КАТАЛИТИЧЕСКИЕ МИКРОКАНАЛЬНЫЕ ПЛАСТИНЫ

Полезная модель относится к области гетерогенного катализа и каталитических микрореакторов и направлена на получение композитных микроканальных пластин, содержащих катализатор и металлический носитель.
Основной проблемой, которую необходимо решить при проведении эндо- и экзотермических каталитических реакций, является увеличение значений массо- и теплопереноса. Решением проблемы может быть нанесение слоя катализатора на металлический носитель, обладающий высокой теплопроводностью. При этом слой катализатора должен быть довольно тонким, чтобы массоперенос реагентов в ходе реакции не был лимитирующей стадией.
Данная проблема решается в каталитических микрореакторах, где введение катализатора в каналы субмиллиметровых размеров обеспечивает большое соотношение «поверхность/объем» микроканалов, необходимое для протекания реакции число соударений реагирующих молекул со стенками микрореактора в единицу времени и очень высокие скорости массо- и теплопереноса - на 1-2 порядка выше, чем в системах с закрепленным слоем катализатора.
Закрепление катализатора на стенках микроканалов обычно достигается естественной адгезией материала катализатора, либо введением в состав катализатора связующего компонента, который обеспечивает контакт частиц катализатора со стенкой канала. Такие способы просты и являются универсальными, однако обладают рядом недостатков. Не всегда катализатор обладает достаточно прочной адгезией к гладкой металлической, как правило, поверхности микроканала. Более того, при термоциклировании из-за разности температурных коэффициентов расширения металла и материала катализатора происходит отслаивание катализатора и забивание каналов микрореактора в ходе проведения реакции.
В патенте US 6958310, B 01 J 12/00, 2.10.03 предложено в качестве носителя использовать металлическую композицию из тонких нитей фехраля, так называемый металлический войлок. Сформированные из этого материала пластины пропитывают суспензией из готового катализатора, а затем сушат.
В патенте US 6670305, B 01 J 23/42, 14.11.02 описан метод изготовления микроканальной системы, включающий в себя нанесение смеси катализатора и органического связующего на носитель - металлическую ленту, предварительно механически обработанную для повышения адгезии. После нанесения композиции ленту сворачивают в спираль и подвергают термообработке. Таким образом образуются щелевидные микроканалы, заполненные катализатором.
В патенте RU 2248932, С 01 В 3/38, 27.03.05 в качестве носителя для катализатора используют слоистую структуру, представляющую слой металла с нанесенным непористым или малопористым оксидным покрытием, на которую затем наносят катализатор.
2
2
2
3
Наиболее близким является способ, в котором описывается нанесение катализатора на структурированные металлические носители (US 6762149, B 01 J 37/02, 9.01.03). В качестве носителя для катализатора используют пористые металлы в виде пены, войлока или нитей. Для увеличения адгезии металл подвергают химическому травлению неорганическими кислотами, затем методом осаждения из газовой фазы наносят буферный слой (TiO, SiO, АlО) и после этого методом окунания в суспензию носителя катализатора формируют каталитически активный слой.
Недостатками известных металлических носителей являются сложность подготовки металлической поверхности - создание буферных оксидных слоев для лучшей адгезии катализатора к металлу, хрупкость и небольшая стойкость полученных композитов к термоциклированию.
Полезная модель решает проблему закрепления катализатора на микроканальные пластины с помощью внедрения порошка катализатора в пористую металлическую матрицу с последующим формированием каналов заданного сечения.
Нами было обнаружено, что при определенных параметрах пористой металлической матрицы - материала матрицы, величины пористости, толщины матрицы, а также типа катализатора, возможно прочное закрепление порошка катализатора в порах такой металлической матрицы.
Предложен способ приготовления каталитических микроканальных пластин внесением катализатора в виде суспензии в поры металлического носителя, при этом металлический носитель, помещенный в суспензию катализатора, подвергают
ультразвуковой обработке, сушке и дальнейшему прессованию в прессформе с заданным рисунком каналов.
Суспензия состоит из порошка катализатора и различных жидкостей, таких как, воды, растворов солей, органических растворителей их смесей и др. Суспензия содержит 2-70 мас.% катализатора и не более 70 мас.% связующего компонента, например, псевдобемит, гамма-оксид алюминия.
Внедрение порошка катализатора в поры металлической пластины происходит с помощью ультразвуковой обработки этой пластины, помещенной в суспензию порошка катализатора при температуре не выше 90°С, предпочтительно, 0-90°С. Длительность такой обработки составляет не менее 1 мин, предпочтительно 1-60 мин. После ультразвуковой обработки металлическую пластину с внедренным в нее катализатором сушат при температуре не выше 200°С, предпочтительно, 20-200°С.
Далее микроканалы получают прессованием таких пластин в прессформе с заданным рисунком каналов при давлении 20-300 атм.
Количество каналов составляет от 2 до 30 штук на 1 см длины и зависит от размера пор в металле, минимальная ширина канала и перегородки между каналами должна быть больше размера поры в используемом металле в пять раз. Это касается и минимальной толщины пластины.
Односторонняя и двусторонняя печать каналов, то есть каналы могут быть расположены как с одной стороны, так и на обеих сторонах пластины.
Рисунок каналов может быть любой и зависит от применяемой прессформы.
В качестве пористого металлического носителя используют пенометаллы различной пористости, металлический войлок, металлическая вата (никель, медь, нержавеющая сталь, различные сплавы, обладающие пластичностью).
Микроканальные пластины используют в микрореакторах для проведения разнообразных каталитических процессов, требующих высокой селективности целевого продукта, малых времен контакта реагентов с катализатором и большими значениями величин массо- и теплопереноса.
Сущность полезной модели иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1.
Прямоугольную пластину из пеноникеля (открытая пористость 0,8, средний размер структурной ячейки - 0,2 мм) размерами 30×40×1 мм подвергают ультразвуковой обработке в 30 мас.% спиртовой суспензии порошка катализатора со
связующим - псевдобемитом. Время обработки составляет 15 мин. Далее полученный композит сушат при 200°С. В результате получают композиционный материал, состоящий из металлической матрицы, в которой находится 1,2 г катализатора.
Пример 2.
Прямоугольную пластину из пористой нержавеющей стали (размер пор 20 мкм) размерами 30×40×0,5 мм подвергают ультразвуковой обработке в 20 мас.% водной суспензии порошка катализатора в течение 15 мин при комнатной температуре. Далее полученный композит сушат при 200°С. В результате получают композиционный материал, состоящий из металлической матрицы, в которой находится 0,14 г порошка катализатора.
Пример 3.
Полученный в примере 1 композитный материал прессуют на специальной прессформе с заданным рисунком каналов при давлении 180 атм. В результате получают микроканальную пластину с размерами 30×40×0,5 мм, содержащую 6 прямолинейных канала сечением 4×0,2 мм, длиной 40 мм и стенкой между ними толщиной 2 мм, или 2 прямолинейных каналов на 1 см длины.
Пример 4.
Полученный в примере 2 композитный материал прессуют на специальной прессформе с заданным рисунком каналов при давлении 180 атм. В результате получают микроканальную пластину с размерами 30×40×0,25 мм, содержащие 30 прямолинейных каналов на 1 см длины (или 90 прямолинейных каналов на всю ширину пластины), шириной 0,18 мм, высотой 0,15 мм, длиной 40 мм и стенкой между ними толщиной 0,15 мм.
Микроканальные каталитические пластины могут найти широкое применение в каталитических микрореакторах, работающих в высокоэндотермичных или высококзотермичных процессах, например, в реакции паровой конверсии метанола, паровой конверсии метана, парциального окисления метана и др.