Способ проведения гетерогенных каталитических реакций

 

Изобретение относится к способам проведения гетерогенных каталитических реакций. Способ включает пропускание реакционной смеси через реактор, содержащий хотя бы один слой гибкого волокнистого катализатора, пропускают либо газообразную либо жидкую, либо газожидкостную реакционную смесь, располагают внутри реактора хотя бы одно опорно-распределительное симметричное устройство, осевая линия которого либо совпадает с направлением движения потока реакционной смеси либо отклоняется от него на угол не более 30^o, обеспечивают движение реакционной смеси в данной части реактора исключительно через проницаемые части указанного устройства, при этом ввод исходной реакционной смеси осуществляют во внутреннее пространство опорно-распределительного устройства, а вывод прореагировавшей реакционной смеси осуществляют из внешнего пространства этого устройства либо в противоположном направлении, а катализатор устанавливают на частично или полностью проницаемой для потока реакционной смеси боковой поверхности устройства. Изобретение позволяет снизить гидравлическое сопротивление слоя катализатора потоку реакционной смеси, ускорить и упростить установку и смену катализатора, предотвратить возможность проскока реакционной смеси мимо слоя катализатора, при условии обеспечения механической стабильности слоя катализатора. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области химии, а именно к способам проведения гетерогенных каталитических реакций, и может применяться для производства различных химических продуктов и реагентов, а также для очистки и обезвреживания газообразных и жидких выбросов.

Известен способ проведения гетерогенных каталитических реакций, включающий в себя пропускание реакционной смеси через реактор, содержащий слой твердого гранулированного катализатора (Патент США 1396718, приоритет от 24.06.18, опубл. 8.11.21, кл. 422/199, 422/220).

Недостатком известного способа является относительно высокое гидравлическое сопротивление слоя катализатора и соответственно реактора потоку реакционной смеси. Гидравлическое сопротивление реактора может быть понижено за счет уменьшения скорости движения смеси и уменьшения высоты слоя катализатора. Для этого, однако, требуется существенный рост диаметра (или ширины) каталитического реактора. Кроме того, в этом случае для обеспечения равномерного распределения реакционной смеси по сечению слоя катализатора требуется увеличивать также высоту реактора, что приводит к существенному росту его габаритов и металлоемкости.

Известен способ проведения гетерогенных каталитических реакций, включающий в себя пропускание реакционной смеси через реактор, содержащий слой твердого гранулированного катализатора, расположенный вертикально внутри проницаемого для реакционной смеси полого цилиндра (Патент США 3620685, приоритет от 30.07.1969, опубл. 16.11.1971, МПК B 01 J 9/04, С 07 В 3/00). Такое расположение слоя обеспечивает высокую площадь сечения этого слоя и соответственно снижение скорости движения реакционной смеси и малую толщину слоя катализатора, что приводит к существенному снижению гидравлического сопротивления реактора.

Недостатком известного способа является механическая нестабильность слоя гранулированного катализатора, возможность возникновения уплотнений слоя в процессе эксплуатации, приводящих к уменьшению объема слоя и образованию зон проскока реакционной смеси в верхней части слоя. По той же причине такой слой катализатора может располагаться только строго вертикально, что существенно ограничивает области и возможности его применения.

Известен способ проведения гетерогенных каталитических реакций, включающий в себя пропускание реакционной смеси через реактор, содержащий несколько слоев стекловолокнистого катализатора и два ряда стержней, фиксирующих катализатор таким образом, чтобы фрагменты его поверхности были наклонены по отношению к направлению движения реакционной смеси (Патент РФ 2171430, МПК F 23 G 7/06, приоритет от 21.03.2000, опубл.27.07.2001). Такое расположение катализатора позволяет обеспечить некоторое уменьшение габаритов и металлоемкости реактора при сохранении низкого гидравлического сопротивления слоя катализатора потоку реакционной смеси.

Недостатком этого способа является сложность установки и замены катализатора, а также трудности герметизации краев слоя, которые могут приводить к проскоку непрореагировавшей реакционной смеси мимо слоя катализатора вдоль стенок каталитического реактора, снижая эффективность его функционирования. Кроме того, габариты и металлоемкость реактора недостаточно низки.

Перед авторами ставилась задача разработать способ проведения гетерогенных каталитических реакций, обеспечивающий низкое гидравлическое сопротивление слоя катализатора потоку реакционной смеси при малых размерах реактора, возможность быстро и просто устанавливать и менять катализатор, и предотвращающий возможность проскока реакционной смеси мимо слоя катализатора, при условии обеспечения механической стабильности слоя катализатора.

Поставленная задача решается тем, что в способе проведения гетерогенных каталитических реакций, включающем в себя пропускание реакционной смеси через реактор, содержащий хотя бы один слой гибкого волокнистого катализатора, пропускают либо газообразную либо жидкую, либо газожидкостную реакционную смесь, располагают внутри реактора хотя бы одно опорно-распределительное симметричное устройство, осевая линия которого либо совпадает с направлением движения потока реакционной смеси, либо отклоняется от него на угол не более 30^o, обеспечивают движение реакционной смеси в данной части реактора исключительно через проницаемые части указанного устройства, при этом ввод исходной реакционной смеси осуществляют во внутреннее пространство опорно-распределительного устройства, а вывод прореагировавшей реакционной смеси осуществляют из внешнего пространства этого устройства, либо в противоположном направлении, а катализатор устанавливают на частично или полностью проницаемой для потока реакционной смеси боковой поверхности устройства. Кроме того устанавливают опорно-распределительное устройство, выполненное либо в виде пустотелого цилиндра с проницаемыми боковыми стенками и заглушенной торцевой частью, либо в виде пустотелого полного или усеченного конуса с проницаемыми боковыми стенками, располагают опорно-распределительные устройства последовательно и/или параллельно относительно направления движения реакционной смеси.

Технический эффект предлагаемого способа заключается в возможности эффективного проведения гетерогенных каталитических реакций с достижением высокой степени превращения компонентов исходной реакционной смеси в компактных реакторах с существенно пониженным гидравлическим сопротивлением механически стабильного слоя катализатора потоку реакционной смеси.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен один из вариантов конструкции реактора для осуществления заявляемого способа. Схема включает: 1 - вход реакционной смеси, 2 - реактор, 3 - катализатор, 4 - опорно-распределительное устройство, 5 - проницаемая часть опорно-распределительного устройства, 6 - выход реакционной смеси. Стрелками показано направление движения реакционной смеси.

Для проведения каталитической реакции реакционную смесь пропускают через реактор, содержащий гибкий, проницаемый для реакционной смеси волокнистый катализатор, а также, по крайней мере, одно симметричное опорно-распределительное устройство, осевая линия которого совпадает с направлением движения потока реакционной смеси, либо отклоняется от него на угол не более 30^o, причем катализатор устанавливают в один или несколько слоев на внешней и/или внутренней стороне частично или полностью проницаемых для потока реакционной смеси боковых стенок опорно-распределительного устройства. Проницаемые зоны опорно-распределительного устройства представляют собой сетки и/или решетки и/или другие проницаемые для реакционной смеси конструкции. Указанное опорно-распределительное устройство выполняют в виде пустотелого цилиндра с проницаемыми боковыми стенками и заглушенной торцевой частью либо в виде пустотелого полного или усеченного конуса с проницаемыми боковыми стенками, либо в виде других осесимметричных форм с проницаемыми боковыми стенками. Опорно-распределительное устройство располагают в реакторе так, чтобы обеспечить движение реакционной смеси в данной части реактора исключительно через проницаемые части указанного устройства, чтобы предотвратить проскок реакционной смеси мимо слоя катализатора. Ввод исходной реакционной смеси осуществляют во внутреннее пространство опорно-распределительного устройства, а вывод прореагировавшей реакционной смеси осуществляют из внешнего пространства этого устройства либо наоборот.

Для проведения каталитической реакции используют катализатор, сформированный в виде гибких, проницаемых для потока реакционной смеси волокнистых структур. Такие структуры, выполненные в виде тканых, плетеных или прессованных материалов, содержат каталитически активные микроволокна, состоящие из микроволокнистого носителя и каталитически активного компонента. При этом в качестве носителя используют микроволокна из стекла, углерода, неорганических оксидов, металлов, полимеров и пр., а в качестве каталитически активных компонентов - благородные и неблагородные металлы, их оксиды и другие каталитически активные вещества. В частности, для проведения каталитической реакции могут использовать катализаторы на основе стеклоткани, содержащей в качестве активных компонентов, по крайней мере, один из благородных металлов (например, по патенту США 3929671, 1975; патенту РФ 2069584, 1996).

Проведение каталитической реакции по описанному способу обеспечивает высокую площадь слоя катализатора и соответственно низкую толщину слоя катализатора и низкую скорость движения потока реакционной смеси в слое катализатора, что в совокупности обеспечивает низкое гидравлическое сопротивление слоя катализатора потоку реакционной смеси при обеспечении равномерного распределения потока реакционной смеси по слою катализатора и предотвращении проскоков реакционной смеси мимо слоя катализатора. Кроме того, предлагаемый способ позволяет проводить каталитическую реакцию в компактном реакторе с весьма малыми габаритами и металлоемкостью. При этом также обеспечивается механическая стабильность слоя катализатора, позволяющая располагать реактор в любой геометрической ориентации (вертикально, горизонтально и пр.), что существенно расширяет возможности применения способа.

Пример 1 Каталитическую реакцию проводят между компонентами газообразной реакционной смеси в присутствии стекловолокнистого катализатора в цилиндрическом каталитическом реакторе 2, в который устанавливают цилиндрическое опорно-распределительное устройство 4. Катализатор 3 располагают в два слоя с внешней стороны боковой поверхности 5 опорно-распределительного устройства, причем указанная боковая поверхность перфорирована отверстиями, общая площадь которых составляет 50% от площади боковой поверхности опорно-распределительного устройства, что обеспечивает частичную проницаемость боковой поверхности для реакционной смеси. Ввод исходной реакционной смеси 1 осуществляют во внутреннее пространство опорно-распределительного устройства, при этом направление потока реакционной смеси совпадает с осью опорно-распределительного устройства. Вывод прореагировавшей реакционной смеси 6 осуществляют через внешнее пространство опорно-распределительного устройства.

По сравнению со способом прототипа снижается гидравлическое сопротивление слоя катализатора потоку реакционной смеси, упрощается процедура установки и замены катализатора, обеспечивается уменьшение габаритов и металлоемкости реактора.

Пример 2 То же, что и в предыдущем примере. Каталитическую реакцию проводят между компонентами жидкой реакционной смеси.

По сравнению со способом прототипа снижается гидравлическое сопротивление слоя катализатора потоку реакционной смеси, упрощается процедура установки и замены катализатора, обеспечивается уменьшение габаритов и металлоемкости реактора.

Пример 3 То же, что и в любом из предыдущих примеров. Каталитическую реакцию проводят между компонентами газожидкостной реакционной смеси.

По сравнению со способом прототипа снижается гидравлическое сопротивление слоя катализатора потоку реакционной смеси, упрощается процедура установки и замены катализатора, обеспечивается уменьшение габаритов и металлоемкости реактора.

Пример 4 То же, что и в любом из предыдущих примеров. Ввод исходной реакционной смеси осуществляют таким образом, что направление потока реакционной смеси отклоняется от оси опорно-распределительного устройства на угол не более 30^o.

По сравнению со способом прототипа снижается гидравлическое сопротивление слоя катализатора потоку реакционной смеси, упрощается процедура установки и замены катализатора, обеспечивается уменьшение габаритов и металлоемкости реактора.

Пример 5 То же, что и в любом из предыдущих примеров. Ввод исходной реакционной смеси осуществляют во внешнее пространство опорно-распределительного устройства, а вывод прореагировавшей реакционной смеси - из внутреннего пространства опорно-распределительного устройства.

По сравнению со способом прототипа снижается гидравлическое сопротивление слоя катализатора потоку реакционной смеси, упрощается процедура установки и замены катализатора, обеспечивается уменьшение габаритов и металлоемкости реактора.

Пример 6 То же, что и в любом из предыдущих примеров. Катализатор размещают на полностью проницаемой для реакционной смеси боковой поверхности опорно-распределительного устройства.

По сравнению со способом прототипа снижается гидравлическое сопротивление слоя катализатора потоку реакционной смеси, упрощается процедура установки и замены катализатора, обеспечивается уменьшение габаритов и металлоемкости реактора.

Формула изобретения

1. Способ проведения гетерогенных каталитических реакций, включающий в себя пропускание реакционной смеси через реактор, содержащий хотя бы один слой гибкого волокнистого катализатора, отличающийся тем, что пропускают либо газообразную, либо жидкую, либо газожидкостную реакционную смесь, внутри реактора располагают хотя бы одно опорно-распределительное симметричное устройство, осевая линия которого либо совпадает с направлением движения потока реакционной смеси, либо отклоняется от него на угол не более 30^o, обеспечивают движение реакционной смеси в данной части реактора исключительно через проницаемые части указанного устройства, при этом ввод исходной реакционной смеси осуществляют во внутреннее пространство опорно-распределительного устройства, а вывод прореагировавшей реакционной смеси осуществляют из внешнего пространства этого устройства либо в противоположном направлении, а катализатор устанавливают на частично или полностью проницаемой для потока реакционной смеси боковой поверхности устройства.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что устанавливают опорно-распределительное устройство, выполненное в виде пустотелого цилиндра с проницаемыми боковыми стенками и заглушенной торцевой частью.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что устанавливают опорно-распределительное устройство, выполненное в виде пустотелого полного или усеченного конуса с проницаемыми боковыми стенками.

4. Способ по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что располагают опорно-распределительные устройства последовательно и/или параллельно относительно направления движения реакционной смеси.

РИСУНКИ

Рисунок 1