一种用于氧化反应的气体催化剂组及其制造方法

专利名称：一种用于氧化反应的气体催化剂组及其制造方法
技术领域：
本发明适用于氨氧化生产硝酸和氨还原合成氢氰酸的化学产生过程中。在现今 的硝酸工业和部分氢氰酸工业中使用一种以铂合金为催化活性组分的催化系统，本 发明的主旨意在对该催化系统进一步地改进，以提高反应效率，减少催化剂流失， 提高催化剂使用寿命。
背景技术：
目前硝酸工业所使用的工艺流程为奥斯特瓦尔德(Ostwald)工艺，具体要点
为氨气与空气按一定的比例混合后通过铂基网状催化剂，并在催化剂表面进行氧
化反应，反应温度根据装置的不同在800-95(TC之间，通过以上反应氨气主要被氧 化生成一氧化氮(NO)。 一氧化氮在后续流程中与过量的氧气(02)生成二氧化氮 (N02)，并与纯水反应最终生成硝酸(HN03)。
氢氰酸工业主要有三种不同的工艺流程，本发明适用于安德卢梭(Andmssow) 工艺流程，具体要点为空气，甲烷和氨气按一定比例混合后通过铂合金网状催化 剂最终生成氢氰酸(HCN)的过程，催化剂反应温度维持在1000-1200"C之间。
在以上生产中，铂合金网状催化剂是必不可缺的重要部分，从铂合金网状催化 剂问世以来就围绕着如何提高转化效率，延长催化剂使用寿命和减少贵金属的挥发 做出了一系列的改进，如专利号97115266.7——《氨氧化用铂基合金及其制得的 高强催化网》，通过改变合金成分对铂合金网状催化剂的改进；专利号 200510048642.X——《氨氧化用铂合金针织催化网》，通过增加合金成分同时改变 编织方法的方式来改进铂合金催化网。
以上的各种技术革新对铂合金网状催化剂的发展起到了推进的作用，但是仍然 不能减少贵金属(有效催化活性成分)在反应过程中的挥发，进而限制了反应效率 的提高，和使用时间/生产成本的降低。

发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于氧化反 应的气体催化剂组及其制造方法，它对单位面积催化表面反应强度进行控制，减少 因此而造成贵金属的挥发，迸而提高转化效率，延长使用时间，减少贵金属流失， 降低生产成本。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现-
一种用于氧化反应的气体催化剂组，该催化剂组是由多层金属丝网叠加构成的 网状结构，其特征在于，所述的催化剂组呈皱褶状，其边缘呈扁平状。
所述的金属丝网采用铂或以铂为基础的合金。 所述的金属丝网是由金属丝线构成的平编或针织结构。
所述的金属丝线的直径为0.076mm±0.02。
一种用于氧化反应的气体催化剂组的制造方法，其特征在于，该方法包括以下
步骤
(1) 选用一层或多层含有催化金属的多孔平面结构金属丝网，该金属丝网的
面积大于最终催化剂组的横截面面积；
(2) 将上述选用的多孔平面结构金属丝网加工成波浪形皱褶状结构；
(3) 将上述波浪形皱褶状的金属丝网裁剪成与最终催化剂组横截面面积相同 的尺寸；
(4) 将上述裁剪好的金属丝网的边缘加工成扁平结构，得到用于氧化反应的 气体催化剂组。
所述的步骤(1)中，选用的多孔平面结构金属丝网的面积是最终催化剂组横 截面面积的L6 1.7倍。
所述的步骤(2)中，选用的多孔平面结构金属丝网在波浪状辊轮中加工出波 浪形皱褶状结构，其加工过程是采用一层丝网逐个加工后叠加或者是采用多层丝网 一并加工的方式。
所述的步骤(4)中，金属丝网的边缘加工成扁平结构是采用热压或采用火焰 焊枪点焊的方式进行加工，其加工过程是采用一层丝网逐个加工后叠加或者是采用 多层丝网一并加工的方式。
与现有技术相比，本发明的优点在于
1.提供一种催化剂组可以提高催化活性从而降低成本和停车时间；2. 提供催化剂组方便加工和安装；
3. 提供催化剂组在相同的使用时间下使用更少的催化材料或延长使用时间；
4. 提供催化剂组在对现有氧化炉不做任何改动的条件下更为容易的安装；
5. 提供催化剂组使其本身加工更容易、更便宜。


图1是安装本发明催化剂组的氨氧化炉的剖视图2是本发明催化剂组的剖视结构示意图3是本发明催化剂组一实施例的俯视图4是本发明催化剂组另一实施例的俯视图5是本发明催化剂组再一实施例的侧视示意图。
具体实施例方式
下面结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细说明。
本发明专利关注于催化剂组的加工和在氧化过程中的反应，尤其是使用在氨氧 化生产硝酸和氨反应生产氢氰酸中。硝酸生产的通常流程是，氨与空气以适合的比 例混合后通过催化剂组，催化剂组一般是网状用以将氨氧化成为一氧化氮。这些通 过催化剂组的气体被冷却并进一步与补充的空气和水来生产硝酸。在这种情况下， 催化剂或催化的实体是铂或以铂为基础的合金，最普遍的是铂和铑的合金。这种催 化网为平编/针织结构，比如丝线直径为0.076mm的针织催化网。这种催化网的 丝是由铂合金锭子加工而成再将丝线编织成网。加工这种催化网较为昂贵且耗时， 所以使用中尽可能的延长它的使用时间。在本发明之前附图中提到和解释的连接形 式，其中有数个部分，整个催化剂组由一层以上的金属丝网组成，每层都有广阔的 孔状表面，然后彼此之间紧密的固定在一起并加工出非平面的波纹状结构。本发明 的催化剂组示意图请参考图1。
见图l，编号IO表示氧化炉或反应釜，12表示供氨和空气流动通过的内部空 间，然后是含有起催化作用的催化剂组14，催化剂组14由一组固定好的多层金属 丝网22组成，表面形成一系列的皱褶状结构28和呈扁平的边缘结构30。催化剂 组14安装在捕集网16的上部，然后底部由金属支撑架20支撑。催化剂组14与捕 集网16紧密安装在一起并用压环18安放在金属丝网22顶部的外缘部分30。因此反应中气体首先接触催化剂组14然后通过捕集网16和支撑结构20最后经过后续 的工艺过程生成最终的产品。
参考图2，金属丝网22加工成皱褶结构28，这样具有波浪形状的表面从而达 到催化剂组14拥有高效的反应表面，这样对比平面结构的催化网至少是1.6倍的 表面积，通常是在1.6~1.7倍之间。外边缘30是被加工成扁平结构的边，内侧则是 丝网层22彼此安装在一起。这个扁平的边结构同样也起到催化剂组14的安全底座 的作用，它将在压环18的下方(见图1)这样就可以避免气体短路同时避免在反 应过程中产生非预期的副反应而产生副产物。在实践中为了适合于不同尺寸的压 环，这个扁平的外缘通常为10 40mm宽。当然，这个提供的尺寸仅作为一个例子， 这完全取决于催化剂组在安装中的要求所决定的。
同样举另外一个例子，催化剂组14中的丝网层22 —般是由丝线直径在 (U3 0.06mm的金属丝编织而成，丝网目数的范围在526 1024孔/平方厘米。催化 剂组是由各自拥有皱褶状结构的丝网固定在一起，或是多层的丝网彼此相连加工成 一个整体然后再外缘处固定。因此本发明的总体示意图请见图1，催化剂组中的丝 网层表面有着紧密地皱褶状结构，请参见用以补充说明的剖面结构图——图2，可 以看到这时由多层的丝网共同组成并固定在一起。
金属丝网所使用的催化合金在前文中已有所提及，催化剂组是用于氨的氧化过 程，主要含有铂或是说以铂为主要金属元素的合金。在本发明中适用的合金包括铂 铑合金，钼铑钯合金。有许多各种各样的铂合金用于加工催化网，事实上本发明也 不仅仅局限于这些确定的合金。
这些含有铂和铑的合金被用在氨氧化生产硝酸过程中，根据以往的经验在这个 过程中会形成大量的氧化铑。本发明另外一个优势就是减少氧化铑的形成使其更加 经济的运行。
见图1，可以看到本发明中的催化剂组也包括一个支撑网24紧密地安装在催 化剂组14气流的下端。这个支撑网由多种不同的金属组成，可以有很好的强度和 硬度以保证催化剂组在反应中的位置。因此这种支撑网的合金成分是为人所熟知 的，例如在市场上销售的高温热电阻合金，其中含有10 30%的格，1~10%的铝， 0~0.5%的碳其余由铁来构成；或是一种特殊的合金含有5%的铝，21%的铬其余由 铁来构成；其他市场上销售的合金如坎萨尔斯或梅格派尔等镍铬铁合金；或单纯的
镍铬合金和不锈钢。现在请参考图3和图4，这里描述了本发明中催化剂组的不同形状。图3中是 圆形轮廓的；图4中是六边形轮廓，这二个附图具有一定的代表性，这表示催化剂 组的四周可以加工成任何形状这完全取决于安装催化剂组的氧化炉的内部形状。
本发明的催化剂组是由一组有皱褶形状金属丝网共同组成一个统一的波纹状 结构，然后沿着外缘将每层金属丝网叠放起来，最后在扁平的边缘固定在一起。因 此这些多孔的含有起催化作用物质的丝网——见丝网22，与有着相同外缘或周长 的平面结构的丝网相比在气流通过时会接近于2倍的接触表面积。这些丝网是被放 置在皱褶机中通过二个连锁辊轮来加工成波纹状的表面，请见图2。
在波纹结构成型后，这些有皱褶的金属丝网根据其在氧化炉中安装尺寸将边缘 裁减成适合的大小，然后用热压法或点焊的方式将金属丝网的边缘加工成扁平的形 状，它的宽度与安装时用于固定催化剂组的压环尺寸相对应， 一般在50mm以内。 如果这些金属丝网是被加工成一个整体，金属丝网的边缘就已经是扁平结构并被嵌 在一起，然后用热压法或点焊的方式将这些丝网的边缘固定起来最终形成一个整 体。
接下来介绍这种可以增大反应表面积，降低压力降的催化剂组的加工方法 至少准备一张多孔的含有催化作用物质的金属丝网，这张金属丝网的面积要比 最终加工成催化剂组的周长所代表面积要大。
将含有催化物质的丝网表面皱褶化使其变为非单一的表面结构。
根据最终催化剂组的尺寸对金属丝网进行剪裁。
将这些剪裁好的外缘加工成扁平结构。
为进一步使本发明具体化，催化剂组可以被加工成一个整体四周被扁平结构的
边缘所包围，见图5。因此，催化剂组14是由顶层的丝网32与底层的丝网34以 及其他的成分类似的独立丝网22共同组成。为有助于催化剂组在使用过程中的顺 利进行一般会对金属丝网进行活化，活化过程最好是在成型前进行。
本发明是对氨反应生产硝酸或氢氰酸过程的一种延伸，是气相的氨通过装有催 化剂的氧化炉的过程，所指的催化剂就是本发明的催化剂组。
本发明专利主要应用于硝酸和部分氢氰酸生产装置的催化反应部分，它们主要 由含有催化用金属的多层金属丝网组成。这些金属丝网拥有大量的多孔性表面并彼 此相连的镶嵌成一个整体，上述金属丝网表面的区域并非是平面结构——它们有着 波浪状的表面结构，相对于平面结构的催化剂组有着更大的表面积，从而降低单位面积反应气体的分压降，进而减少贵金属在反应中的挥发速率。
本发明的金属丝网含有铂族金属元素，如铂铑，铂铑钯合金或类似合金组成， 铂元素成分大于80%以上。该催化剂组所含有的金属丝网层数各异，多的会使用 20层以上的金属丝网组。每层金属丝网都会与相邻的丝网随着皱褶程度紧密的镶 嵌在一起，共同组成整齐一致并且紧密的催化网组。
本发明的催化剂组由多层可以任意组合的丝网组成，组装时需沿着四周边缘加 工成一个整体这样更便于搬运和安装。催化剂组由独立的丝网组合而成，具体说就 是由各自独立的皱褶结构来共同组成非平面的波纹结构，边缘修整成扁平形状最后 将丝网固定；或是，先将丝网叠好然后加工成皱褶状，最后将边缘修整成平面结构。 因此，在将丝网加工的过程中应沿着丝网的四周加工铍褶，然后每张丝网外缘加工 成扁平结构，最后将数张丝网叠在一起固定从而在高温或压力的条件下成型。比如 热压或使用火焰焊枪点焊等使催化剂组的边缘成扁平状结构。这个边缘最好与氧化 炉中的压环等宽或略大一些。这样安装在氧化炉中的催化剂组更加安全并且能够防 止气流的短路。
本发明所提及的催化剂组具有多方面的优点，其中在不同的催化网表面降低反 应气体分压从而增加有效反应表面积最为显著。低的反应气体分压不能简单的增大 有效反应面积，最主要根本的原因是同等尺寸的波纹层或铍褶层催化网与同等尺 寸的平面结构的丝网层有着更小的压力降，进而给催化剂组有着更长的使用时间， 转化率，从而有更高的产量，这是因为降低了催化材料的压力降和表面燃烧强度， 这样就可以延长催化剂组的使用时间，提高转化率达到降低生产成本的目的。
该催化剂组的结构便于运输过程中移动和安装，在移动和安装过程中都作为一 个整体。在同样的生产能力和转化效率的条件下额外的表面积和减少的压力降可以 使铂合金催化剂中充分利用，因此催化剂组中催化材料的数量可以减少30%或更 多；或在原有的基础上延长催化剂组的使用时间。
权利要求
1. 一种用于氧化反应的气体催化剂组，该催化剂组是由多层金属丝网叠加构成的网状结构，其特征在于，所述的催化剂组呈皱褶状，其边缘呈扁平状。
2. 根据权利要求1所述的用于氧化反应的气体催化剂组，其特征在于，所述 的金属丝网采用铂或以铂为基础的合金。
3. 根据权利要求1或2所述的用于氧化反应的气体催化剂组，其特征在于， 所述的金属丝网是由金属丝线构成的平编或针织结构。
4. 根据权利要求3所述的用于氧化反应的气体催化剂组，其特征在于，所述 的金属丝线的直径为0.076mm±0.02。
5. —种权利要求l所述的用于氧化反应的气体催化剂组的制造方法，其特征 在于，该方法包括以下步骤(1) 选用一层或多层含有催化金属的多孔平面结构金属丝网，该金属丝网的 面积大于最终催化剂组的横截面面积；(2) 将上述选用的多孔平面结构金属丝网加工成波浪形皱褶状结构；(3) 将上述波浪形皱褶状的金属丝网裁剪成与最终催化剂组横截面面积相同 的尺寸；(4) 将上述裁剪好的金属丝网的边缘加工成扁平结构，得到用于氧化反应的 气体催化剂组。
6. 根据权利要求5所述的用于氧化反应的气体催化剂组的制造方法，其特征 在于，所述的步骤(1)中，选用的多孔平面结构金属丝网的面积是最终催化剂组 横截面面积的L6 1.7倍。
7. 根据权利要求5所述的用于氧化反应的气体催化剂组的制造方法，其特征 在于，所述的步骤(2)中，选用的多孔平面结构金属丝网在波浪状辊轮中加工出 波浪形皱褶状结构，其加工过程是采用一层丝网逐个加工后叠加或者是采用多层丝 网一并加工的方式。
8. 根据权利要求5所述的用于氧化反应的气体催化剂组的制造方法，其特征 在于，所述的步骤(4)中，金属丝网的边缘加工成扁平结构是采用热压或采用火 焰焊枪点焊的方式进行加工，其加工过程是采用一层丝网逐个加工后叠加或者是采用多层丝网一并加工的方式。
全文摘要
本发明涉及一种用于氧化反应的气体催化剂组及其制造方法，该催化剂组是由多层金属丝网叠加构成的网状结构，所述的催化剂组呈皱褶状，其边缘呈扁平状。该催化剂组制造方法包括选料、加工、裁剪、压制等工艺步骤。与现有技术相比，本发明对单位面积催化表面反应强度进行控制，减少因此而造成贵金属的挥发，进而能够提高转化效率，延长使用时间，减少贵金属流失，降低生产成本。
文档编号B01J35/02GK101444754SQ20081020469
公开日2009年6月3日 申请日期2008年12月16日 优先权日2008年12月16日
发明者乔纳森·兰德, 施小钢, 邱跃岩 申请人:上海贺利氏工业技术材料有限公司