Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЗОТОВОДОРОДНОЙ КОНТРОЛИРУЕМОЙ АТМОСФЕРЫ

Предлагаемое изобретение относится к стекольной промышленности и может быть использовано в производстве защитной атмосферы для получения стекла на расплаве металла и в других отраслях (металлургии и т. д. ).

Производство газозащитной азотоводородной атмосферы включает в себя следующие стадии: высокотемпературную конверсию (сжигание) углеводородов в смеси с воздухом в слое огнеупорного материала, низкотемпературную паровую конверсию монооксида углерода в слое катализатора, охлаждение продуктов сгорания и последующую очистку газовой смеси от диоксида углерода и паров воды.

Известен способ получения контролируемой азотоводородной атмосферы по патенту РФ 1353725, МКИ С 01 В 3/24, В С 01 В 3/24, в соответствии с которым высокотемпературную конверсию углеводородов осуществляют в двух слоях зернистого огнеупорного материала-насадки с удельной поверхностью 250-350 м²/м³ и 50-150 м²/м³ в количествах 60-80% и 20-40% соответственно, причем материал с большей удельной поверхностью засыпают в лобовую часть реактора. Однако такая схема заполнения камеры сжигания не обеспечивает значительного увеличения срока эксплуатации зернистой насадки и соответственно камеры сжигания и повышения степени очистки газозащитной атмосферы. Наиболее близким по сущности и достигаемому результату является способ получения азотоводородной контролируемой атмосферы по А. С. СССР 937327 МКИ С 01 В 3/36. В соответствии с данным способом получение азотоводородной контролируемой атмосферы осуществляют путем сжигания углеводородов с воздухом в зернистом слое огнеупорного материала при 1400-1800^oС с последующей паровой конверсией образовавшегося оксида углерода и очисткой от диоксида углерода и паров воды.

Для повышения восстановительных свойств и степени очистки азотоводородной газовой смеси нижнюю часть реакционной зоны стадии сжигания поддерживают при температуре 100-800^oС. Недостаток способа - незначительный срок эксплуатации камеры сжигания и недостаточная степень очистки защитной атмосферы от монооксида углерода.

Основным недостатком данного способа и способов-аналогов является то, что для увеличения степени очистки газовой смеси идут по пути усовершенствования только одной стадии процесса производства контролируемой азотоводородной атмосферы - стадии высокотемпературной конверсии (сжигания) углеводородов. Однако повышение качества защитной атмосферы малоэффективно без значительного снижения остаточного содержания монооксида углерода в продуктах неполного горения углеводородов, что осуществляется на второй стадии процесса производства газозащитной атмосферы - стадии низкотемпературной паровой конверсии монооксида углерода в слое катализатора.

Предлагаемый способ получения азотоводородной контролируемой атмосферы включает высокотемпературную конверсию углеводородов, низкотемпературную паровую конверсию монооксида углерода и последующую очистку газовой смеси от диоксида углерода и паров воды. Высокотемпературную конверсию углеводородов осуществляют сверху вниз в трех слоях зернистого огнеупорного материала в виде зерен фракций 10-25 мм, 20-35 мм, 40-90 мм, в количествах соответственно 20-40%, 40-50% и 20-30%, причем материал наиболее крупной фракции, кроме нижнего слоя камеры сжигания, фрагментарно размещен в верхнем слое огнеупорного материала, а низкотемпературную конверсию монооксида углерода осуществляют в слое гранулированного цинк-хром-медного катализатора при соотношении высоты к радиусу гранулы 0,9-1,5.

Азотоводородную газовую смесь получают путем высокотемпературной конверсии углеводородных газов на поверхности зернистого огнеупора разного фракционного состава по высоте камеры сжигания со строго определенным распределением температур от 1400-1800^oС в верхних слоях, до 600-800^oС - внизу.

В качестве слоя огнеупорного материала используют электроплавленный корунд в виде зерен фракцией 10-25 мм в количестве 20-40%; 20-35 мм - 40-50% и корундомуллитовой крупнозернистой фракции 40-90 мм в количестве 20-30%, причем крупнозернистая фракция, кроме нижнего слоя камеры сжигания, фрагментарно размещена в верхнем мелкозернистом слое путем засыпки его в центральной части первого слоя под горелкой.

При таком заполнении камеры сжигания данной зернистой насадкой обеспечивается равномерность горения и распределения газового потока и температур по сечению камеры, постепенное снижение температуры по длине слоя насадки в направлении сверху вниз, что, в свою очередь, обеспечивает отсутствие в продуктах горения метана и монооксидов азота и минимальное содержание (до 0,00024 %) примеси кислорода, а также в несколько раз снижает вероятность деформации и спекания корундового материала, увеличивая тем самым срок эксплуатации камеры сжигания с 1 года до 10 лет и межремонтный период с 4 месяцев до 1 года и более.

Для обеспечения повышения качества защитной атмосферы за счет снижения монооксида углерода в продуктах неполного горения (высокотемпературной конверсии углеводородных газов) низкотемпературную конверсию монооксида углерода осуществляют в слое цинк-хром-медного гранулированного катализатора одного фракционного состава. Гранулы катализатора имеют цилиндрическую форму и внутренний конус. Соотношение высоты конуса к радиусу равно 1,1-1,6. Отношение высоты таблетки к ее радиусу равно 0,9-1,5. Объем, занятый катализатором, составляет 70% от общего объема конвертора. Применение катализатора одного фракционного состава и данной геометрической формы и размеров обеспечивает минимальное сопротивление в слое загрузки, равномерное распределение проходящей через него реакционной среды, развитую наружную поверхность, высокую активность катализатора.

Таким образом, применение катализатора с гранулами таких размеров и формы устраняет противоречие между интенсивностью его работы и гидравлическим сопротивлением. Его реакционная способность и механические свойства остаются постоянными при длительной эксплуатации, что позволяет увеличить срок службы катализатора более чем в 2 раза.

Пример.

Природный газ, очищенный от сернистых соединений (если они имеются), и сжатый воздух в объемных соотношениях с 1: 6 до 1: 9,8 подаются в специальную горелку с активной воздушной струей, где происходит их полное смешение. Подготовленная газо-воздушная смесь поступает сверху вниз в лобовую часть камеры сжигания во фрагментарно размещенный слой крупнозернистого огнеупорного материала и далее в слои электрокорундовой насадки фракционного состава 10-25 мм, 20-35 мм, 40-90 мм.

На поверхности раскаленных зерен происходит неполное горение газа и в верхнем слое насадки температура достигает 1400-1800^oС. Далее происходит плавное снижение температуры продуктов горения в слоях фракций 20-35 мм и 40-90 мм огнеупорного материала и на выходе из камеры сжигания температура составляет 600-800^oС, а содержание остаточного кислорода понижается до 0,00024 об. % и менее.

Далее охлажденные до 200-230^oС и насыщенные водяным паром продукты горения подаются в блок конверсии оксида углерода, который состоит из конвертора, представляющего собой цилиндрический сосуд с установленными равномерно по высоте 4-мя термопарами, контролирующими температуру в слое катализатора. В него загружается низкотемпературный цинк-хром-медный гранулированный катализатор одного фракционного состава. Гранулы катализатора имеют внутренний конус с соотношением высоты конуса к его радиусу, равным 1,46. На слой восстановленного катализатора сверху вниз из камеры сжигания подается газовая смесь с температурой 200^oС, имеющая состав (в зависимости от коэффициента расхода воздуха), об. %:
СО₂ - 2-10
СО - 5-9
N₂ - 65-72
Н₂ - 1-6
Н₂О - 17-19
Ar - 0,9
О₂ - 0,0001-0,0003
В конверторе на поверхности данного катализатора обеспечивается прохождение низкотемпературной паровой конверсии оксида углерода по реакции:
СО+Н₂О>-->СО₂+Н₂+9,6 ккал,
в результате которой происходит увеличение концентрации водорода и полная каталитическая очистка газовой смеси от монооксида углерода с последующей очисткой от диоксида углерода и паров воды.

Основной состав конвертированного газа, об. %:
Н₂ - 2-15
СO₂ - 6-13
N₂ - 76-85
Аr - 0,9-1
O₂ - 0,0001-0,0003
СО - 0,002