Каталитический блок 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 раде каталитических реакций является чрезвычайно перспективным (Пат. РФ №№2069584, B01J 23/38, B01J 23/70, 1996.11.27; 2289565, С07С 7/167, 2006.12.20; 2252208, С07С 19/01, С07С 19/045, 2005.05.20; 2250890, С07С 17/10, С07С 19/01, 2005.04.27; 2250891, С07С 21/06, С07С 17/25, 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 конверсий исходных реагентов и селективностей превращения) в движущемся газовом, жидкостном или газожидкостном реакционном потоке при минимальных габаритах контактного устройства (реактора) и минимальном гидравлическом сопротивлении реакционному потоку.
Известно устройство для проведения гетерогенных каталитических реакций, содержащее корпус прямоугольного сечения, внутри которого расположена камера горения с горелкой и патрубком для подвода вентиляционных выбросов, камера дожига с каталитическим элементом, каталитический элемент выполнен из нескольких слоев стекловолокнистой ткани, активированной металлами и/или их оксидами, которые протянуты через стержни, закрепленные в корпусе в два ряда в шахматном порядке (Пат. РФ №2171430, F23G 7/06, 27.07.2001). Такое расположение катализатора позволяет обеспечить относительную компактность устройства при сохранении низкого гидравлического сопротивления слоя катализатора потоку реакционной смеси.
Недостатком этого устройства 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 устройства достаточно велики.
Известна также 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 являются низкая в ряде случаев эффективность протекания реакций из-за с недостаточно равномерного распределения реакционного потока по сечению слоя, а также из-за возможности диффузионного проскока реагентов, связанной с малой толщиной слоя катализатора (реализация режима идеального смешения). Кроме того, такая система недостаточно компактна.
Известна каталитическая система (каталитический блок) для осуществления гетерогенных реакций в движущемся реакционном потоке, состоящая из гибкого микроволокнистого каталитического материала, в виде плоских полотен либо тканых, либо плетеных, либо прессованных, и структурообразующего элемента, в которой каталитический материал сформирован в виде спирали, а структурообразующий элемент расположен между витками спирали, обеспечивая расстояние между ними от 0.5 до 10 мм (Пат. РФ №66975, B01J 8/00, 2007.10.10). Применение описанного блока обеспечивает высокую эффективность протекания каталитических реакций, низкое гидравлическое сопротивление системы потоку реакционной смеси при обеспечении равномерного распределения потока реакционной смеси по сечению системы и предотвращении диффузионных проскоков реагентов через слой катализатора.
К недостаткам такого блока можно отнести его недостаточную механическую стабильность. В частности, при использовании в качестве структурообразующего элемента гофрированной металлической- сетки, слои гибкого катализатора могут принимать форму структурирующих гофров, в результате блок будет складываться с потерей высоты части или всех каналов, что будет нарушать его геометрическую однородность, изменять его внешние габариты и негативно влиять на его гидравлическое сопротивление.
Наиболее близким является каталитический блок, для осуществления гетерогенных реакций в движущемся реакционном потоке, состоящий из попеременно чередующихся слоев гибкого микроволокнистого каталитического материала, в виде тканых, либо плетеных либо прессованных плоских полотен, и слоев проницаемого для реакционного потока объемного структурообразующего элемента, образуя при этом в совокупности цилиндр, основание которого перпендикулярно направлению расположения слоев, который содержит попеременно чередующиеся со слоями каталитического материала слои основных объемных структурообразующих элементов высотой 1-20 мм и дополнительные плоские структурообразующие элементы толщиной 0.1-3 мм (Пат. РФ №176547 B01J 8/00, 23.01.2018). Технический эффект заявляемой полезной модели заключается в том, что обеспечивается высокая механическая стабильность блока, при этом сохраняются все его исходные достоинства.
К недостаткам такого блока относится то, что для реакционного потока доступна только одна, внешняя, сторона поверхности каталитического материала, омываемая потоком со стороны объемного структурообразующего элемента, с противоположной, внутренней, стороны поток частично или полностью блокируется плоским структурообразующим элементом.
Полезная модель решает техническую проблему разработки простой конструкции каталитического блока для осуществления гетерогенных реакций.
Технический результат - высокая механическая стабильность, которая обеспечивает возможность компактного и технологически простого формирования каталитических систем в больших каталитических реакторах, повышенной доступностью поверхности катализатора для реакционного потока, при сохранении низкого гидравлического сопротивления каталитической системы потоку реакционной смеси.
Техническая проблема решается тем, что предложен каталитический блок для осуществления гетерогенных реакций в движущемся реакционном потоке, состоящий из попеременно чередующихся слоев гибкого микроволокнистого каталитического материала, в виде тканых плоских полотен, и слоев объемных структурообразующих элементов, проницаемых для реакционного потока, образуя при этом в совокупности цилиндр, основание которого перпендикулярно направлению расположения слоев, который содержит попеременно чередующиеся со слоями каталитического материала слои основных объемных структурообразующих элементов высотой 1-20 мм и вспомогательных объемных структурообразующих элементов высотой 0.1-3 мм.
За счет формирования дополнительных каналов для прохода потока со стороны вспомогательных объемных структурообразующих элементов обеспечивается повышенная доступность обеих сторон каталитического материала для реакционного потока, обеспечивающая более высокую эффективность протекания каталитической реакции, при этом сохраняются все исходные достоинства каталитического блока.
Система поясняется чертежом, на котором изображен общий вид каталитического блока цилиндрической формы, где: 1 - полотно катализатора, 2 - основной объемный структурообразующий элемент, 3 - вспомогательный объемный структурообразующий элемент.
Каталитический блок состоит из слоев гибкого микроволокнистого каталитического материала 1 в виде плоских тканых полотен, между которыми расположены слои основного структурообразующего элемента 2, которые обеспечивает необходимое расстояние между слоями каталитического полотна для прохода реакционной смеси при сохранении равномерности этого расстояния по сечению каталитического блока, а также вспомогательные объемные структурообразующие элементы 3, обеспечивающие как механическую прочность и стабильность блока, так и повышенную доступность обращенной к ним внутренней поверхности каталитического материала.
Оптимальная высота основного структурообразующего элемента лежит в диапазоне 3-20 мм. При высоте менее 3 мм может существенно возрастать гидравлическое сопротивление каталитического блока, при увеличении высоты свыше 20 мм может ухудшаться массоперенос реагентов к поверхности катализатора, что негативно скажется на эффективности осуществления реакции. В качестве основного структурообразующего элемента возможно использование гибкое гофрированной ленты. Более предпочтительно использование проницаемой гофрированной ленты (сетки), которая обеспечит возможность перераспределения реакционного потока между каналами гофра и тем самым повысит эффективность массообмена и улучшит равномерность распределения реакционного потока по сечению каталитического блока. Также возможно использование сеток объемного плетения, которые способны обеспечивать необходимые расстояния между слоями каталитического полотна в условиях внешних механических нагрузок на каталитический блок.
Оптимальная высота вспомогательных объемных структурообразующих элементов составляет 1-3 мм. При высоте менее 1 мм улучшение доступности внутренней поверхности каталитического материала может оказаться недостаточной, при высоте более 3 мм эти элементы будут занимать слишком большую часть объема блока, тем самым снижая его эффективность. Для изготовления вспомогательных объемных структурообразующих элементов могут использоваться плоские металлические ленты и сетки.
Применение описанных блоков позволяет формировать слои катализаторов произвольной формы и размера с высокой механической стабильностью и устойчивостью к механическим и температурным шокам. В таких слоях, за счет повышенной доступности обеих сторон каталитического материала для реакционного потока, будет стабильно обеспечиваться высокая эффективность протекания каталитических реакций. При этом будет сохраняться низкое гидравлическое сопротивление потоку реакционной смеси при обеспечении равномерного распределения потока реакционной смеси по сечению слоев и предотвращении диффузионных проскоков реагентов. Применение описанных блоков позволяет проводить каталитические реакции в компактных реакторах с весьма малыми габаритами и металлоемкостью.
Существенным отличительным признаком предлагаемого блока является использование вспомогательного объемного структурообразующего элемента.
Сущность полезной модели иллюстрируется следующим примером и Фиг.
Пример
Каталитический блок для осуществления гетерогенных каталитических реакций состоит из попеременно чередующихся слоев гибкого каталитического материала на основе стекловолокнистого носителя в виде тканых плоских полотен и структурирующих элементов, образуя при этом в совокупности цилиндр диаметром 160 мм и высотой 160 мм, основание которого перпендикулярно направлению расположения слоев. При этом используются два попеременно чередующихся типа структурирующих элементов: слои гофрированной металлической сетки с высотой гофра 5 мм и гофрированной металлической сетки с высотой гофра 1.5 мм.
Слои гофрированных сеток высотой 5 мм образуют регулярно расположенные основные каналы для прохода реакционного потока вдоль поверхности каталитических полотен. При этом такие каналы имеют одинаковую высоту (~5 мм), что обуславливает геометрическую однородность блока, высокую эффективность массопереноса реагентов из потока к поверхности катализаторов и низкое; гидравлическое сопротивление. Гофрированные металлические сетки высотой гофра 1.5 мм образуют дополнительные каналы для обеспечения доступности внутренней поверхности каталитического материала, при этом они также обеспечивают механическую стабильность и прочность блока, его долговременную устойчивость при механических и термических нагрузках.
3
На блоке такой конструкции проводят реакцию глубокого окисления толуола в воздухе на платиновом стекловолокнистом катализаторе. При температуре 300°С, исходной концентрации толуола в воздухе 100 ррм и расходе реакционной смеси 1.5 м/мин наблюдается степень превращения толуола 63%.
В аналогичном блоке, в котором в качестве вспомогательных структурообразующих элементов используется плоская металлическая сетка толщиной 1.5 мм, при тех же условиях конверсия снижается до 40%, из-за малой доступности внутренней стороны каталитического материала для реакционного потока.