КАТАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТЕПЛОНАПРЯЖЕННЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ РЕАКЦИЙ

Полезная модель относится к области химии, а именно к устройствам и системам для проведения гетерогенных каталитических реакций с высоким экзотермическим или эндотермическим эффектом и может применяться для производства различных химических продуктов и реагентов.
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, приоритет от 2003.12.26, опубл. 2005.04.27, Патент РФ №2250891, 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 эффективного осуществления теплонапряженных реакций, отличающихся, с одной стороны, высоким тепловым эффектом (экзотермическим или эндотермическим) и, с другой стороны, высокими требованиями по температуре в зоне реакции (например, когда от температуры реакции существенно зависит селективность процесса). Эффективное осуществление таких реакций требует непосредственного подвода или отвода тепла в зону реакции.
Известна каталитическая система с радиальным слоем стеклотканного материала, содержащая минимум 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 эффективность осуществления реакции.
Недостатком этой системы в случае осуществления теплонапряженных реакций является невозможность подвода и отвода тепла непосредственно в зоне реакции и, соответственно, невозможность эффективного контроля теплового режима протекания теплонапряженных реакций.
Перед авторами ставилась задача разработать каталитическую систему для осуществления теплонапряженных гетерогенных реакций, обеспечивающую возможность подвода и отвода тепла в зоне реакции и эффективного контроля температурного режима.
Указанная задача решается тем, что каталитическая система для осуществления теплонапряженных 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, дополнительно снабжена корпусом в виде теплопроводящей трубки, и выполненного с возможностью охлаждения или нагревания его потоком внешнего теплоносителя, внутрь корпуса помещены микроволокнистый каталитический материал, выполненный в виде спирали, и структурообразующий элемент, выполненный из материала с коэффициентом теплопроводности не ниже 15 Вт/м/град и расположенный между витками спирали, обеспечивая, при этом, расстояние между ними от 0.5 до 5 мм, При этом каталитическая система выполнена с возможностью расположения ее при осуществлении гетерогенной реакции соосно направлению движения потока реакционной смеси. Структурообразующий элемент системы выполнен либо в виде гибкой равномерно гофрированной ленты, либо в виде гибкой равномерно гофрированной сетки, либо в виде гибкой сетку объемного плетения. Кроме того, он может быть выполнен либо из стали, либо из алюминия, либо из меди. А микроволокнистый каталитический материал выполнен в виде катализатора на основе стеклотканевого носителя. Система выполнена с возможностью использования в качестве внешнего теплоносителя либо движущегося газа, либо жидкости, либо конденсирующегося пара, либо кипящей жидкости
Технический эффект предлагаемой каталитической системы заключается в возможности осуществления эффективного подвода или отвода тепла
непосредственно в зоне протекания реакции и возможности эффективного управления температурными режимами в зоне реакции.
Система поясняется чертежом фиг.1, на котором изображено поперечное сечение системы, перпендикулярное оси системы, где 1 - полотно каталитического материала, 2 - структурообразующий элемент, 3 - корпус в виде теплопроводящей трубки.
Каталитическая система состоит из гибкого полотна 1 каталитического материала, 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 0.5-5 мм. При расстоянии между слоями менее 0.5 мм может существенно возрастать гидравлическое сопротивление системы, при увеличении расстояние свыше 5 мм может ухудшаться массоперенос реагентов к поверхности катализатора, что негативно скажется на эффективности осуществления реакции. В качестве структурообразующего элемента возможно использованием 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. Указанная система располагается внутри корпуса, выполненного в виде теплопроводящей трубки 3, которая с внешней стороны охлаждается либо нагревается потоком теплоносителем (внешнее охлаждение корпуса может осуществляться охлажденным потоком газа, жидкости или в среде кипящей жидкости, внешний нагрев - нагретым потоком газа, жидкости или в среде конденсирующегося пара). Для проведения каталитической реакции реакционную смесь пропускают через описанную каталитическую систему в направлении, совпадающем с осью системы. Для эффективного переноса тепла от центра системы к стенке корпуса
структурирующий элемент выполнен из материала с теплопроводностью не ниже 15 Вт/м/град. При более низких значениях теплопроводности материала структурирующего элемента возможно снижение эффективности переноса тепла по радиусу системы. Теплопроводностью выше 15 Вт/м/град обладают многие металлы и сплавы, в том числе - сталь, алюминий и медь.
Для проведения каталитической реакции используют каталитический материал сформированный 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, по патенту США №3929671; патентам РФ №№2069584, 2289565, 2252208, 2250890, 2250891, 2252915 и др.).
Применение описанной системы обеспечивает высокую эффективность температурного контроля теплонапряженных реакций и создания опимальных температурных условий для достижения высокой конверсии и высокой селективности осуществляемых 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. При этом также обеспечивается механическая стабильность слоя катализатора, позволяющая располагать реактор в любой геометрической ориентации (вертикально, горизонтально и пр.), что существенно расширяет возможности применения способа.
Пример 1
Каталитическую систему для осуществления гетерогенных реакций формируют из стеклотканного платинового каталитического материала по патенту РФ №2250890 с шириной полотна 20 см и толщиной около 1 мм и
-1
гофрированной ленты шириной 20 см, изготовленной из нержавеющей стали с коэффициентом теплопроводности 17 Вт/м/град, с равномерным треугольным гофром с высотой гофра 3 мм, скручивая вместе стеклоткань и ленту в спираль, как это изображено на фиг.1. Указанная система формируется в виде цилиндра с внешним диаметром 50 мм и помещается в корпус в виде теплопроводящей трубки с таким же внутренним диаметром. Систему используют для получения метилхлорида, пропуская через нее смесь метана с хлором в объемном соотношении 2:1 с начальной температурой 300°С и объемной скоростью подачи 1000 час. С внешней стороны трубку охлаждают в среде кипящей воды. На выходе из системы достигается полная конверсия хлора и 38%-ная конверсия метана с селективностью образования метилхлорида 96%. При этом максимальная температура в зоне реакции не превышает 400°С.
В аналогичных условиях в системе по патенту РФ №2200622 наблюдается рост температуры в зоне реакции до более чем 900°С и падение селективности по метилхлориду до уровня ниже 5%.
Пример 2.
-1
То же, что и в примере 1, но систему используют для получения винилхлорида из дихлорэтана использованием стеклотканного платинового каталитического материала по патенту РФ №2250891. В систему подают пары дихлорэтана с температурой 400°С и объемной скоростью 1000 час, а внешнюю сторону трубки нагревают в токе горячих дымовых газов. Достигается выход винилхлорида не ниже 70%, минимальная температура в зоне реакции составляет не менее 450°С.
В аналогичных условиях в системе по патенту РФ №2200622 наблюдается падение температуры в зоне реакции ниже 300°С и снижение выхода винилхлорида до 20-30%.