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. (Патент РФ №2069584, МПК B01J 23/38, B01J 23/70, приоритет от 1994.11.24, опубл. 1996.11.27, Патент РФ №2289565, МПК С07С 7/167, приоритет от 2005.11.09, опубл. 2006.12.20, Патент РФ №2252208, МПК С07С 19/01, С07С 19/045, приоритет от 2003.12.26, опубл. 2005.05.20, Патент РФ №2250890, МПК С07С 17/10, С07С 19/01, 2003.12.26, опубл. 2005.04.27, Патент РФ №2250891, МПК С07С 21/06, С07С 17/25, приоритет от 2003.12.26, опубл. 2005.04.27, Патент РФ №2252915, МПК С01В 17/78, B01J 23/56, приоритет от 2003.12.26, опубл. 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.
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 (Патент РФ №2171430, МПК F23G 7/06, приоритет от 21.03.2000, опубл.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 недостаточно низки.
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 (Патент РФ №2200622, МПК B01J 8/04, приоритет от 2002.02.26, опубл. 2003.03.20). Система отличается компактностью, низким гидравлическим сопротивлением и высокой эффективность осуществления реакции.
Недостатками этой системы являются невысокая в ряде случаев эффективность протекания реакций из-за с недостаточно равномерного распределения реакционного потока по площади слоя, а также из-за возможности диффузионного проскока реагентов, связанной с малой толщиной слоя катализатора (реализация режима идеального смешения). Кроме того, при больших скоростях движения потока гидравлическое сопротивление системы оказывается недостаточно низким.
Перед авторами ставилась задача разработать каталитическую систему для осуществления гетерогенных реакций, обеспечивающую высокую эффективность протекания каталитических реакций при сохранении низкого гидравлического сопротивления слоя катализатора потоку реакционной смеси при малых размерах реактора и предотвращающую возможность диффузионного проскока реакционной смеси через слой катализатора, при условии обеспечения механической стабильности слоя катализатора.
Указанная задача решается тем, что в каталитической системе для осуществления гетерогенных реакций в движущемся реакционном потоке,
состоящей из гибкого микроволокнистого каталитического материала, в виде плоских полотен либо тканных, либо плетеных либо прессованных, и структурообразующего элемента, микроволокнистый каталитический материал выполнен в виде спирали, а структурообразующий элемент расположен между витками спирали, обеспечивая расстояние между ними от 0.5 до 10 мм. При осуществлении гетерогенной реакции каталитическая система расположена соосно направлению движения потока реакционной смеси. При этом структурообразующий элемент может быть выполнен либо в виде гибкой равномерно гофрированной ленты, либо в виде гибкой равномерно гофрированной сетки, либо в качестве структурообразующего элемента используют гибкую сетку объемного плетения, а микроволокнистый каталитический материал может быть выполнен в виде катализатора на основе стеклотканевого носителя.
Технический эффект заявляемой полезной модели заключается в том, что обеспечивает возможность 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.
Система поясняется чертежом фиг.1, на котором изображено поперечное сечение системы, перпендикулярное оси системы, где 1 - гибкий микроволокнистый каталитический материал, 2 - структурообразующий элемент.
Каталитическая система состоит из гибкого микроволокнистого каталитического материала 1, в виде плоских либо тканных, либо плетеных либо прессованных полотен, скрученного в спираль, причем между витками спирали расположен структурообразующий элемент 2, который обеспечивает необходимое расстояние между слоями каталитического материала при сохранении равномерности этого расстояния по радиусу системы. Оптимальным расстоянием между слоями является диапазон 0.5-10 мм. При расстоянии между слоями менее 0.5 мм может существенно возрастать гидравлическое сопротивление системы, при увеличении расстояние свыше 10 мм может ухудшаться массоперенос реагентов к поверхности катализатора, что негативно скажется на эффективности осуществления реакции. В качестве
структурообразующего элемента возможно использование гибкой гофрированной ленты, скручиваемой в спираль вместе с гибкого микроволокнистым каталитическим материалом. 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 системы. Также возможно использование сеток объемного плетения, которые способны обеспечивать необходимые расстояния между слоями каталитического полотна в условиях внешних механических нагрузок на систему. Для проведения каталитической реакции реакционную смесь пропускают через описанную систему в направлении, совпадающем с осью системы.
Важным достоинством системы является возможность формирования каталитических слоев с высокой протяженностью в направлении движения реакционной смеси и тем самым реализовать режим идеального вытеснения, исключив диффузионный проскок реагентов, что необходимо для достижения высокой конверсии исходных реагентов.
Для обеспечения эффективного проведения гетерогенных каталитических реакций с достижением высокой степени превращения компонентов исходной реакционной смеси в компактных реакторах катализатор выполнен в виде гибкого микроволокнистого материала, сформированного в виде гибких микроволокнистых структур. Такие структуры, выполненные в виде тканных, плетенных 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; патентам РФ №№2069584, 2289565, 2252208, 2250890, 2250891, 2252915 и др.).
Применение описанной системы 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. Кроме того, применение системы 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
-1
Каталитическая система для осуществления гетерогенных реакций выполнена из стеклотканного платинового каталитического материала с шириной полотна 20 см и толщиной около 1 мм и структурообразующего элемента в виде металлической гофрированной ленты шириной 20 см и равномерным треугольным гофром с высотой гофра 3 мм, причем стеклоткань и лента скручены вместе в спираль, как это изображено на фиг.1. Через систему пропускают дизельные выхлопы в направлении, совпадающем с осью системы. Температура выхлопов 350-400°С, объемная скорость подачи 30 тыс. час. Достигается степень дожига СО и углеводородов в выхлопах на уровне 90-95% при стабильном гидравлическом сопротивлении системы не выше 4000 Па.
В аналогичных условиях в системе по патенту РФ №2200622 наблюдается аналогичная степень дожига при гидравлическом сопротивлении не ниже 5500 Па с тенденцией к росту из-за отложения частиц дизельной сажи.
Пример 2.
То же, что и в примере 1, но высота гофра составляет 0.4-0.5 мм, Наблюдается гидравлическое сопротивление, превышающее 10000 Па.
Пример 3.
То же, что и в примере 1, но высота гофра составляет 10-12 мм, Наблюдается снижение степени дожига до 70-80%.
Пример 4.
То же, что и в примере 1, но в качестве структурообразующего элемента используют гофрированную металлическую сетку. Степень дожига возрастает до 97-98%.
Пример 5.
То же, что и в примере 1, но в качестве структурообразующего элемента используют металлическую сетку объемного плетения с внешней толщиной 5 мм. Наблюдается степень дожига 92-96% при стабильном гидравлическом сопротивлении не выше 4000 Па.
Пример 6.
-1
Каталитическую систему для осуществления гетерогенных реакций выполнена из стеклотканного палладиевого каталитического материала с шириной полотна 20 см и толщиной около 1 мм и структурообразующего элемента в виде металлической гофрированной сетки шириной 20 см и равномерным треугольным гофром с высотой гофра 3 мм, скручивая вместе стеклоткань и ленту в спираль, как это изображено на фиг.1. Производят очистку бутадиена от винилацетилена, для чего через систему пропускают газожидкостную смесь, содержащую бутадиен с примесями винилацетилена (до 1.5% масс.) и водород (в мольном соотношении водород/винилацетилен = 2.0) при удельной весовой скорости (в пересчете на катализатор) 10 час, давлении 6 атм и температуре около 40°С. Достигается остаточная концентрация винилацетилена не выше 1 ррм.
В аналогичных условиях в системе по патенту РФ №2200622 наблюдается остаточная концентрация винилацетилена до 5 ррм из-за диффузионного проскока винилацетилена.
Пример 7.
2
2
-1
Каталитическую систему по п.1 используют для окисления диоксида серы с использованием платинового каталитического материала по патенту РФ №2252915. Исходная температура реакционного газа 400°С, исходный состав 8-10% SO, 10% O, остальное - азот. При объемной скорости подачи 2000 часнаблюдается конверсия диоксида серы не ниже 70% и гидравлическое сопротивление не 500 Па.
Пример 8.
Каталитическую систему по п.1 используют для окисления хлорорганических отходов с использованием платинового каталитического материала по патенту РФ №2252208. Исходная смесь содержит пары
-1
дихлорэтана, винилхлорида, винилиденхлорида, хлорбензола в суммарной концентрации 1-2% об, в воздухе. Исходная смесь подается в систему с начальной температурой 350°С при объемной скорости 5000 час. Наблюдается полное окисление хлоруглеводородов в хлористый водород, углекислый газ и воду.