СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ Российский патент 1997 года по МПК F23C11/02 

Изобретение относится к способам осуществления экзотермических реакций: сжигание газообразных, жидких и твердых топлив для нагрева газов, жидкостей и твердых тел; обезвреживание газообразных, жидких и твердых отходов путем их сжигания, окисление аммиака, получение формальдегида неполным окислением метана и т.п.

Известен способ сжигания топлив для нагрева рабочей среды путем подачи воздуха через газораспределительную решетку в псевдоожиженный слой твердого дисперсного теплоносителя с одновременным введением в последний топлива в соотношении α 1,0 1,1 и регулированием температуры слоя путем отвода из него тепла с помощью рабочей среды (Махорин К.Е. и др. Высокотемпературные установки с кипящим слоем. Киев, Техника, 1966, с 36).

Недостатком известного способа является необходимость проведения процесса при высоких температурах (выше 800^oC), определяемых скоростью горения топливно-воздушных смесей на поверхности частиц инертного теплоносителя. Для ввода аппарата в работу необходимо нагреть теплоноситель до температуры 600
800^oC с помощью дополнительного источника тепла, а для устойчивости работы аппарата температура должна поддерживаться на уровне 800 1000^oC. Температура отходящих из слоя дымовых газов близка к температуре слоя частиц теплоносителя. Необходимы дополнительные устройства для утилизации тепла дымовых газов. Высокие температуры сжигания приводят к образованию термических оксидов азота. Присутствующие в топливе связанные соединения азота при таком способе сжигания также окисляются, в основном, с образованием оксида азота. Не исключается образование монооксида углерода и органический соединений типа бензпиренов при дожигании части топлива в надслоевом пространстве.

Известен также способ сжигания газообразных и жидких топлив в неподвижном слое катализатора (Trimm D.L. Appl. Catal. 1983, v.7, p. 249). В этом случае предварительно смешанная и подогретая топливно-воздушная смесь пропускается через слой катализатора, представляющего собой гранулы, кольца или пористые блоки. В качестве активных компонентов катализаторов используются системы Cr₂O₃, CO₃O₄, CuO, Смешанные оксиды Cr₂O₃ Co₃O₄, Cr₂O₃ - Cr₂O₃ и т.д. Используются также катализаторы на основе оксидов металлов с добавкой благородных металлов, например Pt. Температура сжигания топлив определяется активностью и термостабильностью катализаторов и может варьироваться в широких пределах от 200 до 800^oC. Отвод тепла от продуктов сгорания топлив проводится через стенки каталитического реактора и последующей системы теплообменников (например, для нагрева воды, воздуха) или непосредственным контактом дымовых газов с рабочей средой.

Недостатками способа являются низкие значения коэффициентов теплоотдачи от дымовых газов, являющихся теплоносителем, к рабочему телу, необходимость использования чрезмерно больших теплообменных поверхностей после слоя катализатора. Из-за значительного адиабатического разогрева в слое катализатора исключается возможность сжигания стехиометрических смесей топлива с воздухом. Поэтому смеси сжигают обычно в избытке воздуха, что приводит к снижению эффективности устройств за счет увеличения объема дымовых газов, повышения объемной скорости топливно-воздушной смеси, проходящей через слой катализатора, т. е. уменьшения времени контакта. Это может привести к неполному сгоранию топлива, и поэтому температура слоя катализатора обычно поддерживается около 800 1100^oC. При такой высокой температуре сам катализатор должен обладать высокой термостабильностью и рядом уникальных структурных свойств. С другой стороны, при этих температурах возможны образование как "топливных", так и "термических" оксидов азота и их появление в дымовых газах. При этом теряется экологическое преимущество каталитического сжигания. Также исключается возможность сжигания твердых топлив и отходов.

Наиболее близким к изобретению из предшествующего уровня техники является известный способ сжигания топлив для нагрева рабочей среды путем подачи воздуха с a 1,0 1,1 через газораспределительную решетку в псевдоожиженный слой дисперсного катализатора полного окисления органических веществ с одновременным введением в последний топлива. Температура в слое поддерживается постоянной в интервале 300 800^oC за счет изменения расхода рабочей среды. (а.с. СССР N826798).

Изобретение решает задачу улучшения эффективности осуществления экзотермических реакций за счет уменьшения истирания катализатора и улучшения однородности псевдоожиженного слоя.

Задача решается путем проведения каталитических реакций на катализаторе, выполненном в виде малообъемной насадки, а псевдоожиженный слой организуют в объеме последней из частиц инертного материала. Каталитически активная насадка выполнена в виде неподвижного блока, элементы которого представляют собой решетки, насадки тип колец "Рашига" и т.п. Каталитически активная насадка содержит катализатор, соответствующий проводимому каталитическому процессу, а исходные вещества для проведения процесса подают в псевдоожиженный слой инертного теплоносителя в газообразном, жидком или твердом состоянии. В качестве инертного теплоносителя используют твердый дисперсный материал с температурой плавления выше температуры проведения процесса.

Отличительными особенностями предлагаемого способа являются:
1. Катализатор выполнен в виде организующей малообъемной насадки, расположенной в реакторе с псевдоожиженным слоем частиц твердого дисперсного теплоносителя.

2. Каталитически активная насадка выполнена в виде неподвижного блока, элементы которого представляют собой решетки, насадки типа колец "Рашига" и т.п.

3. Каталитически активная насадка содержит катализатор, соответствующий проводимому каталитическому процессу.

4. Исходные вещества для проведения процесса подают в псевдоожиженный слой инертного теплоносителя в газообразном, жидком или твердом состоянии.

5. В качестве инертного теплоносителя используют твердый дисперсный материал с температурой плавления выше температуры проведения процесса.

Пример 1. В реактор диаметром 80 мм загружают 2,0 л катализатора полного окисления веществ с диаметром гранул 2,0 3,0 мм. Под газораспределительную решетку подают воздух для псевдоожижения слоя катализатора и окисления топлива. Внешним электронагревателем нагревают слой катализатора до 300 - 400^oC. Затем шнековым дозатором в слой подают порошкообразный бурый уголь Канско-Ачинского месторождения в количестве 3,3 3,5 кг/час. Температуру в слое регулируют количеством воды, подаваемой на охлаждение в теплообменник, погруженный в слой катализатора, и поддерживают на уровне 700^oC. Количество оксида углерода в дымовых газах на выходе из реактора, 0,16 об. Степень истирания катализатора 0,3 мас. в сутки.

Пример 2. Аналогичен примеру 1. В реактор с каталитически активной малообъемной насадкой в виде колец из пористой окиси алюминия с нанесенным активным компонентом загружают дисперсный теплоноситель (кварцевый песок). Малообъемную насадку располагают на высоте 300 мм от газораспределительную решетку подают воздух для псевдоожижения слоя катализатора и окисления топлива. Внешним электронагревателем нагревают слой до 300 400^oC. Затем шнековым дозатором в псевдоожиженный слой песка на высоте 150 мм от газораспределительной решетки подают бурый уголь Канско-Ачинского месторождения в количестве 3,3 3,5 кг/час. Температуру в слое поддерживают на уровне 700^oC за счет регулированного количества воды, подаваемой на охлаждение в теплообменник, погруженный в псевдоожиженный слой над организующей насадкой. Количество оксидов углерода 0,12об. степеней истирания каталитической насадки 0.01 мас. в сутки.

Пример 3. Аналогичен примеру 2. В реакторе устанавливают малообъемную насадку из пористой металлокерамики с нанесенным каталитическим активным компонентом. Количество оксидов углерода -0,15 об. степень истирания каталитической насадки 0,003 мас. в сутки.

Пример 4. Аналогичен 1. В слой подают вместо угля дизельное топливо через форсунку в количестве 0,9 кг/час. Количество оксида углерода в дымовых газах 0,11 об. Степень истирания катализатора -0,4 мас. в сутки.

Пример 5. Аналогичен примерам 2 и 4. Количество оксида углерода 0,11 об. Степень истирания каталитической насадки 0,01 мас. в сутки.

Пример 6. Аналогичен примеру 1. В слой подают газообразный пропан в количестве 0,3 м³/час. Степень окисления пропана 99,9% Степень истирания катализатора 0,3 мас. в сутки.

Пример 7. Аналогичен примерам 2 и 6. Степень окисления пропана 99,9% Степень истирания каталитической насадки 0,01 мас. в сутки.

Пример 8. Аналогичен примеру 1. В слой катализатора вместо угля подают модельную сточную воду, содержащую 20% дизельного топлива и 80% воды. Количество подаваемой сточной воды 2,5 3,0 л/час. Количество оксида углерода в отходящей из реактора парогазовой смеси составляет 0,2 об. Степень истирания катализатора 0,8 мас. в сутки.

Пример 9. Аналогичен примерам 2 и 8. Количество оксида углерода в отходящих газах 0,14 об. Степень истирания каталитической насадки 0,01 мас. в сутки.

Пример 10. В реактор диаметром 80 мм загружают 2,0 л катализатора окисления аммиака с диаметром гранул 2,0 2,5 мм. Слой катализатора разогревают до температуры 500^oC внешним электроподогревателем. Под газораспределительную решетку подают воздух для псевдоожижения слоя, затем в слой подают аммиак. Температуру в слое регулируют количеством воды, подаваемой на охлаждение в теплообменник, погруженный в слой катализатора, и поддерживают на уровне 700^oC. Степень превращения аммиака в окись азота при соотношении воздух/аммиак, равном 7.1, составляет 76% Степень истирания катализатора - 0,5 мас. в сутки.

Пример 11.0аналогичен примеру 10. В реактор устанавливают малообъемную организующую насадку из пористой металлокерамики, содержащую катализатор окисления аммиака, и загружают дисперсный теплоноситель. Степень превращения аммиака 77% Степень истирания каталитически активной насадки 0,003 мас. в сутки.

Пример 12. Аналогичен примеру 1. Шнековым дозатором подают шлам-лигнин Байкальского целлюлозного завода с влажностью 80% в количестве 10 кг/час. Температура в слое поддерживается 500^oC. Температура парогазовой смеси и твердых продуктов на выходе из реактора составляет 200^oC. Количество оксида углерода 0,15 об. Степень истирания катализатора 0,5 мас. в сутки. Твердый продукт после отделения в циклоне обрабатывают 0,5 h водным раствором серной кислоты в соотношении 10:1 на единицу массы твердого продукта. В качестве модельной сточной воды используют разбавленный черный щелок целлюлозного завода с цветностью 5000^o кобальтплатиновой шкалы и химическим потреблением кислорода (ХПК) 320 мг O₂/л с pH 10,5. Количество твердого продукта для очистки сточной воды составляет 0,3 г на 1 л сточной воды. В 1 л сточной воды добавляют 3 мл суспензии, перемешивают и через 10 мин анализируют на цветность и ХПК. Эффект очистки по ХПК 92% по цветности 98%
Пример 13. Аналогичен примерам 2 и 12. Количество оксида углерода 0,14 об. Степень истирания каталитической насадки 0,01 мас. в сутки. Степень очистки сточной воды по ХПК 92% по цветности 98%
Таким образом, приведенные примеры показывают, что предлагаемый способ позволяет полностью исключить использование дорогостоящего сферического катализатора с сохранением при тех же условиях высокой эффективности каталитического процесса. При этом проявляется дополнительное качество - увеличение срока службы катализатора в 50 100 раз.

Использование: изобретение относится к способам осуществления экзотермических реакций - сжигание газообразных, жидких и твердых топлив для нагрева газов, жидкостей и твердых тел; обезвреживание газообразных, жидких и твердых отходов путем их сжигания; окисление аммиака; получение формальдегида неполным окислением метана и т.п.. Сущность изобретения: способ осуществляют путем проведения экзотермических каталитических реакций на катализаторе, выполненном в виде малообъемной организующей насадки, расположенной в реакторе с псевдоожиженным слоем частиц твердого дисперсного теплоносителя. Каталитически активная насадка выполнена в виде неподвижного блока, элементы которого представляют собой решетки, насадки типа колец "Рашига" и т.п. Каталитически активная насадка содержит катализатор, соответствующий проводимому каталитическому процессу, а исходные вещества для проведения процесса подаются в псевдоожиженный слой инертного теплоносителя в газообразном, жидком или твердом состоянии. В качестве инертного теплоносителя используется твердый дисперсный материал с температурой плавления выше температуры проведения процесса. Предлагаемый способ позволяет полностью исключить использование дорогостоящего сферического катализатора с сохранением при тех же условиях высокой эффективности каталитического процесса. При этом проявляется дополнительное качество - увеличение срока службы катализатора в 50 - 100 раз. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ осуществления каталитических реакций путем подачи реагентов в слой псевдоожиженных твердых частиц, проведения указанных реакций в присутствии катализатора при температуре, регулируемой изменением расхода нагреваемой среды, отличающийся тем, что катализатор выполнен в виде организующей малообъемной насадки, а псевдоожиженный слой организуют из частиц инертного материала-теплоносителя. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что исходные вещества для проведения процесса подают в псевдоожиженный слой инертного материала-теплоносителя в газообразном, жидком или твердом состоянии. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве инертного теплоносителя используют твердый дисперсный материал с температурой плавления выше температуры проведения процесса. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что насадка выполнена в виде неподвижного блока, элементы которого представляют собой решетки, блоки, насадки типа колец "Рашига".