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. (Пат. РФ №№2069584, B01J 23/38, 1996.11.27; 289565, С07С 7/167, 2006.12.20; 2252208, С07С 19/01, 2005.05.20; 2250890, С07С 17/10, 2005.04.27; 2250891, С07С 21/06, 2005.04.27; 2252915, С01В 17/78, B01J 23/56, 2005.05.27).
В то же время, актуальны задачи поиска как оптимальной структуры самого микроволокнистого материала, так и оптимального способа его расположения в реакционном объеме, обеспечивающие 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), его невысокой стоимостью и минимальном гидравлическом сопротивлении реакционному потоку.
Структурирование микроволокон катализатора в виде тканных или плетенных тканей обеспечивает высокую прочность и гибкость каталитического материала. Однако, в ходе реакции транспорт компонентов реакционной смеси ослабляется в зоне переплетения взаимно перекрывающих друг друга нитей катализатора. Учитывая, что на зоны такого переплетения приходится значительная часть (до 50% и более) поверхности каталитической ткани, это может приводить к ухудшению транспорта реагентов к поверхности каталитически активных микроволокон. Кроме того, при нанесении активного компонента на микроволокнистую ткань путем пропитки, большая часть пропиточного раствора может аккумулироваться за счет сил поверхностного натяжения как раз в зонах пересечения нитей, в результате чего большая часть активного компонента может оказаться сконцентрированной именно в наименее доступной для реагентов области каталитической ткани, что может привести к дальнейшему снижению эффективности использования активного компонента. В этой связи актуальна разработка новых геометрических форм микроволокнистых материалов, в которых пересечение нитей, состоящих из микроволокон, минимизируется или полностью исключается.
Известные микроволокнистые каталитические ткани могут быть структурированы в каталитические картриджи, содержащие дополнительные структурообразующие элементы.
В частности, известны каталитические системы для осуществления гетерогенных реакций в движущемся реакционном потоке, состоящие из гибкого микроволокнистого каталитического материала, в виде плоских полотен либо тканных, либо плетеных либо прессованных, и структурообразующего элемента, в которой система выполнена в форме цилиндра или призмы многоугольного сечения, а структурообразующий элемент расположен между полотнами катализатора, обеспечивая расстояние между ними от 0.5 до 10 мм (Пат. РФ №№66975, B01J 8/00, 2007.10.10; 101652, B01J 8/00,. 2011.01.27). Применение описанных систем 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 таких систем является необходимость использования структурирующих элементов в виде гофрированных или плетеных металлических сеток. Это существенно осложняет процесс изготовления таких каталитических систем, а также повышает их вес, металлоемкость и стоимость, особенно в случае изготовления таких элементов из материалов с повышенной коррозионной и термической стойкостью. По этой причине актуальна разработка конструкций каталитических картриджей на основе микроволокнистых катализаторов, в которых использование металлических структурирующих элементов было бы минимизировано или полностью исключено.
Полезная модель решает задачу разработки каталитического картриджа для осуществления гетерогенных реакций с катализатором на основе микроволокнистого носителя, обеспечивающий возможность компактной, недорогой и технологически простой упаковки катализатора,
Технический результат - высокая эффективность протекания каталитических реакций.
Задача решается тем, что каталитический картридж для осуществления гетерогенных каталитических реакций с катализатором, состоящим из нитей, скрученных из каталитических микроволокон, содержит более, чем один каталитический элемент, каждый из которых выполнен из каталитической нити с толщиной от 0.1 до 5 мм в форме петли, либо другой фигуры, включающей петлю. Каждый такой каталитический элемент может содержать два плоских опорных полотна, расположенных параллельно друг другу на расстоянии от 1 до 50 мм, и скрепленных между собой регулярно расположенными каталитическими элементами из каталитических нитей в форме петель или других фигур, включающих петлю. При этом указанные полотна могут быть выполнены в форме тканных или плетеных полотен из нитей микроволокнистого катализатора.
Каталитический элемент может быть выполнен в форме лемнискаты с двумя или тремя фокусами. Микроволокна, из которых состоит описанный каталитический элемент, могут представлять собой стеклянные, металлические, минеральные, углеродные, полимерные или иные волокна диаметром от 1 до 30 мкм, на поверхности которых находятся каталитически активные компоненты. Кроме того, на поверхности микроволокон может находиться дополнительный слой вторичного носителя с развитой внутренней поверхностью, например, слой диоксида кремния, оксида алюминия, диоксида титана или активированного углерода. В качестве активных компонентов на поверхности микроволокон могут использоваться благородные металлы, такие как: платина, палладий, золото, серебро и др. и/или оксиды переходных металлов: никеля, железа, меди, хрома, ванадия, кобальта, редкоземельных металлов и др.
Картридж может иметь внешнюю форму призмы с треугольным, прямоугольным или многоугольным сечением, в которой каталитические элементы расположены перпендикулярно плоскости основания призмы, либо внешнюю форму круглого, овального или спирального цилиндра, в котором каталитические элементы расположены перпендикулярно плоскости основания цилиндра.
Полезная модель состоит из микроволокнистых нитей, сформированных в виде петель или лемнискат, в которых пересечение и переплетение нитей минимально или вообще полностью отсутствует. Это позволяет существенно улучшить доступность каталитических микроволокон для компонентов реакционной смеси, интенсифицировать процессы массопереноса и таким образом повысить эффективность использования активного компонента катализатора. Кроме того, из предложенных петлеобразных элементов формируется механически устойчивая, гибкая, упругая и хорошо проницаемая для реакционного потока структура с однородным объемным строением, что позволяет свести к минимуму использование дополнительных структурирующих элементов или полностью отказаться от них. Это существенно упрощает процесс производства картриджей, существенно снижает их вес и стоимость, при сохранении всех важных достоинств.
Полезная модель поясняется Фиг. 1, на которой изображен внешний вид каталитических элементов, выполненных в форме замкнутой (Фиг. 1а) или незамкнутой петли (Фиг. 1б), либо двухфокусной лемнискаты (Фиг. 1в). Эти элементы в комбинации со слоями опорных полотен могут образовывать структуру каталитического картриджа, как это показано на чертежах Фиг. 1г-е. На Фиг. 1 ж изображен призматический каталитический картридж, состоящий из нескольких описанных картриджей, расположенных параллельно друг другу и перпендикулярно основанию призмы.
Возможность широкого выбора материала волокон, методов его модификаций, а также природы и способов формирования активных компонентов, обеспечивают высокую универсальность предложенных каталитических картриджей и весьма широкий спектр их возможных применений.
Картридж отличается высокой эффективностью транспорта реагентов из реакционного потока к активной поверхности микроволокнистого катализатора, за счет чего достигается общая высокая эффективность протекания каталитических реакций. При этом сохраняется 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. Кроме того, предложенные картриджи имеют низкий вес, существенно более дешевы и просты при производстве вследствие отказа от использования металлических структурирующих элементов. При этом обеспечивается механическая стабильность слоя катализатора, позволяющая располагать картриджи в любой геометрической ориентации (вертикально, горизонтально и пр.), и дающая возможность формировать упаковки катализатора любого размера и любой геометрии.