способ осуществления газофазных химических процессов

Формула изобретения

1. Способ осуществления газофазных химических процессов в реакторе с псевдоожиженным слоем инертного материала и гетерогенного катализатора с концентрацией 1-15 г/м³ парогазовой смеси при нормальных условиях с эквивалентным диаметром частиц не более 10 мкм, отличающийся тем, что псевдоожиженный слой формируют путем ввода газа несколькими потоками, причем хотя бы один из них подают импульсно с частотой 0,5-10,0 Гц и длительностью 10-50% времени между соседними импульсами.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при импульсной подаче двух и более потоков с одинаковой частотой время начала импульса каждого последующего потока смещено относительно времени начала предыдущего потока на величину, равную 1/n интервала между импульсами, где n - количество импульсных потоков.

3. Способ по п.1, отличающийся те, что импульсную подачу двух и более потоков проводят с различной частотой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам осуществления химических процессов и может быть использовано при проведении газофазных химических реакций в присутствии гетерогенного катализатора.

Известен способ осуществления химических процессов, включающий проведение процесса в присутствии твердых частиц катализатора и инертного материала в реакторе с псевдоожиженным слоем катализатора или инертного материала, в который непрерывно вводят сверху или снизу и выводят снизу или сверху инертный материал или катализатор, а исходные вещества подают в жидком или газообразном состоянии. Диаметр частиц катализатора 0,05-2,5 мм, концентрация в зоне реакции 16,5-65,1 г/м³ реакционного объема (патент Украины №9010, МКИ В 01 J 8/18, з. 04.08.88 г., оп. 30.09.96 г., бюл. №3).

Недостатком описанного способа является повышенный расход катализатора. Это связано с тем, что для создания требуемой поверхности контакта используют катализаторы с относительно крупными размерами частиц.

Наиболее близким по совокупности признаков является способ осуществления газофазных химических процессов, включающий проведение процесса в присутствии гетерогенного катализатора и инертного материала в реакторе с псевдоожиженным слоем инертного материала, в который непрерывно вводят снизу и выводят сверху катализатор, концентрацию катализатора в зоне реакции поддерживают равной 1-15 г/м³ парогазовой смеси в пересчете на нормальные условия при эквивалентном диаметре частиц катализатора в зоне реакции не более 10 мкм (патент Украины №19014, МКИ J 8/18, з. 23.04.93 г., оп. 25.12.97 г., бюл. №6, прототип).

Недостатком известного способа является то, что осуществление газофазных химических процессов возможно только в реакторах проточного типа с соотношением высоты стационарного слоя инертного материала h_с к диаметру реактора d_p от 2 до 5, что подтверждают литературные данные и проведенные эксперименты по проверке условий проведения процесса для обеспечения равномерного псевдоожижения. При соотношении h_с/d_p>5 нарушается характер равномерного псевдоожижения инертного материала и псевдоожижение переходит в поршневой режим, для которого характерно то, что на отдельных участках столба инертного материала по его высоте образуются газовые пробки или отдельные пузырьки, перемещающиеся вверх по реактору. Перемешивание в поршнеобразном слое меньше, чем в обычном псевдоожиженном слое, а в образовавшихся газовых пробках (пузырях) практически отсутствуют частички инертного материала. Попавшие в газовые пузыри реагенты остаются в них до достижения свободной поверхности псевдоожиженного материала, то есть выпадают из зоны реакции. В результате этого явления в области газового пузыря (воздушной прослойки) снижается степень контакта катализатора и реагентов. То есть при таком режиме работы мы наблюдаем явление "проскока" перерабатываемых веществ, а в конечном итоге - снижение степени превращения. Поэтому для процессов, при проведении которых необходимо более длительное время пребывания в зоне реакции, известный способ не дает высокой степени превращения реагирующих веществ и для достижения требуемой степени превращения реагентов необходимо снижать подачу сырья.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа осуществления газофазных химических процессов путем организации равномерного псевдоожижения инертного материала по всей высоте слоя независимо от соотношения высоты слоя к диаметру реактора, благодаря чему увеличивается единичная мощность реактора по сырью при обеспечении необходимой степени его превращения, снижается удельный расход катализатора и, как следствие, снижается запыленность выходящих из реактора газов.

Поставленная задача решается тем, что в способе осуществления газофазных химических процессов в реакторе с псевдоожиженным слоем инертного материала и гетерогенного катализатора с концентрацией 1-15 г/м³ парогазовой смеси при нормальных условиях с эквивалентным диаметром частиц не более 10 мкм, согласно изобретению, псевдоожиженный слой формируют путем ввода газа несколькими потоками, причем хотя бы один из них подают импульсно с частотой 0,5-10,0 Гц и длительностью 10-50% времени между соседними импульсами. При импульсной подаче двух и более потоков с одинаковой частотой время начала импульса каждого последующего потока смещено относительно времени начала предыдущего потока на величину, равную 1/n интервала между импульсами, где n - количество импульсных потоков. Кроме того, импульсную подачу двух и более потоков проводят с различной частотой.

Особенность предлагаемого способа заключается в том, что найдены такие параметры импульсной подачи газовых потоков, при которых обеспечивается равномерность псевдоожижения инертных тел независимо от соотношения высоты слоя к диаметру реактора. Выбор частоты импульсов газовых потоков 0,5-10,0 Гц подобран экспериментально и объясняется тем, что в данном интервале частоты обеспечивается равномерное псевдоожижение инертного материала в реакторе по всей высоте слоя. Расход постоянно подаваемого в реактор газа подбирается таким образом, что в реакторе создается скорость, близкая к критической, и инертные тела еще не переходят в псевдоожиженное состояние, то есть материал находится в предельном режиме фильтрации. И только дополнительная импульсная подача газа приводит инертные тела в псевдоожиженное состояние. Поэтому при частоте импульсов менее 0,5 Гц не представляется возможным перевести материал в стабильное псевдоожижение, больший период времени материал находится в режиме фильтрации. При частоте импульсов более 10,0 Гц действие импульсного потока аналогично действию сплошного потока. В этом случае преобладает движение частиц в направлении действия гидродинамических сил, вследствие чего создаются условия для образования поршней в движущемся материале. И только режим импульсной подачи газа с частотой 0,5-10,0 Гц позволяет создать интенсивное движение частиц инертных тел относительно друг друга, обеспечить при этом их трение и соударение, исключив образование пузырей в слое и всплески материала. Трение частиц инертных тел и их соударение приводят к повышению процесса механоактивации мелкодисперсного катализатора, который сопровождается разрушением постоянно образующихся агломератов мелкодисперсного катализатора с увеличением и постоянным обновлением его поверхности.

Длительность импульсов газового потока в интервале 10-50% времени между соседними импульсами объясняется тем, что в данном интервале обеспечивается наиболее эффективная механоактивация катализатора. При длительности импульсов газового потока менее 10% частицы инертного материала совершают колебания с малой амплитудой и энергии соударения не достаточно для обновления активной поверхности частиц катализатора. При длительности импульсов газового потока более 50% времени между соседними импульсами происходит интенсивное движение частиц в направлении действия гидродинамических сил, что приводит к образованию поршневого режима с всплесками на поверхности инертных тел и, как следствие, к чрезмерному уносу мелкодисперсного катализатора из реакционной зоны реактора.

Смещение времени начала каждого последующего импульса относительно времени начала предыдущего на величину, равную 1/n интервала между импульсами, где n - количество импульсных потоков, при организации псевдоожижения с помощью двух и более газовых потоков с одинаковой частотой импульсов объясняется тем, что, если смещение будет отсутствовать, то произойдет наложение импульсов друг на друга и возникнет явление резонанса и система войдет в поршневой режим, о недостатках которого указано выше.

Импульсная подача двух и более потоков с различной частотой также направлена на предотвращение создания поршневого режима псевдоожиженного слоя инертного материала.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Процесс ведут в реакторе проточного типа с внутренним диаметром 0,05 м и высотой 1 м. Нагрев осуществляют электрообогревателем. В качестве инертного материала используют кварцевый песок с эквивалентным диаметром частиц 0,7-1,0 мм. Псевдоожиженным агентом твердого инертного материала является воздух, подаваемый в нижнюю зону реактора. Причем воздух на псевдоожижение инертного материала и создание проточного движения катализатора через реактор подают двумя потоками, один из которых подают импульсно. Перерабатываемое вещество подают в нижнюю зону реактора. Проточным компонентом является катализатор. Катализатор подают в нижнюю часть реактора, а выводят его из верхней части, улавливают в циклоне и возвращают в начало процесса, а отходящие газы очищают при помощи фильтра. Об эффективности химического превращения судят по составу отходящих из реактора газов.

Доказательством осуществления предлагаемого способа являются следующие примеры.

Примеры 1-7.

Для проведения процесса окисления 80% водный раствор уксусной кислоты подают в нижнюю зону реактора проточного типа, обогреваемый электрообогревателем. В качестве инертного материала загружают кварцевый песок с эквивалентным диаметром 0,7-1,0 мм в количестве 1000 см³. Псевдоожиженный агент - воздух - подают в нижнюю зону реактора. Причем на псевдоожижение инертного материала и создание проточного движения катализатора воздух через реактор подают двумя потоками, один из которых подают импульсно. Для указанного инертного материала частота импульсов - 0,2 с. Проточным компонентом является катализатор глубокого окисления, в качестве которого используют оксид железа (Fe ₂O₃) дисперсностью не более 10 мкм. Катализатор подают в нижнюю часть реактора, а выводят из его верхней части, улавливают в циклоне и возвращают в начало процесса, а отходящие газы очищают при помощи фильтра. Процесс глубокого окисления ведут при температуре 600°С. Степень окисления уксусной кислоты определяют путем аналитического контроля состава отходящих газов. Об эффективности химического превращения судят по содержанию в отходящих газах ди- и монооксида углерода. Результаты исследований по осуществлению предлагаемого способа приведены в таблице и на графике (кривая 1).

Примеры 8-15 (сравнительные).

Исследования проводят, как в примерах 1-7, за исключением того, что газовый поток подают постоянно во времени. Результаты исследований приведены в таблице и на графике (кривая 2).

Как видно из приведенных примеров, проведение процесса в соответствии с предлагаемым способом позволяет увеличить производительность реактора, например, при 100%-м окислении 80% водного раствора уксусной кислоты в 3,9 раза и снизить при этом расходы катализатора в 3,15 раз ( примеры 3 и 8).

Таким образом, предлагаемый способ осуществления газофазных химических процессов дает возможность увеличить мощность реактора по сырью при обеспечении требуемой степени его превращения, снизить расходы катализатора, а также снизить запыленность отходящих из реактора газов.

Таблица Окисление 80%-ного водного раствора уксусной кислоты на катализаторе Fe2O 3 при 600°С
№ п/п	Расход воздуха, нм 3/ч		Расход вещества, г/ч	Расход катализатора		Вид процесса	Степень окисления, %	Расход катализатора на ед. окисленного вещества, гkt/г орг
	общий	импульс		г/ч	г/м3
1	4,38	2,3	195,1	36,9	8,43	с импульсом	100	0,2360
2	4,38	2,3	252	36,9	8,43	с импульсом	100	0,1830
3	4,38	2,3	419,7	36,9	8,43	с импульсом	100	0,1100
4	4,38	2,3	617	36,9	8,43	с импульсом	96,6	0,0776
5	4,38	2,3	700	36,9	8,43	с импульсом	90	0,0732
6	4,38	2,3	800	36,9	8,43	с импульсом	82	0,0703
7	4,38	2,3	884,8	36,9	8,43	с импульсом	70,8	0,0736
8	3,627	-	108,3	30	8,27	без импульса	100	0,3460
9	2,755	-	145	30	11	без импульса	98,7	0,2620
10	2,935	-	213,3	30	10,22	без импульса	90,1	0,1950
11	2,73	-	7	30	11	без импульса	84	0,1100
12	2,73	-	420,8	30	11	без импульса	78	0,1140
13	2,73	-	535	30	11	без импульса	69	0,1020
14	2,73	-	591	30	11	без импульса	64	0,0991
15	2,73	-	650,4	30	11	без импульса	59,6	0,0964