Электроды/электролитический блок, реактор и способ прямого аминирования углеводородов - RU2015145278A
Код документа: RU2015145278A
Формула
1. Электроды/электролитический блок для прямого аминирования углеводородов, содержащий:
- анод, проводник электронов и протонов, включающий композиционную пористую матрицу, состоящую из керамической фракции и катализатора, представляющего собой металл, для указанного аминирования при температурах ниже 450°С, при этом пористость анода находится в диапазоне от 10 до 40%;
- пористый катод, проводник электронов и протонов и электрокатализатор;
- электролит, проводник протонов или ионов и электрически изолированный, расположенный между анодом и катодом, изготовленный из композиционной керамики, непроницаемой для реагентов и для продуктов указанного аминирования.
2. Электроды/электролитический блок по п. 1, отличающийся тем, что пористость анода находится в диапазоне от 20 до 30%, предпочтительно 30%.
3. Электроды/электролитический блок по п. 1 или 2, отличающийся тем, что блок имеет плоскую или трубчатую конфигурацию.
4. Электроды/электролитический блок по п. 1, отличающийся тем, что указанный катализатор содержит металл или оксид металла.
5. Электроды/электролитический блок по п. 1, отличающийся тем, что катализатор анода содержит металл, допированный по меньшей мере одним из элементов из следующего перечня: алюминий, кобальт, медь, хром, олово, стронций, железо, гадолиний, индий, иридий, иттрий, лантан, литий, марганец, молибден, ниобий, золото, палладий, платина, серебро, празеодим, рутений, титан, цинк или их смеси.
6. Электроды/электролитический блок по п. 5, отличающийся тем, что указанный металл содержит никель, оксид никеля или их смеси.
7. Электроды/электролитический блок по любому из пп. 4-6, отличающийся тем, что матрица анода содержит:
- керамическую подложку, содержащую по меньшей мере элемент, выбранный из следующего перечня: алюминий, барий, кальций, церий, медь, стронций, гадолиний, иттрий, лантан, ниобий, неодим, празеодим, самарий, титан, оксиды циркония или их смеси; и
- металл, выбранный из следующего перечня: алюминий, кобальт, медь, хром, олово, стронций, железо, индий, иридий, иттрий, литий, никель, марганец, молибден, ниобий, золото, палладий, платина, серебро, рутений, титан, цинк или их смеси.
8. Электроды/электролитический блок по любому из пп. 4-6, отличающийся тем, что керамическая подложка представляет собой церат бария, дотированный иттрием.
9. Электроды/электролитический блок по любому из пп. 4-6, отличающийся тем, что анод содержит никель и церат бария, допированный иттрием в форме наночастиц.
10. Электроды/электролитический блок по любому из пп. 4-6, отличающийся тем, что керамическая подложка анода представляет собой церат бария и допирована иттрием и цирконием.
11. Электроды/электролитический блок по п. 10, отличающийся тем, что анод содержит наночастицы никеля и церат бария, допированный иттрием и цирконием.
12. Электроды/электролитический блок по п. 11, отличающийся тем, что анод содержит однородную смесь:
- от 30 масс. % до 70 масс. % оксида никеля;
- от 70 масс. % до 30 масс. % церата бария, допированного иттрием.
13. Электроды/электролитический блок по п. 1, отличающийся тем, что электролит содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из следующего перечня: алюминий, барий, кальций, церий, медь, стронций, гадолиний, иттрий, индий, лантан, ниобий, неодим, празеодим, самарий, титан, цирконий или их смеси.
14. Электроды/электролитический блок по п. 13, отличающийся тем, что электролит содержит церат бария, допированный иттрием.
15. Электроды/электролитический блок по п. 14, отличающийся тем, что электролит содержит церат бария, допированный иттрием и цирконием.
16. Электроды/электролитический блок по п. 1, отличающийся тем, что катод содержит по меньшей мере один металл, выбранный из следующего перечня: алюминий, кобальт, медь, хром, олово, стронций, железо, индий, иридий, иттрий, литий, марганец, молибден, ниобий, золото, палладий, платина, серебро, рутений, титан и цинк.
17. Электроды/электролитический блок по п. 1, отличающийся тем, что анод содержит платину или платину и церат бария, допированный иттрием, на электролите.
18. Электроды/электролитический блок по любому из пп. 15-17, отличающийся тем, что катод дополнительно содержит по меньшей мере один оксид, выбранный из следующего перечня: оксиды алюминия, бария, кальция, церия, меди, стронция, гадолиния, иттрия, лантана, ниобия, неодима, празеодима, самария, титана и оксидов циркония.
19. Электроды/электролитический блок по п. 1, отличающийся тем, что толщина электролита находится в диапазоне от 10 мкм до 400 мкм.
20. Электроды/электролитический блок по п. 1, отличающийся тем, что катод представляет собой платину, анод представляет собой никель и церат бария, допированный иттрием, и электролит представляет собой церат бария, допированный иттрием.
21. Электроды/электролитический блок по п. 1, отличающийся тем, что катод представляет собой платину, анод представляет собой никель и церат бария, допированный иттрием и цирконием, и электролит представляет собой церат бария, допированный иттрием и цирконием.
22. Электроды/электролитический блок по п. 1, отличающийся тем, что углеводород представляет собой бензол, а продукт аминирования представляет собой анилин.
23. Электрохимический реактор с электрохимическим накачиванием водорода для прямого аминирования углеводородов, включающий по меньшей мере одну электрохимическую ячейку, включающую по меньшей мере один из электродов/электролитический блок, как раскрыто в любом из пп. 1-22, анодную камеру, где протекает аминирование, и катодную камеру, где протекает восстановление протонов, при этом указанный анод(ы) и катод(ы) указанных электродов/электролитических блоков соединены электрически.
24. Реактор по п. 23, отличающийся тем, что разность потенциалов между электродами ниже 1,5 В, предпочтительно от 0,2 В до 1,5 В.
25. Реактор по п. 23 или 24, отличающийся тем, что катод дополнительно включает электросопротивление.
26. Реактор по п. 23 или 24, который включает систему подачи инертного газа на сторону катода, предпочтительно азота или водяного пара.
27. Реактор по п. 23 или 24, который включает систему подачи газа, содержащего кислород, на сторону катода, предпочтительно воздуха или чистого кислорода.
28. Реактор по п. 23 или 24, дополнительно включающий источник питания, который прилагает разность электрических потенциалов между анодом и катодом указанных электродов/электролитического блока.
29. Реактор по п. 23 или 24, отличающийся тем, что рабочая температура находится в диапазоне от 200°С до 450°С; предпочтительно от 300°С до 400°С.
30. Реактор по п. 23 или 24, отличающийся тем, что давление реакционной среды находится в диапазоне от атмосферного давления до 300 бар (30 МПа), более предпочтительно от 7 бар до 30 бар (от 0,7 МПа до 3 МПа).
31. Реактор по п. 23 или 24, отличающийся тем, что прилагаемая разность потенциалов предпочтительно находится в диапазоне от 0,2 В до 1,5 В, при этом оптимальное напряжение зависит от условий работы реактора и от характеристик электродов/электролитического блока и является как можно более высоким до протекания интенсивной дегидрогенизации реагентов.
32. Реактор по п. 23 или 24, отличающийся тем, что в электроде/электролитическом блоке катод содержит платину, анод содержит никель и церат бария, допированный иттрием, и электролит представляет собой церат бария, допированный иттрием.
33. Реактор по п. 23 или 24, отличающийся тем, что реакция аминирования представляет собой прямое аминирование бензола до анилина.
34. Реактор по п. 23 или 24, отличающийся тем, что рабочая температура реактора находится в диапазоне от 200°С до 450°С, предпочтительно от 300°С до 400°С.
35. Способ получения электродов/электролитического блока, как указано в любом из пп. 1-22, включающий следующие стадии:
- получение одного анода путем смешивания металлического катализатора с керамическим проводником протонов и органической добавкой; при этом доля оксида металла на проводнике ионов находится в диапазоне от 30 масс. % до 70 масс. %, и концентрация в смеси органической добавки, предпочтительно крахмала или поливинилового спирта, находится в диапазоне от 5 масс. % до 30 масс. % в присутствии или в отсутствие растворителя;
- наполнение полученной в результате смесью анода (1) формы и прессование;
- нанесение слоя композитной керамики, непроницаемого для реагентов и для продуктов аминирования, который соответствует электролиту, на анод и спекание при температуре от 1300°С до 1600°С в течение времени от 5 ч до 24 ч при скорости нагревания от 1°С·мин-1 до 5°С·мин-1 в окисляющей атмосфере;
- нанесение катода на анод/электролит путем совместного прессования, совместного спекания, распыления влажного порошка или непосредственное наложение имеющихся в продаже паст;
- спекание катода при температуре в диапазоне от 900°С до 1100°С, предпочтительно в течение времени от 1 ч до 5 ч при скорости нагревания от 1°С·мин-1 до 5°С·мин-1, в окисляющей атмосфере.
36. Способ по п. 35, отличающийся тем, что органическая добавка представляет собой крахмал или поливиниловый спирт.
37. Способ по п. 35 или 36, отличающийся тем, что дополнительные слои катода наносят и спекают после нанесения нового слоя до достижения желаемой проводимости электронов и толщины.
