КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КАРТРИДЖ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ КАТАЛИТИЧЕСКИХ 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, B01J 23/70, 1996.11.27; №2289565, C07C 7/167, 2006.12.20; №2252208, C07C 19/01, C07C 19/045; 2005.05.20, №2250890, C07C 17/10, C07C 19/01, 2005.04.27; №2250891, 07C 21/06, C07C 17/25, 2005.04.27; №2252915, C01B 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 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 дожита 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 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 (Пат. РФ №2200622, B01J 8/04, 2003.03.20). Система отличается низким гидравлическим сопротивлением и высокой эффективностью осуществления реакции.
Недостатками этой системы являются недостаточную 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, такая система недостаточно компактна.
Известна каталитическая система 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 на полезную модель №66975, B01J 8/00, 2007.10.10). 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.
Недостатком этой системы является цилиндрическая внешняя форма таких систем, которая при формировании больших слоев катализатора из множества таких систем приводит к неизбежному возникновению пустых проходов между ними. Объем таких проходов может достигать 40-50% от общего объема сформированного слоя катализатора, что приводит к его недостаточной компактности. Кроме того, при этом возникает необходимость герметизации этих проходов для предотвращения проскоков реакционного потока мимо каталитических систем, что весьма существенно осложняет процедуру загрузки и выгрузки катализатора в каталитических реакторах.
Каталитическая система для осуществления гетерогенных реакций в движущемся реакционном потоке, состоящая 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 она выполнена в форме призмы многоугольного сечения, в которой слои гибкого каталитического материала и структурообразующего элемента расположены перпендикулярно сечению системы на расстоянии 1-20 мм друг от друга (Пат. РФ на полезную модель №101652, B01J 8/00, 2011.01.27). Такие системы отличаются большей плотностью упаковки, возможностью проводить каталитическую реакцию в компактном реакторе с весьма малыми габаритами и металлоемкостью. При этом также обеспечивается механическая стабильность слоя катализатора, позволяющая располагать системы в любой геометрической ориентации (вертикально, горизонтально и пр.), что существенно расширяет возможности их практического применения.
Недостатком таких систем их недостаточно низкое гидравлическое сопротивление при высоких скоростях реакционного потока, а также риск забивки картриджей твердыми механическими примесями при их работе в сильно загрязненных потоках.
Полезная модель решает задачу разработки каталитического картриджа для осуществления гетерогенных реакций с катализатором на основе микроволокнистого носителя, обеспечивающего возможность компактной и технологически простой упаковки катализатора в больших слоях катализатора, при сохранении высокой эффективности протекания каталитических реакций, низкого гидравлического сопротивления слоя катализатора потоку реакционной смеси и предотвращения забивки твердыми механическими примесями при их работе в сильно загрязненных реакционных потоках.
Задача решается тем, что каталитический картридж для осуществления гетерогенных каталитических реакций с катализатором на основе микроволокнистого носителя состоит из одного и более каталитических элементов, в каждом из которых катализатор расположен между двумя параллельными слоями структурирующей металлической сетки со свободным сечением прохода не менее 10%.
При этом используемый в нем катализатор может быть выполнен на основе стеклянных либо металлических, либо углеродных, либо минеральных, либо полимерных микроволокон, либо их различных комбинаций.
Каталитические элементы в картридже могут выполняться в форме плоских прямоугольников либо многоугольников, либо кругов, либо овалов.
Кроме того, элементы могут иметь форму призмы с треугольным, прямоугольным или многоугольным сечением, либо форму цилиндров или спиралей, в которых катализатор расположен перпендикулярно плоскости основания призмы.
Картридж может включать каталитические элементы, имеющие форму цилиндров, овалов или спиралей, в которых катализатор расположен перпендикулярно плоскости их основания.
Картридж может включать параллельные структурирующие слои плоской либо гофрированной металлической сетки, либо металлической сетки объемного плетения, либо их различных комбинаций.
Технический результат полезной модели заключается в том, что описанные элементы позволяют формировать картриджи без дополнительных внутренних структурирующих конструкций, а также с большими каналами для прохода реакционной смеси, что обеспечивает чрезвычайно низкое гидравлическое сопротивление картриджей, а также возможность их применения в сильно загрязненных реакционных потоках без риска их забивки твердыми механическими примесями.
Полезная модель поясняется чертежом Фиг. 1, на котором изображены варианты конструкций описанного картриджа.
На Фиг. 1а изображены каталитические элементы, выполненные из слоя каталитической микроволокнистой стеклоткани и двух параллельных слоев структурирующей гофрированной и плоской металлической сетки.
На Фиг. 1б показана пример комбинации таких плоских и гофрированных элементов, составляющих каталитический картридж.
Каталитический картридж также может представлять собой призматическую структуру, состоящую из призматических элементов треугольной (Фиг. 1в) и трапециевидной (Фиг. 1г) формы.
Возможно формирование цилиндрического картриджа с элементами в виде плоских параллельных пластин (Фиг. 1д), концентрических цилиндров (Фиг. 1е), спиралей (Фиг. 1ж) и комбинации перпендикулярно расположенных плоских пластин (Фиг. 1з).
Описанный подход к формированию каталитических картриджей также позволяет создать большое число прочих конструкций.
Важным достоинством картриджей является возможность компактной и технологически простой упаковки катализатора на основе микроволокнистого носителя в каталитических реакторах любого размера и любой геометрии.
Для обеспечения эффективного проведения гетерогенных каталитических реакций с достижением высокой степени превращения компонентов исходной реакционной смеси в компактных реакторах катализатор может 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, Пат. US №3929671; Пат. РФ №№2069584, 2289565, 2252208, 2250890, 2250891, 2252915 и др.).
Применение описанного картриджа обеспечивает высокую эффективность протекания каталитических реакций, низкое гидравлическое сопротивление картриджа потоку реакционной смеси и минимальный риск его забивки твердыми механическими примесями при использовании в сильно загрязненных реакционных потоках, при обеспечении равномерного распределения потока реакционной смеси по сечению картриджа и предотвращении диффузионных проскоков реагентов через слой катализатора.
Кроме того, применение описанных картриджей позволяет проводить каталитическую реакцию в компактном реакторе с весьма малыми габаритами и металлоемкостью. При этом также обеспечивается механическая стабильность слоя катализатора, позволяющая располагать картриджи в любой геометрической ориентации (вертикально, горизонтально и пр.), что существенно расширяет возможности их практического применения, а также дающая возможность формировать упаковки катализатора любого размера и любой геометрии.