УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Российский патент 1997 года по МПК B01J12/00 B01J35/04 

Изобретение относится к области химии гетерогенного катализа, а именно к устройствам для проведения каталитических процессов в газовых и жидких средах на твердофазных катализаторах и может быть использовано в химической и нефтехимической промышленности при проведении каталитических реакций синтеза и разложения соединений, а также в других областях народного хозяйства, например, при очистке отходящих газов и жидкостей различных производств и транспорта.

Известно устройство для проведения каталитических процессов, состоящее из корпуса с входными и выходными патрубками, в котором послойно расположены рифленые и плоские панели с нанесенным каталитическим покрытием [1] Панели образуют сотообразную структуру каталитического блока, что обеспечивает низкое аэро- и гидродинамическое сопротивление устройства. Основными недостатками такого устройства являются низкая контактная поверхность и неравномерный разогрев в процессе работы, что снижает производительность устройства и отрицательно сказывается на протекании некоторых каталитических процессов.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для проведения каталитических процессов, состоящее из корпуса с патрубками входа и выхода газов или жидкостей и помещенного в корпус каталитического блока с послойным расположением рифленых и плоских панелей чередованием друг за другом, при этом на панели нанесен катализатор и рифленые панели послойно уложены крест на крест [2]
Такая конструкция устройства и соответствующее ей движение газовых и жидких потоков (потоки входят и проходят в пространство одних рифленых панелей, затем, отражаясь от корпуса, меняют направление на 270^o и входят в пространство соседних рифленых панелей с другим направлением рифления, при этом плоские панели служат для разграничения потоков) обеспечивает выравнивание температур при проведении эндо- и экзотермических процессов.

Однако и в таком устройстве сохраняется главный недостаток сотообразных катализаторов низкая контактная поверхность, что снижает эффективность работы каталитического устройства, приводит к увеличению размеров устройства и снижению скорости движения потоков.

Предлагаемое устройство для проведения каталитических процессов позволяет преодолеть этот недостаток.

Предлагаемое устройство состоит из корпуса, снабженного патрубками ввода и вывода потоков газов и жидкости, и, размещенного в нем катализаторного блока с послойным расположением рифленых и плоских панелей чередованием друг за другом, при этом на панели нанесен катализатор и рифленые панели послойно уложены крест на крест, плоские панели выполнены из пористого проницаемого материала.

Применение плоских пористых проницаемых панелей позволяет в десятки раз повысить площадь контактной поверхности, на которой проходит каталитически инициируемая химическая реакция синтеза или разложения, что приводит к соответствующему многократному увеличению производительности устройства. Кроме того, пористые проницаемые панели могут одновременно выполнять и функции фильтра, если необходимо отделить газовые и жидкие потоки от содержащихся в них или образующихся в процессе каталитических превращений гетерогенных примесей. Для этого подбирается пористый материал со средним размером пор ниже размеров отделяемых частиц. При использовании плотных пористых проницаемых панелей в них для снижения сопротивления потокам могут быть выполнены тонкие сквозные отверстия и придана, например, сотообразная структура.

Панели изготавливаются из органических, неорганических или металлических материалов, что определяется видом каталитических процессов и режимом работы устройства, а также типом катализатора и методом его нанесения или введения. Гофрированные панели наиболее удобно изготовлять из металла, а пористые из волокнистых материалов, например, матов или тканей из органических, неорганических (стеклянных и поликристаллических) и металлических волокон. Катализатор или каталитическое покрытие наносят на панели известными способами или получают панели из каталитически активных материалов. Гофрированные панели могут не обладать каталитическими свойствами, что не скажется существенно на эффективности работы каталитического устройства. Состав катализаторов на гофрированных и пористых панелях может различаться. Размер гофриpованных и пористых панелей подбирают в соответствии с параметрами процесса. При процессах с большими объемами потоков в корпус устройства могут входить несколько каталитических блоков с соответствующей организацией движения потоков. Гофрированные панели могут иметь различные виды гофрирования.

На фиг. 1 показана одна из возможных технологических схем предлагаемого устройства для проведения каталитических процессов. Устройство состоит из корпуса 1 с патрубками ввода I и III и вывода II и IV, а также расположенного внутри корпуса каталитического блока 2 с ограничителями 3, которые исключают возможность прямого проскока потоков через края рифленых панелей без прохода через пористые проницаемые панели. Такая конструкция устройства обеспечивает не прямое течение потоков вдоль рифленых и плоских панелей как в прототипе (вход в патрубок I, выход через патрубок II с последующим разворотом, вхождением в патрубок III и окончательным выходом через патрубок IV), а проход потоков газов и жидкостей через пористые проницаемые панели. Устройство работает следующим образом. Поток газа или жидкости через патрубки ввода I и II поступает в каталитический блок 2 (фиг. 2) в объем входных рифленых панелей 4, направление рифления которых совпадает с направлением движения вводимого потока. Далее поток проходит через пористые плоские панели 5 и поступает в пространство выходных рифленых панелей 6, направление рифления которых ориентировано под углом в 90^o к направлению рифления входных панелей. Претерпевший в процессе такого движения соответствующие каталитические превращения поток выходит из устройства через патрубок выхода II и IV.

Возможны и другие варианты устройства корпуса; для упрощения конструкции на месте патрубков III и IV устанавливаются заглушки и поток входит в патрубок I и выходит через патрубок II. При одновременном проведения в газовых или жидких потоках нескольких каталитических решений один или два из патрубков могут служить для введения дополнительных реагентов. При одновременной очистке выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания от окислов азота, окиси углерода и углеводородов в каталитический блок через патрубок II может осуществляться дополнительная подача воздуха на окисление, при этом патрубки I и III работают на вход, а патрубок IV на выход.

Когда устройство выполняет наряду с каталитическими функции фильтра, оно может включать механизм поворота каталитического блока, при этом при повороте на 90^o направление движения потоков через пористые проницаемые панели меняется на противоположное, что обеспечивает очистку забившихся пористых панелей противотоком. Противоток может обеспечиться и через переключение направления потоков, когда, например, вначале патрубок I служит для ввода, а патрубок IV для вывода при заглушенных патрубках II и III, а затем патрубки I и IV перекрываются заглушками и ввод осуществляется через патрубок II, а вывод через патрубок III.

Степень увеличения контактной поверхности и, соответственно, производительности устройства определяется свойствами пористых проницаемых панелей. Для сравнения предлагаемого каталитического устройства с прототипом изготовили два устройства с размерами каталитических блоков 50х50х50 мм. В устройстве по прототипу каталитический блок набирали из соответствующим образом уложенных плоских и рифленых панелей (высота и шаг рифления составляли 3 мм) из нержавеющей стали толщиной 60 мкм. В устройстве по предлагаемому изобретению использовали аналогичные рифленые панели, а плоские панели толщиной 3 мм изготовляли из алюмосиликатных волокон марки МКРР-130 (связывание волокон осуществляли путем пропитки матов раствором кремнезема с последующим высушиванием и прокаливанием при 1000^oС). Оба каталитических блока окунали в 15% -ный золь глинозема, содержащий 5% нитрата кобальта, затем высушивали и прокаливали при 700^oС. Контактная площадь поверхности заявляемого устройства после такого нанесения каталитического слоя превышала контактную площадь поверхности устройства по прототипу в 32 раза, что позволило при очистке воздуха от примесей окиси углерода (2 объемных) путем его каталитического окисления до двуокиси углерода более, чем в 30 раз повысить скорость газовых потоков, т.е. производительность каталитического устройства.

Использование: проведение каталитических процессов в газовых и жидких средах на твердофазных катализаторах. Сущность изобретения: устройство содержит корпус, снабженный патрубками ввода и вывода потоков газов и жидкости, и размещенный в нем катализаторный блок с послойным расположением рифленых и плоских панелей чередованием друг за другом. На панели нанесен катализатор и рифленые панели послойно уложены крест на крест, а плоские панели выполнены из пористого проницаемого материала. Устройство позволяет в десятки раз повысить площадь контактной поверхности, что приводит к соответствующему увеличению производительности устройства. 2 ил.

Устройство для проведения каталитических процессов, состоящее из корпуса, снабженного патрубками ввода и вывода потоков газов или жидкости, и размещенного в нем катализаторного блока с послойным расположением рифленых и плоских панелей чередованием друг за другом, при этом на панели нанесен катализатор и рифленые панели послойно уложены крест на крест, отличающееся тем, что плоские панели выполнены из пористого проницаемого материала.