3 – платиновый катализатор; 4 – панцирная сетка; 5 – слой колец; 6 – перфорированная пластина; 7 – пароперегреватель; 8 – котел-утилизатор.
Среди аппаратов, работающих при среднем давлении 0,40 – 0,50 МПа, представляет интерес аппарат фирмы Гранд Паруасс, изготовленной из нержавеющей стали (рис. 17).Он состоит из корпуса, закрытого сверху эллиптической крышкой, с входным штуцером для ввода газовой смеси. Под крышкой расположен дырчатый конус, затем отражательная перегородка. Над платиновыми сетками размещена распределительная решетка, на которой лежит слой из шести сеток, выполняющих роль гасителя пульсаций скорости потока. Недостатком аппарата является наличие застойных зон в области высоких температур катализатора, где может разлагаться поступающий аммиак [5].