Способ индукционного поджига химической реакции - RU2193918C2

Чертежи

Описание

Область техники
Изобретение относится к способу поджига газофазной химической реакции в присутствии твердого катализатора. Более конкретно, но без ограничения притязаний, изобретение относится к реакции в непрерывном потоке газовой фазы, в которой аммиак реагирует с углеводородом в присутствии кислорода и катализатора из металла платиновой группы для получения цианистого водорода, и к использованию индукционной катушки внутри реактора для индукционного нагрева металлического катализатора и поджига экзотермической реакции.

Предшествующий уровень техники
Идея использования индукционного нагрева для нагрева катализатора в процессе газофазной химической реакции при повышенной температуре хорошо известна в данной области техники. Например, в патенте США 5110996 описан способ получения винилиденфторида посредством взаимодействия дихлорфторметана с метаном в реакционной трубе с индукционным нагревом, содержащей неметаллический набивочный материал и необязательно металлический катализатор.

Подобным же образом в заявке на патент РСТ WO 95/21126 описано получение цианистого водорода посредством реакции аммиака и газообразного углеводорода в кварцевой трубе реактора с индукционным нагревом. В этом описании катализатор из металла платиновой группы внутри трубы реактора нагревают находящейся в нем индукционной катушкой, намотанной в виде спирали вокруг наружной поверхности кварцевой трубы. Эту катушку приводят в действие посредством источника индуктивной энергии, которую можно подавать также в импульсном режиме. В ходе особой эндотермической реакции, которую используют в данной заявке, применяют частотный диапазон от 0,5 до 30 МГц для поддержания температуры реакции от 600 до 1200^oС. Индукционная катушка, намотанная вокруг наружной поверхности трубы реактора, сама представляет собой металлическую трубу, по которой циркулирует вода. В заявке также предложены различные виды металлического катализатора, включающие металлическую сетку, керамическую подложку с металлическим напылением на поверхности или керамический порошок с металлическим покрытием, предназначенные для того, чтобы эти катализаторы обладали электропроводностью по меньшей мере 1,0 сименс (ампер/вольт) на метр для осуществления эффективного индукционного нагрева.

В предшествующих технических решениях также, как правило, установлено, что цианистый водород можно получать посредством любой из двух газофазных реакций, представляющих собой каталитическую реакцию аммиака и углеводорода. Таким образом, цианистый водород обычно получают главным образом посредством либо экзотермического процесса Andrussow'a или эндотермического процесса Degussa. В процессе Degussa аммиак и, как правило, метан превращается в отсутствии кислорода в цианистый водород и водород. Поскольку реакция протекает при повышенной температуре (как правило, превышает 1200^oС) и является эндотермической, то теплопередача является в значительной степени производственной проблемой. В отличие от этого, в процессе Andrussow'a используют кислород (т.е. воздух), в результате чего при экзотермической реакции образуется вода как побочный продукт. Использование избытка углеводорода и кислорода позволяет также получать необходимую тепловую энергию для поддержания требуемой повышенной температуры реакции. Таким образом, процесс Andrussow'a в принципе может иметь преимущество по сравнению с процессом Degussa в отношении облегчения проблем, связанных с передачей тепла, однако, он имеет недостаток, связанный с помехами при получении потенциально ценного сопутствующего продукта. В обоих процессах, Andrussow'a и Degussa, горячий продукт, выпускаемый из реактора, необходимо охлаждать до температуры приблизительно ниже 300^o С для предотвращения случайной термической деградации.

В процесс Andrussow'a каталитическая реакция должна быть инициирована посредством высокотемпературного поджига, которую необходимо концентрировать вблизи катализатора и не допускать распространения назад, в поток горючего реагента, непрерывно подаваемого в реактор. Кроме того известно, что в предшествующих технических решениях применяют пористые барьеры, обеспечивающие изоляцию от тепла, искрения и излучения, между твердым катализатором и потоком газообразного реагента, а в каталитическую среду вводят теплостойкую проволоку. Однако такой способ поджига реакции является не вполне надежным. Настоящее изобретение направлено на решение этой проблемы.

Подробное описание изобретения
Исходя из приведенного выше, было выявлено, что поджиг процесса можно улучшить путем размещения индукционной катушки непосредственно внутри трубчатого реактора, обеспечив протекание через него газа и используя эту катушку непосредственно как индукционный источник. Катализатор подвергают индукционному нагреву до температуры поджига процесса без необходимости в прямом электрическом контакте. Эти усовершенствования можно рационализировать отчасти для улучшения способности к регулированию пространственной взаимосвязи между индукционной катушкой и металлическим катализатором, нагреваемым индукционным способом, а именно, как для более однородного распределения в радиальном направлении, так и для более тесной близости. Это в свою очередь позволяет изменять масштаб реактора до большего размера поперечного сечения без значительного снижения либо конверсии, либо избирательности даже в случаях газофазных реакций, чувствительных к изменению температуры, таких как получение цианистого водорода из аммиака и углеводорода в присутствии кислорода.

Таким образом, в настоящем изобретении предложен улучшенный способ активации катализируемой реакции в газовой фазе, включающий этапы:
(а) обеспечения газофазного реактора, включающего
(i) резервуар реактора, содержащий по меньшей мере одно впускное средство для газообразного реагента и по меньшей мере одно выпускное средство для готового продукта для введения газообразного реагента и удаления готового продукта из резервуара реактора соответственно,
(ii) твердофазную каталитическую среду, расположенную с возможностью регулирования внутри резервуара реактора, так чтобы обеспечить контакт с газообразным реагентом, проходящим из впускного средства для реагента в выпускное средство для готового продукта, и приспособленную с возможностью регулирования для индукционного нагрева,
(iii) средство с индукционной катушкой, расположенное с возможностью регулирования внутри резервуара реактора так, чтобы обеспечить индукционный нагрев твердофазной каталитической среды, и с возможностью регулирования положения при пропуске сквозь нее газа, и
(iv) пористое барьерное средство, обеспечивающее изоляцию от тепла, искрения и излучения, расположенное с возможностью регулирования между твердофазным катализатором и газообразным реагентом для ограничения химической реакции в пределах области катализатора и предотвращения распространения реакции назад, в направлении впускного отверстия;
(b) введения газообразных реагентов во впускное отверстие резервуара реактора;
(c) зажигания реагентов посредством индукционного нагрева твердофазной каталитической среды при использовании средства с индукционной катушкой как источника индуктивной энергии; и
(d) прерывания индукционного нагрева и поддержание температуры реакции за счет использования экзотермического тепла реакции.

Настоящее изобретение далее предусматривает другой вариант способа поджига каталитической газофазной реакции, в котором твердофазная каталитическая среда приспособлена с возможностью регулирования так, чтобы осуществлять ее индукционный нагрев, и, кроме того, включает по меньшей мере одно средство с индуктивным приемником для увеличения индуктивного коэффициента полезного действия в течение начала реакции.

Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлено поперечное сечение одного варианта газофазного химического реактора, пригодного для выполнения усовершенствованного способа индукционного поджига в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 2 представлено поперечное сечение другого варианта газофазного химического реактора, пригодного для выполнения усовершенствованного способа индукционного поджига в соответствии с настоящим изобретением.

Варианты выполнения изобретения
Усовершенствованный способ индукционного поджига газофазной реакции в соответствии с настоящим изобретением, как он связан с реактором, используемым для проведения газофазной химической реакции при повышенной температуре, как он работает и чем отличается от ранее известных реакторов с индукционным нагревом и предшествующих способов поджига, а также преимущества и эффект, связанные с его использованием, можно лучше объяснить при ссылке на чертежи. Например, на фиг.1 показан непрерывный газофазный реактор, обозначаемый обычно позицией 10, который, когда работает в соответствии со способом по настоящему изобретению, является особенно пригодным для получения цианистого водорода, в связи с чем его обычно относят к процессу Andrussow'a. Процесс Andrussow'a, как правило, включает каталитическую реакцию аммиака и углеводорода, такого как метан, в присутствии кислорода при повышенной температуре, как правило, более 1100^oС для получения цианистого водорода в соответствии со следующей экзотермической реакцией:
СН₄+NН₃+3/2O₂-->HCN+3Н₂O
Следует заметить, что, хотя усовершенствованный способ индукционного поджига каталитической газофазной реакции в соответствии с настоящим изобретением описан и конкретно показан на примере получения цианистого водорода в газовой фазе при высокой температуре, считают, что изобретение не следует рассматривать, как ограничивающее его применение для любой заданной реакции. Многие из преимуществ и эффектов, связанных с усовершенствованным способом индукционного поджига равным образом реализуют в других газофазных реакциях при повышенной температуре и в процессах, в которых реакция, являющаяся в других отношениях экзотермической и самоподдерживающейся, сначала нуждается в активации. Любая интерпретация как таковая следующего ниже описания и формулы изобретения не подлежит незаконному ограничению.

Как показано на фиг.1, реактор 10 с индукционным поджигом в этом конкретном варианте включает обычно цилиндрический резервуар 11 реактора, имеющий на одном конце впускной канал 12 конической формы, через который вводят такие реагенты, как метан, аммиак и кислород (или воздух). На другом конце находится выпускной канал 13 для удаления полученного цианистого углерода и воды. Внутри резервуара 11 реактора находится кольцевая петлеобразная катушка 14 с проводниками 15 и 15' ввода в реактор и вывода из него. Эта катушка 14 изготовлена из металлической трубы или металлического прутка (например, из медной трубы и т.п.) и как таковая может содержать охлаждающую воду или другую теплообменную среду, пропускаемую через нее. Кроме того, катушка 14 также способна действовать как первичная индукционная катушка при присоединении ее (как показано) к источнику индуктивной энергии. Кольцевая петля катушки пропущена через часть внутреннего пространства резервуара 11 реактора, непосредственно примыкая к поверхностному слою 16 из Fiberfrax'a, который минимизирует потери тепла и обеспечивает фильтрацию подаваемого газа, проходящего через него. Непосредственно под поверхностным слоем 16 из Fiberfrax'a находится слой вспененной окиси алюминия, который служит в качестве экрана 17 теплового излучения (т.е., защищает смесь газообразных реагентов, поступающих в реактор, от преждевременного поджига). Ниже этого экрана 17 теплового излучения находится металлическая каталитическая среда 18. Катализатор 18 размещен на перфорированном керамическом поддерживающем слое 19, имеющем отверстия меньшего диаметра, чем поддерживаемые им частицы катализатора. Ниже этого керамического поддерживающего слоя находится второй керамический поддерживающий слой 20 даже с более крупными отверстиями.

Этот конкретный вариант, показанный на фиг. 1, предназначен для демонстрации того, насколько усовершенствованный реактор с индукционным поджигом в соответствии с настоящим изобретением применим и эффективен для множества различных типов высокотемпературных газофазных каталитических реакций. Более конкретно и как показано каталитическая среда может быть любым твердофазным порошковым веществом, способным поджигаться (нагреваться) индукционным методом и одновременно способным катализировать требуемую газофазную реакцию. Однако, кроме того, следует отметить, что твердофазная каталитическая среда не ограничена никакой определенной физической формой, включая в том числе порошковое вещество. Как правило, эта каталитическая среда (а также индуктивный приемник, используемый в другом варианте, показанном на фиг. 2) может быть также в форме одного или более слоев металлической ткани, сетки (например, перфорированной лазером металлической фольги, сетки из крученой или некрученой проволоки и т.п.), дискретных плоских металлических объектов (например, вспененного металла) или множества слоев частиц катализатора в форме гранул. Такие формы катализатора более полно описаны в заявке на патент РСТ WO 95/21126 и в целиком переуступленной, одновременно поданной заявке на патент 08/887549, зарегистрированной 3 июля 1997 г. Таким образом, например, в особенно предпочтительном варианте выполнения процесса Andrussow'a катализатор 18 представляет собой множество слоев платиновой металлической ткани, проволоки или сетки (например, окиси алюминия с покрытием Pt-Rh и т.п.).

В любой системе индукционного нагрева только часть электрической энергии, которую подают на катушку, фактически рассеивается в соответствующем обрабатываемом веществе, в данном случае в каталитической среде. Остальная энергия рассеивается в самой катушке, которую обычно делают из меди. Энергия, поглощенная катушкой, обычно удаляется охлаждающей средой, такой как вода, которая течет в катушке. Отношение энергии, рассеиваемой в соответствующем обрабатываемом веществе ко всей энергии называется коэффициентом полезного действия катушки (к.п.д.). В способе по настоящему изобретению к. п.д. катушки важен, поскольку скорость поджига и тем самым температуру поджига обеспечивают в зависимости от подаваемой в каталитическую среду энергии. Кроме того, в некоторых случаях охлаждение катушки водой или другой жидкостью невозможно из соображений безопасности.

Коэффициент полезного действия катушки зависит от переменных, в основном от проводимости катушки и обрабатываемого вещества и от геометрических факторов, таких как расстояние между катушкой и обрабатываемым веществом. В данной системе индукционного нагрева к.п.д. катушки является максимальным в некотором диапазоне проводимости обрабатываемого вещества в случае каталитической среды. Слишком низкая или слишком высокая проводимость приводит к низкому коэффициенту полезного действия.

В некоторых случаях электропроводность каталитической среды такова, что к.п.д. катушки является слишком низким. Одним из таких примеров является то, когда катализатор является неэлектропроводным. Другим примером является то, когда катализатор имеет слишком высокую электропроводность, и еще один пример, когда необходимо, чтобы расстояние от катушки до катализатора было большим в связи с проводимостью катализатора. В настоящем изобретении предусмотрен способ поджига также в тех случаях, когда вблизи индукционной катушки и каталитической среды расположен индуктивный приемник подходящей формы и проводимости. На фиг.2 показан один такой альтернативный вариант с использованием индуктивного приемника. Как показано на фиг.2, в качестве индуктивного приемника используют платиновую сетку 21, и она отделена от основной части каталитической среды 18 пористым керамическим слоем 22 (все другие компоненты и функции обозначены номерами, которые приведены выше при описании фиг. 1). Катушка 14 в данном варианте обеспечивает более эффективный нагрев слоя приемника 21 по двум причинам. Во-первых, более высокое сопротивление тонкого слоя приемника повышает индуктивный коэффициент полезного действия, и, во-вторых, благодаря термоизоляции между слоем приемника и основной каталитической средой выделяющееся в приемнике тепло не передается от него, благодаря чему легче достичь высокой температуры поджига. После начала реакции возле слоя приемника она распространяется в основную часть каталитической среды.

Во многих случаях использование жидкой охлаждающей среды, такой как вода, вводимая в петлеобразную катушку 14, является неприемлемым из-за возможных утечек охлаждающей среды и возможности аварии или загрязнения процесса. В таких случаях для изготовления индукционной катушки вместо полой металлической заготовки можно использовать сплошную заготовку. Сплошная металлическая заготовка из-за большей массы может нагреваться не так быстро и дать каталитической среде или приемнику достаточно времени для нагрева и поджига до того, как возрастет температура катушки. Повышение температуры катушки выше определенного предела может оказывать негативное влияние, такое как поджиг процесса в неподходящем месте и повреждение или оплавление материала катушки. Помимо этого, перегрев катушки может привести к повышению электросопротивления и увеличить потребление энергии в катушке вместо каталитической среды.

Когда использование жидкой охлаждающей среды, такой как вода, является неприемлемым, а также когда охлаждение катушки необходимо, то через полую катушку можно пропускать поток холодного газа, такого как воздух. Одним из подходящих способов получения холодного газа может быть использование вихревой трубы. Вихревая труба, которая работает на основе расширения сжатого воздуха, является недорогим охлаждающим средством, и в ней используют только сжатый воздух, который имеется у большинства промышленных предприятий.

Использование термоизолирующего слоя 16 и/или слоя 17 экрана теплового излучения между индукционной катушкой и нагреваемой каталитической средой (упоминаемого здесь как "пористое барьерное средство, обеспечивающее изоляцию от тепла, искрения и излучения") предоставляет благоприятную возможность использовать такие реакторы для множества различных реакций и свести к минимуму повышение температуры (т.е. за счет потока охлаждающей среды) в индукционной катушке. Функции этого барьерного средства состоят главным образом в предотвращении возможности обратной вспышки реакции в направлении впускного канала для реагентов и в ограничении таким образом газофазной реакции в области катализатора. Как правило, можно использовать любой пористый материал, известный в данной области техники, включая приведенный в примере, но не ограниченный им, пористую пенокерамику или материалы с керамическим покрытием, термически стабильные минералы и волокна, их сочетания и т.п. Как правило, когда используют диффузорную перегородку для внутренней опоры, ее делают из кварца или неэлектропроводной керамики. Как вариант диффузорную перегородку можно делать из пенокерамики. Диффузорная перегородка может служить также для электроизоляции индукционной катушки от катализатора, нагреваемого индуктивным методом.

Реальная конструкция усовершенствованного реактора в соответствии с настоящим изобретением содержит любые из обычных материалов, как правило, известных в данной области техники как подходящие для изготовления реакторов с индукционным нагревом. Предпочтительно реактор изготавливают из таких материалов, как кварц, материалы с кварцевым покрытием, керамика, материалы с керамическим покрытием, нержавеющие стали и т.п. Также имеется в виду, что различные другие покрытия или плакировка могут быть эффективно использованы в зависимости от конкретных условий реакции и используемых реакций. Конкретные производственные технологии, используемые для сборки реактора, также могут быть любыми такими способами, которые общеизвестны в данной области техники, включая приведенный пример, но не ограниченный им, а именно сварка металлических компонентов и/или склеивание с использованием клеев типа керамики-эпоксидных смол или герметизирующих уплотнений и т.п. В общем, выбор конкретных материалов, а также каталитической среды зависит от того, какая конкретная химическая реакция и условия ее выполнения должны быть использованы.

В принципе, в реакторе в соответствии с настоящим изобретением можно выполнять при повышенной температуре любую катализируемую газофазную реакцию. Предпочтительно для получения цианистого водорода посредством взаимодействия аммиака и углеводорода в присутствии кислорода или воздуха можно использовать каталитическую среду из металлов платиновой группы. Дополнительные подробности такой реакции и способы выполнения можно найти в присоединенных в виде ссылки заявке на патент WO 95/21126 и заявке на патент США 08/887594.

Следующие ниже примеры представлены для более полной демонстрации и дополнительной иллюстрации различных отдельных аспектов и признаков настоящего изобретения, а данные включены для дополнительной иллюстрации различий и преимуществ настоящего изобретения. Предполагают, что примеры как таковые не являются ограничивающими, а предназначены для иллюстрации изобретения, но не означают его незаконного ограничения.

Примеры
Был изготовлен и испытан кварцевый реактор лабораторного масштаба диаметром 2 дюйма (5,08 см) для оценки возможности использования внутреннего медного индуктора для поджига реакции. Реактор содержал медную катушку с одним витком, пенокерамический слой толщиной 3/16 дюйма (0,476 см) для опоры катализатора, 40 слоев платиновой сетки и последней пенокерамической опоры толщиной 3/16 дюйма (0,476 см) катализатоpa. Частота тока в индукторе составляла 26 МГц. Испытания проводили для оценки вариантов поджига, подачи энергии, а также проверки, может ли присутствие медной катушки внутри реакционной камеры оказать какое-то неблагоприятное влияние. Результаты приведены в табл. 1.

Как показано в табл.1, прекращения активации можно достичь спустя менее 10 секунд. Никаких неблагоприятных эффектов из-за присутствия меди за короткий срок до прекращения реакции не смогли обнаружить. Использованные расходы газов были меньше после прекращения поджига, чем в типовой установке, из-за ограниченного количества HCN, которое можно было получить в лабораторных условиях.

Для проверки нагрева катализатора до прекращения поджига при используемых расходах собрали испытательную установку. Использовали две формы катализатора: в неуплотненной (свободной) форме и в спрессованной (использованной) форме. Уплотнение (спрессовывание) катализатора происходит в процессе нормальной работы, и в случае необходимости отключения реактора можно получить различные стадии спрессовывания. Для моделирования условий подачи газа для прекращения реакции использовали азот. Сначала испытали неуплотненный катализатор. Результаты показали возможность нагрева до нужных температур до отключения в зависимости от расходов газа до отключения реактора. Начальное испытание уплотненного слоя катализатора дало в результате слабый нагрев. Испытания нового образца показали более высокую способность к нагреву, но только когда катушка находится очень близко к слою катализатора. Явление слабого нагрева можно отнести к влиянию двух факторов. Первый относился к электропроводности уплотненного слоя, а она была слишком высокой для эффективного нагрева при индукционном нагреве, а второй, который представляет собой теплоперенос в уплотненном слое, был более высоким, чем в неуплотненном слое. Результаты приведены в табл.2 и 3.

Результаты испытаний со слоем индукционного приемника приведены в табл. 4.

Для достижения надлежащего нагрева при большем расстоянии [от катушки] два верхних слоя сетчатого катализатора были изолированы посредством введения пенокерамики толщиной 0,5 см между остальным слоем и двумя верхними слоями. Эта изоляция повысила электросопротивление сетки, подлежащей нагреву, а также уменьшила теплопроводность.

Промышленное использование
Предполагают, что экономический эффект и преимущества, связанные с использованием способа индукционного поджига каталитической газофазной реакции в соответствии с настоящим изобретением являются многочисленными и значительными. Прежде всего, использование катушки как индукционного источника внутри резервуара реактора вблизи металлической каталитической среды обеспечивает более однородное регулирование температуры и поджига. Кроме того, присутствие индукционной катушки внутри реактора позволяет необязательно изменять масштабы реактора в направлении использования более крупных размеров его поперечного сечения. Усовершенствованный способ неконтактного поджига сокращает некоторые производственные проблемы, связанные с использованием в предшествующих технических решениях электрических проводов и нагрева методом электросопротивления, а особенно проблемы, связанные с необходимостью пропускать такие провода сквозь барьер, обеспечивающий изоляцию от тепла, искрения и излучения. Кроме того, усовершенствованный способ один позволяет выполнять процесс типа процесса Andrussov'a в более крупных реакторах с более гибкой конструкцией, а также способом действия.

Таким образом, при наличии описания и примеров осуществления изобретения, конкретизированных до определенной степени, следует учитывать, что приведенная далее формула изобретения не ограничена этим, но позволяет защитить сферу притязаний изобретения, соразмерную с формулировкой каждого из признаков формулы и их эквивалентов.

Реферат

Способ поджига катализируемой газофазной химической реакции, включающий использование резервуара реактора, в котором газообразный реагент, непрерывно проходящий через реактор, вступает в контакт с твердофазной металлической каталитической средой при наличии индукционной катушки внутри реактора на стороне впускного канала вблизи катализатора, и пористого барьера, обеспечивающего изоляцию от тепла, искрения и излучения, между индукционной катушкой и твердофазным катализатором. Металлическую каталитическую среду нагревают индукционным методом для активации химической реакции, а после активации индукционный нагрев приостанавливают, и экзотермическое тепло химической реакции обеспечивает тем самым поддержание температуры реакции. Изобретение позволяет упростить процесс, а также позволяет проводить процесс в более крупных реакторах. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 4 табл.

Формула