Способ осуществления газофазных химических процессов (аэрозольный катализ)

 

Изобретение относится к способам осуществления химических процессов и может найти применение при осуществлении газофазных химических реакций. Способ осуществляют в присутствии гетерогенного катализатора и инертного материала в реакторе с псевдоожиженным слоем инертного материала, в который непрерывно вводят снизу и выводят сверху катализатор, причем в зоне реакции поддерживают концентрацию катализатора, равной 1-15 г/м³ парогазовой смеси при нормальных условиях, с эквивалентным диаметром частиц не более 10 мкм. Заявляемый способ позволяет снизить расход катализатора в 1,5-130 раз. 2 табл.

Предполагаемое изобретение относится к способам осуществления химических процессов и может быть использовано при проведении газофазных химических реакций в присутствии гетерогенных катализаторов.

Известен способ осуществления химических процессов, например способ очистки сточных вод от органических соединений путем глубокого окисления в реактор проточного типа с псевдоожиженным слоем катализатора, приготовленного на пористом носителе, при порозности псевдоожиженного слоя 0,46-0,82, концентрации катализатора (4,5-9,0)·10⁵ г/м³ реакционного объема и диаметра частиц катализатора 0,5-2,0 мм, в котором сточную воду подают непосредственно в псевдоожиженный слой катализатора [1] Недостатки описанного способа связаны с использованием псевдоожиженного слоя катализатора, а именно: из-за истираемости катализатора и механического уноса пыли отходящими газами требуется постоянная подпитка системы исходным катализатором, что приводит к его повышенному расходу; в присутствии минеральных солей за счет блокировки пор катализатора снижается активность катализаторов с развитой внутренней поверхностью.

В результате катализатор способа [1] имеет ограниченный срок службы, что требует повышенных его расходов. Указанный способ не может быть применен и для обезвреживания солесодержащих отходов.

Наиболее близким по совокупности признаков является способ осуществления химических процессов "Химпроцесс-88", включающий проведение процесса в присутствии частиц гетерогенного катализатора и инертного материала в реакторе с псевдоожиженым слоем катализатора или инертного материала, в которой непрерывно вводят сверху или снизу и выводят снизу или сверху инертный материал или катализатор [2] Диаметр частиц катализатора 0,05-2,5 мм, концентрация в зоне реакции 16,5-65,1 г/м³ реакционного объема.

Недостатком известного способа является повышенный расход катализатора, что связано с тем, что используют большие концентрации катализатора в зоне реакции, а также с тем, что для создания требуемой поверхности контакта используют катализаторы с относительно крупными размерами частиц.

Задачей данного изобретения является создание такой технологии осуществления газофазных химических процессов, которая путем использования соответствующих концентраций и размеров частиц катализатора в реакционной зоне позволяет существенно снизить часовой расход катализатора на единицу реагирующего вещества и достигать при этом оптимальный степени превращения сырья. При этом не требуется регенерация катализатора.

Поставленная задача решается тем, что в способе осуществления газофазных химических процессов в присутствии гетерогенного катализатора и инертного материала в реакторе с псевдоожиженным слоем инертного материала, в которой непрерывно вводят снизу и выводят сверху катализатор, согласно заявляемому изобретению в зоне реакции поддерживают концентрацию катализатора, равной 1-15 г/м³ парогазовой смеси в пересчете на нормальные условия при эквивалентном диаметре частиц катализатора в зоне реакции не более 10 мкм.

Поиск, проведенный по источникам научно-технической и патентной информации, показал, что совокупность всех существенных признаков заявляемого технического решения неизвестна. Следовательно, заявляемый способ осуществления газофазных химических процессов соответствует требованиям новизны.

Особенность предлагаемого способа заключается в том, что найдены такие параметры применяемых катализаторов (а именно: концентрация катализатора в зоне реакции должна составлять 1-15 г/м³ парогазовой смеси при нормальных условиях, при этом размер частиц катализатора не должен превышать 10 мкм), которые позволяют при сохранении высокой степени превращения перерабатываемых реагентов существенно снизить расход катализатора без изменения срока его службы. Исследования показали, что в этом случае имеет место явление, названное нами "Аэрозольный катализ", т.е. химическая реакция протекает в пылевом облаке катализатора. При этом в отличие от каталитических систем с развитой внутренней поверхностью размер молекул реагентов не лимитирует процесс, т. е. аэрозольном катализе создаваемое облако пыли катализатора в парогазовой смеси обеспечивает взаимодействие реагентов с каталитической поверхностью независимо от внутридиффузионных свойств системы, т.е. обеспечивается равнодоступность поверхности.

В условиях прототипа принятый размер (0,05-2,5 мм) частиц катализатора при сохранении расходных коэффициентов по катализатору не обеспечивает равноценной поверхности катализатора заявляемого способа, а, следовательно, и равноценной производительности катализатора (см. таблицы 1 и 2).

Сопоставительный анализ отличительных существенных признаков заявляемого технического решения с известными показал, что признаки, касающиеся используемой концентрации катализатора в зоне реакции и ограничения размера его частиц величиной, не превышающей 10 мкм, использованы впервые. Следовательно, заявляемый способ соответствует требованиям изобретательского уровня.

Выбор интервала концентраций катализатора в зоне реакции, равного 1-1,5 г/м³ парогазовой смеси, объясняется тем, что в этом случае достигается оптимальная производительность катализатора при сохранении требуемой степени превращения реагирующих веществ. При более низкой, чем 1 г/м³ парогазовой смеси, концентрации катализатора снижается степень превращения реагирующих веществ, а использование более высокой, чем 15 г/м³ парогазовой смеси концентрации катализатора, производительность последнего увеличивается незначительно по сравнению с количеством расходуемого катализатора.

Оптимальным размером частиц катализатора для предлагаемого способа осуществления химических процессов является размер частиц, с эквивалентным диаметром не превышающим 10 мкм. При любом более низком размере частиц степень превращения реагирующих веществ и производительность катализатора будут оптимальными, т. к. поверхность контакта с уменьшением размера частиц катализатора возрастает, а при более высоком размере частиц катализатора, чем 10 мкм, в заданном диапазоне концентраций степень конверсии исходных веществ значительно снижается за счет уменьшения поверхности катализатора.

Предлагаемый способ иллюстрируют следующие примеры.

Примеры 1-21. Глубокое окисление органических соединений и их смесей кислородом воздуха.

Для проведения процесса используют реактор проточного типа с внутренним диаметром 0,05 м и высотой 1,2 м, начальный разогрев которого обеспечивают электрообогревом. Псевдоожижающим агентом твердого инертного материала является воздух, подаваемый в нижнюю зону реактора. Объем псевдоожижаемого инертного материала, в качестве которого используют стеклянные шарики диаметром 0,7^oC1 мм, составляет 1000 см³.

Исходное органическое вещество подают в нижнюю зону реактора. Проточным компонентом является катализатор глубокого окисления, в качестве которого используют металлы переходной группы их оксиды и соединения. Катализатор подают в нижнюю часть реактора, а выводят из его верхней части и возвращают в начале процесса. Процесс глубокого окисления ведут при 600^oC. Концентрацию катализатора в зоне реакции определяют по запыленности отходящих газов непосредственно после реактора. Степень окисления исходных органических веществ на всех опытах заявляемого способа является 100%-ной при времени пребывания 0,7 сек. Об эффективности химического превращения судят по содержанию в отходящих газах ди- и монооксидов углерода.

Результаты опытов по осуществлению предлагаемого способа приведены в таблице 1.

Примеры 22-35. Синтез винилацетата винилированием уксусной кислоты.

Газофазный синтез винилацетата винилированием уксусной кислоты осуществляют в проточном реакторе диаметром 30 мм и высотой 130 мм, снабженном электрообогревом. В низ реактора подают газообразный ацетилен (содержание основного продукта 99,8%), являющийся одновременно и псевдоожидающим агентом твердого инертного материала, в качестве которого используют стеклянные шарики диаметром 0,7-1,0, с расходом 436 л/ч, жидкую уксусную кислоту (содержание основного продукта 99,7% ) в количестве 292 мл/ч и мелкодисперсный цинкацетатный катализатор (ацетат цинка 27,8 мас. уголь АР-ЗД-72,2 мас.) с эквивалентным диаметром частиц 10 мкм и менее, используемый в качестве проточного компонента. Реакцию винилирования проводят при мольном соотношении уксусная кислота: ацетилен, равном 1:4, и температуре 200^oC. Отходящие потоки проходят зону сепарации, пары конденсируются охлаждением до температуры минус 20^oC. Газовую фазу сбрасывают в атмосферу, а жидкую направляют в приемник. Содержание винилацетата в жидкости определяют хроматографически. О полноте химического превращения судят по степени превращения уксусной кислоты в винилацетат.

Результаты опытов по винилированию уксусной кислоты настоящим способом представлены в таблице 2.

Как следует из приведенных примеров, наилучшие технико-экономические показатели дают условия примеров 5, 12, 19, 32, где зафиксирована небольшая часовая производительность м³ реакционного объема. Следовательно, заявляемый способ по сравнению с прототипом позволяет сократить расход катализатора в 165-130 раз и сохранить при этом оптимальную степень превращения реагирующих веществ за счет поддержания в зоне реакции оптимальных концентраций и размеров частиц катализатора.

Можно считать, что заявляемый способ осуществления газофазных химических процессов соответствует требования промышленной применимости.

Формула изобретения

Способ осуществления газофазных химических процессов в присутствии гетерогенного катализатора и инертного материала в реакторе с псевдоожиженным слоем инертного материала, в который непрерывно вводят снизу и выводят сверху катализатор, отличающийся тем, что в зоне реакции поддерживают концентрацию катализатора 1 15 г/м³ парогазовой смеси при нормальных условиях с эквивалентным диаметром частиц не более 10 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3