Katalytické zariadenie na uskutočnenie reakcie v plynnom médiu pri vysokej teplote, reaktor, reakčný proces a spôsob výroby katalytického zariadenia

Číslo patentu: 285674

Dátum: 10.05.2007

Autor: Steffen Joseph

Stiahnuť PDF súbor.

Zhrnutie / Anotácia

Katalytické zariadenie na uskutočňovanie reakcie v plynnom médiu pri vysokej teplote, ako je napríklad syntéza HCN alebo oxidácia čpavku, obsahuje najmenej jeden štruktúrovaný materiál (1), ktorý pôsobí na túto reakciu ako katalyzátor, podperu (2), pozostávajúcu z najmenej jednej keramickej časti (3), ktorej štruktúra umožňuje prechod plynov. Táto časť (3) podpery (2) má vlnovitú čelnú plochu (6) takú, aby sa zväčšenie povrchovej plochy (beta), vytvorené zvlnením vzhľadom na plochý povrch, aspoň rovnalo hodnote (alfa) vyrátanej na pílkovité zvlnenie, medzi asi 1,1 až asi 3. Štruktúrovaný materiál (1) sa navalcuje na povrch (6) časti (3) vlnovitej podpery (2) tak, aby kopíroval jej tvar a v tejto polohe je držaný stabilizačnými prostriedkami. Reaktor na exotermickú reakciu pri vysokej teplote v plynnom médiu, ktorý má kruhový priečny prierez, obsahuje uvedené katalytické zariadenie, ktoré je usporiadané priečne.

Text

Pozerať všetko

(22) Dátum podania prihlášky 27. 7. 2001(24) Dátum nadobudnutia (51) 1 m C 1 (2006) účinkov patentu 7. 6. 2007 Vestník UPV SR a. 6/2007 C 01 C 3/00(31) Číslo prioritnej prihlášky 00/09937 C 013 21/ 00(32) Dátum podania priorímej prihlášky 28. 7. 2000 ÚRAD i (33) Krajinaalebo regionálna BOLI 8/00 PRIEMYSELNEHO orgamzacia priority FR BOLI 35/00 VLASTNÍCTVA (40) Dátum zverejnenia prihlášky 8. 6. 2004 SLOVENSKEJ REPUBLIKY Vestník ÚPV SR c. 6/2004(47) Dátum spristupnenia patentu verejnosti 10. 5. 2007(62) Číslo pôvodnej prihlášky V prípade vylúčenej prihlášky(86) Číslo podania medzinárodnej prihlášky podľa PCT PCT/IB 01/01692(87) Číslo zverejnenia medzinárodnej prihlášky(54) Názov Katalytické zariadenie na uskutočnenie reakcie v plynnom médiu pri vysokej teplote, reaktor, reakčný proces aspôsob výroby katalytického zariadeniaKatalytické zariadenie na uskutočňovanie reakcie v plynnom médiu pri vysokej teplote, ako je napriklad syntéza HCN alebo oxidácia čpavku, obsahuje najmenej jeden štruktúrovaný materiál (l), ktorý pôsobí na túto reakciu ako katalyzátor, podperu (2), pozostávajúcu z najmenej jednej keramickej časti (3), ktorej štruktúra umožňuje prechod plynov. Táto čast (3) podpery (2) má vlnovitú čelnú plochu(6) takú, aby sa zväčšenie povrchovej plochy (B), vytvorené zvlnenim vzhľadom na plochý povrch, aspoň rovnalo hodnote (ot) vyrátanej na pílkovité zvlnenie, medzi asi 1,1 až asi 3. Štruktúrovaný materiál (l) sa navalcuje na povrch (6) časti (3) vlnovitej podpery (2) tak, aby kopíroval jej tvar a v tejto polohe je držaný stabilizačnými prostriedkami. Reaktor na exotermickú reakciu pri vysokej teplote v plynnom médiu, ktorý má kruhový priečny prierez, obsahuje uvedené katalytické zariadenie, ktoré je usporiadané priečne.Predložený vynález sa týka katalytických reakcii v plynnom médiu pri vysokej teplote, napríklad oxidácie čpavku a syntézy HCN. Predmetom vynálezu je zdokonalene katalytické zariadenie, ktoré možno použit na tento druh reakcie a reaktor, ktorý ho obsahuje, ako aj reakčný proces a spôsob výroby katalytického zariadenia.Oxidácia čpavku sa často používa pri výrobe kyseliny dusičnej. Spôsob, známy ako Ostwaldov proces, zahŕňa operáciu, pri ktorej prechádza predhriata zmes čpavok/vzduch, zvyčajne obsahujúca 5 až 15 obj., osobitne 10 až 12 obj., vzduchu, vysokou lineámou rýchlosťou(merané pri štandardných teplotných a tlakových podmienkach), katalytickým zariadením umiestneným priečne v priereze reaktora.Syntéza kyseliny kyanovodíkovej (HCN) pri jedinej operácií z čpavku a plynného uhľovodíka, pri ktorej sa teplo potrebné na endotennickú reakciu vytvára súčasnou spaľovacou reakciou s kyslíkom alebo plynom, ktorý obsahuje vzduch, za prítomnosti katalyzátora, je operácia, ktorá je známa veľa rokov (US patent l 934 838). Známa je ako Andrussov proces.Tieto dva typy reakcie používajú katalyzátory zo skupiny platiny, obvykle vo forme plochého tkaného pletivá. Pracovný prierez takýchto katalyzátorov je obmedzený rozmemii reaktora.Na zvýšenie produktivity týchto reaktorov je možné použit zvýšený počet katalytických pletív. Po určitej dosiahnutej hrúbke však nastáva pokles tlaku, ktorý pôsobí proti zvyšovaniu prúdenia reakčnej zložky a ruší účinky lepšieho výťažku konverzie. Zvýšenim hrúbky môžu ďalej vznikať vedľajšie reakcie. Pri súčasnom stave techniky ťažkosti pri zvyšovaní výroby preto vyplývajú- z množstva aktívnych miest katalyzátora (kontaktná povrchová plocha),- z času kontaktu katalyzátora s reakčnými zložkami.Aby sa zväčšila účinná povrchová plocha katalyzátora,v patentoch US 5 160 722 a US 5 356 603 je opísané použitie katalytických pletív, ktoré sú priečne zvlnené. Aj ked sa takto povrchová plocha zväčší, tieto zvlnenia majú nizke amplitúdy, zachovanie tvaru tejto sústavy je v skutočnosti možné len pre teploty nižšie ako 800 °C. Okrem toho, mechanické vlastnosti kovu sa stávajú nedostatočné a vzhľadom na pokles tlaku, záhyby alebo zvlnenia majú sklon sa prenášať. Životnosť takéhoto zariadenia je preto veľmi krátka, čo je nezlučiteľné s priemyselnou výrobou.Patentová prihláška EP 931 585 vo svojej časti opisuje použitie katalytického pletiva vo forme radiálne zvlnených kotúčov alebo kužeľov, takže otáčajúci sa horák môže sledovat zvlnenie pri svojom otáčaní sa okolo svojej osi. Uvedené problémy však ostávajú.Úlohou predloženého vynálezu je preto vytvorit katalytické zariadenie, obsahujúce katalyzátor, ktorý má väčšiu geometrickú povrchovú plochu a ktorý odoláva podmienkam reakcie bez toho, aby sa podstatne nezvýšil pokles tlaku alebo aby nevznikali vedľajšie reakcie.Predložený vynález sa týka katalytického zariadenia na uskutočnenie reakcie v plynnom médiu pri vysokej teplote,ako napr. na syntézu HCN alebo oxidáciu čpavku, ktorého podstata pozostáva v tom, že obsahuje- najmenej jeden štruktúrovaný materiál, ktorý je účinný ako katalyzátor pre tieto reakcie,- podperu obsahujúcu aspoň jednu keramíckú časť, ktorej štruktúra umožňuje prechod plynov, časť tejto podpery má vlnovitú čelnú plochu, takže zväčšenie povrchovej plochy(6) tvorené zvlnenim vzhľadom na rovinnú plochu je prinajmenšom rovnaké ako je zväčšenie (a) pilovitých zvlnení a medzi asi 1,1 a asi 3, kde štruktúrovaný materiál je umiestnený tak, aby bol pridržovaný na vlnovitej čelnej ploche časti podpery a kopíruje jej tvar.Prostriedky, ktoré umožňujú pridržat štruktúrovaný materiál na vlnovitej čelnej ploche časti podpery, výhodne pozostávajú z druhej časti keramickej podpery, ktorej štruktúra umožňuje prechod plynov, druhej časti s vlnovitou čelnou plochu, ktorá je v podstate totožná a komplementárna s vlnovitou čelnou plochou prvej časti podpery, a druhá časť je zostavené tak, že vlnovité čelné plochy prvej a druhej časti sú oproti sebe a štruktúrovaný materiál je vložený medzi vlnovité čelné plochy a kopíruje ich tvar. Pokles tlaku je preto výhodne skoro homogénny v celom takto zhotovenom katalytickom zariadení.Výraz štruktúrovaný materiál znamená v zmysle predloženého vynálezu každú sústavu pásov alebo drôtov,ktoré sú lineáme a/alebo vo forme špirálovitých konštrukcii, ktorými môžu prechádzať plyny. Táto sústava je napr. z pletiva, tkanej textílie, pletenej textílie alebo ako plst a možno ju získat rôznjnni technikami, ako je tkanie, pletenie, šitie, vyšívanie a pod. Výhodneje to pletivo.Výraz dve vlnovité čelné plochy v podstate súhlasného a komplementámeho tvaru znamená v zmysle predloženého vynálezu každú kombináciu dvoch plôch, ktoré majú zvlnenie podobne čo do veľkostí a tvaru, t. j. ktoré majú totožné zvýšenie na povrchovej ploche B, ktoré je skonštruované tak, že ked sú tieto plochy oproti sebe, zvlnenia sa doplňujú (sú komplementárne), Predložený vynález sa týka aj reaktora na exotermickú reakciu pri vysokej teplote v plynnom médiu, ktorý má kruhový priečny prierez a obsahuje predmetné katalyticke zariadenie usporiadané priečne, pričom exotermickou reakciou je syntéza HCN.Výhodne pritom je, ked je zariadenie uložené na dutých tehlách, tvoriacich základ reaktora a je pokryté tepelným štítom.Podstatou vynálezu je aj použitie uvedeného zariadenia alebo reaktora vreakčnom procese vplynnom médiu pri vysokej teplote.Podstatou vynálezu je ďalej aj spôsob výroby katalytického zariadenia, ktorého podstatou je navalcovanie štruktúrovaného materiálu na povrch časti vlnovitej podpery tak,aby kopíroval jej tvar a v tejto polohe je držaný stabilizačnými prostriedkami.Prehľad obrázkov na výkresochPríkladné uskutočnenie predloženého vynálezu je znázomené na pripojených obrázkoch, kde obr. l je jedno schematické znázomenie katalytickćho zariadenia podľa vynálezuobr. 2 znázorňuje parametre, ktoré umožňujú vypočítať zväčšenie povrchovej plochy (ce) vytvorenej zvlneniami v tvare zubov píly.Podpera 2 podľa predloženého vynálezu je vyrobená z keramiky, ktorej štruktúra umožňuje prechod plynov. Príkladmi takýchto keramík sú, bez obmedzenia, keramické peny alebo keramické kompozity. Výraz keramický výhodne znamená, V zmysle predloženého vynálezu, každý žiaruvzdomý materiál, schopný odolávat teplotám, na ktoré sa dostáva katalytícké platinové pletivo pri reakcii média obsahujúceho okrem iných aj paru. Pre prípad použitia pn syntéze HCN podľa Andrussowho procesu táto teplota môže dosiahnut až 1200 °C. Vhodné materiály sú preto zložené na báze kysličnika hlinitého a môžu obsahovať rôzne množstvá kysličnika kremičítého (10 až 60 hmotn.) a horčíka, zírkónu, titánu a oxidu céru (l až 20 hmotn. pre každú z týchto zložiek). Tieto materiály môžu obsahovať,bez obmedzenia, jednu alebo viacero nasledujúcich zlúčenín díoxid kremíka (kyslíčník kremičitý SiOz), karbid kremíka SiC, nitríd kremíka Si 3 N 4, borid kremíka, boronítrid kremíka, kyslíčník hlinitý A 12 O 3), aluminosilíkát, uhlikové vlákna, oxid zirkónu (ZrOZ), oxid ytria (Y 2 O 3), kyslíčník vápenatý (CaO), kyslíčník horečnatý (MgO) a kordierit (MgO - A 120, - S 102) . řVýhodne sa použije keramika Stetta®G 29 od Stettncra,ktorého charakteristika je nasledovnámmm-r Neum Fauna Llmlmy Lntmy rap-m ouulrmr Mamma onen. mmm mnm kockami known mitm( voci jxmüzkml mm( vim-m Mimi Iozllłmdl rutfúnvsti Wlm|() twolným Iploil priucimIIKKI IIKID riznm wc pnxrc wc 3 2 4,5 1.5.3 2.4 1.3.1.1 saa rum mPred použitím sa materiály použité na vytvorenie podpery (2) obvykle vyrobia známymi technikami tvámením,lisovaním, aglomeráciou a pod. Potom sa kalcinujú pri vysokej teplote (1300 °C), takže získajú mechanické vlastnosti porovnateľné s ich budúcimi prevádzkovými podmienkami. Tieto kombínovanć operácie im musia vytvorit štruktúru, ktorou môžu prechádzať plyny, a ktorá môže byt napríklad vo forme buniek, navzájom spojených v 3 smeroch (pena) alebo plástu kruhověho alebo polygonálnehoštruktúrovaný materiál l, ktorý je účinný ako katalyzátor, je predovšetkým katalytický kov zo skupiny platiny a môže byt pripravený z platíny, ródia, irídía, paládia, osmia,ruténia alebo zmesi a/alebo zliatiny dvoch alebo viacerých týchto kovov. Výhodne je to platinová alebo platino/ródiová zliatina. inokedy môže byt tento katalyzátor zo skupiny platiny, ako bolo uvedené, a aspoň jedného materiálu obsahujúceho, ale bez obmedzenia, cér, kobalt, mangán,horčík a keramiku.Zvlnenie čelných plôch 6 a 7 podpery môže mat akýkoľvek tvar, najmä však v tvare pílových zubov.Pílovité zvlnenie bude definované výškou h každej vlny a vzdialenosťou d medzi dvoma vlnami. Zvýšenie z povrchovej plochy a vytvorené zvlnením tohto druhu môže byt preto vyrátané z týchto troch parametrov (obr. 2) nasledowiým spôsobomZväčšenie povrchovej plochy B, vytvorené akýmkoľvek typom zvlnenia podľa vynálezu, sa bude aspoň rovnať oz a bude zvolené v rozsahu asi od 1,1 do asi 3. To je preto, že o 1,1 zodpovedá zväčšenie povrchovej plochy o 10 . Pod túto hodnotu nie sú výhody tohto zvlnenia veľmi viditeľné. Nad B 3 sa použitie takéhoto zariadenia stáva obtiažne. Pílovité zvlneníe podľa vynálezu má výhodne profil rovnoramenného trojuholníka s d 2 h, z čoho vyplýva pomer or asi 1,40 a preto zväčšenie povrchovej plochy asi o 40 .Predložený vynález sa tiež týka reaktora na exoterrnické reakcie pri vysokej teplote v plynnom médiu, ktorý má v podstate kruhový priečny prierez a obsahuje katalytícké zariadenie podľa vynálezu, prechádzajúce cez jeho priečny prierez.Tento vynález sa tiež týka reakčného procesu v plynnom médiu pri vysokej teplote, ako je oxidácia čpavku alebo syntéza HCN, pri ktorom sa použije katalytické zariadenie alebo reaktor podľa vynálezu.Pri istom uskutočnení vynálezu, proces podľa predloženého vynálezu je syntéza HCN a obsahuje operáciu, pri ktorej prechádza plynná zmes s obsahom uhľovodíka, výhodne metánu, čpavku a kyslíka cez katalytické zariadenie podľa vynálezu pri teplote medzi 800 až 1400 °C tak, aby sa po reakcii vytvoril prúd plynu s obsahom najmenej 5 obj. HCN.Uhľovodík, použitý v procese na syntézu HCN podľa vynálezu, môže byt substituovaný alebo nesubstituovzmý a alifatícký, cyklický alebo aromatický uhľovodík, alebo ich zmes. Príklady týchto uhľovodíkov obsahujú, bez obmedzenia, metán, etylén, etán, propylén, propán, bután, metanol a toluén. Uhľovodík je výhodne metán.Predložený vynález sa tiež týka spôsobu výroby katalytického zariadenia podľa vynálezu, pri ktorom sa štruktúrovaný materiál 1 rozvinie na vlnovitú čelnú plochu 6 časti 3 podpery 2 tak, že kopíruje jej tvar a je na nej pridržíavaný pomocou stabilizačných prvkov.Tieto stabilizačné prvky sú výhodne mechanické a pozostávajú z druhej časti 4 podpery 2, ktorej vlnovitá čelná plocha 7 pokrýva čelnú plochu materiálu 1, ktorá je na opačnej strane, ako je vlnovitá čelná plocha 6 časti 3 podpery 2.Ešte výhodnejšie, pri takto vytvorenej kombinácii vzniká malý pokles tlaku, ktorý je v podstate homogénny v priereze reaktora.Určité schematické príkladné vyhotovenie zariadenia podľa vynálezu (obr. 1) pozostáva z- kombinácie vlnovitých pletiv l,- vlnovitej keramickej podpery 2 pozostávajúcej z dvoch častí 3 a 4, z ktorých má každá vlnovitú čelnú plochu 6 a 7.Pletivá 1 sú uložené medzi čelnými plochami 6 a 7 obidvoch častí 3 a 4 podpery 2.Príklad prípravy katalytického zariadenia podľa vynálezuPodpora 2 podľa predloženého vynálezu môže mat vlnovitý tvar, bud pred kalcináciou (počas operácie tvámcnia), alebo po kalcinácii, zložením a vzájorrmým zlepením hranolov trojuholníkového prierezu.Kombinácia platinových pletív 1, tvoriaca dávku katalyzálora, sa potom vloží medzi 2 vrstvy 3 a 4 vlnovitej podpery 2. Táto polohovacia operácia sa vykonáva zavalcovaním kombinácie pletiv eliptického tvaru l, ktoré sa budú ukladať na zvlnenej časti podpery, na vlnovitú časť 3 podpery 2, podpera sa predtým umiestni na duté tehly 11,tvoriace základ reaktora kruhového prierezu. Šírka eliptických pletív je totožná s vnútomým priemerom reaktora. Dĺžka sa rovná šírke násobenej skôr určeným koeficientom B. Homá vrstva 4 vlnovítého materiálu umožňuje znehybniť pletivá 1 mechanicky, pričom napomáha homogénnemu poklesu tlaku na kombináciu pri celom aktívnom povrchu. Na takto vytvorené katalyticke zariadenie sa potom uloží tepelný štít 10. To umožňuje udržať reakciu a všetku aktivačnú energiu na najnižšom bode povrchu pletiv 1. Duté tehly 11 sú umiestnené na rúrkach 12 kotla reaktora, ktore sú zo žiaruvzdomého cementu 13.Použitie katalytického zariadenia podľa predloženého vynálezu umožňuje, na rovnaký reaktor, zväčšiť povrchovú plochu na styk medzi katalyzátorom a reakčnými činidlami. To znamená, pre úplne všetky reakčné činidlá, zvýšenú produktivitu a minimálny a V podstate konštantný pokles tlaku, čo umožňuje dlhší čas výroby, keďže toto zariadenie je odolnejšie proti výrobným podmienkam, a nie je náchylné na mechanické deformácie.Uvedená tabuľka umožňuje porovnať technické údaje reprezentatívneho systému podľa stavu techniky s katalytickýrn zariadením podľa vynálezu.Koeficient a 1,0 1,4 Produktivita kg HCN na tonu vzdu- 2,00 2,16chu a kg katalyzátora Zvýšenie poklesu tlaku za mesiac pôvodného 29 5 poklesu tlaku Trvanie testovl. Katalyticke zariadenie na uskutočnenie reakcie v plynnom médiu pri vysokej teplote, ako je napr. syntéza HCN alebo oxidácia čpavku, v y z n a č u j ú c e s a tý m , že obsahuje -najmenej jeden štruktúrovaný materiál (l) ako katalyzátor tejto reakcie, - podperu (2), obsahujúcu aspoň jednu keramickú časť (3) na prechod plynov,ktorá má vlnovitú čelnú plochu (6), pričom zväčšenie povrchovej plochy (B) vytvorenej zvlnením proti rovnej ploche sa rovná najmenej hodnote (oz), vyrátanej na pílovite zvlnenie, ktore je v rozsahu asi l,l až 3, pričom štruktúrovaný materiál (l) je uložený na vlnovitej čelnej ploche (6) časti (3) podpery (2), kopírujúc jej tvar.2. Katalytické zariadenie podľa nároku 1, v y z n a č u j ú c e s a tý m , že prvky na držanie materiálu (l) na vlnovitej čelnej ploche (6) časti (3) podpery (2) pozostávajú z druhej časti (4) keramjckej podpery (2) na prechod plynu, čast (4) má vlnovitú čelnú plochu (7), ktorá je v podstate rovnaká a komplementáma s vlnovitou čelnou plochou (6) časti (3), čast (4) je umiestnená tak, aby vlnovite čelné plochy (6) a (7) boli oproti sebe a materiál (l)jevložený medzi čelné plochy (6) a (7) a kopíruje ich tvar,pričom pokles tlaku je preto výhodne homogénny počas celého prechodu.3. Katalytické zariadenie podľa jedného z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúce sa tým, že podpera (2) má voštinovú štruktúru.4. Katalytické zariadenie podľa niektorého z predchádzajúcichnárokowvyznačujúce sa tým,že zvlnenia sú pilovité, takže zväčšenie povrchovej plochy B zväčšenie povrchovej plochy o5. Katalytickě zariadenie podľa nároku 4, v y z n a č u j ú c e s a tý m , že zväčšenie povrchovej plochy 6 je asi 1,4.6. Katalyticke zariadenie podľa niektorého z predchádzajúcichnárokov,vyznačuj úce sa tým,že materiál (l) je pletivo.7. Reaktor na exotem-iickú reakciu pri vysokej teplote v plynnom médiu, ktorý má kruhový priečny prierez, v y z n a č u j ú ci s a tý m , že obsahuje katalytické zariadenie podľa nároku 1 až 6, ktoré je usporiadané priečne.8. Reaktor podľa nároku 7, v y z n a č uj ú ci s a t ý m , že exotermická reakcia je syntéza HCN.9. Reaktor podľa nároku 8, v y z n a č uj ú ci s a tý m , že zariadenie je uložené na dutých tehlách (l l),tvoriacich základ reaktora a je pokryté tepelným štítom.10. Reakčný proces V plynnom médiu pri vysokej teplotąvyznačujúci sa tým,žesapoužijekatalyticke zariadenie podľa nároku l až 6 alebo reaktor podľa nároku 7 až 9.ll. Reakčný proces podľa nároku 10, v y z n a č u j ú ci s a tý m ,žejeto syntézaHCN.12. Spôsob výroby katalytického zariadenia podľa nárokulaž 6,vyznačuj úci sa tým,žeštruktúrovaný materiál (l) sa navalcuje na povrch (6) časti (3) vlnovitej podpery (2) tak, aby kopíroval jej tvar a v tejto polohe je držaný stabílizačnýmí prostriedkami.

MPK / Značky

MPK: B01J 35/00, C01C 3/00, B01J 15/00, B01J 12/00, C01B 21/00, B01J 8/00

Značky: vysokej, katalytického, proces, médiu, výroby, zariadenia, katalytické, reakcie, plynnom, spôsob, uskutočnenie, zariadenie, reakčný, teplotě, reaktor

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/5-285674-katalyticke-zariadenie-na-uskutocnenie-reakcie-v-plynnom-mediu-pri-vysokej-teplote-reaktor-reakcny-proces-a-sposob-vyroby-katalytickeho-zariadenia.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Katalytické zariadenie na uskutočnenie reakcie v plynnom médiu pri vysokej teplote, reaktor, reakčný proces a spôsob výroby katalytického zariadenia</a>

Podobne patenty