Реактор с индукционным нагревом для газофазных каталитических реакций - RU2339576C2
Код документа: RU2339576C2
Чертежи
Описание
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к газофазным каталитическим способам получения HCN при повышенных температурах, в которых в качестве источника энергии применяется индукционный нагрев, и аппарату для осуществления таких способов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Индукционный нагрев представляет собой неконтактный способ избирательного нагревания электропроводящих материалов с помощью переменного магнитного поля для индуцирования электрического тока, известного как вихревой ток, в материале, известном как токоприемник, что приводит к нагреванию токоприемника. Индукционный нагрев длительное время применялся в металлургической промышленности для нагревания металлов, например, при их плавлении, очистке, термообработке, сварке и пайке. Индукционный нагрев практикуется в широком диапазоне частот, начиная с частоты сети переменного тока 50 Гц вплоть до частот в десятки МГц.
На данной индукционной частоте эффективность нагрева в индукционном поле возрастает при наличии в объекте длинных проводящих путей. Большие куски обрабатываемого твердого материала можно нагреть при более низких частотах, тогда как мелкие объекты требуют более высоких частот. Слишком низкая частота для нагреваемого объекта данного размера делает нагревание неэффективным, т.к. энергия в индукционном поле не генерирует в объекте вихревые токи требуемой интенсивности. С другой стороны, слишком высокая частота вызывает неоднородное нагревание, поскольку энергия индукционного поля не проникает вглубь объекта и вихревые токи индуцируются только на поверхности или вблизи нее. Однако индукционный нагрев проницаемых для газов металлических структур до сих пор не был известен.
Известные в данной области способы осуществления газофазных каталитических реакций требуют, чтобы катализатор имел большую поверхность, для того чтобы молекулы реагирующего газа имели максимальный контакт с поверхностью катализатора. В известных способах обычно применяют или пористый каталитический материал, или большое число малых частиц катализатора на подходящем носителе, чтобы получить необходимую величину поверхности. В таких способах необходимый нагрев катализатора обеспечивается за счет проводимости, излучения или конвекции.
Для достижения хорошей селективности химической реакции все порции реагентов должны находиться в условиях однородного распределения температуры и катализатора. В случае эндотермической реакции скорость выделения тепла должна быть по возможности одинакова по всему объему слоя катализатора. Как проводимость, так и конвекция, а также излучение имеют ограниченную возможность обеспечения необходимой скорости и равномерности передачи тепла.
Типичный из известных до сих пор патентов - патент GB 2210286 (GB '286) - рекомендует применять малые частицы неэлектропроводного катализатора на металлическом носителе или модифицировать катализатор для придания ему электропроводности. Металлический носитель или модификатор индукционно нагревают, и они, в свою очередь, нагревают катализатор. В этом патенте предлагается использовать ферромагнитный сердечник, проходящий по центру слоя катализатора. Предпочтительным материалом для ферромагнитного сердечника является кремниевое железо. Хотя аппарат согласно патенту GB 2210286 может применяться для проведения реакций при температурах до примерно 600°С, при более высоких температурах его применение весьма ограничено. При более высоких температурах магнитная проницаемость ферромагнитного сердечника заметно понижается. Согласно данным справочника Erickson, C.J., "Handbook of Heating for Industry", pp 84-85, магнитная проницаемость железа начинает уменьшаться при 600°С и резко падает при 750°С. Поскольку в конструкции, предложенной в патенте GB '286, магнитное поле в слое катализатора зависит от магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника, такое устройство не может обеспечить эффективный нагрев катализатора до температур выше 750°С, не говоря уже о температурах выше 1000°С, необходимых для получения HCN.
Можно предполагать, что аппарат, предложенный в патенте GB 22102286, химически не пригоден для синтеза HCN. HCN получают по реакции аммиака с газообразным углеводородом. Известно, что железо вызывает разложение аммиака при повышенных температурах. Кроме того, железо, присутствующее в ферромагнитном сердечнике и носителе для катализатора в реакционной камере, описанной в патенте GB '286, будет вызывать разложение аммиака и таким образом ингибировать, а не промотировать конечную реакцию аммиака с углеводородом, приводящую к образованию HCN.
Цианид водорода (HCN) представляет собой важный химический продукт, широко применяемый в химической и добывающей промышленности. Например, HCN является исходным веществом для производства адипонитрила, ацетонциангидрина, цианида натрия и промежуточных продуктов в производстве пестицидов, сельскохозяйственных продуктов, хелатирующих реагентов и кормов для животных. HCN представляет собой высокотоксичную жидкость с температурой кипения 26°С и требует жесткого контроля при упаковке и перевозке. В некоторых случаях HCN потребляется в местах, удаленных от крупнотоннажных производств HCN. Транспортировка HCN в такие места сопряжена с многочисленными рисками. Производство HCN в том месте, где он будет использован, позволило бы избежать рисков, связанных с его транспортировкой, хранением и переработкой. Малотоннажное производство HCN с помощью известных в данной области способов было бы экономически невыгодно. Однако как малотоннажное, так и крупнотоннажное производство HCN на месте оказывается технически и экономически оправданным при использовании способов и аппаратов, заявленных в данном изобретении.
HCN можно получить путем контактирования соединений, содержащих водород, азот и углерод, при высоких температурах в присутствии катализатора или без него. Например, обычно HCN получают в результате сильно эндотермической реакции аммиака с углеводородом. Известны три промышленных способа получения HCN - способ BMA (Blausaure aus Methan und Ammoniak, т.е. "синильная кислота из метана и аммиака"), способ Андрусова и способ Shawinigan. Эти способы различаются способами генерирования и переноса тепла и типом применяемого катализатора.
Способ Андрусова использует тепло, генерируемое при сжигании углеводородного газа и кислорода в объеме реактора, для обеспечения теплоты реакции. Способ BMA использует тепло, генерируемое при сжигании топлива вне реактора, для обогрева наружной поверхности стенок реактора, которые в свою очередь нагревают внутреннюю поверхность стенок реактора и таким образом обеспечивают тепло для реакции. Способ Shawinigan использует для обеспечения тепла реакции электрический ток, протекающий через электроды в кипящем слое.
В способе Андрусова природный газ (смесь газообразных углеводородов с высоким содержанием метана), аммиак и кислород или воздух приводят во взаимодействие в присутствии платинового катализатора. Катализатор обычно содержит много слоев проволочной платинородиевой сетки. Количество кислорода выбирают таким образом, чтобы при неполном сжигании реагентов выделялась энергия, достаточная для предварительного подогрева реагентов до рабочей температуры выше 1000°С и для реакции образования HCN. Продуктами реакции являются HCN, H2, H2O, CO, CO2 и следы высших нитрилов, которые затем нужно отделить.
В способе BMA смесь аммиака и метана проходит внутри трубок из непористой керамики, изготовленной из огнеупорного материала. Внутренняя поверхность каждой трубки покрыта частицами платины. Трубки помещены в высокотемпературную печь и нагреваются снаружи. Тепло проходит через керамическую стенку к поверхности катализатора, которая составляет часть стенки. Обычно реакцию проводят при 1300°С путем контактирования реагентов с катализатором. Необходим достаточно большой поток тепла из-за высокой температуры реакции, высокой теплоты реакции, а также из-за того, что при температурах ниже температуры реакции может происходить зауглероживание поверхности катализатора, которое дезактивирует катализатор. Поскольку диаметр каждой трубки обычно составляет примерно 1'', для осуществления способа необходимо иметь большое число трубок. Продуктами реакции являются HCN и водород.
В способе Shawinigan энергию, необходимую для реакции в смеси, состоящей из пропана и аммиака, обеспечивает электрический ток, протекающий между электродами, погруженными в кипящий слой некаталитических частиц кокса. Отсутствие катализатора, так же как отсутствие кислорода или воздуха, в способе Shawinigan означает, что реакцию следует проводить при очень высоких температурах, обычно выше 1500°С. Более высокие температуры налагают еще более жесткие ограничения на материалы, используемые для осуществления способа.
Хотя, как указано выше, известно, что HCN можно получить по реакции NH3 и углеводородного газа, например CH4 или C3H8, в присутствии катализатора - металла платиновой группы, все еще остается необходимость повышения эффективности таких и подобных способов, т.е. улучшения экономичности получения HCN, особенно при малотоннажном производстве. Особенно важно минимизировать затраты энергии и непродуктивное расходование аммиака и максимально повысить скорость образования HCN с учетом количества использованного благородного металла. Кроме того, катализатор не должен отрицательно влиять на синтез HCN путем промотирования нежелательных реакций, например зауглероживания. Более того, желательно увеличить активность и срок службы катализаторов в этом процессе. Важно, что значительная часть затрат на получение HCN приходится на катализатор платиновой группы металлов. Настоящее изобретение предлагает способ прямого, а не косвенного нагревания катализатора, использовавшегося в предыдущих разработках в данной области, и таким образом удовлетворяет указанным требованиям.
Как показано выше, известно, что относительно низкочастотный индукционный нагрев обеспечивает высокую равномерность подачи тепла при высоких уровнях мощности к объектам при наличии в них относительно длинных электропроводящих путей. При обеспечении энергией эндотермической газофазной каталитической реакции необходимо подводить тепло непосредственно к катализатору с минимальными потерями энергии. Требования равномерного и эффективного подвода тепла к газопроницаемой каталитической массе, имеющей высокоразвитую поверхность, по-видимому, вступают в противоречие с возможностями индукционного нагрева. Настоящее изобретение основано на неожиданных результатах, полученных в реакторе, в котором катализатор имеет новую структурную форму. Эта структурная форма характеризуется следующими признаками: 1) эффективно длинные электропроводящие пути, облегчающие непосредственный эффективный равномерный индукционный нагрев катализатора и 2) катализатор с развитой поверхностью; обе эти особенности облегчают протекание эндотермических химических реакций. Полное отсутствие железа в камере реактора облегчает получение HCN по реакции NH3 с газообразным углеводородом.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к аппарату, расположению катализатора, определенному ниже как "катализатор/токоприемник", и способу получения HCN по реакции аммиака и низшего алкана в газовой фазе в присутствии катализатора на основе металла платиновой группы. Согласно изобретению катализатор/токоприемник, состоящий из одного или более металла платиновой группы в форме газопроницаемого цилиндра, осуществляет двойную функцию, будучи и токоприемником для индукционного нагрева, и катализатором синтеза HCN. Таким образом, катализатор/токоприемник нагревается индукционно, и нагретый катализатор обеспечивает реагенты теплом, необходимым для синтеза HCN. Цилиндрический катализатор/токоприемник может содержать газопроницаемое твердое тело, например пористую пену, или может содержать много слоев газопроницаемой нитевидной структуры. Катализатор/токоприемник согласно изобретению не только проявляет каталитическую активность, но и обладает такими характеристиками, как наличие электропроводящих путей достаточной длины для индукционного нагрева на более низких частотах, и в то же время имеет достаточную площадь поверхности в расчете на объем реактора. Применение индукционного нагрева катализатора, в отличие от предыдущих способов в данной области, которые нагревают реакционный сосуд или его часть и таким образом нагревают катализатор за счет теплопроводности, излучения и/или конвекции, дает значительные преимущества.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 изображены воплощенные в данном изобретении принципы, на которых основан индукционный нагрев, в то время как особенные воплощения данного изобретения показаны на Фиг.2-8.
На Фиг.2 изображен проточный реактор с осевым направлением потока, в котором катализатор/токоприемник содержит слои нитевидной структуры.
На Фиг.3 изображен проточный реактор с радиальным направлением потока, в котором катализатор/токоприемник содержит слои нитевидной структуры.
На Фиг.4 изображен проточный реактор с радиальным направлением потока, в котором катализатор/токоприемник содержит множество газопроницаемых колец.
На Фиг.5 изображен проточный реактор с осевым направлением потока и самоподдерживающимся слоем газопроницаемых колец.
На Фиг.6 изображен проточный реактор с осевым направлением потока, в котором катализатор/токоприемник представляет собой металлическую пену.
На Фиг.7 изображена компоновка реактора с радиальным направлением потока, в котором катализатор/токоприемник состоит из двух кольцевых секций с различной электропроводностью.
На Фиг.8А изображена компоновка реактора с осевым направлением потока, в котором индукционная катушка состоит из двух кольцевых частей с разным шагом намотки.
На Фиг.8В изображена компоновка реактора с осевым направлением потока, в котором индукционная катушка состоит из двух отдельных секций с разными величинами тока.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно настоящему изобретению способ и реактор выполнены с таким расчетом, чтобы увеличить эффективную длину проводящего пути в объекте из металла платиновой группы, который служит катализатором/токоприемником. Задачей данного изобретения также является использование этой увеличенной длины эффективного проводящего пути для индукционного нагрева на наиболее низкой из возможных частоте индукции. Далее задачей настоящего изобретения является минимизация колебаний температуры в катализаторе/токоприемнике и минимизация изменений потока газа в нем. Еще один аспект настоящего изобретения относится к способу и аппарату, требующих более низких капиталовложений и производственных затрат. Другие задачи настоящего изобретения заключаются в уменьшении времени контакта, получении более высоких выходов HCN, уменьшении или исключении побочных продуктов, включая кокс, N2, H2O, CO и CO2. Все перечисленные задачи достигаются в настоящем изобретении.
В способе данного изобретения алкан, содержащий от 1 до 6 атомов углерода, приводят во взаимодействие с аммиаком в присутствии индукционно нагреваемого катализатора/токоприемника. Предпочтительно использовать природный газ, обогащенный метаном; можно также использовать пропан, особенно в тех областях, где нет природного газа. Интервал температур составляет от 950 до 1400°С, предпочтительно от 1000 до 1200°С и наиболее предпочтительно от 1050 до 1150°С. Такие температуры достигаются при индукционном нагреве на частотах от 50 Гц до 30 МГц, предпочтительно от 50 Гц до 300 кГц и наиболее предпочтительно от 50 Гц до 3 кГц. Ниже 1050°С скорость образования HCN лимитируется кинетикой, а при температурах ниже 1000°С из углеводорода может образовываться кокс на поверхности катализатора. Скорость реакции выше при более высоких температурах; однако температура ограничивается точкой размягчения катализатора/токоприемника и носителя. Кроме того, при температурах выше 1200°С аммиак может преимущественно разлагаться на азот и водород, а не реагировать с метаном. Материал реактора, например оксид алюминия или кварц, выбирают с учетом термостабильности и способности выдерживать большие градиенты температуры.
В настоящем изобретении используется катализатор/токоприемник в виде цилиндра, окруженного индукционной катушкой. Предпочтительно иметь катализатор/токоприемник с внешним диаметром как можно большего размера. Хотя отношение внешнего диаметра катализатора/токоприемника к внутреннему диаметру индукционной катушки может быть всего 0,05, предпочтительно иметь больше чем 0,5 и наиболее предпочтительно как можно ближе к 1,0. При этом путь вихревого тока в катализаторе/токоприемнике будет как можно более длинным, что позволит использовать для реактора данного размера самую низкую из возможных индукционную частоту.
Глубинная область твердого цилиндрического катализатора/токоприемника подвергается индукционному нагреву менее эффективно, чем внешняя область. Это уменьшение эффективности нагревания вызвано следующими причинами: (1) более короткой длиной пути тока внутри цилиндра и (2) эффектами экранирования от внешней области цилиндра. Поэтому для катализатора/токоприемника предпочтительной является форма полого цилиндра, имеющего кольцевое сечение. Толщина стенки полого цилиндрического катализатора/токоприемника обычно не превышает одной четвертой от внешнего диаметра, поскольку внутренняя часть стенки цилиндра подвергается менее эффективному индукционному нагреву. Внутренние части цилиндрического катализатора/токоприемника можно изготовить из материала с более высокой электропроводностью по сравнению с внешней частью цилиндра, чтобы частично скомпенсировать уменьшение эффективности индукционного нагрева.
Применение цилиндрического катализатора/токоприемника в данном изобретении обеспечивает работу на самой низкой из возможных индукционной частоте, а также высокую каталитическую активность объема реактора и высокую эффективность потребляемой мощности. Конфигурации реактора и способ данного изобретения улучшают экономичность производства любого масштаба как крупного, так и малого. Поэтому можно использовать самую низкую из возможных индукционных частот, и длина пути вихревого тока в катализаторе/токоприемнике должна быть по возможности большой. В связи с этим согласно данному изобретению используется катализатор/токоприемник большого размера по сравнению с размером реактора. Отношение внешнего размера катализатора/токоприемника к внутреннему размеру реактора должно быть как можно больше.
Структура цилиндрического катализатора/токоприемника данного изобретения может быть нескольких видов. Цилиндрический катализатор/токоприемник может содержать твердое вещество, проницаемое для газа, например пористую пену, или может содержать много слоев газопроницаемой нитевидной структуры. Нитевидная структура может быть плетеной, тканой, напоминать трикотажное полотно (например, сетку) или тканой на бобине. Множественные газопроницаемые слои могут иметь форму колец, уложенных один на другой, концентрических цилиндров или форму большого числа слоев катализатора/токоприемника, намотанных один вокруг другого. Многочисленные навитые слои должны обладать хорошей межслойной электропроводностью, приводящей к эффективному индукционному нагреву. Таким образом, цилиндрический катализатор/токоприемник имеет пути для вихревого тока, сравнимые по размеру с длиной окружности реактора.
Помещенный в индукционное поле цилиндрический катализатор/токоприемник сразу нагревается, и его температуру легко регулировать, изменяя интенсивность индукционного поля. Путем регулирования температуры катализатора/токоприемника можно селективно промотировать конечную химическую реакцию и подавить нежелательные побочные реакции. Цилиндрический катализатор/токоприемник содержит металл платиновой группы, например саму платину, или сплав платины, например платина/родий или платина/иридий. Температуру катализатора/токоприемника можно точно регулировать, изменяя интенсивность индукционного поля и скорость потока реагирующих газов. Таким образом, можно достичь высоких выходов HCN, избежав проблем, возникавших в предложенных ранее способах, таких как коксообразование на катализаторе, самопроизвольное разложение аммиака или образование нежелательных продуктов, которые затем должны быть отделены.
В химическом способе данного изобретения, представляющем интерес, важны требования к уровню мощности. Типичный завод среднего масштаба по производству 10 миллионов фунтов HCN в год потребовал бы источника индукции с уровнем мощности по меньшей мере 3,0 МВт (MW). При этом уровне мощности экономичны и доступны в промышленности только низкочастотные системы от 3 кГц или ниже.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 схематически изображен принцип данного изобретения. По существу цилиндрический катализатор/токоприемник 1 расположен внутри стенки реактора 2, который не обладает существенной электропроводностью. Цилиндрический катализатор/токоприемник 1 проницаем для газа и обладает электрическими свойствами (объемная проводимость и пути непрерывной проводимости по окружности цилиндра), необходимыми для индуцирования вихревых токов, которые могут протекать по круговым путям вокруг и внутри кольцевого катализатора/токоприемника. Индукционная катушка 3 (обычно с жидкостным охлаждением) окружает катализатор/токоприемник 1 и стенку реактора 2. Переменный ток Ic в катушке 3 индуцирует переменное магнитное поле В, которое в свою очередь индуцирует вихревой ток Ie в катализаторе/токоприемнике 1 в плоскости, параллельной переменному току Ic. Индуцированный ток Ie вызывает нагревание; более сильные вихревые токи генерируют более сильный нагрев. При увеличении радиуса катализатора/токоприемника 1 генерируются более интенсивные вихревые токи. По мере того, как внешний диаметр кольца катализатора/токоприемника 1 приближается к диаметру реактора 2, для эффективного нагревания кольца катализатора/токоприемника можно использовать более низкую частоту.
На Фиг.2 газопроницаемый катализатор/токоприемник 1 представляет собой намотанную на катушку проволоку, вязаную проволочную сетку, плетеную проволочную сетку, спиральную намотку в виде носка или рукава или плетеную проволоку. Проволока содержит металл платиновой группы или сплав, например платину, или сплав платина/родий. Катализатор/токоприемник 1 находится между кольцевыми газопроницаемыми, не проводящими электричества, устойчивыми к высокой температуре цилиндрами 4 и 5, например кварцевыми или керамическими. Цилиндр 4 открыт с обоих концов, а цилиндр 5 сверху закрыт. Цилиндры 4 и 5 расположены и взаимодействуют таким образом, чтобы направлять газовые потоки 6 для прохождения через катализатор/токоприемник 1. Переменное магнитное поле, индуцированное охлаждаемой водой индукционной катушкой 3, индуцирует электрический ток в катализаторе/токоприемнике 1 и таким образом его нагревает. Реагенты 6 входят в верхнюю часть корпуса 7 и проходят между цилиндрами 4 и 5 в осевом направлении, контактируя с нагретым катализатором/токоприемником 1, и при этом протекает требуемая реакция. Поток продуктов 8, содержащий HCN и водород, выходит из корпуса 7. Поскольку стенки цилиндров 4 и 5 не проводят электричества, индукционное поле нагревает катализатор/токоприемник 1, а не стенки.
На Фиг.3 показано другое воплощение изобретения. Катализатор/токоприемник 1 газопроницаем и содержит намотанную на катушку проволоку, вязаную проволочную сетку, плетеную проволочную сетку, спиральную намотку в виде носка или рукава или плетеную проволоку. Катализатор/токоприемник 1 помещен между газонепроницаемым цилиндром 9 и газопроницаемым цилиндром 10. Газонепроницаемый цилиндр 9 сверху открыт и соединен с газонепроницаемым кольцевым выступом 11. Цилиндр 10 закрыт сверху газонепроницаемой крышкой 12. Наружный диаметр катализатора/токоприемника 1 меньше, чем внутренний диаметр цилиндра 9, в результате остается кольцевой зазор 13. Реагенты 6 входят в пространство 13 и проходят в радиальном направлении через газопроницаемый катализатор/токоприемник 1, нагретый индукционно. После этого продукты HCN и водород 8 выходят через газопроницаемую стенку цилиндра 10 в центральный проход 14. Свойства газопроницаемого цилиндра 10 выбирают таким образом, чтобы осуществить равномерный поток газов реагентов через катализатор/токоприемник 1.
На Фиг.4 показан реактор, сходный по компоновке и функционированию с реактором на Фиг.3. Однако на Фиг.4 катализатор/токоприемник 1 содержит газопроницаемые кольца 15 из материала катализатора/токоприемника, уложенные один на другой. Кольца могут содержать такие же нитевидные структуры, как описанные выше в связи с Фиг.2 и 3.
На Фиг.5 показан реактор, сходный по компоновке и функционированию с реактором на Фиг.4. Однако на Фиг.5 отсутствует газопроницаемый цилиндр 10, так как уложенные кольца 15 образуют устойчивую структуру.
На Фиг.6 показан реактор, сходный по компоновке и функционированию с реакторами на Фиг.3-5. Однако на Фиг.6 катализатор/токоприемник представляет собой газопроницаемую пену из металла платиновой группы 16.
На Фиг.7 показан проточный реактор с радиальным направлением потока, сходный по компоновке и функционированию с реактором на Фиг.3, в котором катализатор/токоприемник содержит внешнюю область 1А и внутреннюю область 1В. Внутренняя область 1В обладает более высокой электропроводностью по сравнению с областью 1А. В одном воплощении это достигается путем изготовления цилиндрических слоев сетки во внутренней области 1В с большей плотностью (т.е. больше проволоки на единицу площади), чем слои во внешней области 1А. В другом воплощении это достигается путем изготовления слоев во внутренней области 1В из более плотной проволочной сетки.
На Фиг.8А и 8В показан проточный реактор с осевым направлением потока, сходный по компоновке и функционированию с реактором на Фиг.2, в котором индукционная катушка 3 делится на первую область 3А, соседнюю с входом в реактор, и вторую область 3В, соседнюю с выходом из реактора. Такое расположение создает индукционное поле, выделяющее более плотный поток тепла у входа в реактор для компенсации эффекта охлаждения от газа реагентов, и таким образом позволяет поддерживать более равномерную температуру в катализаторе/токоприемнике. В первом воплощении, как видно на Фиг.8А, имеется одна индукционная катушка 3 и витки катушки в области 3А расположены ближе друг к другу, чем витки катушки в области 3В. Во втором воплощении, как видно на Фиг.8В, используются две отдельные индукционные катушки 3А' и 3В'. Каждая катушка питается отдельно, и в результате катушка 3А' пропускает больше тока и таким образом генерирует больше тепла в катализаторе/токоприемнике в той его области, которая расположена ближе к входу в реактор.
В реакторах, представленных на Фиг.2-6, внешние участки катализатора/токоприемника, т.е. области 1, 15 и 16, подвергаются предпочтительному индукционному нагреву по сравнению с внутренними областями вблизи центральной части цилиндрического катализатора/токоприемника. Успешное исполнение реактора с индукционно нагреваемым катализатором/токоприемником предполагает, чтобы катализатор на входе в реактор был достаточно горячим для проведения катализа и минимизации реакций коксообразования, протекающих при контакте с холодными реагентами. На Фиг.7 и 8 показана компоновка, которая позволяет лучше регулировать равномерность температуры катализатора/токоприемника путем модифицирования параметров катализатора/токоприемника (Фиг.7) или индукционной катушки (Фиг.8).
В случае компоновки реактора с радиальным потоком реагентов, представленной на Фиг.3-7, для дальнейшего повышения эффективности химической реакции в реакторе внутренний объем полого цилиндрического катализатора/токоприемника 1 можно, по возможности, заполнить газопроницаемым веществом катализатора, которое может не быть электропроводным.
Следующие примеры иллюстрируют, но не ограничивают, предложенное изобретение.
Пример 1
Пример демонстрирует возможность равномерного нагрева катализатора/токоприемника данного изобретения с высокой эффективностью путем индукционного нагрева на низкой индукционной частоте. Как показано на Фиг.2, цилиндрический катализатор/токоприемник был изготовлен путем наматывания полоски сетки из платинового сплава тридцать шесть (36) раз вокруг кварцевой трубки. Платиновый сплав содержал 90% платины и 10% родия. Сетка представляла собой ткань с ячейками 80 меш шириной 40,6 см (16 дюймов), выполненную из проволоки диаметром 0,076 мм (0,003 дюйма). Объемное сопротивление платиновой сетки составляло 85×10-6 Ом·см. Поэтому максимальная эффективность индукционного нагрева была получена на частоте 425 Гц, т.е. одной из самых низких частот, применяемых в практике индукционного нагрева. Кварцевая трубка имела внешний диаметр 30,5 см (12''). Приготовленный катализатор/токоприемник имел внутренний радиус 15,24 см и толщину около 0,6 см. Катализатор/токоприемник помещали в охлаждаемую водой индукционную катушку, содержащую семнадцать (17) витков медной трубки диаметром 1,9 см (0,75 дюймов) и высотой 55,9 см (22''). Индукционную катушку соединяли с источником питания Model VIP Power-Trak фирмы Inductotherm Corporation, Rancocas, NJ (максимальная мощность 170 кВт), работающим на частоте 3 кГц при уровне мощности тридцать пять киловатт (35 кВт). Эффективность индукционного нагрева достигала 89%. Расчет так называемой "эталонной глубины" (расстояния от внешней поверхности цилиндра до глубины, на которой индуцированный вихревой ток уменьшается на 37% от его величины на поверхности) показывает, что в рассматриваемом примере эта величина составляет 2,1 см, что существенно больше общей толщины в 0,6 см. Приведенный пример показывает, что индукционный нагрев по толщине кольца происходит равномерно. Таким образом, нагрев внутренней поверхности цилиндрического катализатора/токоприемника всего на 11% меньше нагрева внешней поверхности.
Примеры 2-8
HCN получали по реакции аммиака, взятого в небольшом мольном избытке, с метаном в индукционно нагреваемом непрерывном реакторе с неподвижным слоем и радиальным потоком реагентов, как показано на Фиг.3. Использованный в эксперименте катализатор/токоприемник представлял собой один цилиндр из проволоки Pt/Rh 90/10 диаметром 0,003 дюймов, сетка 80 меш. Цилиндр имел внешний диаметр 1,25 дюйма и высоту 1,5 дюйма. При изготовлении цилиндра 23 слои сетки из Pt/Rh наматывали на перфорированную кварцевую трубку диаметром 1 дюйм (газопроницаемая трубка 10 на Фиг.3), в которой около сорока процентов (40%) занимают отверстия. Общая толщина навивки в катализаторе/токоприемнике составляла 0,12-0,13 дюймов. Цилиндр катализатора/токоприемника устанавливали концентрически внутри большего цилиндра индукционной катушки. Реагенты подавали на катализатор/токоприемник в радиальном направлении, а газообразные продукты выходили через центр перфорированной кварцевой трубки. Температуру регулировали, следя за температурой объема выходящего газа в центре перфорированной кварцевой трубки и изменяя мощность индукционного источника для поддержания желаемой температуры. Индукционный нагрев осуществляли на постоянной частоте 97 кГц. Условия реакции, конверсии и выхода приведены в таблице 1.
Примеры 9-16
Примеры 9-16 иллюстрируют работу проточной компоновки реактора с осевым потоком реагентов через один цилиндр катализатора/токоприемника. HCN получали по реакции аммиака, взятого в небольшом мольном избытке, с метаном в индукционно нагреваемом непрерывном проточном реакторе с неподвижным слоем, показанном на Фиг.2. Использованный в эксперименте катализатор/токоприемник представлял собой один цилиндр из проволоки Pt/Rh 90/10 с внешним диаметром 0,75 дюйма, внутренним диаметром 0,50 дюйма и высотой 1,50 дюйма. При изготовлении цилиндра 23 слои сетки из Pt/Rh наматывали на сплошную кварцевую трубку диаметром 1,3 см (0,50 дюйма). Цилиндрический катализатор/токоприемник с площадью сечения 0,245 дюйм2 затем вставляли внутрь кварцевой трубки реактора с внутренним диаметром 0,75 дюйма на скользящей посадке. Трубку реактора помещали в несколько больший цилиндр индукционной катушки. Реагенты подавали на катализатор в осевом направлении, а газообразные продукты выходили через кольцо, образованное двумя концентрическими кварцевыми трубками. Температуру регулировали, следя за температурой объема выходящего газа в центре кварцевой трубки диаметром 0,50 дюйма и изменяя мощность генератора индукции для поддержания требуемой температуры. Индукционный нагрев осуществляли на постоянной частоте 90 кГц. Условия реакции, конверсии и выхода приведены в таблице 2.
Примеры 17-26
HCN получали по реакции аммиака с метаном в индукционно нагреваемом непрерывном проточном реакторе с неподвижным слоем, аналогичном реактору, показанному на Фиг.3. Реактор содержал внешний кварцевый цилиндр диаметром 5,08 см и длиной 60 см с соответствующими фитингами для соединения с гребенкой для подачи сырья и ячейкой для отвода продуктов (не показана). Внешний цилиндр реактора содержит слой катализатора/токоприемника из 20 слоев сетки из Pt-Rh 90/10, 40 меш, имеющей толщину 0,02 см и навитой на трубку из пористой пены оксида алюминия с 80 порами на дюйм (внешний диаметр 2,5 см и длина 7,8 см), закрытой сверху. Реагенты, метан и аммиак, входили в реактор сверху и проходили в радиальном направлении через цилиндрический слой катализатора/токоприемника. Поток продуктов, содержащий HCN, непрореагировавшие метан и/или аммиак и побочные продукты, проникал через трубку из пористого оксида алюминия и выходил из реактора через пространство полого цилиндра внутри трубки из пористого оксида алюминия. Система подачи реагентов была сконструирована так, чтобы потоки двух газов поступали в зону реакции с постоянной скоростью. Потоки газов замеряли и следили за ними с помощью регуляторов массы потока Брукса (Brooks). Продукты идентифицировали и их количества определяли способом газовой хроматографии. Слой катализатора нагревали с помощью охлаждаемой водой медной индукционной катушки. Индукционный нагрев проводили на постоянной частоте 126 кГц и устанавливали баланс подаваемой и отраженной мощности для получения необходимого общего выхода. Условия реакции, конверсии и выхода приведены в таблице 3.
Примеры 27-32
HCN получали по реакции аммиака, взятого в небольшом мольном избытке, с метаном в индукционно нагреваемом непрерывном реакторе с неподвижным слоем. Реактор состоял из внешнего кварцевого цилиндра, закрывающего слой катализатора/токоприемника. Слой катализатора/токоприемника содержал шесть дисков из платиновой пены, каждый толщиной 0,3 см и диаметром 2,54 см, с пористостью 40 пор на дюйм, помещенных один на другой в виде концентрического цилиндра в держателе для катализатора. Реагенты метан и аммиак дозировали и контролировали с помощью регуляторов массы потока Брукса (Brooks) и вводили в реактор сверху со скоростями, приведенными в таблице 4. Газы затем пропускали сверху вниз через индукционно нагреваемый цилиндрический слой катализатора/токоприемника, а поток продуктов, содержащих HCN, непрореагировавшие метан и/или аммиак, водород и другие побочные продукты, уходил из реакционной зоны у дна кварцевого реактора. Слой катализатора индукционно нагревали при постоянной частоте 142 кГц. Устанавливали подаваемую и отраженную мощности таким образом, чтобы получить требуемый общий выход. Условия реакции, конверсии и выхода и т.д. приведены в таблице 4.
Реферат
Изобретение может быть использовано для получения цианида водорода при повышенных температурах. Аппарат для проведения газофазной каталитической химической реакции получения HCN содержит катализатор/токоприемник 1, расположенный коаксиально внутри реактора 2 и имеющий по существу кольцевое поперечное сечение. Катализатор/токоприемник 1 окружен неэлектропроводящим цилиндром. Катализатор/токоприемник 1 индукционно нагревается с помощью переменного магнитного поля, генерируемого окружающей его индукционной катушкой 3, до температуры, достаточной для проведения химической реакции. Интенсивность выделения энергии индукционной катушкой 3 изменяется по длине цилиндрического катализатора/токоприемника 1. Аппарат может быть дополнительно снабжен газонепроницаемым цилиндром для протекания газов в осевом направлении через катализатор/токоприемник 1 или газопроницаемым цилиндром для протекания газов в радиальном направлении через катализатор/токоприемник 1. Технический результат: увеличение эффективной длины проводящего пути в объекте из металла платиновой группы, минимизация колебаний температуры в катализаторе/токоприемнике и минимизация изменений потока в нем, снижение капиталовложений и производственных затрат. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 9 ил., 4 табл.
