Изобретение относится к оборудованию для исследования кинетики газовых гетерогенных каталитических процессов и определения активности катализаторов, а именно к лабораторным проточно-циркуляционным реакторам.
Известен проточно-циркуляционный стеклянный реактор, содержащий реакционный объем, с размещенным в нем катализатором, внешнее перемешивающее устройство, в качестве которого используется поршневой электромагнитный циркуляционный насос, термостаты реакционного объема и насоса [1] Степень безградиентности такого реактора зависит от реального потока реакционной смеси через слой катализатора, который определяется производительностью циркуляционного насоса. Недостатком данного устройства является то, что этот важнейший параметр не контролируется. Между тем, в поршневом механизме насоса невозможно использовать какую-либо смазку, поэтому сочленение поршня с цилиндром подвержено быстрому износу и его герметичность и производительность не определена. Изменение производительности перемешивающего устройства может вызвать неконтролируемое нарушение безградиентного режима в реакторе, в результате чего кинетические измерения в реакторе становятся некорректными.
Известен также проточно-циркуляционный реактор, содержащий реакционный объем, с размещенным в нем катализатором, печь (термостат) нагрева реакционного объема и внешнее перемешивающее устройство, вынесенное за пределы реакционного объема [2] Для контроля производительности насоса, определяющей реальный поток реакционной смеси через слой катализатора, данный проточно-циркуляционный реактор оснащен индикатором производительности насоса ротаметром. Недостатком этого реактора является его громоздкость, поскольку каждый элемент монтируется отдельно, при этом насос и ротаметр размещаются при более низкой температуре, чем катализатор. Это затрудняет организацию работы с парами жидкостей, когда требуется термостатировать насос и ротаметр при повышенных температурах, в частности сложно заменять образцы катализаторов, так как при этом требуется выключать и охлаждать термостат. Для контроля показаний ротаметра приходится снабжать его стеклянным окном, через которое наблюдают за показаниями ротаметра. К тому же, ротаметр является очень грубым индикатором расходов реакционных смесей внутри проточно-циркуляционных реакторов, поскольку эти потоки пульсирующие и имеют различный состав и температуру.
Известен также компактный металлический безградиентный реактор, выбранный в качестве прототипа, содержащий два коаксиально совмещенных внутренний и внешний цилиндра, съемную камеру с карманом для термопары, поршневое устройство со штоком [3] Безградиентные условия по концентрации и температуре в слое катализатора пытаются достичь работой поршневого устройства, управляемого электромагнитной катушкой. Проконтролировать реальный поток смеси через слой катализатора в данном реакторе невозможно, поэтому степень безградиентности проверяется в модельных некаталитических условиях специальными экспериментами по методу отклика на резкие изменения состава входящей смеси. Однако положительные результаты такого тестирования не гарантируют необходимую степень безградиентности в условиях конкретных каталитических процессов.
Общим недостатком известных реакторов является то, что перемешивающие устройства резко изменяют свою производительность при небольших изменениях гидродинамического сопротивления слоя катализатора. Последний параметр может значительно изменяться при вариациях температуры реакции, изменении объема реакционной смеси при химической реакции, разрушении или закоксовывании катализатора и по многим другим причинам. А, следовательно, невозможно проконтролировать степень безградиентности в условиях каталитического процесса.
Задача изобретения разработать компактный и удобный в эксплуатации реактор, в котором обеспечивался бы режим идеального смешения, то есть концентрационной и термической безградиентности слоя катализатора.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом микрореакторе реализуется постоянный, с расходом не менее 1.000 нл/ч, подогреваемый до температуры реакции циркулирующий поток реакционной смеси через слой катализатора. Для этого реактор, содержащий коаксиально совмещенные внутренний и внешний цилиндры, съемную камеру с карманом для термопары, наружный электронагревательный элемент, дополнительно снабжен внешним перемешивающим устройством с постоянной производительностью, противоточным теплообменником типа "труба в трубе" с ребрами, заканчивающийся внизу конусом, двумя термоэлементами, один из которых (регулирующий) расположен над слоем катализатора, второй (контрольный) внутри слоя, уплотняющим соединением, состоящим из фторопалстовой прокладки, накидной гайки и пружины, расположенным при более низкой температуре, чем слой катализатора, а съемная камера в верхней части дополнительно снабжена уплотняющим шарообразным внутренним выступом.
Технический эффект предлагаемого решения заключается в создании режима идеального смешения, то есть концентрационной и термической безградиентности слоя катализатора, а также в упрощении конструкции за счет объединения реактора и термостата в одно устройство и снижении необходимой для нагрева реактора мощности электронагревателя за счет организации противоточного теплообмена потоков входной и выходной смеси. В предлагаемом микрореакторе реализуется постоянный подогреваемый до температуры реакции циркулирующий поток реакционной смеси через слой катализатора с расходом не менее 1.000 нл/ч.
На фиг. 1 представлен продольный разрез реактора; на фиг. 2 и 3 - результаты кинетического контроля соответственно концентрационной и термической безградиентности реактора в условиях реального каталитического процесса.
Проточно-циркуляционный микрореактор содержит коаксиально совмещенные внутренний 1 и внешний 2 цилиндры, на которых расположены входной 3 и выходной 4 штуцеры, противоточный теплообменик 5 типа "труба в трубе" с винтообразными ребрами, расположенный между внутренним 1 и внешним 2 цилиндрами и имеющий в своей нижней части конус 6 и карман для регулирующего термоэлемента 7, съемную камеру 8 с карманом для контрольного термоэлемента 9, снабженную уплотняющим шарообразным внутренним выступом 10, электронагревательный элемент (ЭНЭ) 11, расположенный на внешнем цилиндре 2, герметизирующее соединение, состоящее из фторопластовой прокладки 12, накидной гайки 13 и пружины 14, внешнее перемешивающее устройство 15, представляющее собой мембранный насос с импульсным приводом, работающим по принципу счетного триггера, и подсоединенное своими выходами к входному 3 и выходному 4 штуцерам.
Проточно-циркуляционный микрореактор работает следующим образом. Поток реакционной смеси от внешнего перемешивающего устройства 15 через входной штуцер 3 проходит сверху вниз через противоточный теплообменник 5, где подогревается до температуры реакции, которая измеряется регулирующим термоэлементом 7 и поддерживается на заданном уровне высокоточным электронным регулятором. Далее нагретый поток направляется в съемную камеру 8, проходит сверху вниз через слой катализатора и выходит через отверстия съемной камеры. Температура слоя катализатора измеряется с помощью контрольного термоэлемента и высокоточного измерителя температуры. Затем поток смеси уже снизу вверх проходит через зазор между внешним 2 и внутренним 1 цилиндрами и направляется вновь на противоточный теплообменник 5, где охлаждается и подается через выходной штуцер 4 на внешнее перемешивающее устройство 15. В качестве внешнего перемешивающего устройства используется мембранный насос с импульсным приводом, работающим по принципу счетного триггера. Таким образом, осуществляется интенсивное перемешивание смеси в реакционной зоне без непосредственного контакта слоя катализатора со стенками нагреваемой ЭНЭ наружнего цилиндра катализатор нагревается только потоком газа, поступающим на него после теплообменника. При этом количество смеси, прокачиваемой через слой катализатора, определяется производительностью циркуляционного насоса, которая сохраняется постоянной при изменениях гидродинамического сопротивления реактора.
При сборке реактора съемная камера надевается на конус и прижимается к нему своим шарообразным выступом с помощью пружины 14 и накидной гайки 13, обеспечивая тем самым необходимую герметичность соединения камеры с теплообменником. Одновременно с этим осуществляется изоляция внутреннего объема реактора от атмосферы с помощью фторопластовой прокладки.
Подогрев поступающей на слой катализатора смеси осуществляется в значительной степени за счет тепла выходящих из слоя катализатора газов. ЭНЭ, в основном, компенсирует неизбежные теплопотери. Это позволяет значительно уменьшить необходимую для получения требуемых температур мощность ЭНЭ и тем самым повысить его срок службы в таком щадящем режиме до 10 лет.
Размещение в изотермической реакционной зоне реактора двух термоэлементов указанным выше образом позволяет организовать оперативный контроль изотермичности слоя катализатора (при изотермичности реакционного объема показания двух термоэлементов совпадают), а также кинетический контроль изотермичности реакционного объема в условиях проведения химических процессов.
Экспериментальные исследования предложенного реактора подтверждают концентрационную и термическую безградиентность слоя катализатора, удобство перегрузки образцов катализаторов, долговечность работы ЭНЭ.
На фиг. 2 и 3 показаны результаты кинетического контроля концентрационной (фиг. 2) и термической (фиг. 3) безградиентности реактора в условиях реального каталитического процесса. Линейность логарифмического графика зависимости скорости реакции (W) от концентрации ключевого компонента в контактной смеси (C) показывает, что изменение расхода реакционной смеси на реактор в 50 раз (см. точки на графике) не изменяет режим идеального смешения в реакторе. Постоянство удельной скорости реакции при заданном составе смеси (W*) и изменении количества катализатора в реакторе (Vкат) в 10 раз подтверждает изотермичность реакционного объема.
Предложенный реактор был испытан с положительными результатами в процессах глубокого окисления CO и углеводородов, конверсии метана и CO с водяным паром, синтезе метанола, парциальном окислении углеводородов и в других процессах.
Использование: для исследования кинетики газовых гетерогенных каталитических процессов и определения активности катализатора. Сущность изобретения: микрореактор содержит коаксиально совмещенные внутренний и внешний цилиндры, съемную камеру с карманом для термопары, наружный термообогревательный элемент, перемешивающее устройство, противоточный теплообменник типа "труба в трубе" с ребрами, снабженный конусом. Перемешивающее устройство выполнено внешним с постоянной производительностью, а съемная камера в верхней части выполнена с уплотняющим шарообразным выступом. Микрореактор содержит два термоэлемента, один из которых (регулирующий) расположен над слоем, а другой (контролирующий) - внутри слоя катализатора. Микрореактор дополнительно снабжен уплотняющим соединением, состоящим из фторопластовой прокладки и накидной гайки, расположенным при более низкой температуре, чем слой катализатора. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.
