способ осуществления газофазных химических процессов

Формула изобретения

Способ осуществления газофазных химических процессов в присутствии гетерогенного катализатора, используемого в качестве проточного компонента через псевдоожиженный слой инертного материала и движущегося снизу вверх, и хотя бы одного исходного вещества, находящегося в жидком состоянии, отличающийся тем, что катализатор вводят в реактор в виде суспензии с исходным веществом, находящимся в жидком состоянии, при концентрации катализатора в суспензии 25 150 г/л с эквивалентным диаметром частиц до 10 мкм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам осуществления химических процессов и может быть использовано при проведении газофазных химических реакций в присутствии гетерогенных катализаторов.

Известен способ осуществления химических процессов, например, способ очистки сточных вод от органических соединений путем глубокого окисления в реакторе проточного типа с псевдоожиженным слоем приготовленного на носителе катализатора при порозности псевдоожиженного слоя 0,46-0,82, причем сточную воду подают непосредственно в псевдоожиженный слой катализатора [1]

Недостатки описанного способа связаны с использованием псевдоожиженного слоя катализатора, а именно: из-за истираемости и механического уноса пыли катализатора с отходящими газами имеют место потери катализатора; в присутствии минеральных солей за счет блокировки пор быстро снижается активность катализатора.

Поэтому по способу [1] требуется повышенный расход катализатора. Описанный способ не может быть применен и для обезвреживания солесодержащих отходов.

Наиболее близким по совокупности признаков является способ осуществления химических процессов "Химпроцесс-88", включающий проведение процесса в присутствии частиц гетерогенного катализатора и инертного материала в реакторе с псевдоожиженным слоем катализатора или инертного материала, в который непрерывно вводят сверху или снизу и выводят снизу или сверху инертный материал или катализатор, а исходные вещества подают в жидком или газообразном состоянии [2]

И катализатор, и инертный материал вводят в зону реакции в сухом виде, для чего требуется сложная система дозирования и значительные расходы на пневмотранспорт катализатора. Еще одним недостатком известного способа является повышенный расход катализатора, связанный с тем, что используют частицы катализатора большого размера (0,5-2,5 мм), что лимитирует поверхность контакта с реагентами.

Задачей изобретения является усовершенствование способа осуществления газофазных химических процессов путем исключения из него сложной системы дозирования и пневмотранспорта за счет подачи катализатора в реактор в виде суспензии при обеспечении оптимальной степени превращения реагирующих веществ.

Поставленная задача решается тем, что в способе осуществления химических процессов в присутствии гетерогенного катализатора, используемого в качестве проточного компонента через псевдоожиженный слой инертного материала и движущегося снизу вверх, и хотя бы одного исходного вещества, находящегося в жидком состоянии, согласно изобретению гетерогенный катализатор с эквивалентным диаметром частиц до 10 мкм вводят в реактор в виде суспензии в исходном веществе, находящемся в жидком состоянии, при концентрации катализатора в суспензии 25-150 г/л.

Введение в реакционную зону гетерогенного катализатора в виде суспензии в исходном жидком веществе при осуществлении газофазных химических процессов на выявлено в известных способах. Новый прием использования пылевидного гетерогенного катализатора позволяет упростить процесс за счет исключения из технологической схемы аппаратов, имеющих отношение к дозированию и вводу катализатора в реактор.

Особенностью предлагаемого способа является использование нового приема введения катализатора в газофазную реакционную систему в виде суспензии с одним из исходных реагентов, находящихся в жидком состоянии. При этом оказалось, что химический процесс завершается при том же времени пребывания, что и в случае введения катализатора в реакционную систему в сухом виде пневмотранспортом (а именно 0,7 с, как и в условиях прототипа), то есть не требуется дополнительное время для сушки катализатора в зоне реакции. Это позволило существенно снизить расход катализатора на единицу перерабатываемого реагента, упростить систему его введения в реактор, а за счет ограничения размера частиц катализатора, не превышающего 10 мкм, облегчить создание суспензии и повысить производительность реакционного объема. Выполненные исследования показали, что в этом случае имеет место аэрозольный катализ, то есть химическая реакция протекает в пылевидном облаке катализатора. При этом в отличие от процессов, где используют каталитические системы, приготовленные на носителе с развитой внутренней поверхностью, размер молекул реагентов не лимитирует процесс, так как при аэрозольном катализе создаваемое облако пыли катализатора в парогазовой смеси обеспечивает взаимодействие реагентов с каталитической поверхностью независимо от внутридиффузионных свойств системы, так как создаются условия равнодоступности каталитической поверхности.

В условиях прототипа принятый размер (0,05-2,5 мм) частиц катализатора при сохранении расхода катализатора не обеспечивает равнодоступность поверхности из-за наличия внутридиффузионных стадий, а, следовательно, равноценной производительности катализатора.

Предел концентраций гетерогенного катализатора в суспензии, равный 25-150 г/л, и размер частиц до 10 мкм выбраны исходя из того, что при этом достигается максимальная степень превращения реагирующих веществ при минимальном количестве катализатора, и отсутствуют проблемы ввода суспензии в реактор. Использование более низкой концентрации гетерогенного катализатора в суспензии, чем 25 г/л, приводит к снижению степени превращения исходных реагентов. При концентрации более высокой, чем 150 г/л суспензии, расход катализатора становится неэкономичным, так как в этом случае увеличиваются эксплуатационные расходы.

Оптимальным размером частиц катализатора для предлагаемого способа осуществления химических процессов является размер частиц с эквивалентным диаметром, не превышающим 10 мкм. При любом более низком размере частиц степень превращения реагирующих веществ и производительность катализатора не будут снижаться, так как поверхность контакта с уменьшением размера частиц возрастает. При размере частиц катализатора более высоком, чем 10 мкм, в заданном диапазоне концентраций степень конверсии исходных веществ значительно снижается за счет уменьшения поверхности контакта с катализатором.

Предлагаемый способ иллюстрируют следующие примеры.

Примеры 1-21. Глубокое окисление органических соединений и их смесей кислородом воздуха. Для проведения процесса используют реактор проточного типа с внутренним диаметром 0,05 м и высотой 1,2 м, начальный разогрев которого до температуры окисления, равной 600^oС, обеспечивают электрообогревом. Псевдоожижающим агентом твердого инертного материала является воздух, подаваемый в нижнюю часть реактора в количестве 3,24 нм³/ч. Объем псевдоожижаемого инертного материала 1000 см³.

Исходное жидкое вещество, содержащее органические соединения, смешивают с мелкодисперсным катализатором. Полученную суспензию, содержащую 25-150 г катализатора на 1 л суспензии, подают в нижнюю зону реактора, где одновременно происходит быстрое испарение исходного реагента. Катализатор подхватывается потоком воздуха и проходит через псевдоожиженный слой твердых частиц инертного материала. Из верхней части реактора катализатор выводят и возвращают в голову процесса на приготовление суспензии. Степень окисления исходных органических веществ во всех опытах составляет 100% при времени пребывания 0,7 с.

Об эффективности процесса окисления судят по содержанию ди- и монооксида углерода в отходящих газах.

Результаты опытов по осуществлению предлагаемого способа приведены в табл.1.

Примеры 22-29. Синтез винилацетата винилированием уксусной кислоты. Газофазный синтез винилацетата винилированием уксусной кислоты осуществляют в проточном реакторе диаметром 20 мм и высотой 130 мм, снабженном электрообогревом. В низ реактора подают газообразный ацетилен (содержание основного продукта 99,8 об.), являющийся одновременно и псевдоожижающим агентом твердого инертного материала, в качестве которого используют шарики диаметром 0,7-1 мм, с расходом 463 л/ч и выше. Жидкую уксусную кислоту (содержание основного продукта 99,7 мас. в количестве 292 мг/л и выше смешивают с мелкодисперсным цинкацетатным катализатором (ацетат цинка 27,8 мас. уголь АР-ЗД 72,2 мас.) с эквивалентным диаметром частиц 10 мкм и менее и полученную суспензию, содержащую 25-150 г катализатора на 1 л суспензии, подают в нижнюю часть реактора. В реакторе происходит процесс, аналогичный описанному в примере 1. Реакцию винилирования проводят при мольном соотношении уксусная кислота ацетилен, равном 1:4, и температуре 200^oС. Отходящие потоки проходят зону сепарации, пары конденсируются охлаждением до температуры минус 20^oС. Газовую фазу сбрасывают в атмосферу, а жидкую направляют в приемник. Содержание винилацетата в жидкости определяют хроматографически. О полноте химической реакции судят по степени превращения уксусной кислоты в винилацетат.

Результаты опытов по винилированию уксусной кислоты настоящим способом представлены в табл.2.

Приведенные примеры подтверждают, что проведение процесса таким образом позволяет при сохранении оптимальной степени превращения реагирующих веществ существенно снизить расход катализатора на единицу перерабатываемого продукта в 3-130 раз, то есть показывают возможность достижения технического результата при использовании заявляемой совокупности существенных признаков.

Следовательно, заявляемый способ осуществления химических процессов соответствует требованиям промышленной применимости.