Каталитические или сорбирующие слои

Каталитические или сорбирующие слои

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Данное изобретение относится к неподвижным слоям катализатора или сорбента и, в частности, для того, чтобы увеличить эффективность слоя с помощью поддержания глубины слоя через ряд циклов термического расширения - термического сжатия.

Неподвижный слой обычно содержит, по меньшей мере, один слой катализатора или сорбента в виде материала в форме частиц, такого как экструдаты, таблетки или гранулы, ограниченного граничным элементом, непроницаемым для рабочей жидкости, и расположенного на перфорированном элементе, например перфорированной плите, решетке или сетке, через который может проходить рабочая жидкость, проходящая через слой. Слой расположен в сосуде, в котором он поддерживается непосредственно стенкой сосуда с помощью, например, выступов или несущим слой устройством, непроницаемым для рабочей жидкости, таким как корзина или рама, прикрепленная к стенке сосуда.

Граничный элемент может быть или может не быть скреплен с перфорированным элементом. Однако граничный элемент обычно параллелен направлению потока жидкости через слой и предохраняет частицы, контактирующие со стенкой сосуда, в котором расположен слой. Когда слой подвергается воздействию повышенных температур, такой граничный элемент может быть описан как тепловой экран, т.к. он защищает стенку сосуда или несущее слой устройство от катализатора или сорбента в форме частиц при высокой температуре.

Предпочтительно поток газа или жидкости через слой катализатора или сорбента является однородным с обеспечением согласованной работы в условиях конверсии в случае каталитического слоя или абсорбции в случае абсорбирующего слоя. Для достижения этого обычно размер частиц и особенно толщина слоя частиц тщательно регулируются с достижением однородной проницаемости через слой, через который может течь рабочая жидкость. Это является особенно важным в тонких неподвижных слоях, т.е. слоях, имеющих глубину менее диаметра сосуда.

Проблемой, встречающейся в случае неподвижных слоев, содержащих частицы катализатора или сорбента, и, в частности, в случае тонких неподвижных слоев, подвергающихся воздействию высоких температур, является то, как было установлено, что при контактировании частиц с граничным элементом термическое расширение и термическое сжатие слоя, связанное, например, с операциями запуска-остановки, может привести к снижению глубины слоя, в частности, в области, где слой контактирует с граничным элементом. Соответственно путь газового потока через слой является короче вблизи граничного элемента, и, таким образом, поток газа или жидкости через слой, т.е. проницаемость является выше в указанной области.

Указанное увеличение потока через слой снижает время контактирования между жидкостью и катализатором или сорбентом и может создать в результате проблему обходного потока жидкости. В случае каталитического процесса, когда требуется, по существу, 100% конверсия, это может привести к увеличению количества непрореагировавших частиц, входящих в поток продукта, а в случае слоя сорбента при аналогичном требовании, по существу, полного удаления загрязнений, это может привести к нежелательному присутствию загрязнений в любом процессе и/или продукте ниже по потоку.

Было установлено, что использование фасонного граничного элемента может поддерживать толщину слоя на протяжении ряда циклов термического расширения - термического сжатия и поэтому уменьшать проблему обходного потока.

Соответственно настоящее изобретение предусматривает неподвижный слой, через который может течь рабочая жидкость, содержащий материал в форме частиц, расположенный на перфорированном элементе и ограниченный граничным элементом, непроницаемым по отношению к рабочей жидкости, в котором, по меньшей мере, часть указанного граничного элемента ограничивает указанный материал в форме частиц, по меньшей мере, по существу, на глубину слоя под общим углом 20-70 градусов к направлению потока жидкости через указанный слой.

В настоящем изобретении неподвижный слой может быть подвергнут воздействию осевого и/или радиального потока рабочей жидкости, которая может быть газообразной или жидкой. Предпочтительно слой настоящего изобретения подвергается воздействию осевого потока и может быть расположен, например, по существу, горизонтально в сосуде с рабочей жидкостью, проходящей, по существу, вертикально через слой.

Слой содержит частицы катализатора или сорбента, расположенные на перфорированном элементе, таком как перфорированная плита, сетка или решетка, имеющем отверстия определенного размера для предотвращения прохождения частиц через него. Может также присутствовать инертный материал в форме частиц, например как несущий слой под катализатором или сорбентом, который образует часть глубины слоя. Слой ограничен непрерывным граничным элементом, непроницаемым для рабочей жидкости. Слой может поддерживаться стенкой сосуда с помощью перфорированного элемента или граничного элемента, например, с помощью выступов, прикрепленных к стенке сосуда, или альтернативно корзиной, лотком или рамой, прикрепленными к стенке сосуда. Предпочтительно слой поддерживается через перфорированный элемент непроницаемой для рабочей жидкости корзиной или рамой, прикрепленными к стенке сосуда. Такое устройство в значительной степени зависит от типа слоя, сосуда и процесса и может быть определено как "несущее слой устройство". Слой может быть любой формы, необходимой для обеспечения требуемой задачи. Часто форму слоя подгоняют к форме поперечного сечения сосуда, в котором он расположен. Например, слой может быть круглым, овальным, квадратным, прямоугольным, гексагональным или октагональным. Ширина слоя может быть в интервале от 0,25 м до 6 м и предпочтительно 0,5-3,5 м.

Настоящее изобретение имеет особую полезность, когда слой является относительно тонким, т.е. имеющим глубину менее диаметра сосуда. Предпочтительно слой настоящего изобретения имеет глубину 5-500 мм, более предпочтительно 25-300 мм, и наиболее предпочтительно 25-100 мм.

Частицы катализатора или сорбента, или инертного материала-носителя в форме частиц (если присутствует) находятся в виде сфер, пластин, кубов, экструдатов, цилиндрических таблеток, гранул или других правильных или неправильных форм, обычно имеющих отношение размеров, т.е. наибольший размер, деленный на наименьший размер, менее 2. Размер частиц может быть одинаковым или различным, как требуется для создания желаемого времени контактирования между газом или жидкостью, и катализатором или сорбентом.

Размер и форма граничного элемента настоящего изобретения будут варьироваться в зависимости от размера слоя и природы стенки сосуда или несущего слой устройства. Граничный элемент настоящего изобретения может быть или может не быть прикреплен к перфорированному элементу, несущему слой. В предпочтительном варианте воплощения для снижения влияния напряжения, возникающего из-за термического расширения и термического сжатия, граничный элемент не скрепляется с перфорированным элементом. В данном варианте воплощения граничный элемент ограничивает частицы катализатора или сорбента так, что материал в форме частиц не может пройти через любой оставшийся зазор между граничным элементом и перфорированным элементом, идет на, по меньшей мере, по существу, глубину слоя и крепится к стенке сосуда или несущему слой устройству, например корзине, которое отдельно поддерживает перфорированный элемент в соответствующем положении, которое может быть выше или ниже поверхности слоя. Альтернативно, как указано выше, граничный элемент может быть прикреплен к перфорированному элементу. Как бы ни был прикреплен граничный элемент, он и любое несущее слой устройство должны обеспечивать барьер, непроницаемый для рабочей жидкости, вокруг периферии слоя, так что, по существу, вся рабочая жидкость направляется для прохождения через материал в форме частиц, расположенный на перфорированном элементе.

Граничный элемент идет от перфорированного элемента на, по меньшей мере, глубину слоя и является наклонным на глубину слоя под общим углом тета (θ) 20-70 градусов к течению потока жидкости через слой. Если общий угол составляет менее 20 градусов, глубина слоя не может успешно поддерживаться на протяжении ряда циклов термического расширения - термического сжатия; если он больше 70 градусов, тогда слишком большая часть возможной площади поверхности может быть занята граничным элементом. Предпочтительно общий угол составляет 20-60 градусов к течению рабочей жидкости через слой. Под термином "общий угол" понимается угол между, по существу, направлением потока жидкости через массу слоя и прямой линией, проведенной между нижним концом граничного элемента и точкой, где граничный элемент встречается с, по существу, верхней поверхностью слоя. Граничный элемент имеет, по меньшей мере, одну фаску, идущую от, по существу, перфорированного элемента к стенке сосуда или несущему слой устройству. Предпочтительно граничный элемент имеет 1-50 фасок. Каждая фаска может иметь ряд форм, например прямую или изогнутую, и может быть использована любая комбинация фасок, которая обеспечивает общий угол в желаемом интервале. Предпочтительно, однако, что любая комбинация фасок не закрывает материал в форме частиц и не препятствует прохождению рабочей жидкости через значительную часть материала в форме частиц в контакте с граничным элементом. Так, когда фаска является изогнутой, нижний конец фаски составляет предпочтительно не более 90 градусов к направлению потока жидкости через слой.

Было установлено, что комбинация фасок, которая предусматривает, по меньшей мере, одну ступень ниже поверхности слоя, может улучшать характеристики граничного элемента в поддержании глубины периферии слоя через ряд циклов термического расширения - термического сжатия. Под термином "ступень" понимается, по меньшей мере, одна прямая или изогнутая фаска, которая проходит расстояние, например расстояние, эквивалентное примерно 10-50% глубины слоя, в слое под углом больше угла фаски непосредственно выше нее по отношению к направлению потока жидкости через слой. Предпочтительно может предусматриваться 1-10 ступеней. Ступени могут быть одинаковых или различных размеров, и фаски, содержащие различные ступени, могут быть под одинаковыми или различными углами к направлению потока жидкости через массу слоя. В предпочтительном варианте воплощения одна ступень предусматривается и предпочтительно располагается на глубине 25-75% от глубины слоя. Предпочтительно угол ступени составляет примерно 90 градусов к направлению потока жидкости через массу слоя.

Толщина граничного элемента зависит от ряда факторов, включая размеры сосуда и/или слоя, но находится предпочтительно в интервале 1-25 мм, более предпочтительно 1-10 мм.

Граничный элемент может быть изготовлен из любого материала, подходящего для использования в условиях каталитических или сорбирующих процессов. Обычно граничный элемент изготавливают из сплавов, стойких к окислению, например нержавеющей стали 310.

Фасонный граничный элемент неподвижного слоя настоящего изобретения с или без ступени действует с поддержанием толщины материала в форме частиц, составляющего слой, на протяжении ряда циклов термического расширения - термического сжатия и поэтому уменьшает возможность обходного потока реагентов или загрязнений.

В альтернативном варианте воплощения неподвижный слой содержит материал в форме частиц, ограниченный первым внешним граничным элементом, как описано ранее, идущим от, по существу, перфорированного элемента в положение выше поверхности слоя, и резервуаром материала в форме частиц, например катализатора, сорбента или инертного материала, расположенным между указанным первым граничным элементом и вторым внутренним граничным элементом, идущим из положения на расстоянии от перфорированного элемента ниже поверхности слоя в положение выше поверхности слоя.

Второй граничный элемент может быть любой формы, которую соответственно определяет резервуар материала в форме частиц, например фаски выше поверхности слоя могут быть в линию с потоком жидкости через слой или могут быть параллельны или расположены под углом к первому граничному элементу. Предпочтительно форма второго граничного элемента в слое является такой, что он имеет общий угол 20-70 градусов к направлению потока жидкости через указанный слой с предотвращением влияния второго граничного элемента на толщину слоя. Форма, расстояние первого и второго граничных элементов выше поверхности слоя и пространство между ними могут быть использованы для определения объема резервуара. Предпочтительно расстояние первого и второго граничных элементов выше поверхности слоя составляет 5-300 мм, и наименьшее расстояние между первым и вторым граничными элементами составляет предпочтительно 10-100 мм. Предпочтительно второй граничный элемент идет ниже поверхности слоя на глубину менее 60% от глубины слоя со снижением возможности влияния второго граничного элемента на толщину слоя. Второй граничный элемент предпочтительно прикреплен к первому граничному элементу фиксирующим устройством, которое обеспечивает поток рабочей жидкости через резервуар и в слой, таким как, например, болты, стойки, распорки, шпильки или плиты, сцентрированные с потоком рабочей жидкости через указанный резервуар. Предпочтительно резервуар расположен так, что частицы могут проходить в слой под действием силы тяжести.

Толщина второго граничного элемента находится предпочтительно в интервале 1-25 мм, более предпочтительно 1-10 мм и он может быть изготовлен из такого же материала, как первый граничный элемент.

При формовании резервуара указанным образом глубина, а отсюда проницаемость периферии неподвижного слоя может регулироваться, например, на протяжении ряда циклов термического расширения - термического сжатия. Увеличенная толщина слоя между первым и вторым граничными элементами снижает проницаемость в данной области, и, если имеет место усадка частиц, объем слоя может поддерживаться частицами катализатора или сорбента из резервуара.

Как установлено выше, неподвижным слоем настоящего изобретения может быть неподвижный слой катализатора. Предпочтительно катализатором может быть любой используемый катализатор, расположенный в тонких слоях. Процессы, которые могут использовать катализаторы в тонких слоях, включают, например, окисление аммиака, использующее, например, кобальтсодержащий катализатор в форме частиц, гидродесульфуризацию, использующую, например, кобальт- или никельмолибдатный катализатор гидродесульфуризации, получение формальдегида, использующее, например, серебряный катализатор, получение цианистого водорода и реакции частичного окисления, например, для частичного окисления углеводородов как часть так называемых газ-в-жидкость (GTL) процессов. Может также присутствовать инертный материал в форме частиц, такой как таблетки глинозема, например, как слой носителя под катализатором. Размер частиц инертного материала может быть таким же или отличаться от катализатора в форме частиц.

Неподвижным слоем настоящего изобретения также может быть неподвижный слой сорбента. Термин "сорбент" обязательно включает как адсорбентные, так и абсорбентные материалы. Может использоваться любой сорбентный материал, подходящий для удаления серы, ртути, мышьяка или их соединений, воды и/или хлористого водорода из рабочих жидкостей, например углеводородов. Примеры сорбентных материалов включают основный карбонат цинка, оксиды марганца и оксиды меди/цинка для удаления серы, сульфид меди для удаления ртути и мышьяка и алюминат натрия или карбонат свинца для удаления хлористого водорода.

В частности, настоящее изобретение используется, когда слой подвергается воздействию повышенных температур. Температуры слоя составляют предпочтительно выше, чем 100°C, более предпочтительно выше, чем 200°C, и наиболее предпочтительно, выше чем 500°C.

Изобретение теперь будет описано со ссылкой на прилагающиеся чертежи, на которых:

на фигуре 1 представлена диаграмма поперечного сечения граничной области круглого неподвижного слоя катализатора или сорбента в соответствии с первым вариантом воплощения;

на фигуре 2 представлена диаграмма поперечного сечения граничной области круглого неподвижного слоя катализатора или сорбента в соответствии со вторым вариантом воплощения;

на фигуре 3 представлена диаграмма поперечного сечения граничной области круглого неподвижного слоя катализатора или сорбента в соответствии с третьим вариантом воплощения.

На фигурах 1, 2 и 3 направление потока рабочей жидкости через массу слоя, показанное стрелкой "А", является, по существу, вертикальным в направлении стрелки, как показано. Для ясности фигуры 1, 2 и 3 сопровождают линейные диаграммы, которые представляют общий угол тета (θ) между направлением потока жидкости через массу слоя (А) и прямой линией, проведенной между нижним концом граничного элемента (С) и поверхностью слоя (В).

Со ссылкой на чертежи, фигура 1 показывает слой катализатора, например, для окисления аммиака. Слой обеспечен слоем частиц кобальтсодержащего катализатора 10 поверх слоя инертных частиц глинозема 11, например, более крупного размера, расположенного на перфорированном элементе 12, имеющем отверстия 13 для прохождения потока газов через слой. Слой поддерживается перфорированным элементом 12, который опирается на выступ 14, присоединенный к стенке сосуда 15.

Граничный элемент, имеющий прямые фаски 16, 17 и 18, предотвращает контактирование слоя 10 со стенкой сосуда 15. Фаска 16 прикреплена к стенке сосуда 15 в точке прикрепления 19 выше слоя и идет вниз к слою под углом около 30 градусов в положение приблизительно на полпути между точкой прикрепления 19 и поверхностью слоя 10; фаска 17 идет от нижнего конца фаски 16 примерно под 0 градусов, т.е. по существу, параллельно потоку рабочего газа, ниже поверхности слоя на глубину, приблизительно эквивалентную 50% толщины слоя; и фаска 18 идет от нижнего конца фаски 17 к перфорированному элементу 12 под углом около 35 градусов к потоку жидкости через слой на глубину, соответствующую приблизительно 97 % толщины слоя. Общий угол тета (θ) граничного элемента (т.е. угол между направлением потока рабочей жидкости через слой А и прямой линией, проведенной между точками В-С) составляет около 20 градусов к направлению потока жидкости через слой.

На фигуре 2 слой катализатора, например, для окисления аммиака обеспечен слоем частиц кобальтсодержащего катализатора 20, расположенным на перфорированном элементе 21, имеющем отверстия 22 для прохождения потока газов через слой. Слой поддерживается перфорированным элементом 21, который опирается на выступ 23, присоединенный к стенке сосуда 24.

Граничный элемент, имеющий прямые фаски 25 и 26 и изогнутую фаску 27, предотвращает контактирование слоя 20 со стенкой сосуда 24. Ступень 28 предусмотрена между второй прямой фаской 26 и изогнутой фаской 27. Прямая верхняя фаска 25 идет от стенки сосуда 24 от точки прикрепления 27 выше слоя 20 по углом примерно 50 градусов к направлению потока жидкости через слой в положение приблизительно на полпути между точкой прикрепления 27 и поверхностью слоя 20; грань 26 идет от нижнего конца прямой верхней фаски 25 под углом примерно 5 градусов в положение, соответствующее глубине около 33% толщины слоя; ступень 28 имеет прямую фаску первой ступени 29, идущую от нижнего конца верхней прямой фаски 26 под углом приблизительно 90 градусов к направлению потока жидкости через слой на расстояние, эквивалентное примерно 15% толщины слоя, и прямую фаску второй ступени 30, идущую от конца фаски первой ступени 29 в направлении в сторону от слоя на расстояние, приблизительно равное длине фаски первой ступени, под углом около 35 градусов. Изогнутая фаска 27 прикреплена к концу фаски второй ступени 30 и идет к слою под хордальным углом примерно 45 градусов в положение, соответствующее приблизительно 97% толщины слоя. Общий угол тета (θ) граничного элемента (т.е. угол между направлением потока рабочей жидкости через слой А и прямой линией, проведенной между точками В-С) составляет около 30 градусов к направлению потока жидкости через слой.

На фигуре 3 слой катализатора, например, для окисления аммиака, обеспечен слоем частиц кобальтсодержащего катализатора 40, расположенным на перфорированном элементе 41, имеющем отверстия 42 для прохождения потока газов через слой. Слой поддерживается перфорированным элементом 41, который опирается на выступ 43, присоединенный к стенке сосуда 44.

Первый граничный элемент, имеющий прямые фаски 45 и 46 и изогнутую фаску 47, предотвращает контактирование слоя 40 со стенкой сосуда 44. Фаска 45 прикреплена к стенке сосуда 44 в точке прикрепления 48 выше слоя и идет вниз к слою под углом примерно 30 градусов в положение приблизительно на полпути между точкой прикрепления 48 и поверхностью слоя 40; фаска 46 идет от нижнего конца фаски 45 под углом 0 градусов, т.е., по существу, параллельно потоку рабочего газа, ниже поверхности слоя на глубину, приблизительно эквивалентную 50% толщины слоя; и изогнутая фаска 47 идет от нижнего конца фаски 46 к слою под хордальным углом примерно 45 градусов в положение, соответствующее приблизительно 97% толщины слоя. Общий угол тета (θ) граничного элемента (т.е. угол между направлением потока рабочей жидкости через слой А и прямой линией, проведенной между точками В-С, где В находится на уровне с поверхностью массы слоя) составляет около 20 градусов к направлению потока жидкости через слой.

Резервуар частиц кобальтсодержащего катализатора 49 расположен между первым граничным элементом и вторым граничным элементом 50, идущим от точки приблизительно на уровне с точкой прикрепления 48 указанного первого граничного элемента в слое в положение, соответствующее приблизительно 50% толщины слоя. Второй граничный элемент удерживается на месте распорками, прикрепленными к первому граничному элементу (не показано). Второй граничный элемент имеет, по существу, вертикальную прямую фаску, идущую от точки выше поверхности слоя к поверхности слоя, и изогнутую фаску, идущую в слой от нижнего конца вертикальной фаски к слою под хордальным углом примерно 45 градусов. Резервуар имеет глубину, равную примерно 50% толщины слоя, и второй граничный элемент отстоит от указанного первого элемента на наименьшее расстояние около четверти толщины слоя. Общий угол тета (θ) второго граничного элемента (т.е. угол между направлением потока рабочей жидкости через слой А и прямой линией, проведенной между точками В'-С') составляет около 20 градусов к направлению потока жидкости через слой.

В предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения каталитический слой глубиной 50 мм кобальт-редкоземельного перовскита для окисления аммиака при температуре примерно 800-900°C, как описано в WO 98/28073, расположенный в реакторе 0,5-6 м круглого поперечного сечения, имеет непрерывный круговой граничный элемент, идущий от несущего слой устройства к слою, содержащий прямую верхнюю фаску и изогнутую нижнюю фаску и имеющий ступень, идущую в слой 5-15 мм между указанными фасками. Общий угол между нижним концом изогнутой фаски и точкой, где граничный элемент встречается с поверхностью слоя, составляет 20-70 градусов к направлению потока жидкости через слой. Частицами катализатора являются обычно цилиндрические таблетки длиной 3 мм и диаметром 3 мм. Они могут поддерживаться слоем гранул α-глинозема обычно диаметром 3-10 мм глубиной, например, 25 мм. Граничный элемент поддерживает толщину слоя на протяжении ряда циклов термического расширения - термического сжатия.

Хотя вышеуказанные варианты воплощения описаны в отношении процесса окисления аммиака, необходимо понимать, что применение неподвижных слоев настоящего изобретения может быть использовано во многих процессах, в частности процессах, использующих тонкие слои катализатора или сорбента, как описано ранее.

1. Сосуд, содержащий неподвижный слой, имеющий глубину менее диаметра сосуда, в котором он расположен, причем указанный неподвижный слой содержит материал в форме частиц, расположенный на перфорированном элементе и ограниченный граничным элементом, непроницаемым для рабочей жидкости, отличающийся тем, что граничный элемент не прикреплен к перфорированному элементу, и, по меньшей мере, часть указанного граничного элемента ограничивает указанный материал в форме частиц, по меньшей мере, по существу, на глубину слоя под общим углом 20-70° к направлению потока жидкости через указанный слой, причем указанным общим углом является угол между направлением потока жидкости через массу слоя и прямой линией, проведенной между нижним концом граничного элемента и точкой, в которой граничный элемент встречается с верхней поверхностью слоя.

2. Сосуд по п.1, в котором граничный элемент имеет 1-50 изогнутых и/или прямых фасок.

3. Сосуд по п.2, в котором предусмотрена комбинация фасок, которая обеспечивает, по меньшей мере, одну ступень ниже поверхности слоя.

4. Сосуд по п.1, имеющий первый внешний граничный элемент, идущий от, по существу, перфорированного элемента в положение выше поверхности слоя и резервуара материала в форме частиц, расположенного между указанным первым внешним граничным элементом и вторым внутренним граничным элементом, идущим из положения в сторону от перфорированного элемента ниже поверхности слоя в положение выше поверхности слоя.

5. Сосуд по п.1, в котором слоем является тонкий слой, имеющий глубину 5-500 мм.

6. Сосуд по п.1, в котором материал в форме частиц содержит катализатор или сорбент и, необязательно, инертный материал.

7. Применение сосуда по любому из пп.1-6, в котором слой подвергают воздействию температур выше 100°С.

8. Применение сосуда, имеющего неподвижный слой сорбента по любому из пп.1-6, для удаления материалов, содержащих серу, ртуть, мышьяк, воду и/или хлористый водород, из рабочих жидкостей.

9. Применение сосуда, имеющего неподвижный слой катализатора по любому из пп.1-6, в процессах окисления аммиака, гидродесульфуризации, получения цианистого водорода, получения формальдегида или частичного окисления углеводородов.