Каталитический реактор с индукционным нагревом - RU2193917C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройству для проведения реакции в газовой фазе при повышенной температуре в присутствии твердого катализатора. Более конкретно, изобретение относится к проточному газофазному реактору непрерывного действия, в котором металлический катализатор подвергается индукционному нагреву с помощью индуктора, находящегося внутри реактора.

Предшествующий уровень техники
Идея использования индукционного нагрева с целью нагрева катализатора во время химической реакции в газовой фазе при повышенной температуре, в общем, известна в данной области техники. Например, в патенте США 5110996 описан способ получения винилиденфторида путем взаимодействия дихлорфторметана с метаном в реакторной трубе с индукционным нагревом, содержащей неметаллический наполнитель и, необязательно, металлический катализатор.

Аналогично в патентной заявке РСТ WO 95/21126 описано получение цианида водорода путем взаимодействия аммиака и газообразного углеводорода в кварцевой реакторной трубе с индукционным нагревом. В этом описании указано, что катализатор на основе металлов платиновой группы, находящейся внутри реакторной трубы, нагревают в индукторе, спирально навитом вокруг наружной поверхности кварцевой трубы. Этот индуктор возбуждается источником индукционной мощности, который может также подводить импульсную мощность. Для конкретной эндотермической реакции, о применении которой идет речь в этом первоисточнике, предложен диапазон частот 0,5-30 МГц для поддержания температуры реакции в диапазоне между 600 и примерно 1200^oС. Индуктор, навитый вокруг наружной поверхности реакторной трубы, сам является металлической трубкой, по которой циркулирует охлаждающая вода. В этом первоисточнике также предложены различные формы металлического катализатора, включая металлическую проволочную сетку, керамическую подложку с диспергированным на ее поверхности металлом, или керамические частицы, покрытые металлом, при условии, что эти катализаторы имеют удельную электропроводность, по меньшей мере, 1,0 Сименс на метр, обеспечивающую эффективный нагрев за счет индукции.

Хотя трубчатый реактор с индукционным нагревом, в общем, известен в данной области техники и может применяться для получения цианида водорода посредством эндотермической реакции аммиака и такого углеводорода, как метан, в настоящее время обнаружено, что есть определенные недостатки, к которым можно отнести, по меньшей мере, частично, конструкцию известных реакторов. Проблемы, в принципе, связаны с тем, что по мере увеличения размера реактора он становится, в частности, критичным при реакциях, которые чувствительны к температуре, что потенциально может выразиться в одном или нескольких следующих явлениях: уменьшенное преобразование в требуемый продукт, повышенное количество нежелательных побочных продуктов реакций и/или селективность ниже оптимальной. Кроме того, материал конструкции реактора может быть связан с серьезной проблемой выбора при разработке и увеличении размеров. Данное изобретение посвящено этим вопросам.

Краткое изложение сущности изобретения
В связи с вышеизложенными проблемами, связанными с известными газофазными химическими реакторами с индукционным нагревом, в настоящее время обнаружено, что расположение основного индуктора непосредственно внутри трубчатого реактора, преимущественно по всему поперечному сечению реактора, обеспечивающее протекание газа сквозь этот индуктор, и использование его непосредственно в качестве источника энергии улучшает регулирование температуры с обеспечением возможности достижения более равномерного нагрева металлического катализатора. Эти усовершенствования можно, в частности, рационализировать благодаря повышенной способности к регулированию пространственной взаимосвязи между источником индукционной мощности и металлическим катализатором, подвергаемым индукционному нагреву, т.е. более равномерного радиального распределения как внутри реактора, так и в непосредственной близости от него. Это, в свою очередь, позволяет увеличивать размеры до больших поперечных сечений реактора без значительного уменьшения либо преобразования, либо селективности даже в случаях реакций в газовой фазе, чувствительных к температуре, например, при получении цианида водорода из аммиака и углеводорода и т.п.

Таким образом, согласно изобретению предлагается усовершенствованное устройство для непрерывного проведения катализированной реакции в газовой фазе при повышенной температуре, содержащее
(а) реакторный сосуд, содержащий, по меньшей мере, одно средство впуска газообразного реагента и, по меньшей мере, одно средство выпуска продукта для введения газообразного реагента в реакторный сосуд и удаления из него продукта соответственно,
(б) по меньшей мере, один носитель твердофазного катализатора, расположенный внутри реакторного сосуда с возможностью контакта с газообразным реагентом, выходящим из средства впуска реагента в средство выпуска продукта, и оперативно приспособленный к индукционному нагреву, и
(в) по меньшей мере, один индуктор, расположенный внутри реакторного сосуда с возможностью индукционного нагрева носителя твердофазного катализатора с возможностью прохождения сквозь него газа.

В одном конкретном варианте осуществления изобретения индуктор является дисковым индуктором, состоящим преимущественно из уложенной в виде плоской спирали металлической трубки, имеющей некоторый горизонтальный спиральный промежуток между последовательными витками для распределения потока газа между ними. В этом конкретном варианте осуществления плоскость дискового индуктора расположена преимущественно поперек всего потока газа внутри реакторного сосуда в непосредственной близости от носителя твердофазного катализатора. В другом конкретном варианте осуществления индуктор является конусообразной катушкой, состоящей преимущественно из уложенной в виде конической спирали металлической трубки, имеющей горизонтальный и вертикальный спиральные промежутки между последовательными витками для распределения потока газа между ними.

Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображено поперечное сечение кварцевого реактора согласно изобретению, конкретно предназначенного для получения цианида водорода;
на фиг. 2 изображено поперечное сечение реактора из нержавеющей стали согласно изобретению, конкретно предназначенного для получения цианида водорода;
на фиг.3 изображено поперечное сечение альтернативного конкретного варианта выполнения реактора из нержавеющей стали, показанного на фиг.2.

Способы осуществления изобретения
Усовершенствованный реактор с индукционным нагревом согласно изобретению, его использование для проведения химической реакции в газовой фазе при повышенной температуре, его работа и отличия от ранее известных реакторов с индукционным нагревом, а также преимущества и выгоды, связанные с его использованием, можно наилучшим образом пояснить со ссылками на чертежи. Например, на фиг.1 изображен кварцевый реактор, обозначенный как единое целое позицией 10, который пригоден, в частности, для получения цианида водорода способом, который обычно называют способом Дегуссы (Degussa). Способ Дегуссы обычно предусматривает каталитическую реакцию аммиака и такого углеводорода, как метан, при повышенной температуре, как правило, выше 1200^oС, для получения цианида водорода в соответствии со следующей эндотермической реакцией:
СН₄ + NН₃ ---> HCN + 3H₂.

На фиг.2 и 3 изображены альтернативные конкретные варианты реакторов из нержавеющей стали, обозначенных как единое целое позициями 20 и 30 соответственно. В отличие от реактора, показанного на фиг.1, реакторы 20 и 30 пригодны, в частности, для получения цианида водорода либо способом Дегуссы, либо способом, который обычно называют экзотермическим способом Андруссова (Andrussow). Следует также по достоинству оценить тот факт, что, хотя усовершенствованный реактор с индукционным нагревом согласно изобретению описан и конкретно проиллюстрирован применительно к получению цианида водорода в газовой фазе при высокой температуре, очевидно, что изобретение не следует рассматривать как ограниченное какой-либо заданной реакцией. Многие преимущества и выгоды, связанные с этим усовершенствованным реактором, равно применимы в других реакциях и способах получения в газовой фазе при повышенной температуре. Поэтому не следует необоснованно ограничивать любую интерпретацию нижеследующего описания и формулы изобретения.

Как показано на фиг.1, реактор 10 с индукционным нагревом в этом конкретном варианте выполнения включает, в основном, цилиндрический кварцевый или облицованный кварцем реакторный сосуд 11, имеющий на одном конце конусообразный впускной канал 12, через который вводят реагенты метан и аммиак. На другом конце находится аналогичный конусообразный выпускной канал 13 для удаления получаемых цианида водорода и водорода. Внутри реакторного сосуда 11 находится спиральный дискообразный индуктор 14 с входящим в реактор и выходящим из него выводами 15 и 15'. Дискообразный индуктор 14 изготовлен из металлической трубки (например, медной трубки и т.п.) и по нему может пропускаться охлаждающая вода или другая теплообменная среда. Кроме того, дискообразный индуктор 14 также выполнен с возможностью функционирования в качестве основного индуктора за счет подсоединения (не показано) к источнику индукционной мощности. Этот дискообразный индуктор расположен преимущественно поперек внутреннего пространства реакторного сосуда 11 в непосредственной близости от перфорированной диффузорной плиты 16. Диффузорная плита 16 снабжена отверстиями малого диаметра, просверленными смещенными рядами так, что они занимают приблизительно треть площади поверхности диффузорной плиты. Как правило, эта диффузорная плита изготовлена из кварца или неэлектропроводной керамики. Вместо этого, диффузорная плита может быть изготовлена из керамического поропласта. Диффузорная плита также служит для электрической изоляции индуктора 14 от катализатора 17, подвергаемого индукционному нагреву, находящегося на другой стороне диффузорной плиты 16. Этот катализатор 17 в этом конкретном варианте осуществления представляет собой множество слоев платиновой металлической ткани, проволоки или проволочной сетки (например, содержащей Pt-Pd, нанесенные на оксид алюминия и т.п.). Пара цилиндрических кварцевых распорных втулок 18 и 18' и опорное кольцо 19 зажимают диффузорную плиту 16 и катализатор 17 в подвешенном состоянии внутри реакторного сосуда 11 в непосредственной близости от дискообразного индуктора 14 во время эксплуатации. Следует по достоинству оценить тот факт, что можно использовать другие типы конструкции и опорных элементов для удержания катализатора и индуктора в подвешенном состоянии внутри реакторного сосуда.

На фиг.2 изображен реакторный сосуд 21 из нержавеющей стали с каналом 22 впуска реагента и каналом 23 выпуска продукта. Как и на фиг.1, дискообразный индуктор 24 подвешен внутри реактора 20, занимая преимущественно все поперечное сечение внутреннего пространства реакторного сосуда 21 и проходя перпендикулярно пути протекания газа. В этом конкретном варианте осуществления дискообразный индуктор 24 расположен в непосредственной близости от плоского фильтра 25 из фиберфакса, который снижает тепловые потери и обеспечивает заключительную фильтрацию подаваемого газа, проходящего через него. Непосредственно под плоским фильтром 25 из фиберфакса находится слой поропласта из оксида алюминия, который служит в качестве экрана 26 излучения (т.е. защищает газообразную смесь реагентов, попадающих в реактор, от раннего воспламенения). Катализатор 26 остается на перфорированном керамическом опорном слое 28, имеющем отверстия меньшего диаметра, чем переносимые частицы катализатора. Под этим керамическим опорным слоем находится второй керамический опорный слой 29 с еще большими отверстиями.

Этот конкретный вариант выполнения, изображенный на фиг.2, также демонстрирует в широком смысле возможности применения и использования усовершенствованного реактора с индукционным нагревом согласно изобретению для широкого круга различных типов каталитических реакций в газовой фазе при высокой температуре. Более конкретно и в соответствии с чертежом катализатор не обязательно должен быть металлической проволокой, тканью или проволочной сеткой, а фактически может быть диспергированным веществом, покрытым частицами или смесями частиц различного типа. Кроме того, использование теплоизолирующего слоя и/или излучающего слоя экрана между индуктором и нагретым носителем катализатора создает возможность использования таких реакторов в ряде различных реакций и снижает рост температуры (например, в потоке охлаждающего вещества) в индукторе.

На фиг.3 изображен альтернативный конкретный вариант осуществления реактора, показанного на фиг.2. В этом конкретном варианте осуществления реактор, обозначенный как единое целое позицией 30, содержит в основном те же теплоизолирующий слой, слой излучающего экрана, носитель катализатора и опорные элементы, что и реактор, показанный на фиг.2. Однако индуктор 14 в этом конкретном варианте осуществления является спирально навитой, геликоидной металлической трубчатой катушкой, расположенной внутри реактора 30 непосредственно над носителем катализатора.

Реальная конструкция усовершенствованного реактора согласно изобретению предусматривает любой из обычных материалов, вообще говоря, известных в данной области техники как применимые при изготовлении реакторов с индукционным нагревом. Предпочтительно и как показано на чертежах, реактор изготовлен из таких материалов, как кварц, облицованные кварцем материалы, керамика, материалы с керамическим покрытием, нержавеющая сталь и т.п. Следует также отдавать себе отчет в том, что можно с выгодой применять различные покрытия или защитную плакировку в зависимости от конкретных условий реакции. Точно так же конкретные способы изготовления, применяемые для сборки реактора, могут быть любыми такими способами, вообще говоря, известными в данной области техники, включая, например, но не в ограничительном смысле, сварку металлических элементов и/или скрепление с использованием эпоксидных клеев для керамики или прижимных прокладок и т.п. Вообще говоря, выбор конкретных материалов, а также носителей катализаторов зависит от того, какую конкретную химическую реакцию и какие условия нужно использовать.

Носитель катализатора включает металл или металлический композиционный материал, обладающий способностью к индукционному нагреву. Вообще говоря, носитель катализатора может принимать форму одного или нескольких слоев металлической ткани, проволочной сетки (например, металлической фольги, перфорированной лазером, тканой или нетканой проволочной сетки и т.п.), дискретных плоских металлических кусочков (например, металлического поропласта) или многочисленных слоев частиц катализатора типа гранул. Такие формы катализатора полнее раскрыты и описаны в WO 95/21126 и в принадлежащей тому же патентовладельцу одновременно рассматриваемой заявке на патент США 08/887549, поданной 3 июля 1997 г. Следует также учесть, что в целях данного изобретения было бы действенным применение чередующихся слоев катализатора и индукционной катушки внутри одного реактора.

Трубчатый реактор с индукционным нагревом согласно изобретению представляется применимым в широком диапазоне частот, как правило от 50 Гц до примерно 30 МГц. В принципе, любую катализированную химическую реакцию в газовой фазе при повышенной температуре можно проводить в усовершенствованном реакторе согласно изобретению. Для получения цианида водорода путем взаимодействия аммиака и углеводорода предпочтительно применять носитель катализатора, содержащий металлы платиновой группы. Дополнительные подробности такой реакции и способы ее проведения можно найти в упомянутых первоисточниках: WO 95/21126 и заявке на патент США 08/887549.

Нижеследующие примеры приведены для более полной демонстрации и дополнительной иллюстрации различных индивидуальных особенностей и признаков данного изобретения, а данные предназначены для дополнительной иллюстрации отличий и преимуществ данного изобретения. Эти примеры не ограничивают изобретение и предназначены только для иллюстрации.

ПРИМЕРЫ 1-4
HCN получали путем взаимодействия небольшого молярного избытка аммиака с метаном в проточном реакторе непрерывного действия с неподвижным слоем катализатора, который подвергали индукционному нагреву с помощью дискообразного индуктора, как показано на фиг.1. Соотношения аммиака и метана приведены ниже в таблице. Реактор представлял собой, по существу, кварцевый цилиндр диаметром 5,0 см и длиной 20 см с подходящими фитингами для подсоединения подающего коллектора и блока подачи продуктов. Катализатор состоял из 20 листов проволочной сетки с размером ячеек 80 меш, содержащей 90 мас.% платины и 10 мас.% родия, имеющей толщину 0,4 мм. Нагрев слоя катализатора осуществляли путем подвода энергии от источника мощности к основной катушке, заключенной в реакторе. Система подачи в реактор была сконструирована с возможностью обеспечения подачи до двух газов в зону реакции с постоянным расходом. Газы дозировали и контролировали с помощью регуляторов массового расхода "Брукс" (Brooks^®). Идентификацию и количественную характеристику продуктов проводили методом газовой хроматографии. Индукционный нагрев осуществляли с постоянной частотой 26 МГц и регулировали прямую и отраженную мощности для получения требуемой суммарной отдаваемой мощности. Условия реакции, параметры преобразования, выходы продукта и т.д. приведены в таблице
Промышленная применимость
Выгоды и преимущества, связанные с усовершенствованным реактором с индукционным нагревом, согласно изобретению представляются многочисленными и важными. В первую очередь, использование индуктора внутри реакторного сосуда в непосредственной близости от носителя металлического катализатора приводит к более равномерному регулированию температуры. Вследствие этого исключаются проблемы, связанные с известными реакторами с индукционным нагревом, например побочные реакции, вызываемые градиентом температуры, и пониженное преобразование или селективность. Кроме того, конструкция усовершенствованного реактора создает возможность увеличения размеров, в частности, применительно к использованию больших размеров поперечного сечения. Таким образом, усовершенствованный реактор приводит к большей гибкости конструирования и выбора конструкционных материалов, а также режима работы, и может быть адаптирован к уже существующим реакторам. Использование индуктора внутри реактора в качестве источника энергии может также привести к достижению большей подводимой теплоты на единичный объем для больших диаметров реактора, чем в случаях внешних катушек, когда высота слоя ограничивает количество витков катушки. Следовательно, усовершенствованный реактор пригоден для очень быстрого проведения реакций в газовой фазе, так как он позволяет использовать конфигурацию слоя (например, дискообразную), которая имеет значительно более низкий собственный перепад давлений ввиду меньшей высоты слоя.

Поскольку изобретение описано и проиллюстрировано примерами лишь с некоторой степенью конкретности, нужно отдавать себе отчет в том, что нижеследующая формула изобретения не носит жесткий ограничительный характер, а допускает широкое толкование характеристики каждого элемента формулы изобретения и ее эквивалентов.

Реферат

Изобретение предназначено для непрерывного проведения катализированной реакции в газовой фазе при повышенной температуре, в частности для получения цианида водорода, и содержит реакторный сосуд, включающий, по меньшей мере, одно средство впуска газообразного реагента и, по меньшей мере, одно средство выпуска продукта для введения газообразного реагента в реакторный сосуд и удаления из него продукта. А также, по меньшей мере, один носитель твердофазного металлического катализатора и, по меньшей мере, один индуктор, расположенный внутри реакторного сосуда с возможностью индукционного нагрева носителя твердофазного катализатора и с возможностью прохождения через него газа. Индуктор выполнен в виде плоской спирали из металлической трубки или конусообразной катушки. Размещение индуктора таким образом обеспечивает улучшенное регулирование температуры и равномерный нагрев катализатора. 2 з. п.ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Формула