Katalytický reaktor s indukčným ohrevom

Stiahnuť PDF súbor.

Zhrnutie / Anotácia

Zariadenie na kontinuálne riadenie katalyzovanej reakcie v plynnej fáze pri zvýšenej teplote zahŕňa nádobu (11) reaktora (10), obsahujúcu aspoň jeden vstup (12) reakčnej zložky na privádzanie plynnej reakčnej zložky do nádoby (11) reaktora (10) a aspoň jeden výstup (13) produktu na odvádzanie produktu z nádoby (11) reaktora (10), aspoň jeden katalyzátor (17) v tuhej fáze, umiestnený v nádobe (11) reaktora (10) v styku s plynnou reakčnou zložkou, prúdiacou od vstupu (12) reakčnej zložky k výstupu (13) produktu, pričom je vybavený aspoň jednou indukčnou cievkou (14), umiestnenou v nádobe (11) reaktora na indukčný ohrev katalyzátora (17) v tuhej fáze a na prechod plynu.

Text

Pozerať všetko

Vynález sa týka zariadenia na kontinuálne riadenie katalyzovanej reakcie v plynnej fáze pri zvýšenej teplote, ktoré zahŕňa nádobu reaktora, obsahujúcu aspoň jeden vstup reakčnej zložky na privádzanie plynnej reakčnej zložky do nádoby reaktora a aspoň jeden výstup produktu na odvádzanie produktu z nádoby reaktora, aspoň jeden katalyzátor v tuhej fáze, umiestnený v nádobe reaktora V styku s plynnou reakčnou zložkou, prúdiacou od vstupu reakčnej zložky k výstupu produktu.Koncepcia využitia indukčného ohrevu na zahrievanie katalyzátora počas chemickej reakcie v plynnej fáze pri zvýšenej teplote je v doterajšom stave techniky všeobecne známa. Napríklad v patentovom spise US 5 110 996 je opísaný spôsob výroby vinylidéntluoridu reakciou dichlórfluórmetánu s metánom v indukčne vyhrievanej reakčnej rúrke, obsahujúcej náplň z nekovového materiálu a prípadne kovový katalyzátor.Podobne je v patentovom spise W 0 95/21126 opísaná príprava kyanovodíka reakciou amoniaku a uhľovodíkového plynu v indukčne vyhrievanej kremennej reaktorovej rúrke, V tomto prípade sa zahrieva katalyzátor na báze platinověho kovu V reaktorovej rúrke v prítomnosti indukčnej cievky, špirálovito ovinutej dookola vonkajšej časti kremennej rúrky. Táto cievka je budená pomocou indukčného zdroja energie, ktorý by mohol dodávať tiež impulzový výkon. Pre osobitnú endotermickú reakciu, ktorá sa využíva pri tomto riešení, sa navrhuje frekvencia v rozsahu 0,5 až 30 MHz na udržiavanie reakčnej teploty v rozmedzí 600 až 1200 °C. lndukčnou cievkou, ovinutou dookola vonkajšku reaktorovej rúrky, je samotná kovová rúrka, ktorou cirkuluje chladiaca voda. Riešenie navrhuje tiež rôzne formy kovového katalyzátora, zahŕňajúce kovovú sieťku, keramický substrát s kovom dispergovaným na povrchu, alebo keramické zrná, pokryté kovom tak, aby tieto katalyzátory mali memú elektrickú vodivosť aspoň 1,0 siemens na meter, aby sa efektívne zahrievali pomocou indukcie.l ked je rúrkovy reaktor s indukčným ohrevom všeobecne známy v stave techniky a preukázal sa ako užitočný pri výrobe kyanovodíka endotermickou reakciou amoniaku a uhľovodíka, ako je metán, teraz sa zistilo, že existujú určité nedostatky, ktoré sa môžu aspoň čiastočne prisudzovat konštrukčnćmu typu reaktorov z doterajšieho stavu techniky. Na problémy sa zásadne naráža, keď sa zväčší veľkost reaktora a stáva sa kritické predovšetkým pre reakcie, ktoré sú citlivé na teplotu, pričom sa potenciálne odrážajú v jednom alebo niekoľkých z nasledujúcich problémov v zníženej konverzii na požadovaný produkt, v zvýšení neočakávaných vedľajších reakčných produktov a/alebo v menšej ako optimálnej selektívnosti. Konštrukčný materiál reaktoru by ďalej mohol predstavovať významný problém pri navrhovaní a zväčšovaní. Predložený vynález sa zaoberá týmito vzťahmi.Vzhľadom na uvedené potenciálne problémy spojené s indukčne vyhrievanými chemickými reaktoimi pre plynnú fázu z doterajšieho stavu techniky sa teraz zistilo, že umiesmenim hlavnej indukčnej cievky priamo vnútri rúrkového reaktora v podstate naprieč cez celý prierez reaktora, poskytnutím toku plynu cez ňu a použitím tejto cievky priamo ako zdroja energie sa zlepšuje regulovanie teploty a môže sa dosiahnut rovnomemejšie zahrievanie kovového katalyzátora. Tieto zlepšenia sa môžu čiastočne vysvetlit ako spôsobené zlepšenou schopnosťou regulovať priestorový vzájomný vzťah medzi indukčným zdrojom energie a indukčne zahrievaným kovovým katalyzátorom, t. j. rovnomemejšou radiálnou distribúciou v reaktore a tiež tesnejšou proximitou. Toto postupne umožňuje zväčšovanie príliš veľkých prierezov reaktora bez významného zníženia konverzie alebo selektívnosti dokonca i v prípadoch reakcií v plynnej fáze citlivých na teplotu, ako je výroba kyanovodíka z amoniaku a uhľovodíka a podobne.V súlade s predmetom tohto vynálezu bolo teda vyvinuté zariadenie na kontinuálne riadenie katalyzovanej reakcie v plynnej fáze pri zvýšenej teplote, zahŕňajúce nádobu reaktora, obsahujúcu aspoň jeden vstup reakčnej zložky na privádzanie plynnej reakčnej zložky do nádoby reaktora a aspoň jeden výstup produktu na odvádzanie produktu z nádoby reaktora, aspoň jeden katalyzátor v tuhej fáze, umiestnený v nádobe reaktora v styku s plynnou reakčnou zložkou, prúdiacou od vstupu reakčnej zložky k výstupu produktu, pričom toto zariadenie je opatrene aspoň jednou indukčnou cievkou, umiesmenou v nádobe reaktora na indukčný ohrev katalyzátora v tuhej fáze a na prechod plynu.Pri jednom výhodnom rozpracovaní predmetu tohto vynálezu je indukčná cievka tvorená plochou kotúčovou cievkou, skladajúcou sa v podstate z rovínnej špirály kovovej rúrky so špirálovitými rozstupmi medzi nasledujúcimí slučkami na prúdenie plynu, pričom rovina plochej kotúčovej cievky je umiestnená priečne k smeru prúdenia plynu v nádobe reaktora v blízkosti katalýzátora v tuhej fáze.Pri inom výhodnom rozpracovaní je indukčná cievka tvorená kužeľovitou cievkou, skladajúcou sa v podstate z kužeľovitej špirály kovovej rúrky so špirálovitými a skrutkovitými rozstupmi medzi nasledujúcimí slučkami na prúdenie plynu, pričom rovina uvedenej kužeľovitej cievky je umiestnená priečne k smeru prúdenia plynu v nádobe reaktora v blízkosti katalyzátora v tuhej fáze.Prehľad obrázkov na výkresochVynález bude ďalej podrobnejšie objasnený na príkladoch jeho konkrétneho uskutočnenia, ktorých opis bude podaný s prihliadnutím k priloženým obrázkom výkresov,kdeobr. l znázorňuje pohľad v reze na kremenný reaktor podľa tohto vynálezu, ktorý je vhodný predovšetkým na výrobu kyanovodíkaobr. 2 znázorňuje pohľad v reze na reaktor z nehrdzavejúcej ocele podľa tohto vynálezu, ktorý je vhodný predovšetkým na výrobu kyanovodíka aobr. 3 znázorňuje pohľad v reze na altematívnu realizáciu reaktora z nehrdzavejúcej ocele podľa obr. 2.Indukčne vyhrievaný reaktor podľa tohto vynálezu, jeho používanie na riadenie chemickej reakcie v plynnej fáze pri zvýšenej teplote, jeho funkcia a odlišnost od dosiaľ známych indukčne vyhrievaných reaktorov, rovnako ako jeho výhody a úžitok, spojený s jeho použitím, budú vysvetlené v nasledujúcom opise, ktorý bude podaný s odkazom na výkresy.Obr. l naprñdad znázorňuje kremenný reaktor 10, ktorý je využiteľný najmä na výrobu kyanovodíka bežne označovanú ako Degussov spôsob. Degussov spôsob typicky zahŕňa katalytickú reakciu amoniaku a uhľovodíka, ako je metán, pri zvýšenej teplote, zvyčajne vyššej ako 1200 °C,na výrobu kyanovodíka podľa nasledujúcej endoterrnickej reakcieCH NH, - HCN an, Obr. 2 a obr. 3 znázorňujú altematívne realizácie reaktorov 20 a 30 z nehrdzavejúcej ocele. Na rozdiel od reaktora 10 podľa obr. l sú reaktory 20 a 30 využiteľné predovšetkým na výrobu kyanovodíka bud Degussovým spôsobom, alebo spôsobom bežne uznávaným ako exotermický Andrussowov spôsob. Ďalej je nutné zdôrazniť, že i keď je indukčne vyhrievaný reaktor podľa tohto vynálezu opisovaný a vyobrazený vzhľadom na vysokoteplotnú výrobu kyanovodíka v plynnej fáze, rozumie sa, že vynález nie je obmedzený danou reakciou. Veľa z výhod a úžitkov, spojených so zlepšeným reaktorom, sa rovnako dobre realizujú v iných reakciách a procesoch, uskutočňovaných v plynnej fáze pri vysokej teplote.Ako je znázomenć na obr. l, indukčne vyhrievaný reaktor 10 v tomto špecifickom rozpracovaní obsahuje všeobecne valcovitú kremennú alebo kremeňom potiahnutú nádobu 11 reaktora 10, ktorá má na jednom konci vstup 12 reakčnej zložky v tvare kužeľa, cez ktorý sa privádzajú reakčné zložky, metán a amoniak. Na druhom konci je výstup 13 produktu podobne v tvare kužeľa na odvádzanie produktov, kyanovodíka a vodíka. Vnútri nádoby 11 reaktora 10 je špirálovitá kotúčové indukčná cievka 14 s prívodmi 15 a 15, vstupujúcimi do reaktora 10 a vystupujúcimi z reaktora 10. Kotúčové indukčná cievka 14 je vyrobená z kovového materiálu na výrobu rúrok (napriklad z medeného materiálu na výrobu rúrok a podobne) a môže cez ňu prechádzat chladiaca voda alebo iné médium na výmenu tepla. Kotúčová indukčná cievka 14 je ďalej prispôsobená tiež na pôsobenie ako prímárná indukčná cievka pripojením k indukčnému zdroju energie (neznázomené). Táto kotúčová indukčná cievka 14 je zavesené v podstate naprieč cez vnútrajšok nádoby 11 reaktora 10 a priamo susedí s perforovanou difuzérovou platňou 16. Difuzérová platňa 16 sa skladá z obrazca otvorov s malým priemerom, vyvŕtaných v posunutých radoch, aby zaberali približne tretinu oblasti povrchu difuzérovej platne 16. Zvyčajne je táto difuzérová platňa 16 vyrobená z kremeňa alebo nevodivej keramiky. Altematívne môže byt difuzérová platňa 16 vyrobená z keramickej peny. Difuzérová platňa 16 slúži tiež na elektrické izolovanie indukčnej cievky 14 od indukčne zahrievaného katalyzátora 17, umiestneného na druhej strane difuzérovej platne 16. Týmto katalyzátorom 17 v tomto špeciñckom rozpracovaní je veľký počet vrstiev tkaniny, drôtu alebo sieťky z platínových kovov (napríklad Pt-Rh ovinutý okolo oxidu hlinitého a podobne). Pár valcových kremenných rozpierok 18 a 18 a nosný kruh 19 tlakom drží difuzérovú platňu 16 a katalyzátor 17 zavesené v nádobe 11 reaktora 10 v blízkosti kotúčovej indukčnej cievky 14 počas použitia. Na udržiavanie katalyzátora 17 a indukčnej cievky 14 zavesených v nádobe 11 reaktora 10 sa môžu použiť rôzne iné typy konštrukcií a nosných členov.Obr. 2 znázorňuje nádobu 21 reaktora 20 z nehrdzavejúcej ocele so vstupom 22 reakčnej zložky a s výstupom 23 produktu. Podobne ako na obr. l je kotúčová indukčná cievka 24 zavesené vnútri reaktora 20 a v podstate preklenuje celý prierez vnútrajšku nádoby 21 reaktora 20 kolmo na dráhu toku plynu.V tejto špecifickej realizácii kotúčová indukčná cievka 24 priamo susedí s vrchnou vrstvou 25 z materiálu Fiber frax, ktorá minimalizuje straty tepla a poskytuje konečnú filtráciu privádzaného plynu prechádzajúceho cez ňu. Priamo pod vrchnou vrstvou 25 z materiálu Fiberfrax je vrstva peny z oxidu hlinitého, ktorá slúži ako ochranný kryt 26 (t. j. na ochranu plynnej zmesi reakčných zložiek, vstupujúcich do reaktora 20 pred predčasným zapálením). Pod týmto ochranným krytom 26 je kovový katalyzátor 27. Katalyzátor 27 spočíva na perforovanej keramickej spodnej nosnej vrstve 28, ktorej otvory majú menší priemer, než zrná neseného katalyzátora 21. Pod keramickou spodnou nosnou vrstvou 28 je druhá keramická spodná nosná vrstva 29 s väčšou perforáciou.Táto špeciíická realizácia, znázomená na obr. 2, ďalej demonštruje, ako sa posudzuje zlepšený indukčne vyhrievaný reaktor podľa tohto vynálezu, aby bol všeobecne použiteľný a užitočný pre mnohotvámost odlišných typov katalytických reakcií v plynnej fáze pri zvýšenej teplote. Katalyzátor 27 nie je obmedzený na kovový drôt, tkaninu alebo sieťku, ale v skutočnosti môže byť vo forme častíc, potiahnutých častíc alebo zmesi rozličných typov častíc. Také použitie tepelne izolačnej vrstvy a/alebo ochrannej krycej vrstvy medzi indukčnou cievkou a zahrievaným katalyzátorom poskytuje príležitosť na použitie takých reaktorov v rade rozdielnych reakcií a minimalizuje stúpanie teplotyObr. 3 znázorňuje altematívnu realizáciu reaktora, znázomeného na obr. 2.V tomto špecifickom rozpracovaní obsahuje reaktor 30 v podstate rovnakú tepelne izolačnú vrstvu, ochrannú kryciu vrstvu, katalyzátor a spodné nosné členy, ktoré sú znázomené na obr. 2. Ale indukčnou cievkou 32 v tejto realizácii je špirálovo ovinutá, skrutkovitá kovová rúrková cievka umiestnená v reaktore 30 priamo nad katalyzátorom.Konštrukcia zlepšeného reaktora podľa tohto vynálezu zahŕňa akékoľvek konvenčné materiály, všeobecne známe z doterajšieho stavu techniky ako využiteľné pri výrobe indukčne vyhrievaných reaktorov. Prednosti-ie, a ako je znázomené na obrázkoch, sa reaktor vyrába z materiálov, ako je kremeň, potiahnutý kremeň, keramika, potiahnutá keramika, nehrdzavejúca oceľ a podobne. Predpokladá sa rovnako, že sa môžu výhodne využít rôzne povlaky alebo ochranné plátovanie v závislosti od osobitných reakčných podmienok. Jednotlivé výrobné spôsoby, používané na zmontovanie reaktora, sa môžu podobať akýmkoľvek postupom, všeobecne známym v doterajšom stave techniky, a zahŕňajúcim napríklad zvarovanie kovových konštrukčných častí a/alebo lepenie použitím lepidiel keramickoepoxidového typu alebo tlakové tesnenie a podobne. Všeobecne závisí výber jednotlivých materiálov a rovnako katalyzátora od toho, aká zvláštna chemická reakcia a podmienky sa použijú.Katalyzátor zahŕňa kov alebo kovový kompozitný materiál, ktorý je schopný toho, aby sa indukčne zahrieval. Všeobecne môže byt tento katalyzátor vo forme jednej alebo viacerých vrstiev kovové tkaniny, sieťky (napriklad laserom perforovaná kovová fólia, tkane alebo netkané drôtene pletivo a podobne), diskrétne rovinné kovové objekty(napriklad kovová pena) alebo mnohonásobne vrstvy častíc katalyzátora peletového typu.Také formy katalyzátora sú úplnejšíe opísané v patentovom spise W 0 95/21126 a v patentovej prihláška US 08/887 549. Ďalej sa predpokladá, že použitie altematívnych vrstiev katalyzátora a indukčnej cievky v jednotlivom reaktore by bolo praktické na účely tohto vynálezu.Indukčne vyhrievaný rúrkový reaktor podľa tohto vynálezu je využiteľný v širokom rozsahu frekvencií zvyčajne od 50 Hz do 30 MHz. Zásadne sa v zlepšenom reaktorepodľa tohto vynálezu môže uskutočniť akákoľvek katalyzovaná chemická reakcia v plynnej fáze pri zvýšenej teplote. Prednostne sa na výrobu kyanovodíka reakciou amoniaku a uhľovodíka používa katalyzátor na báze platinových kovov. Ďalšie podrobnosti takej reakcie a spôsobov jej realizácie sú uvedené v patentovom spise WO 95/221 126 a v patentovej prihláške US 08/887 549. Nasledujúce príklady sa uvádzajú na účely kompletnejšej demonštrácie a ďalšej ilustrácie rozličných individuálnych aspektov a znakov predloženého vynálezu, pričom ukážky sú určené na ďalšiu ilustráciu odlišností a výhod predloženého vynálezu. Tieto príklady sa považujú za neobmedzujúce a sú uvádzané na účely ilustrácie vynálezu.HCN sa pripravil reakciou malého molámeho prebytku amoniaku s metánom v reaktore s nehybnou vrstvou s kontinuálnou prevádzkou, ktorý sa zahrieval indukciou pomocou kotúčovej cievky, ako je znázomené na obr. 1. Pomery amoniaku a metánu sú ďalej uvedene v tabuľke 1. Reaktorom bol v podstate kremenný valec s priemerom 5,0 cm a dĺžkou 20 cm s vhodným príslušenstvom na pripojenie privodnej rozvádzacej jednotky a jednotky na odvádzanie produktu. Katalyzátor sa skladal z 20 plechov zo sieťky s 80 očkami, skladajúcich sa z 90 hmotnostných platiny a 10 hmotnostných ródia s hrúbkou 0,4 mm. Zahrievanie katalyzátorovej vrstvy sa dosahovalo pripojením energie zo zdroja energie k hlavnej cievke uzatvorenej v reaktore. Napájací systém reaktora bol určený na poskytnutie až dvoch prívodov plynu do reakčnej zóny pri konštantnom prietoku. Plyny sa merali a monítorovali použitím hmotnostného prietokového regulátora Brooks®. Identifikácia a kvantifikácia produktu sa uskutočnila pomocou plynovej chromatograñe. lndukčný ohrev sa vykonával pri konštantnej frekvencii 26 MHz a dodávaná a odvádzaná energia sa nastavovala tak, aby sa dosiahol požadovaný celkový výťažok. Reakčné podmienky, konverzia, výťažky atď. sú uvedené v tabuľke 1.Úžitok a výhody, spojené s indukčne vyhrievaným reaktorom podľa tohto vynálezu, sú početné a významné. Po prvé, použitie indukčnej cievky V nádobe reaktora v blízkosti kovového katalyzátora vedie k rovnomemejšej regulácii teploty. Následkom toho sa zmíerňujú problémy, spojené s indukčne vyhrievanými reaktormi z doterajšieho stavu techniky, ako sú vedľajšie reakcie, indukované teplotným gradientom, a zníženie konverzie/selektivnosti. Zlepšená konštrukcia reaktora tiež poskytuje príležitosť zvýšiť predovšetkým použitie väčších rozmerov prierezu. Zlepšený reaktor čiže vedie k väčšej flexibilite konštrukcie a výberu konštrukčných materiálov, ako tiež spôsobu činnosti,pričom sa môže spätne prispôsobiť pre stávajúce reaktory. Výsledkom použitia indukčnej cievky vnútri nádoby reak tora ako zdroja energie môže byt tiež dosiahnutie väčšieho privádzaného tepla na jednotku objemu pre väčšie prierezy reaktora, ako v prípadoch vonkajšej cievky, kde výška vrstvy limituje počet závitov cievky. Následkom toho je zlepšený reaktor využiteľný na vykonávanie veľmi rýchlych reakcií v plynnej fáze tým, že sa poskytuje použitie zoskupenia vrstiev (napríklad v tvare kotúča), ktoré má podstatne nižší pokles tlaku kvôli menšej výške vrstvy.1. Zariadenie na kontinuálne riadenie katalyzovanej reakcie v plynnej fáze pri zvýšenej teplote, zahŕňajúce nádobu (11) reaktora (10), obsahujúcu aspoň jeden vstup (12) reakčnej zložky na privádzanie plynnej reakčnej zložky do nádoby (l 1) reaktora (10) a aspoň jeden výstup (13) produktu na odvádzanie produktu z nádoby (1 1) reaktora (10),aspoň jeden katalyzátor (17) v tuhej fáze, umiestnený v nádobe (11) reaktora (10) v styku s plynnou reakčnou zložkou, prúdiacou od vstupu (12) reakčnej zložky k výstupu(13)produktu, vyznačuj úce sa tým, žeje vybavené aspoň jednou indukčnou cievkou (14), umiestnenou V nádobe (11) reaktora na indukčný ohrev katalyzátora2. Zariadenie podľa nároku 1, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že indukčná cievka (14) je tvorená plochou kotúčovou cievkou (24), skladajúcou sa v podstate z rovinnej špirály kovovej rúrky so špirálovitýmí rozstupmi medzi nasledujúcimi slučkami na prúdenie plynu, pričom rovina plochej kotúčovej cievky (24) je umiestnená priečne k smeru prúdenia plynu v nádobe (1 l) reaktora (10) v blizkosti kata 1 yzátora(17) v tuhej fáze.3. Zariadenie podľa nároku 1, v y z n a č uj ú e e s a t ý m , že indukčná cievka (14) je tvorená kužeľovitou cievkou (32), skladajúcou sa v podstate z kužeľovitej špirály kovovej rúrky so špirálovitými a skrutkovitými rozstupmi medzi nasledujúcimi slučkami na prúdenie plynu,pričom rovina uvedenej kužeľovitej cievky (32) je umiestnená priečne na smer prúdenia plynu v nádobe (11) reaktora (10) v blízkosti katalyzátora (l 7) V tuhej fáze.

MPK / Značky

MPK: B01J 8/02, B01J 19/08, B01J 19/00, B01J 12/00, C01C 3/02

Značky: katalytický, indukčným, ohrevom, reaktor

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/7-284015-katalyticky-reaktor-s-indukcnym-ohrevom.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Katalytický reaktor s indukčným ohrevom</a>

Podobne patenty