Способ осуществления газофазных химических процессов

 

Использование изобретения: в способах осуществления химических процессов и при проведении газофазных химических реакций. Сущность изобретения: способ осуществляют в присутствии гетерогенного катализатора, используемого в качестве проточного компонента через псевдоожиженный слой инертного материала и движущегося снизу вверх, и хотя бы одного исходного вещества, находящегося в жидком состоянии. Катализатор вводят в реактор в виде суспензии с исходным веществом, находящимся в жидком состоянии, при концентрации катализатора в суспензии 25-150 г/л с эквивалентным диаметром частиц до 10 мкм. 2 табл.

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 реакторе проточного типа с псевдоожиженным слоем приготовленного на носителе катализатора при порозности псевдоожиженного слоя 0,46-0,82, причем сточную воду подают непосредственно в псевдоожиженный слой катализатора [1] Недостатки описанного способа связаны с использованием псевдоожиженного слоя катализатора, а именно: из-за истираемости и механического уноса пыли катализатора с отходящими газами имеют место потери катализатора; в присутствии минеральных солей за счет блокировки пор быстро снижается активность катализатора.

Поэтому по способу [1] требуется повышенный расход катализатора. Описанный 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 псевдоожиженным слоем катализатора или инертного материала, в который непрерывно вводят сверху или снизу и выводят снизу или сверху инертный материал или катализатор, а исходные вещества подают в жидком или газообразном состоянии [2] И катализатор, и инертный материал вводят в зону реакции в сухом виде, для чего требуется сложная система дозирования и значительные расходы на пневмотранспорт катализатора. Еще одним недостатком известного способа является повышенный расход катализатора, связанный с тем, что используют частицы катализатора большого размера (0,5-2,5 мм), что лимитирует поверхность контакта с реагентами.

Задачей изобретения является усовершенствование способа осуществления газофазных химических процессов путем исключения из него сложной системы дозирования и пневмотранспорта за счет подачи катализатора в реактор в виде суспензии при обеспечении оптимальной степени превращения реагирующих веществ.

Поставленная задача решается тем, что в способе осуществления химических процессов в присутствии гетерогенного катализатора, используемого в качестве проточного компонента через псевдоожиженный слой инертного материала и движущегося снизу вверх, и хотя бы одного исходного вещества, находящегося в жидком состоянии, согласно изобретению гетерогенный катализатор с эквивалентным диаметром частиц до 10 мкм вводят в реактор в виде суспензии в исходном веществе, находящемся в жидком состоянии, при концентрации катализатора в суспензии 25-150 г/л.

Введение в реакционную зону гетерогенного катализатора в виде суспензии в исходном жидком веществе при осуществлении газофазных химических процессов на выявлено в известных способах. Новый прием использования пылевидного гетерогенного катализатора позволяет упростить процесс за счет исключения из технологической схемы аппаратов, имеющих отношение к дозированию и вводу катализатора в реактор.

Особенностью предлагаемого способа является использование нового приема введения катализатора в газофазную реакционную систему в виде суспензии с одним из исходных реагентов, находящихся в жидком состоянии. При этом оказалось, что химический процесс завершается при том же времени пребывания, что и в случае введения катализатора в реакционную систему в сухом виде пневмотранспортом (а именно 0,7 с, как и в условиях прототипа), то есть не требуется дополнительное время для сушки катализатора в зоне реакции. Это позволило существенно снизить расход катализатора на единицу перерабатываемого реагента, упростить систему его введения в реактор, а за счет ограничения размера частиц катализатора, не превышающего 10 мкм, облегчить создание суспензии и повысить производительность реакционного объема. Выполненные исследования показали, что в этом случае имеет место аэрозольный катализ, то есть химическая реакция протекает в пылевидном облаке катализатора. При этом в отличие от процессов, где используют каталитические системы, приготовленные на носителе с развитой внутренней поверхностью, размер молекул реагентов не лимитирует процесс, так как при аэрозольном катализе создаваемое облако пыли катализатора в парогазовой смеси обеспечивает взаимодействие реагентов с каталитической поверхностью независимо от внутридиффузионных свойств системы, так как создаются условия равнодоступности каталитической поверхности.

В условиях прототипа принятый размер (0,05-2,5 мм) частиц катализатора при сохранении расхода катализатора не обеспечивает равнодоступность поверхности из-за наличия внутридиффузионных стадий, а, следовательно, равноценной производительности катализатора.

Предел концентраций гетерогенного катализатора в суспензии, равный 25-150 г/л, и размер частиц до 10 мкм выбраны исходя из того, что при этом достигается максимальная степень превращения реагирующих веществ при минимальном количестве катализатора, и отсутствуют проблемы ввода суспензии в реактор. Использование более низкой концентрации гетерогенного катализатора в суспензии, чем 25 г/л, приводит к снижению степени превращения исходных реагентов. При концентрации более высокой, чем 150 г/л суспензии, расход катализатора становится неэкономичным, так как в этом случае увеличиваются эксплуатационные расходы.

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 не будут снижаться, так как поверхность контакта с уменьшением размера частиц возрастает. При размере частиц катализатора более высоком, чем 10 мкм, в заданном диапазоне концентраций степень конверсии исходных веществ значительно снижается за счет уменьшения поверхности контакта с катализатором.

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 до температуры окисления, равной 600^oС, обеспечивают электрообогревом. Псевдоожижающим агентом твердого инертного материала является воздух, подаваемый в нижнюю часть реактора в количестве 3,24 нм³/ч. Объем псевдоожижаемого инертного материала 1000 см³.

Исходное жидкое вещество, содержащее органические соединения, смешивают с мелкодисперсным катализатором. Полученную суспензию, содержащую 25-150 г катализатора на 1 л суспензии, подают в нижнюю зону реактора, где одновременно происходит быстрое испарение исходного реагента. Катализатор подхватывается потоком воздуха и проходит через псевдоожиженный слой твердых частиц инертного материала. Из верхней части реактора катализатор выводят и возвращают в голову процесса на приготовление суспензии. Степень окисления исходных органических веществ во всех опытах составляет 100% при времени пребывания 0,7 с.

Об эффективности процесса окисления судят по содержанию ди- и монооксида углерода в отходящих газах.

Результаты опытов по осуществлению предлагаемого способа приведены в табл.1.

Примеры 22-29. Синтез винилацетата винилированием уксусной кислоты. Газофазный синтез винилацетата винилированием уксусной кислоты осуществляют в проточном реакторе диаметром 20 мм и высотой 130 мм, снабженном электрообогревом. В низ реактора подают газообразный ацетилен (содержание основного продукта 99,8 об.), являющийся одновременно и псевдоожижающим агентом твердого инертного материала, в качестве которого используют шарики диаметром 0,7-1 мм, с расходом 463 л/ч и выше. Жидкую уксусную кислоту (содержание основного продукта 99,7 мас. в количестве 292 мг/л и выше смешивают с мелкодисперсным цинкацетатным катализатором (ацетат цинка 27,8 мас. уголь АР-ЗД 72,2 мас.) с эквивалентным диаметром частиц 10 мкм и менее и полученную суспензию, содержащую 25-150 г катализатора на 1 л суспензии, подают в нижнюю часть реактора. В реакторе происходит процесс, аналогичный описанному в примере 1. Реакцию винилирования проводят при мольном соотношении уксусная кислота ацетилен, равном 1:4, и температуре 200^oС. Отходящие потоки проходят зону сепарации, пары конденсируются охлаждением до температуры минус 20^oС. Газовую фазу сбрасывают в атмосферу, а жидкую направляют в приемник. Содержание винилацетата в жидкости определяют хроматографически. О полноте химической реакции судят по степени превращения уксусной кислоты в винилацетат.

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

Приведенные примеры подтверждают, что проведение процесса таким образом позволяет при сохранении оптимальной степени превращения реагирующих веществ существенно снизить расход катализатора на единицу перерабатываемого продукта в 3-130 раз, то есть показывают возможность достижения технического результата при использовании заявляемой совокупности существенных признаков.

Следовательно, заявляемый способ осуществления химических процессов соответствует требованиям промышленной применимости.

Формула изобретения

Способ осуществления газофазных химических процессов в присутствии гетерогенного катализатора, используемого в качестве проточного компонента через псевдоожиженный слой инертного материала и движущегося снизу вверх, и хотя бы одного исходного вещества, находящегося в жидком состоянии, отличающийся тем, что катализатор вводят в реактор в виде суспензии с исходным веществом, находящимся в жидком состоянии, при концентрации катализатора в суспензии 25 150 г/л с эквивалентным диаметром частиц до 10 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2