КАТАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОГО ГИДРИРОВАНИЯ АЦЕТИЛЕНОВ В СРЕДЕ ОЛЕФИНОВ И ДИОЛЕФИНОВ

Полезная модель относится к области химии, а именно к устройствам и системам для проведения гетерогенных каталитических реакций селективного гидрирования ацетиленов в среде диолефинов и может применяться для очистки ценных видов олефинового и диолефинового сырья (этилена от ацетилена, пропилена от метилацетилена, бутадиена от винилацетилена, изопрена от изопропилацетилена и пр.).
Известен ряд каталитических систем, выполненных на основе гибких структурированных микроволокнистых носителей, в частности - стеклотканей, применение которых в указанных каталитических реакциях 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.
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 (Патент РФ №2200622, МПК B01J 8/04, приоритет от
2002.02.26, опубл. 2003.03.20). Система отличается компактностью, низким гидравлическим сопротивлением и высокой эффективностью осуществления реакции.
Недостатками этой системы являются: недостаточно высокая в ряде случаев конверсия ацетиленов из-за 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 каталитических реакций селективного гидрирования ацетиленов, обеспечивающую высокую эффективность и селективность протекания каталитических реакций гидрирования при сохранении компактности системы, низкого гидравлического сопротивления слоя катализатора потоку реакционной смеси 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 селективного гидрирования ацетиленов в среде олефинов и диолефинов, 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 располжен между витками спирали, обеспечивая расстояние между ними от 0.5 до 10 мм. При осуществлении 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 структурообразующий элемент выполнен в виде гибкой сетки 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 она обеспечивает возможность эффективного проведения гетерогенных каталитических реакций селективного гидрирования 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 - 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 полотна 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 полотном каталитического материала. 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 полотна каталитического материала в условиях внешних механических нагрузок на систему. Для проведения каталитической реакции
реакционную смесь олефинов или диолефинов с водородом пропускают через описанную систему в направлении, совпадающем с осью системы.
Для обеспечения эффективного проведения гетерогенных каталитических реакций селективного гидрирования ацетиленов с достижением высокой степени превращения исходных ацетиленов с максимальной селективностью в компактных реакторах полотно каталитического материала выполнено 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 полотна 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 селективного гидрирования ацетиленов, низкое гидравлическое сопротивление системы потоку реакционной смеси при обеспечении равномерного распределения потока реакционной смеси по сечению 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. 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 системы.
Пример 1
-1
Каталитическая система для осуществления гетерогенных реакций селективного гидрирования ацетиленов выполнена из стеклотканного палладиевого полотна каталитического материала с шириной полотна 20 см и толщиной около 1 мм и 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.