способ осуществления селективных экзотермических каталитических реакций

Формула изобретения

1. Способ осуществления селективных экзотермических каталитических реакций между, по меньшей мере, двумя реагентами, включающий раздельное, циклически повторяющееся поочередное пропускание реагентов через слой твердого неподвижного катализатора, способного адсорбировать, по меньшей мере, один из реагентов, отличающийся тем, что входная часть слоя катализатора имеет температуру, обеспечивающую отсутствие протекания реакции, а выходная часть слоя имеет температуру, достаточную для протекания реакции, при этом скорость пропускания, по меньшей мере, одного из реагентов через слой катализатора и его исходную температуру задают таким образом, чтобы тепловой фронт реакции распространялся по слою катализатора в направлении, противоположном направлению пропускания указанного реагента через слой катализатора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при пропускании через слой катализатора, по меньшей мере, одного из реагентов исходную температуру последнего на входе в слой катализатора поддерживают на уровне ниже минимальной температуры, необходимой для протекания каталитических реакций указанных реагентов в присутствии указанного катализатора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области химии, а именно, к способам осуществления каталитических реакций и может применяться для получения различных химических продуктов в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Способ может применяться для реакций селективного окисления, селективного гидрирования и других селективных экзотермических реакций, в которых актуальны увеличение выхода целевого продукта и минимизация выхода побочных продуктов.

Известен способ (US 3873633, С 07 С 5/18, 25.03.1975), включающий непрерывное одновременное пропускание всех реагентов через слой твердого неподвижного катализатора.

Недостатком указанного способа в случае осуществления селективных экзотермических реакций является возможное образование, наряду с целевым продуктом, существенных количеств нежелательных побочных продуктов, вызываемое перегревом слоя катализатора выше оптимальной температуры за счет экзотермического теплового эффекта реакции.

Наиболее близким является способ (US 6291686, C 07 D 307/60, 8.09.2001), включающий попеременное пропускание реагентов через слой неподвижного катализатора, в котором чередование подачи реагентов производят за счет непрерывного вращения слоя неподвижного катализатора. Этот способ рекомендуется для осуществления реакций селективного окисления и подразумевает раздельное, циклически повторяющееся поочередное пропускание окислителя (например, кислорода или воздуха) и восстановителя (например, углеводорода). В таком режиме катализатор периодически переходит из окисленного состояния в восстановленное и наоборот, что позволяет существенно повышать селективность окисления, то есть повышать выход продуктов селективного окисления и минимизировать выход продуктов глубокого окисления, например, оксидов углерода. В этом способе в процессе подачи каждого из реагентов возникает тепловой и концентрационный фронт реакции, который движется в направлении пропускания реагента.

Недостатком указанного известного способа является возможное снижение селективности реакции в результате взаимодействия образующегося во входной (по ходу пропускания исходного реагента) части слоя катализатора целевого продукта с реагентом, адсорбированным в выходной части слоя катализатора. Для случая селективного окисления это подразумевает окисление продукта селективного окисления в нежелательные продукты глубокого окисления кислородом, адсорбированном на катализаторе в выходной части слоя. Кроме того, распространение теплового фронта в направлении пропускания исходного реагента обуславливает возникновение в выходной части слоя повышенной температуры, что весьма негативно влияет на конечную селективность реакции.

Изобретение решает задачу разработки способа осуществления селективных экзотермических каталитических реакций, позволяющего существенно повысить селективность каталитических реакций по сравнению с известным способом.

Поставленная задача решается тем, что в способе осуществления селективных экзотермических каталитических реакций между, по меньшей мере, двумя реагентами, включающем раздельное, циклически повторяющееся поочередное пропускание реагентов через слой твердого неподвижного катализатора, способного адсорбировать, по меньшей мере, один из реагентов, входная часть слоя катализатора имеет температуру, обеспечивающую отсутствие протекания реакции, а выходная часть слоя имеет температуру, достаточную для протекания реакции, при этом скорость пропускания, по меньшей мере, одного из реагентов через слой катализатора и его исходную температуру задают таким образом, чтобы тепловой фронт реакции распространялся по слою катализатора в направлении, противоположном направлению пропускания указанного реагента через слой катализатора. Кроме того, при пропускании через слой катализатора, по меньшей мере, одного из реагентов исходную температуру последнего на входе в слой катализатора поддерживают на уровне ниже минимальной температуры, необходимой для протекания каталитических реакций указанных реагентов в присутствии указанного катализатора.

Технический эффект предлагаемого способа заключается в возможности существенного повышения селективности экзотермических каталитических реакций, повышения выхода целевого продукта, минимизации образования нежелательных побочных продуктов по сравнению с известным способом.

Изобретение поясняется фиг.1 и 2. На фиг.1 изображены профили температуры катализатора по длине слоя катализатора во времени при пропускании через слой катализатора одного из реагентов. При этом предполагается, что в предыдущей фазе цикла поверхность катализатора была насыщена вторым реагентом (профили количества этого реагента по длине слоя катализатора показаны на фиг.2). Первый реагент подают в слой катализатора с низкой температурой, обеспечивающей отсутствие протекание реакций. В начальном периоде пропускания первого реагента (кривые 1 на фиг.1 и фиг.2) слой катализатора имеет низкую начальную температуру практически по всей длине за исключением только выходной части слоя, где температура катализатора достаточна для протекания реакции. За счет повышенной температуры в этой части слоя начинается каталитическая реакция с образованием продуктов и выделением тепла. Выделение тепла, в свою очередь, приводит к разогреву зоны слоя катализатора, более близкой к входной части слоя, за счет теплопроводности слоя катализатора. При этом пропускание реагента осуществляют со скоростью, достаточно малой для того, чтобы теплообмен между холодным реагентом и нагретым катализатором не препятствовал распространению тепла в этом направлении. В результате в слое катализатора возникает тепловая волна (тепловой фронт), которая движется в направлении 4, противоположном направлению пропускания реагента 5. Кроме того, возникает также движение в том же направлении профиля концентрации адсорбированного на поверхности катализатора второго реагента (что связано с его расходованием в реакции). Смещение температурного профиля и профиля содержания на катализаторе адсорбированного второго реагента показаны на фиг.1 и 2 кривыми 2 и 3 для середины и конца цикла подачи первого реагента соответственно.

В таком режиме реакции протекают только в относительно узкой зоне слоя катализатора, причем эта реакционная зона смещается по слою катализатора навстречу направлению пропускания реагента. Во входной части слоя катализатора (перед реакционной зоной) при этом протекание реакций невозможно в связи с низкой температурой катализатора. В выходной части слоя катализатора (после реакционной зоны) реакции также невозможны в связи с отсутствием на поверхности катализатора второго реагента. Ведение реакции в режиме с распространением теплового фронта навстречу направлению пропускания реагента через слой катализатора обуславливает поддержание умеренной температуры в зоне реакции и отсутствие перегревов катализатора даже при высоких тепловых эффектах реакций, что благоприятно сказывается на повышении селективности реакции. Дополнительный эффект дает отсутствие на поверхности катализатора в выходной части слоя адсорбированного второго реагента, взаимодействие которого с целевым продуктом могло бы приводить к росту выхода нежелательных побочных продуктов и, соответственно, к снижению селективности целевой реакции и выходу целевого продукта.

В результате достигается существенное повышение селективности целевой реакции и выхода целевого продукта по сравнению с известными способами. Дополнительными преимуществами способа является отсутствие перегревов и умеренные температуры ведения процесса даже при достаточно высоких тепловых эффектах реакций. Кроме того, осуществление реакций без подогрева исходных реагентов, возможное в данном способе, существенно снижает энергоемкость способа и позволяет минимизировать применение теплообменной аппаратуры, существенно упрощая и удешевляя установку для осуществления реакций.

Сущность изобретения иллюстрируется следующим примером.

Пример. Осуществляют реакцию окислительного дегидрирования пропана в пропилен с использованием кислорода воздуха на катализаторе, содержащем оксид ванадия. Пропан с исходной температурой 50°С пропускают через слой катализатора, предварительно насыщенного кислородом и имеющего начальную температуру около 50°С за исключением выходной части слоя (около 10% от длины слоя), где температура достигает 450-500°С. В указанной выходной части слоя начинается реакция окисления пропана адсорбированным кислородом с образованием пропилена и оксидов углерода, а также выделением тепла. Скорость пропускания пропана в слое катализатора поддерживают на уровне не выше 0,05 м/с. В результате тепловыделения в слое катализатора образуется тепловой фронт, который за счет теплопроводности катализатора распространяется в направлении, противоположном направлению пропускания пропана. В таком режиме достигается средний выход пропилена около 55% (в расчете на пропущенный пропан).

По мере того, как тепловой фронт достигает входной части слоя катализатора, пропускание пропана прекращают и начинают пропускать через слой катализатора воздух со скоростью около 0,3 м/с и исходной температурой около 50°С. При этом происходит реокисление поверхности нагретого катализатора с выделением тепла, а в слое катализатора за счет теплообмена между холодным воздухом и нагретым катализатором образуется тепловой фронт, движущийся в направлении пропускания воздуха. Пропускание воздуха прекращают, когда тепловой фронт достигает выходной части слоя катализатора. При этом воспроизводятся температурный и концентрационный профили, присутствовавшие в слое катализатора перед началом подачи пропана. После этого вновь подают пропан и так далее.

Как видно из приведенного примера, по предлагаемому способу достигается средний выход пропилена около 55% (в расчете на пропущенный пропан), что превышает максимальный выход пропилена в известных способах.