КАТАЛИТИЧЕСКИЙ БЛОК И КАТАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ГЕТЕРОГЕННО-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. (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 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 (Патент РФ №2200622, МПК B01J 8/04, приоритет от 2002,02.26, опубл. 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 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.
Известен каталитический блок, состоящий из гибкого микроволокнистого каталитического материала, в виде плоских полотен либо тканных, либо плетеных либо прессованных, и структурообразующего элемента, который при формировании каталитического материала в виде спирали, и расположении структурообразующего элемента между витками спирали, образуют спиралевидную каталитическую систему для осуществления гетерогенных реакций в движущемся реакционном потоке (Патент РФ на полезную модель №66975, МПК B01J 8/00, приоритет от 2007.04.12, опубл. 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 являются технические сложности, возникающие при ее использовании в каталитических реакторах с большим внутренним диаметром. В таких реакторах возможно использование одной такой системы, внешний диаметр которой равен внутреннему диаметру реактора, однако, изготовление, транспортировка и загрузка такой системы в реактор может представлять значительные технические затруднения, возрастающие по мере роста размера реактора. С другой стороны, в таких реакторах принципиально возможно формирование большой каталитической системы из множества единичных каталитических блоков небольшого размера. В этом случае недостатком известной системы является ее цилиндрическая внешняя форма, которая при формировании больших систем в реакторе приводит к неизбежному возникновению пустых проходов в упаковке. Объем таких проходов может достигать 40-50% от общего объема сформированной большой системы, что приводит к ее недостаточной компактности. При этом возникает необходимость герметизации этих проходов для предотвращения проскоков реакционного потока мимо каталитических блоков, что весьма существенно осложняет процедуру их загрузки и выгрузки в каталитических реакторах.
Перед авторами ставилась задача разработать простой по конструкции каталитический блок для осуществления гетерогенных реакций, обеспечивающий 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.
Поставленная задача решается тем, что в каталитическом блоке для осуществления гетерогенно-каталитических реакций в движущемся реакционном потоке, состоящий 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, слои гибкого каталитического материала и структурообразующего элемента расположены относительно друг друга на расстоянии 1-20 мм, образуя при этом в совокупности призму, основание которой перпендикулярно направлению расположения слоев. При этом структурообразующий элемент выполнен в виде гибкой равномерно гофрированной ленты либо равномерно гофрированной сетки, либо гибкой сетки объемного плетения, основание образованной призмы имеет либо треугольную, либо квадратную, либо прямоугольную, либо ромбовидную, либо шестиугольную форму, микроволокнистый каталитический материал выполнен на основе стеклотканевого носителя. Каталитическая система для осуществления гетерогенных реакций в движущемся реакционном потоке, может выполняться из таких каталитических блоков, плотно упакованных боковыми гранями друг к другу, и ориентированных относительно движущегося реакционного потока таким образом, чтобы он двигался внутри каждого каталитического блока в направлении, параллельном его боковым граням.
Технический эффект заявляемой полезной модели заключается в том, что обеспечивается возможность компактного и технологически простого формирования каталитических систем в больших каталитических реакторах из единичных блоков относительно небольшого размера, удобного для изготовления, транспортировки и загрузки, при сохранении высокой эффективности протекания реакций, низкого гидравлического сопротивления каталитической системы потоку реакционной смеси.
Система поясняется чертежами, фиг.1, изображен общий вид каталитического блока с прямоугольным основанием призмы, а также примеры форм основания получаемых призм, где 1 - полотно катализатора, 2 - структурообразующий элемент. На фиг.2 приведены примеры формирования большой каталитической системы из описанных каталитических блоков.
Каталитический блок состоит из слоев гибкого микроволокнистого каталитического материала 1, в виде плоских либо тканных, либо плетеных либо прессованных полотен, между которыми расположены слои структурообразующего элемента 2, которые обеспечивает необходимое расстояние между слоями каталитического полотна для прохода реакционной смеси при сохранении равномерности этого расстояния по сечению каталитического блока. Оптимальным расстоянием между слоями является диапазон 1-20 мм. При расстоянии между слоями менее 1 мм может существенно возрастать гидравлическое сопротивление каталитического блока, при увеличении расстояние свыше 20 мм может ухудшаться массоперенос реагентов к поверхности катализатора, что негативно скажется на эффективности осуществления реакции. В качестве 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.
Каталитическая система выполнена из необходимого для проведения реакции и плотного заполнения объема реактора количества блоков, плотно упакованных боковыми гранями друг к другу, и ориентированных относительно движущегося реакционного потока таким образом, чтобы он двигался внутри каждого каталитического блока в направлении, параллельном его боковым граням. При этом использование блоков призматической формы Фиг.2 (а) и фиг.2 (б) позволяет обеспечивать существенно более высокую компактность их упаковки и минимизацию проходов, подлежащих герметизации, чем в случае использования известных блоков цилиндрической формы Фиг.2 (г). Особо заметный выигрыш по плотности и компактности упаковки призматических блоков по сравнению с цилиндрическими блоками может достигаться в реакторах с прямоугольным сечением Фиг.2 (в).
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. Кроме того, применение описанных блоков позволяет проводить каталитическую реакцию в компактном реакторе с весьма малыми габаритами и металлоемкостью. При этом также обеспечивается механическая стабильность каталитических систем, позволяющая располагать их в любой геометрической ориентации (вертикально, горизонтально и пр.), что существенно расширяет возможности их практического применения.