КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2009 года по МПК B01J35/04 B01J23/42 B01J23/44 B01J21/04 

Изобретение относится к каталитическим элементам регулярной структуры, которые могут найти применение в различных каталитических процессах.

Самый распространенный и простой в изготовлении тип катализаторов - это катализаторы, выполненные в форме различных гранул. Гранулированные катализаторы можно готовить как экструзией, так и другими методами, например прессованием или окатыванием. Все методы формовки высокопроизводительны и позволяют получать широчайший спектр рецептур и форм катализаторов.

Но гранулированные катализаторы имеют свои недостатки при эксплуатации:

- высокое сопротивление потоку; износ катализатора, связанный с истиранием, который приводит к потере ценных компонентов, особенно для катализаторов с драгметаллами; выделение пыли; рост сопротивления слоя; невысокие параметры теплоотдачи внутри слоя. В аппаратах возможно расслоение слоя катализатора по размерам гранул, забивание аппаратов пылью от истирания катализатора.

Частично недостатки гранулированных катализаторов устраняет другой тип катализаторов, а именно сотовые блоки.

Применение сотовых блоков обеспечивает низкое сопротивление потоку.

Сотовые блоки технологичны в эксплуатации, имеют минимальные по сравнению с гранулами истирание и унос, достаточно стойкие в работе из-за отсутствия износа, связанного с трением и вибрациями.

Тем не менее, сотовые блоки имеют и существенные недостатки. Это недостатки, связанные как с изготовлением, так с эксплуатацией блоков.

При формовке блоков используют сложную и дорогую оснастку, производительность формовки низкая, формование сотовых структур возможно для ограниченного количества составов керамики, большинство рецептур либо не дают качественных каналов, либо растрескиваются при сушке и термообработке. Из самого распространенного носителя - гамма-оксида алюминия изготовить блок нельзя, чаще всего монолит блока и активный слой - это два различных материала, что создает сложность в технологическом процессе изготовления блочного катализатора и зачастую отслаивание активного слоя при эксплуатации.

Блоки сотовой структуры весьма чувствительны к термоударам - перепадам температур при эксплуатации, у них малая термическая устойчивость, т.е. растрескивание при высоких и переменных температурах, плохой теплообмен керамики и возможность отвода тепла реакции в потоке внутри канала.

Наличие каналов малого диаметра при большой длине может давать резкий рост сопротивления из-за возможной закупорки каналов реагентами или продуктами реакции, или сажей.

Существует сильное отличие структуры потока по каналу в пристенном слое потока, что накладывает дополнительные диффузионные ограничения на процесс.

Известны сотовые каталитические элементы (РФ 2128081, B01J 35/04, 1999; JP 62-191048, B01J 35/04, 1987; DE 3430886, B01J 35/04, 1986; JP 53-137866, B01D 53/34, 1978. JP 54-141382, B01J 1/00, 1979; ЕР 0260704, В01J 21/04, 1988 и др.).

В патенте РФ 2209117, B01J 35/04, 27.07.2003 описан каталитический элемент регулярной сотовой структуры, который выполнен в виде слоя из отдельных призм, соединенных боковыми гранями и имеющих сотовые каналы, отдельные призмы при укладке их в слой сотовой структуры имеют зазор между боковыми гранями 0,1-1,0 диаметра сотового канала. Для укладывания по периметру слоя используются усеченные под диаметр контактного аппарата блоки треугольной и трапециевидной форм. Данные катализаторы применяются при проведении высокотемпературных процессов в газовой фазе, например окислении аммиака. Предложены сотовые катализаторы для производства серной кислоты - процесс окисления диоксида серы. Наибольшее распространение блочные сотовые катализаторы получили в процессах очистки газов от вредных примесей. Во всех перечисленных процессах сотовые блочные катализаторы проявляют свои положительные качества, при этом сохраняя недостатки, прежде всего низкую термическую стойкость - растрескивание, отслаивание активного каталитического слоя от монолита блока, забивание каналов.

Данное изобретение решает задачу разработки такой конструкции каталитического элемента, которая позволяла бы объединить достоинства гранулированных и сотовых катализаторов, не воспроизводя их главные недостатки.

Для решения поставленной задачи предлагается следующая конструкция каталитического элемента.

Каталитический элемент представляет собой кассету (сборку), в которой отдельные каталитические элементы, полученные стандартными методами гранулирования, объединены общей блочной конструкцией.

Каталитические элементы представляют собой стержни или гранулы катализатора круглого или иного сечения и собраны с помощью дистанционирующего устройства в единый блок.

Дистанционирующее устройство может быть выполнено в виде сетки, в которой собирается блок катализаторов, в виде штырей, на которых фиксируются каталитические элементы, либо в виде пластин, в которых механически могут быть зафиксированы каталитические элементы.

Каталитический элемент может быть сформирован из параллельных или расположенных под углом слоев стержней катализатора, то же самое возможно при загрузке блоков в реактор. Каталитические элементы в реакторе будут ориентированы в направлении «поток вдоль», «поток перпендикулярно», «поток под углом» к стержням, при этом степень турбулизации потока будет значительно отличаться.

Элемент может быть сформован из разнородных по составу стержней катализатора, то есть из различных катализаторов, имеющих одинаковую форму.

Элемент может быть сформирован из разных по диаметру стержней катализатора.

Сама геометрия стержня может быть по сечению не только круглой, но и иной, что делает возможным увеличение геометрической поверхности.

Достоинства предлагаемого элемента.

1. Простое и производительное, как у экструдатов, формование.

2. Возможность формования каталитических стержней из широкого спектра составов керамики, в том числе из активных оксидов алюминия.

3. Низкое сопротивление потоку.

4. Постоянное "лобовое набегание" потока на каталитический элемент.

5. Поток не замкнут в канале, как у сотового блока.

6. Постоянные изменения направления и смешения потока по слоям элемента.

7. Хорошее перемешивание и турбулизация потока реагентов от слоя к слою.

8. Высокие массо- и теплообменные характеристики.

9. Отсутствие контакта между стержнями и, как следствие, износа трением.

10. Нет пыли при работе катализаторного слоя.

11. Термостойкость. Отсутствие термического расширения-сжатия, так как каталитический элемент термокомпенсирован самой конструкцией и не является монолитом. Не происходит растрескивания.

12. Нет опасности "забивания" слоя катализатора пылью, реагентами, сажей.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими чертежами.

На Фиг.1 схематически показан общий вид каталитического элемента.

На Фиг.2 показана схема устройства каталитического элемента.

На Фиг.3 показана схема движения потока реагентов через каталитический элемент.

На Фиг.4 схематически показан каталитический элемент с перпендикулярной компоновкой стержней.

На Фиг.5 схематически показан вариант стержней с различным сечением.

На Фиг.6 схематически показаны стержни, закрепленные в дистанционнрующем устройстве-сетке.

В соответствии с данной заявкой были изготовлены опытные каталитические элементы двух типов:

1. На основе катализаторных стержней из гамма оксида алюминия с нанесенной платиной. Стержни собранны в единый каталитический блок сетчатым дистанционирующим устройством. Данные каталитические элементы показали хорошую работоспособность в системе связывания водорода на промышленном участке зарядки аккумуляторов. Каталитические элементы работают в условиях конвективного (без вентиляции) движения воздуха через катализатор.

2. На остове колец из высокотемпературного оксида алюминия с нанесенным палладием. Гранулы объединены в единый каталитический элемент с помощью дистанционирующего устройства в виде стержней. Эти каталитические элементы проходят испытания на электровозостроительном предприятии в системе генератор-аккумулятор. Движение воздуха через катализатор - принудительное.

Изобретение относится к каталитическим элементам регулярной структуры для различных каталитических процессов. Описан каталитический элемент, представляющий собой единую блочную конструкцию, составленную из отдельных компонентов - каталитических стержней, отделенных друг от друга дистанционирующим устройством. Каталитические стержни могут иметь различную форму сечения и диаметры, а также представлять собой разные катализаторы. Стержни в единой блочной конструкции могут образовывать слои, расположенные параллельно, перпендикулярно или под другими углами друг к другу и потоку реагентов. Технический эффект - технологичность изготовления, низкое сопротивление потоку, хорошее перемешивание и турбулизация потока реагентов, высокие массо- и теплообменные характеристики без присущих этим типам катализаторов недостатков. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Каталитический элемент регулярной структуры, отличающийся тем, что он представляет собой единую блочную конструкцию, состоящую из отдельных каталитических компонентов, объединенных дистанционирующим устройством.

2. Каталитический элемент по п.1, отличающийся тем, что отдельные компоненты выполнены в виде каталитических стержней регулярной формы.

3. Каталитический элемент по п.1, отличающийся тем, что сечение каталитического компонента-стержня может представлять собой любую фигуру.

4. Каталитический элемент по п.1, отличающийся тем, что он может состоять из каталитических компонентов-стержней, имеющих различные диаметры.

5. Каталитический элемент по п.1, отличающийся тем, что он может состоять из каталитических стержней, являющихся различными по составу и концентрациям активных компонентов катализаторами.

6. Каталитический элемент по п.1, отличающийся тем, что стержни объединены в слои, расположенные параллельно, перпендикулярно или под различными углами, по отношению друг к другу и потоку реагентов, каталитического процесса.

7. Каталитический элемент по п.1, отличающийся тем, что дистанционирующее устройство представляет собой металлический каркас (сетка, штыри, пластины), в которых закреплены отдельные каталитические компоненты-стержни.