БЛОК ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКИХ 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 (Пат. РФ №2069584, B01J 23/38, B01J 23/70, 1996.11.27, Пат. РФ №2289565, С07С 7/167, 2006.12.20, Пат. РФ №2252208, С07С 19/01, С07С 19/045, 2005.05.20, Пат. РФ №2250890, С07С 17/10, С07С 19/01, 2005.04.27, Пат. РФ №2250891, С07С 21/06, С07С 17/25, 2005.04.27, Пат. РФ №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 является 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 тканных, 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.
Полезная модель решает задачу упрощения конструкции каталитического блока для осуществления гетерогенных реакций.
Техническая проблема - высокая механической стабильность блока, при этом сохраняются все его исходные достоинства, а именно возможность компактного и технологически простого формирования каталитических систем в больших каталитических реакторах при сохранении высокой эффективности протекания каталитических реакций, низкого гидравлического сопротивления каталитической системы потоку реакционной смеси.
Задача решается тем, что предложен каталитический блок для осуществления гетерогенных реакций в движущемся реакционном потоке, состоящий из попеременно чередующихся спиральных слоев гибкого микроволокнистого каталитического материала в виде тканных плоских полотен и слоев проницаемого для реакционного потока объемного структурообразующего элемента, образующих 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.
Система поясняется чертежом, на котором изображен общий вид каталитического блока цилиндрической формы, где: 1 - полотно катализатора, 2 - основной объемный структурообразующий элемент, 3 - дополнительный плоский структурообразующий элемент.
Каталитический блок состоит из слоев гибкого микроволокнистого каталитического материала 1 в виде плоских тканных полотен, между которыми расположены слои основного структурообразующего элемента 2, которые обеспечивают необходимое расстояние между слоями каталитического полотна для прохода реакционной смеси при сохранении равномерности этого расстояния по сечению каталитического блока, а также дополнительные плоские структурообразующие элементы 3, обеспечивающие механическую прочность и стабильность блока.
Оптимальная высота основного структурообразующего элемента лежит в диапазоне 1-20 мм. При высоте менее 1 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 гибкой 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 толщина дополнительных плоских структурообразующих элементов составляет 0.1-3 мм. При толщине менее 0.1 мм прочность этих элементов может оказаться недостаточной, при толщине более 3 мм расход материала на их создание может оказаться избыточно высоким, кроме того, в этом случае эти элементы будут занимать слишком большую часть объема блока, тем самым снижая его эффективность. Для изготовления дополнительных плоских 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 будет стабильно обеспечиваться высокая эффективность протекания каталитических реакций, 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 каталитическую реакцию в компактном реакторе с весьма малыми габаритами и металлоемкостью. Кроме того, механическая стабильность блоков позволяет располагать их в любой геометрической ориентации (вертикально, горизонтально и пр.), что существенно расширяет возможности их практического применения.
Пример
Каталитический блок для осуществления гетерогенных каталитических реакций состоит из попеременно чередующихся спиральных слоев гибкого каталитического материала на основе стекловолокнистого носителя в виде тканных плоских полотен, и структурирующих элементов, образуя при этом в совокупности цилиндр, основание которого перпендикулярно направлению расположения слоев и имеет диаметр 200 мм. При этом используются два попеременно чередующихся типа структурирующих элементов: слои объемной металлической сетки типа «рабица» с высотой гофра 10 мм и плоские металлические сетки толщиной 1 мм.
Комбинация гофрированных сеток и прилежащих к ним полотен катализаторов образует регулярно расположенные 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. Плоские металлические сетки между полотнами катализатора обеспечивают механическую стабильность и прочность блока, его долговременную устойчивость при механических и термических нагрузках.
В аналогичном блоке, не содержащем плоских металлических сеток, под внешними нагрузками в ходе эксплуатации может происходить «схлопывание» гофрированных сеток, приводящее к изменению внешних габаритов блока и его внутренней структуры. В таких блоках и слоях катализатора, сформированных из таких блоков, могут появляться зоны повышенной плотности, где катализатор становится малодоступным для реагентов, а также зоны проскока реакционного потока, что существенно снижает его эффективность.