Способ конверсии углеводородов (варианты), катализатор (варианты) и способ получения катализатора на подложке - RU2005139412A

Реферат

1. Способ конверсии углеводородов, в частности превращения углеводородного реагента в продукт, содержащий СО и H₂, отличающийся тем, что пропускают через микроканальный реактор поток композиции реагентов, содержащей углеводородный реагент и кислород или источник кислорода, при контактировании с катализатором частичного окисления в условиях реакции частичного окисления с образованием продукта, при этом микроканальный реактор включает группу рабочих микроканалов, содержащих катализатор, входной коллектор, через который подают поток текучей среды в рабочие каналы, и выходной коллектор, через который выводят поток текучей среды из рабочих микроканалов, а углеводородный реагент содержит метан, причем обеспечивают время контактирования композиции реагентов внутри рабочего микроканала в пределах приблизительно 500 мс, температуру композиции реагентов и продукта внутри рабочего микроканала в пределах приблизительно 1150°С, и величину конверсии углеводородного реагента по меньшей мере приблизительно 50%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный продукт является промежуточным продуктом, и дополнительно осуществляют пропуск этого полученного промежуточного продукта через микроканальный реактор при контактировании с катализатором сгорания в условиях реакции образования конечного продукта, содержащего CO₂ и H₂O.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что композиция реагентов дополнительно содержит Н₂О, а продукт включает Н₂, СО и CO₂.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что композицию реагентов предварительно нагревают.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что композицию реагентов и кислород или источник кислорода предварительно смешивают.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что композицию реагентов и кислород или источник кислорода смешивают в микроканальном реакторе.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют микроканальный реактор, в котором каждый рабочий микроканал имеет внутренний размер по ширине или высоте не более приблизительно 10 мм.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют микроканальный реактор, в котором каждый рабочий микроканал имеет вход и выход, между которыми расположен вытянутый участок, причем рабочие микроканалы содержат по меньшей мере один дополнительный вход на вытянутом участке, и по меньшей мере один реагент подают в рабочие микроканалы через дополнительный вход.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочие микроканалы выполняют из материала, включающего сталь, монель, инконель, алюминий, титан, никель, медь, латунь, сплав любого из выше упомянутых металлов, полимер, керамику, стекло, композиционный полимер и стекловолокно, кварц, кремний или комбинацию двух или более из указанных компонентов.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют микроканальный реактор, дополнительно содержащий теплообменные каналы, расположенные в термическом контакте с рабочими микроканалами.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что теплообменные каналы включают микроканалы.

12. Способ по п.10, отличающийся тем, что каждый теплообменный канал имеет внутренний размер по ширине или высоте не более приблизительно 10 мм.

13. Способ по п.10, отличающийся тем, что теплообменные каналы выполняют из материала, включающего сталь, монель, инконель, алюминий, титан, никель, медь, латунь, сплав любого из выше упомянутых металлов, полимер, керамику, стекло, композиционный полимер и стекловолокно, кварц, кремний или комбинацию двух или более из указанных компонентов.

14. Способ по п.8, отличающийся тем, что в рабочие микроканалы подают через по меньшей мере один дополнительный вход по меньшей мере один реагент, содержащий кислород или источник кислорода.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что углеводородный реагент содержит алифатическое соединение, ароматическое соединение или смесь этих соединений.

16. Способ по п.1, отличающийся тем, что углеводородный реагент включает алкан, содержащий от 2 до приблизительно 20 атомов углерода.

17. Способ по п.1, отличающийся тем, что углеводородный реагент содержит этан, пропан, изопропан, бутан, изобутан, пентан, гексан, гептан, октан, нонан, декан или смесь двух или более из указанных соединений.

18. Способ по п.1, отличающийся тем, что углеводородный реагент содержит природный газ.

19. Способ по п.1, отличающийся тем, что углеводородный реагент включает алкен, содержащий от 2 до приблизительно 20 атомов углерода.

20. Способ по п.1, отличающийся тем, что углеводородный реагент содержит этилен, пропилен, 1-бутен, 2-бутен, изобутилен, 1-пентен, 2-пентен, 3-метил-1-бутен, 2-метил-2-бутен, 1-гексен, 2,3-диметил-2-бутен, 1-гептен, 1-октен, 1-нонен, 1-децен или смесь двух или более из указанных соединений.

21. Способ по п.1, отличающийся тем, что углеводородный реагент включает полиен, содержащий от 3 до приблизительно 20 атомов углерода.

22. Способ по п.1, отличающийся тем, что углеводородный реагент содержит1, 2-пропадиен, 1,3-бутадиен, 2-метил-1, 3-бутадиен, 1,3-пентадиен, 1,4-пентадиен, 1,5-гексадиен, 2,4-гексадиен, 2,3-диметил-1,3-бутадиен или смесь двух или более из указанных соединений.

23. Способ по п.1, отличающийся тем, что углеводородный реагент содержит алкил- или алкилензамещенное ароматическое соединение.

24. Способ по п.1, отличающийся тем, что углеводородный реагент содержит толуол, орто-ксилол, мета-ксилол, пара-ксилол, гемимеллитол, псевдокумол, мезитилен, прегнитен, изодурол, дурол, пентаметилбензол, гексаметилбензол, этилбензол, н-пропилбензол, кумол, н-бутилбензол, изобутилбензол, втор-бутилбензол, трет-бутилбензол, пара-кумол, стирол или смесь двух или более из указанных соединений.

25. Способ по п.1, отличающийся тем, что углеводородный реагент содержит природное масло, синтетическое масло или их смесь.

26. Способ по п.1, отличающийся тем, что углеводородный реагент содержит дистиллятное топливо.

27. Способ по п.1, отличающийся тем, что углеводородный реагент содержит лигроин нафта, дизельное топливо, мазут, керосин или бензин.

28. Способ по п.1, отличающийся тем, что углеводородный реагент содержит углеводород, полученный из растительного источника, минерального источника или их смеси.

29. Способ по п.1, отличающийся тем, что углеводородный реагент содержит углеводород, полученный из соевых бобов, семян рапса, пальмы, сланцев, угля, битуминозного песка или из смеси двух или более из указанных соединений.

30. Способ по п.1, отличающийся тем, что источник кислорода включает воздух.

31. Способ по п.1, отличающийся тем, что углеводородный реагент дополнительно содержит разбавитель.

32. Способ по п.10, отличающийся тем, что осуществляют теплообмен между рабочими микроканалами и теплоносителем, проходящим через теплообменные каналы.

33. Способ по п.32, отличающийся тем, что при прохождении теплоносителя через теплообменные каналы обеспечивают изменение его фазового состояния.

34. Способ по п.10, отличающийся тем, что рабочие микроканалы охлаждают посредством эндотермической химической реакции, проходящей в теплообменных каналах.

35. Способ по п.34, отличающийся тем, что в качестве эндотермической химической реакции проводят паровую конверсию или реакцию дегидрирования.

36. Способ по п.10, отличающийся тем, что поток композиции реагентов пропускают через рабочие микроканалы в первом направлении, а поток теплоносителя пропускают через теплообменные каналы во втором направлении, перпендикулярном направлению первого потока.

37. Способ по п.10, отличающийся тем, что поток композиции реагентов пропускают через рабочие микроканалы в первом направлении, а поток теплоносителя пропускают через теплообменные каналы во втором направлении, совпадающем с направлением первого потока.

38. Способ по п.10, отличающийся тем, что поток углеводородного реагента пропускают через рабочие микроканалы в первом направлении, а поток теплоносителя пропускают через теплообменные каналы во втором направлении, причем указанный второй поток направляют в противоположном направлении относительно первого потока.

39. Способ по п.10, отличающийся тем, что через теплообменные каналы пропускают теплоноситель из группы, включающей воздух, пар, воду, диоксид углерода, газообразный азот, жидкий азот, газообразный углеводород или жидкий углеводород.

40. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор используют в форме твердых частиц.

41. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор наносят на подложку, изготовленную из материала, включающего сплав, содержащий Ni, Cr и Fe, или сплав, содержащий Fe, Cr, Al и Y.

42. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор наносят на подложку, имеющую обтекаемую, проточную или змеевидную конфигурацию.

43. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор наносят на подложку, выполненную из пены, войлока, ваты, или в виде ребра, или комбинации двух или более из указанных компонентов.

44. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор наносят на подложку в форме обтекаемой структуры с прилегающим проходом, такой как войлок или пена, узла ребер, расположенных с зазорами, покрытия с увеличенной площадью активной поверхности, нанесенного на подложку, или металлической сетки, размещенной с соответствующим зазором для прохождения потока.

45. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор наносят на подложку, выполненную в форме узла ребер, содержащего по меньшей мере одно ребро.

46. Способ по п.45, отличающийся тем, что узел ребер включает группу параллельных разнесенных ребер.

47. Способ по п.45, отличающийся тем, что ребро имеет внешнюю поверхность, по меньшей мере часть которой покрывают пористым материалом, а катализатор наносят на этот пористый материал.

48. Способ по п.47, отличающийся тем, что пористый материал представляет собой покрытие, волокна, пену или войлок.

49. Способ по п.45, отличающийся тем, что ребро имеет внешнюю поверхность и множество волокон или элементов, выступающих по меньшей мере из части этой поверхности, при этом катализатор наносят на выступающие элементы.

50. Способ по п.45, отличающийся тем, что ребро имеет внешнюю поверхность, на по меньшей мере часть которой наносят катализатор в виде покрытия с увеличенной площадью активной поверхности или посредством выделения из раствора, или осаждения из паровой фазы.

51. Способ по п.45, отличающийся тем, что используют узел ребер, включающий группу параллельных разнесенных ребер, по меньшей мере одно из которых имеет другую длину по отношению к остальным ребрам.

52. Способ по п.45, отличающийся тем, что используют узел ребер, включающий группу параллельных разнесенных ребер, по меньшей мере одно из которых имеет другую высоту по отношению к остальным ребрам.

53. Способ по п.45, отличающийся тем, что ребро выполняют с поперечным сечением в форме квадрата или прямоугольника.

54. Способ по п.45, отличающийся тем, что ребро выполняют с трапециевидной формой поперечного сечения.

55. Способ по п.45, отличающийся тем, что ребро выполняют из материала, включающего сталь, алюминий, титан, железо, никель, платину, родий, медь, хром, латунь, сплав любого из выше упомянутых металлов, полимер, керамику, стекло, композиционный полимер и стекловолокно; кварц, кремний или комбинацию двух или более из указанных компонентов.

56. Способ по п.45, отличающийся тем, что ребро выполняют из сплава, содержащего Ni, Cr и Fe, или из сплава, содержащего Fe, Cr, Al и Y.

57. Способ по п.45, отличающийся тем, что ребро выполняют из материала, образующего Al₂O₃.

58. Способ по п.45, отличающийся тем, что ребро выполняют из материала, образующего Cr₂О₃.

59. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор включает Rh, Pt, Ni, Cr, Ru, Pd, Os, Ir или их оксид или смесь двух или более из указанных компонентов.

60. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор содержит композицию, представленную следующей формулой:

M¹_aM²_bM³_cAl_dO_x,

где М¹ означает Rh, Ni, Pd, Pt, Ru, Со или смесь двух или более из указанных металлов;

М² означает Се, Pr, Tb или смесь двух или более из указанных металлов;

М³ означает La, Ba, Zr, Mg, Са или смесь двух или более из указанных металлов;

а означает число в интервале от приблизительно 0,0001 до приблизительно 1;

b означает число в интервале от 0 до приблизительно 0,9999;

с означает число в интервале от приблизительно 0,0001 до приблизительно 0,9999;

d означает число в интервале от приблизительно 0,0001 до приблизительно 0,9999; и

x означает число атомов кислорода в соответствии с валентностью указанных элементов,

причем катализатором покрывают внутреннюю стенку рабочего микроканала или наносят на пену, войлок, вату или ребро, размещенные внутри рабочего микроканала.

61. Способ по п.2, отличающийся тем, что катализатор сгорания содержит благородный металл или его оксид, перовскит или алюминат.

62. Способ по п.61, отличающийся тем, что катализатор сгорания содержит Се, Tb или Pr или их оксид или смесь двух или более из указанных компонентов.

63. Способ по п.2, отличающийся тем, что катализатор сгорания содержит Pt, Rh, Pd, Co, Mn, Fe, Ni или их оксиды или смесь двух или более из указанных компонентов.

64. Способ по п.1, отличающийся тем, что обеспечивают время контактирования композиции реагентов и/или продукта с катализатором от приблизительно 0,1 до приблизительно 100 мс.

65. Способ по п.1, отличающийся тем, что обеспечивают температуру композиции реагентов на входе рабочего микроканала в интервале от приблизительно 200 до приблизительно 1000°С.

66. Способ по п.1, отличающийся тем, что на входе рабочего микроканала обеспечивают давление потока композиции реагентов в интервале от приблизительно 0,1 до приблизительно 100 атм.

67. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток композиции реагентов и продукта пропускают через рабочий микроканал с объемной скоростью по меньшей мере 100 ч^-1.

68. Способ по п.1, отличающийся тем, что при прохождении через рабочий микроканал потока композиции реагентов и продукта обеспечивают величину падения давления приблизительно не более 2 атм на метр длины рабочего микроканала.

69. Способ по п.10, отличающийся тем, что через теплообменные каналы пропускают теплоноситель, причем общее падение давления в потоке теплоносителя составляет приблизительно не более 10 атм.

70. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор представлен формулой Rh/LaAl₁₁O₁₈ или Rh/LaAlO₃.

71. Способ конверсии углеводородов, в частности превращения углеводородного реагента в продукт, содержащий Н₂ и СО, отличающийся тем, что пропускают через микроканальный реактор поток композиции реагентов, содержащей углеводородный реагент и кислород или источник кислорода, при контактировании с катализатором в условиях реакции превращения композиции реагентов в продукт, при этом углеводородный реагент включает метан, а катализатор содержит композицию, представленную следующей формулой:

M¹_aM²_bM³_cAl_d O_x,

где М¹ означает Rh, Ni, Pd, Pt, Ru, Co или смесь двух или более из указанных металлов;

М² означает Се, Pr, Tb или смесь двух или более из указанных металлов;

М³ означает La, Ba, Zr, Mg, Са или смесь двух или более из указанных металлов;

а означает число в интервале от приблизительно 0, 0001 до приблизительно 1;

b означает число в интервале от 0 до приблизительно 0,9999;

с означает число в интервале от приблизительно 0,0001 до приблизительно 0,9999;

d означает число в интервале от приблизительно 0,0001 до приблизительно 0,9999; и

x означает число атомов кислорода в соответствии с валентностью указанных элементов,

причем катализатор используют в виде покрытия на внутренней стенке рабочего микроканала или наносят его на пену, войлок, вату или ребро, размещенные внутри рабочего микроканала.

72. Катализатор, предназначенный для нанесения в виде покрытия на подложку или на пену, войлок, вату или ребро, содержащий композицию, представленную следующей формулой:

M¹_aM²_bM³_cAl_dO_x,

где М¹ означает Rh, Ni, Pd, Pt, Ru, Co или смесь двух или более из указанных металлов;

М² означает Се, Pr, Tb или смесь двух или более из указанных металлов;

М³ означает La, Ba, Zr, Mg, Са или смесь двух или более из указанных металлов;

а означает число в интервале от приблизительно 0,0001 до приблизительно 1;

b означает число в интервале от 0 до приблизительно 0,9999;

с означает число в интервале от приблизительно 0,0001 до приблизительно 0,9999;

d означает число в интервале от приблизительно 0,0001 до приблизительно 0,9999; и

x означает число атомов кислорода в соответствии с валентностью указанных элементов.

73. Катализатор по п.72, отличающийся тем, что М¹ означает Rh или Ni.

74. Катализатор по п.72, отличающийся тем, что М¹ означает Rh.

75. Катализатор по п.72, отличающийся тем, что М³ означает La или Mg.

76. Катализатор по п.72, отличающийся тем, что он представлен формулой Rh/LaAl₁₁O₁₈ или Rh/LaAlO₃.

77. Катализатор, содержащий композицию, представленную следующей формулой:

Rh_aLa_cAl_dO_x,

где а означает число в интервале от приблизительно 0,0001 до приблизительно 0,9999;

с означает число в интервале от приблизительно 0,0001 до приблизительно 0,9999;

d означает число в интервале от приблизительно 0,0001 до приблизительно 0,9999; и

x означает число атомов кислорода в соответствии с валентностью указанных элементов.

78. Способ получения катализатора на подложке, отличающийся тем, что наносят слой Al₂О₃ на по меньшей мере часть подложки, затем прокаливают полученную подложку, наносят промотор или стабилизатор на поверхность прокаленной подложки с образованием обработанной подложки, причем промотор или стабилизатор включает La, Ba, Zr, Mg, Са или их оксиды или нитраты, или смесь двух или более из указанных компонентов, далее прокаливают обработанную подложку, наносят каталитический металл или его оксид, или нитрат на поверхность прокаленной обработанной подложки с образованием дополнительно обработанной подложки, причем каталитический металл включает Rh, Ni, Pd, Pt, Ru, Co или смесь двух или более из указанных металлов, затем прокаливают дополнительно обработанную подложку с получением катализатора на подложке.

79. Способ по п.78, отличающийся тем, что полученный катализатор на подложке восстанавливают водородом.

80. Способ по п.78, отличающийся тем, что подложку выполняют из материала, включающего сталь, алюминий, титан, железо, никель, платину, родий, медь, хром, латунь, сплав любого из выше упомянутых металлов, полимер, керамику, стекло, композиционный полимер и стекловолокно, кварц, кремний или комбинацию двух или более из указанных компонентов.

81. Способ по п.78, отличающийся тем, что подложку выполняют из сплава, содержащего Fe, Cr, AI и Y, а исходный оксидный слой включает Al₂О₃.

82. Способ по п.78, отличающийся тем, что подложку выполняют из сплава, содержащего Ni, Cr и Fe, а исходный оксидный слой включает Cr₂ О₃.

83. Способ по п.78, отличающийся тем, что промотор или стабилизатор включает La или Mg.

84. Способ по п.78, отличающийся тем, что промотор или стабилизатор включает La.

85. Способ по п.78, отличающийся тем, что каталитический металл включает Rh.

86. Способ по п.78, отличающийся тем, что подложку предварительно нагревают до температуры в интервале от приблизительно 300 до приблизительно 1400°С в течение приблизительно от 0,1 до приблизительно 1000 ч.

87. Способ по п.78, отличающийся тем, что при нанесении слоя Al₂О₃ осуществляют нанесение суспензии, содержащей Al₂О₃, на исходный оксидный слой.

88. Способ по п.78, отличающийся тем, что при нанесении слоя Al₂О₃ осуществляют нанесение коллоидной дисперсии, содержащей Al₂O₃, на исходный оксидный слой.

89. Способ по п.78, отличающийся тем, что первоначальное прокаливание полученной подложки осуществляют при температуре от приблизительно 150 до приблизительно 1200°С в течение от приблизительно 0,1 до приблизительно 1000 ч.

90. Способ по п.78, отличающийся тем, что при указанном нанесении промотора или стабилизатора на поверхность прокаленной подложки наносят раствор, содержащий La(NO₃)₃.

91. Способ по п.78, отличающийся тем, что прокаливание обработанной подложки осуществляют при температуре от приблизительно 150 до приблизительно 1200°С в течение от приблизительно 0,1 до приблизительно 1000 ч.

92. Способ по п.78, отличающийся тем, что нанесение каталитического металла или его оксида или нитрата на поверхность прокаленной обработанной подложки осуществляют посредством нанесения композиции, содержащей Rh(NO₃)₃.

93. Способ по п.78, отличающийся тем, что дополнительно обработанную подложку прокаливают при температуре от приблизительно 150 до приблизительно 1200°С в течение от приблизительно 0,1 до приблизительно 1000 ч.