КАТАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ РЕАКЦИЙ

Полезная модель относится к области химии, а именно к устройствам и системам для 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 ряд каталитических систем, выполненных на основе гибких структурированных микроволокнистых носителей, в частности - стеклотканей, применение которых в ряде каталитических реакций является чрезвычайно перспективным. (Патенты РФ №2069584, B01J 23/38, 1996.11.27; №2289565, С07С 7/167, 2006.12.20; №2252208, С07С 19/01, 2005.05.20; №2250890, С07С 17/10, 2005.04.27; №2250891, С07С 21/06, 2005.04.27; №2252915, С01В 17/78, B01J 23/56, 2005.05.27).
В то же время, существует задача поиска оптимального способа расположения такого катализатора в реакционном объеме, обеспечивающего максимальную эффективность осуществления реакции (достижение высоких конверсии исходных реагентов и селективностей превращения) в движущемся газовом, жидкостном или газо-жидкостном реакционном потоке при минимальных габаритах контактного устройства (реактора) и минимальном гидравлическом сопротивлении реакционному потоку.
Известна каталитическая система с радиальным слоем стеклотканного материала, содержащая хотя бы один слой гибкого волокнистого катализатора и опорно-распределительное симметричное устройство, осевая линия которого либо совпадает с направлением движения потока реакционной смеси, либо отклоняется от него на угол не более 30°, где катализатор устанавливают на частично или полностью проницаемой для потока реакционной смеси боковой поверхности устройства (Пат. РФ №2200622, B01J 8/04, 2003.03.20). Система отличается низким гидравлическим сопротивлением и высокой эффективностью осуществления реакции.
Недостатками этой системы является возможность закупорки проходов в слоях катализатора механическими примесями, содержащимися в реакционном потоке, что может приводить к снижению эффективности работы системы вплоть до полной потери работоспособности, а также возможная осевая неоднородность распределения потока реакционной смеси.
Известен каталитический блок для осуществления гетерогенных реакций в движущемся реакционном потоке, состоящий из попеременно чередующихся слоев гибкого микроволокнистого каталитического материала, в виде тканных, либо плетеных либо прессованных плоских полотен, и слоев проницаемого для реакционного потока объемного структурообразующего элемента, отличающаяся тем, что слои гибкого каталитического материала и структурообразующего элемента расположены относительно друг друга на расстоянии 1-20 мм, образуя при этом в совокупности призму, основание которой перпендикулярно направлению расположения слоев. (Пат. РФ на полезную модель №101652, B01J 8/00, 2011.01.27). Применение описанного блока обеспечивает возможность компактного и технологически простого формирования каталитических систем различной геометрии в каталитических реакторах различного масштаба при сохранении высокой эффективности протекания каталитических реакций, относительно низкое гидравлическое сопротивление каталитической системы потоку реакционной смеси и снижение риска закупорки проходов в слоях катализатора механическими примесями.
Недостатком таких систем являются недостаточно низкое гидравлическое сопротивление при больших расходах реакционной смеси, а также возможное наличие неоднородностей распределения реакционного потока по сечению каталитической системы, снижающих эффективность ее работы.
Полезная модель решает задачу разработки простой и удобной в эксплуатации каталитической системы для осуществления гетерогенных реакций, обеспечивающей низкое гидравлическое сопротивление при больших расходах реакционной смеси, а также минимизацию неоднородностей распределения реакционного потока по сечению каталитической системы.
Задача решается предложенной каталитической системой для осуществления гетерогенных реакций в движущемся реакционном потоке, которая состоит из множества каталитических блоков призматического сечения с попеременно чередующимися слоями гибкого микроволокнистого каталитического материала, в виде тканных, либо плетеных либо прессованных плоских полотен, и слоями проницаемого для реакционного потока объемных структурообразующих элементов, выполненная, по меньшей мере, из одного осесимметричного кольца из каталитических блоков, ориентированных таким образом, что плоскости слоев гибкого микроволокнистого каталитического материала и слоев объемных структурообразующих элементов в блоках расположены по радиальным линиям параллельно оси симметрии кольца, а также из, по меньшей мере, одной непроницаемой для реакционного потока перегородки, перекрывающей внутреннее сечение кольца из блоков, перекрывающей внутреннее сечение кольца из блоков в плоскости, перпендикулярной оси симметрии кольца. При этом объемный структурообразующий элемент может быть выполнен в виде металлической равномерно гофрированной сетки либо металлической сетки объемного плетения, а микроволокнистый каталитический материал может быть выполнен на основе стеклотканевого носителя. Каталитическая система может быть выполнена из двух и более осесимметричных колец из каталитических блоков, последовательно расположенных вдоль общей оси симметрии.
Технический результат полезной модели заключается в том, что радиальное расположение каталитических блоков позволяет формировать компактную каталитическую систему с большим сечением для прохода реакционного потока, что обеспечивает снижение скорости потока внутри блоков и соответствующее снижение гидравлического сопротивления каталитической системы потоку реакционной смеси. Ориентация плоскостей слоев гибкого микроволокнистого каталитического материала и слоев объемных структурообразующих элементов в блоках по радиальным линиям параллельно оси симметрии кольца обеспечивает перераспределение потоков внутри блоков по оси системы и, таким образом, позволяет минимизировать неоднородности распределения потока по объему каталитической системы даже при наличии существенной осевой неоднородности распределения потока по осевой координате системы.
Каталитическая система поясняется Фиг., на которой 1, 2, 3 - осесимметричные кольца из каталитических блоков, 4 - каталитические блоки, 5 - ось симметрии, 6 - непроницаемая перегородка, 7 - слои гибкого микроволокнистого каталитического материала, 8 - слои объемных структурообразующих элементов. Стрелками показаны линии движения реакционного потока.
Более подробно на Фиг. изображен пример каталитической системы, состоящей из трех горизонтально расположенных осесимметричных колец из каталитических блоков 1-3, каждое из которых состоит из восьми каталитических блоков прямоугольного сечения 4. Кольца расположены последовательно одно над другим вдоль общей вертикальной оси симметрии 5. Внутреннее сечение нижнего кольца в плоскости, перпендикулярной оси симметрии кольца, снизу перекрыто непроницаемой для реакционного потока перегородкой 6. Плоскости слоев гибкого микроволокнистого каталитического материала 7 и слоев объемных структурообразующих элементов 8 в блоках расположены вертикально, параллельно осевой линии, по радиальным линиям от оси симметрии к внешней части системы. Реакционный поток может подаваться сверху во внутреннюю часть системы, после чего он проходит в горизонтальном направлении сквозь каталитические блоки через проходы, образованные слоями проницаемого для реакционного потока объемных структурообразующих элементов, где поток контактирует с микроволокнистым катализатором. Прореагировавший поток выходит с внешней стороны системы.
Расположение каталитических блоков в несколько слоев в форме радиальных колец позволяет сформировать каталитическую систему с большим боковым сечением для прохода реакционного потока, что обеспечивает снижение скорости потока внутри блоков и соответствующее снижение гидравлического сопротивления каталитической системы потоку реакционной смеси. Известно, что гидравлическое сопротивление каталитических блоков потоку, движущемуся в любом направлении вдоль поверхности объемных структурообразующих элементов является относительно невысоким по сравнению с сопротивлением при течении потока сквозь слои структурообразующих элементов и слои катализатора. По этой причине, вертикальное расположение указанных слоев по радиальным направляющим обеспечивает не только горизонтальное течение потока сквозь каталитический блок с минимальным гидравлическим сопротивлением, но также и возможность вертикального перераспределения потока внутри блоков при наличии вертикальной неоднородности потока на входе в блоки, типичной для радиальных каталитических систем, с соответствующим повышением однородности распределения потока по объему каталитической системы и общему повышению эффективности работы каталитической системы. При этом отсутствие неоднородности распределения потока по радиальным направляющим обеспечивается общей осевой симметричностью системы.
Применение описанной системы обеспечивает проведение гетерогенных каталитических реакций с высокой эффективностью, с минимальным гидравлическим сопротивлением и минимальным риском снижения работоспособности системы в результате закупорки проходов в слоях катализатора.