способ проведения гетерогенных каталитических процессов и каталитическая система для его осуществления
Классы МПК: | B01J12/00 Общие химические способы взаимодействия газообразных сред; устройства, специально приспособленные для их проведения B01J35/04 пористые, ситовые, решетчатые или сотовые структуры |
Автор(ы): | Тарарыкин А.Г. |
Патентообладатель(и): | Тарарыкин Александр Геннадиевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
2003-04-17 публикация патента:
20.04.2004 |
Изобретение относится к химической промышленности, в частности к способам осуществления процессов гетерогенного катализа с использованием газообразных реагентов. Сущность изобретения: способ включает пропускание реагентов через каталитическую систему, содержащую как минимум один слой катализатора регулярной структуры в виде сотовых блоков, при этом процесс осуществляют с использованием в пределах одного слоя сотового катализатора блоков более чем одного типа с различным гидродинамическим сопротивлением потоку реагентов, обеспечиваемым применением блоков с разной толщиной стенок, разными диаметрами отверстий и плотностью отверстий, выбираемой в пределах не менее 3 и не более 140 на квадратный сантиметр сечения блока, причем блоки с более высоким сопротивлением для обеспечения равномерности поля скоростей располагают в зонах, где необходимо снизить скорость потока. Технический результат заключается в обеспечении равномерной нагрузки на катализатор, увеличении производительности процесса, повышении эксплуатационных характеристик и срока службы катализатора. 2 с. и 10 з.п.ф-лы, 6 ил., 3 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
Формула изобретения
1. Способ проведения гетерогенных каталитических процессов, включающий пропускание реагентов через каталитическую систему, содержащую как минимум один слой катализатора регулярной структуры в виде сотовых блоков, отличающийся тем, что процесс осуществляют с использованием в пределах одного слоя сотового катализатора блоков более чем одного типа, с различным гидродинамическим сопротивлением потоку реагентов, обеспечиваемым применением блоков с разной толщиной стенок, разными диаметрами отверстий и плотностью отверстий, выбираемой в пределах не менее 3 и не более 140 на квадратный сантиметр сечения блока, причем блоки с более высоким сопротивлением для обеспечения равномерности поля скоростей располагают в зонах, где необходимо снизить скорость потока.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что различное гидродинамическое сопротивление потоку в пределах одного слоя обеспечивают формой отверстий в каждом типе блоков, применяя сотовые блоки с отверстиями правильной - круглой или многоугольной, или неправильной формы.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что различное гидродинамическое сопротивление потоку в пределах одного слоя обеспечивают различным продольным профилем отверстий и/или каналов в каждом типе сотовых блоков путем выполнения отверстий и/или каналов переменного гидравлического диаметра, суженных или расширенных по высоте блока.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что различное гидродинамическое сопротивление потоку в пределах одного слоя обеспечивают различной ориентацией отверстий и/или каналов в блоках, используя блоки с каналами, выполненными соосно направлению потока реакционной смеси, и каналами, расположенными под углом к потоку.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что различное гидродинамическое сопротивление потоку реакционной смеси обеспечивают различной высотой блоков в одном слое, при этом высота блоков выбирается в интервале от 10 до 500 мм.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве сотовых блоков используют материал из керамики на основе оксидов, кордиеритовые структуры, металл.7. Каталитическая система реактора для проведения гетерогенных каталитических процессов, содержащая как минимум один слой катализатора регулярной структуры в виде сотовых блоков, отличающаяся тем, что в пределах одного слоя установлены блоки более чем одного типа с различным гидродинамическим сопротивлением потоку реакционной смеси, обеспечиваемым применением блоков с разными диаметрами отверстий и плотностью отверстий, выбираемой в пределах не менее 3 и не более 140 на квадратный сантиметр по сечению реактора, причем блоки с более высоким сопротивлением потоку реакционной смеси расположены в зонах, где необходимо снижение скорости потока по сечению реактора.8. Каталитическая система по п.8, отличающаяся тем, что в пределах одного слоя катализатора в каждом типе сотовых блоков выполнены отверстия различной формы, например отверстия круглой или многоугольной формы.9. Каталитическая система по п.8, отличающаяся тем, что в пределах одного слоя катализатора в каждом типе сотовых блоков выполнен различный продольный профиль отверстий и/или каналов переменного гидравлического диаметра, обеспечивающего сужение или расширение по высоте блока.10. Каталитическая система по п.8, отличающаяся тем, что в пределах одного слоя катализатора в каждом типе сотовых блоков выполнены каналы различной ориентации, например, расположенные соосно вертикальной оси реактора и расположенные под углом к оси.11. Каталитическая система по п.8, отличающаяся тем, что в качестве сотовых блоков используют материал из керамики на основе оксидов, кордиеритовые структуры, металл.12. Каталитическая система по п.8, отличающаяся тем, что в пределах одного слоя установлены блоки различной высоты в интервале от 10 до 500 мм.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области химической промышленности, в частности к способам осуществления процессов гетерогенного катализа с использованием газообразных реагентов.Среди химических процессов большое место занимают процессы гетерогенного катализа с использованием газообразных реагентов.В этих процессах существенную роль играет равномерность потоков в объеме (или по сечению) химических аппаратов, в которых происходит химическое взаимодействие. Равномерные потоки и, следовательно, равномерная нагрузка по всему объему (сечению) аппарата - это всегда выигрыш в производительности и других важных технико-экономических показателях процесса.В последнее время при проведении химических реакций в различных областях промышленности стали широко применяться конструктивные элементы регулярной геометрической формы, получившие название “сотовых” или “блочных”.Сотовые структуры имеют целый ряд преимуществ перед другими формами катализаторов (носителей), например, шариками, экструдатами, таблетками и иными насыпными формами.Сотовый блок - катализатор или носитель катализатора представляет собой пронизанный каналами для прохода реагентов твердый элемент, конструктивно выполненный в виде цилиндра или призмы (параллелепипеда), в основании которой расположен правильный многоугольник.Катализаторы блочно-сотовой структуры находят применение в установках для каталитической очистки технологических газов, например, от окислов азота, оксидов углерода, органических загрязнений различных. Применяют сотовые катализаторы для нейтрализации автомобильных выхлопных газов, в металлургических цехах, на атомных реакторах и многих других технологических процессах; в процессах гетерогенного катализа при получении азотной и синильной кислот, в производстве капролактама, для получения окиси азота и многих других технологических процессах; в качестве фильтрующих тел в аппаратах очистки газов.Известен способ очистки газов от сернистых соединений путем их окисления кислородом до серы и/или дисульфидов в слое активного катализатора, представляющего собой блок, собранный из отдельных пористых элементов с сквозными каналами (RU 2144495, 20.01.2000). Основным недостатком способа являются малый срок службы катализатора, его быстрый износ.Из международной заявки WO 9710896 А1 известен процесс для осуществления химических реакций в аппарате с каталитическим сотовым блоком, однако производительность данного процесса невелика.Известно проведение каталитических процессов в газовой фазе реактора, корпус которого выполнен в виде замкнутой цилиндрической емкости, а катализатор - в форме дисков, размещенных по высоте корпуса с частичным перекрытием их площадей (RU 2152248, 10.07.2000). При проведении процесса при повышенном давлении возрастают теплонапряженность катализатора, линейная скорость и плотность газа, вследствие этого прямые потери катализатора обусловливают значительно более короткий срок их службы.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности, поставленной задаче и достигаемому результату является способ проведения гетерогенных каталитических процессов (RU 2145935, 27.02.2000).В указанном изобретении описан способ высокотемпературной каталитической конверсии аммиака путем пропускания реакционной газовой смеси, содержащей аммиак и кислородсодержащий газ, через двухступенчатую каталитическую систему, в которой первой ступенью по ходу газа является слой платиноидных сеток, а на второй ступени системы используют пространственно разделенные слои катализатора регулярной сотовой структуры. В изобретении указано на то, что неравномерность скоростного потока газов в реакторе отрицательно сказывается на производительности процесса и работе платиноидных сеток. Однако в указанном изобретении нет технологического или конструктивного решения проблемы неравномерности потока.Описанная в данном изобретении каталитическая система “сетки, плюс один или несколько слоев блочного катализатора” сама по себе не решает проблему выравнивания поля скоростей. В изобретении имеются ссылки на ряд известных фактов, свидетельствующих о том, что за время работы (пробега) происходит значительное изменение платиноидных сеток.Однако из этих факторов делаются противоречащие друг другу выводы. В тексте патентов указывается, что для платиноидных сеток в результате разрыхления происходит “увеличение до 20 раз поверхности катализатора, при этом увеличивается также диаметр нити”, и одновременно диаметрально противоположный вывод, что “поверхность первых по ходу газа сеток уменьшается”. На самом деле, с поверхностью сеток должно происходить что-либо одно - или ее увеличение или уменьшение.В реальности, за пробег платиноидных сеток, хотя и происходит значительная потеря их массы, поверхность сеток значительно увеличивается из-за разрыхления проволоки и увеличения ее диаметра. Увеличение (до 20 раз) диаметра проволоки приведет к существенному увеличению гидравлического сопротивления самого пакета сеток.Настоящее изобретение направлено на решение задачи с достижением технического результата, заключающегося в стабилизации и улучшении технико-экономических показателей, повышении производительности процесса при одновременном сокращении расхода дорогостоящих металлов платиновой группы, повышении эксплуатационных характеристик и срока службы катализатора.Достижение указанного технического результата обеспечивается способом проведения гетерогенных каталитических процессов, включающим пропускание реагентов через каталитическую систему, содержащую как минимум один слой катализатора регулярной структуры в виде сотовых блоков, при этом процесс осуществляют с использованием в пределах одного слоя сотового катализатора блоков более чем одного типа с различным гидродинамическим сопротивлением потоку реагентов, обеспечиваемым применением блоков с разной толщиной стенок, разными диаметрами отверстий и плотностью отверстий, выбираемой в пределах не менее 3 и не более 140 на квадратный сантиметр сечения блока, причем блоки с более высоким сопротивлением для обеспечения равномерности опля скоростей располагают в зонах, где необходимо снизить скорость потока.Достижению поставленного в изобретении технического результата способствует соблюдение следующих условий: различное гидродинамическое сопротивление потоку в пределах одного слоя обеспечивают формой отверстий в каждом типе блоков, применяя сотовые блоки с отверстиями правильной - круглой, или многоугольной, или неправильной формы; различное гидродинамическое сопротивление потоку в пределах одного слоя обеспечивают различным продольным профилем отверстий и/или каналов в каждом типе сотовых блоков путем выполнения отверстий и/или каналов переменного гидравлического диаметра суженных или расширенных по высоте блока; различное гидродинамическое сопротивление потоку в пределах одного слоя обеспечивают различной ориентацией отверстий и/или каналов в блоках, используя блоки с каналами, выполненными соосно с направлением потока реакционной смеси, и каналами, расположенными под углом к потоку; различное гидродинамическое сопротивление потоку реакционной смеси обеспечивают различной высотой блоков в одном слое, при этом высота блоков выбирается в интервале от 10 до 500 мм.Для достижения поставленного технического результата применяют сотовые блоки из керамики на основе оксидов, кордиеритовые структуры, металл.При этом для создания единичного слоя катализатора с различным гидродинамическим сопротивлением потоку реагентов возможно одновременное сочетание в одном слое блоков, выполненных из различных перечисленных выше материалов.Достижение указанного технического результата в части объекта - устройства обеспечивается разработанной каталитической системой реактора для проведения гетерогенных каталитических процессов, содержащей как минимум один слой катализатора регулярной структуры в виде сотовых блоков, в которой в пределах одного слоя установлены блоки более чем одного типа с различным гидродинамическим сопротивлением потоку реакционной смеси, обеспечиваемым применением блоков с разными диаметрами отверстий и плотностью отверстий, выбираемой в пределах не мене 3 и не более 140 на квадратный сантиметр по сечению реактора, при этом блоки с более высоким сопротивлением потоку реакционной смеси расположены в зонах, где необходимо снижение скорости потока по сечению реактора.Оптимальному достижению поставленной в изобретении устройстве задачи способствует соблюдение следующих условий: для обеспечения различного гидродинамического сопротивления потоку реакционной смеси в пределах одного слоя катализатора в каждом типе сотовых блоков выполнены отверстия различной формы, например отверстия круглой или многоугольной формы; для обеспечения различного гидродинамического сопротивления потоку реакционной смеси в пределах одного слоя катализатора в каждом типе сотовых блоков выполнен различный продольный профиль отверстий и/или каналов переменного гидравлического диаметра, обеспечивающего сужение или расширение по высоте блока; для обеспечения различного гидродинамического сопротивления потоку реакционной смеси в пределах одного слоя катализатора в каждом типе сотовых блоков выполнены каналы различной ориентации, например расположенные соосно с вертикальной осью реактора и расположенные под углом к оси; в качестве сотовых блоков используют материал из керамики на основе оксидов, кордиеритовые структуры, металл; в пределах одного слоя установлены блоки различной высоты в интервале от 10 до 500 мм.На фиг.1 представлены примеры сотовых блоков катализаторов и носителей катализаторов из различных материалов (керамика на основе оксидов, кордиеритовые структуры, металл), геометрической формы (с круглыми, квадратными и многоугольными формами отверстий сот). Высота сотовых блоков составляет 5-500 мм, форма отверстий (каналов) может быть круглой, квадратной и многоугольной, при этом используют сотовые блоки с отверстиями сот 2![способ проведения гетерогенных каталитических процессов и каталитическая система для его осуществления, патент № 2227065](/images/patents/241/2227036/215.gif)
![способ проведения гетерогенных каталитических процессов и каталитическая система для его осуществления, патент № 2227065](/images/patents/241/2227036/215.gif)
![способ проведения гетерогенных каталитических процессов и каталитическая система для его осуществления, патент № 2227065](/images/patents/241/2227036/215.gif)
![способ проведения гетерогенных каталитических процессов и каталитическая система для его осуществления, патент № 2227065](/images/patents/241/2227065/2227065-2t.gif)
![способ проведения гетерогенных каталитических процессов и каталитическая система для его осуществления, патент № 2227065](/images/patents/241/2227065/2227065-3t.gif)
![способ проведения гетерогенных каталитических процессов и каталитическая система для его осуществления, патент № 2227065](/images/patents/241/2227065/2227065-4t.gif)
Класс B01J12/00 Общие химические способы взаимодействия газообразных сред; устройства, специально приспособленные для их проведения
Класс B01J35/04 пористые, ситовые, решетчатые или сотовые структуры