2085938

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ

(57) Реферат:

Использование: устройство предназначено для определения каталитической активности. Сущность изобретения: устройство содержит хотя бы два дозатора газа, смеситель, анализатор состава исходной и конечной реакционной смесей, узел ввода, узел вывода реакционных смесей, проточно-циркуляционный реактор, включающий термостатированный каталитический микрореактор в комплекте с циркуляционным насосом, подогревателем и охладителем смеси, клапан сброса исходной реакционной смеси, дозатор смеси, первый обратный клапан и первый соединительный элемент, расположенные между смесителем и узлом ввода реакционной смеси, второй соединительный элемент и второй обратный клапан, расположенные после узла ввода реакционной смеси. Анализатор подключен своим входом к первому и второму соединительным элементам. Устройство может дополнительно содержать сатуратор в комплекте с шестиходовым двухпозиционным краном и обратным клапаном, расположенными между дозатором смеси и первым обратным клапаном. 1 с. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил. Изобретение относится к химической кинетике и катализу, а именно к лабораторной технике экспериментальных определений каталитической активности гетерогенных катализаторов в стационарных одномаршрутных процессах при нормальном (атмосферном) давлении как стационарной удельной скорости реакции при заданных температурах и составе контактирующей с катализатором реакционной смеси. Известно устройство для определения каталитической активности, содержащее два дозатора газов, работающих поочередно, сатуратор, проточный микрореактор с нагревателем и хроматограф [1] Данное устройство может быть использовано для различных каталитических процессов. Недостатком этого устройства является неопределенность температурного и концентрационного режимов в используемом проточном микрореакторе, что не позволяет непосредственно измерить скорости химических реакций в присутствии катализатора и точно определить каталитическую активность. Известно также устройство для определения каталитической активности, содержащее узел приготовления и дозирования исходной азото-водородной реакционной смеси, проточно-циркуляционный реактор, включающий термостатированный микрореактор с размещенным в нем слоем катализатора, циркуляционный насос и узел анализа составов реакционных смесей [2] В известном устройстве выход насоса соединен с входом микрореактора через подогреватель входящей смеси, а выход микрореактора соединен с входом насоса через охладитель выходящей смеси с образованием замкнутого циркуляционного контура, ввод исходной смеси в контур реализован через тройник, размещенный на входе в насос, а выходы конечной смеси из контура реализованы через тройники, размещенные на входе и выходе микрореактора. Производительность циркуляционного насоса в известном устройстве во много раз больше расхода исходной смеси на реактор. Данное устройство предусматривает получение исходной реакционной смеси (ИРС) путем разложения аммиака и обеспечивает возможность изменения расхода И С на реактор при неизменном составе И С и соблюдение в реакторе режима идеального смешения, при котором наблюдаются минимальные температурные и концентрированные градиенты в слое катализатора. Известное устройство позволяет точно определять каталитическую активность как стационарную скорость химической реакции при заданных температуре и составе контактирующей с катализатором реакционной смеси. Недостатком известного устройства является следующее. Применяемый в известном устройстве способ организации входа и выхода реакционных смесей в циркуляционном контуре позволяет использовать только реакторы с малым гидродинамическим сопротивлением слоя катализатора. При большом сопротивлении слоя катализатора, например при испытаниях мелких зерен катализаторов, работа циркуляционного насоса вызывает большие колебания давления на входе в контур, что затрудняет точную дозировку на реактор исходных реакционных смесей. Это ведет к изменению концентрационного режима, а следовательно к погрешностям определения каталитической активности. Кроме того, в известном устройстве исходная реакционная смесь готовится из одного газа. Такая смесь пригодна только для процесса синтеза аммиака, когда исходную реакционную азотно-водородную смесь получают из аммиака путем его разложения. Известно также устройство для определений каталитической активности, выбранное в качестве прототипа заявляемого устройства, содержащее три одновременно работающих дозатора газов, смеситель, проточно-циркуляционный реактор, включающий соединение в замкнутый циркуляционный контур термостатированный каталитический микрореактор и циркуляционный насос, систему анализа исходных (ИРС) и конечных (КРС) реакционных смесей, узел ввода и узел вывода реакционных смесей [3] В известном устройстве на магистрали между выходом реактора и входом в насос размещены узел ввода и узел вывода реакционных смесей, при этом вывод КРС размещен ближе к выводу реактора, а ввод РС ближе к входу в насос. Выходы дозаторов газов соединены с входами смесителя, расход ИРС равен сумме расходов газов на дозаторах газов, а состав И С определяется отношением расходов на дозаторах газов к расходу ИРС. Выход смесителя соединен с входом в циркуляционный контур. Данное устройство может быть использовано для многих каталитических процессов, в которых ИРС готовятся из газов. Более удачная организация ввода-вывода реакционной смеси позволяет испытывать катализаторы различного, в том числе и мелкого зернения. Недостатком известного устройства является то, что оно не позволяет разделить операции приготовления и дозирования на реактор исходных смесей, т. е. вся приготовленная И С подается на реактор. Это приводит к тому, что фактически невозможно точно определить каталитическую активность в том случае, если кинетика неизвестна. В проточно-циркуляционных реакторах с катализатором контактирует выходящая из реактора смесь, состав которой определяется каталитической активностью и условиями испытаний. Поэтому при исследованиях различных катализаторов даже при одинаковых условиях испытаний состав контактной смеси будет различным и для точных определений активности катализаторов необходимо знать кинетическое уравнение каталитического процесса, учитывающее зависимость каталитической активности от состава контактной смеси. Если такое уравнение неизвестно, то для точных определений каталитической активности необходимо выполнять серии экспериментов c различными временами контакта катализатора, то есть при различных соотношениях объема катализатора и объемного расхода ИРС на реактор. Технически очень сложно реализовать такое симбатное изменение расходов исходных газов на дозаторах газов, при котором состав ИРС поддерживался бы неизмененным при вариациях расхода этой смеси на реактор. Поэтому реально время контакта изменяется обычно путем вариаций объема катализатора в реакторе, что очень трудоемко и неоперативно, так как требует остановок химических процессов для перегрузки катализаторов, для многих процессов после каждой перегрузки требуется длительная подготовка катализаторов к проведению химических процессов (например для восстановления активного компонента). Кроме того, в известном устройстве имеется неопределенность концентрационного режима из-за возможного подсоса в циркуляционный контур атмосферного воздуха из выходной магистрали. Перед автором ставилась задача разработать устройство для точного определения активности гетерогенных катализаторов в стационарных одномаршрутных процессах при атмосферном давлении на одной навеске катализатора в тех случаях, когда формальная кинетика процесса неизвестна, а исходная смесь готовится либо из нескольких газов, либо из одного или нескольких газов и одной или нескольких одно- или многокомпонентных жидкостей. Поставленная задача решается тем, что устройство для определения каталитической активности, содержащее хотя бы два дозатора газа, смеситель, анализатор состава исходной и конечной реакционной смесей, узел ввода, узел вывода реакционных смесей, проточно-циркуляционный реактор, включающий термостатированный каталитический микрореактор в комплекте с циркуляционным насосом, подогревателем и охладителем смеси, дополнительно снабжено клапаном сброса исходной реакционной смеси, дозатором смеси, первым обратным клапаном и первым соединительным элементом, расположенными между смесителем и узлом ввода реакционной смеси, вторым соединительным элементом и вторым обратным клапаном, расположенным после узла вывода реакционной смеси. Анализатор в устройстве подключен своим входом к первому и второму соединительным элементам, узел ввода реакционной смеси выполнен в виде эжектора. Устройство также может быть дополнительно снабжено фильтром, расположенным между охладителем и циркуляционным насосом. В вариантах исполнения устройство дополнительно снабжено термошкафом, либо сатуратором в комплекте с шестиходовым двухпозиционным краном и обратным клапаном, расположенными между дозаторами смеси и первым обратным клапаном, либо хотя бы одним сатуратором в комплекте с шестиходовым двухпозиционным краном и обратным клапаном, расположенными на входе смесителя, либо хотя бы одним дозатором жидкости в комплекте с испарителем, расположенными на входе смесителя. Технический эффект предлагаемого изобретения заключается в том, что данное устройство позволяет изменять количество смеси, подаваемой на проточно-циркуляционный реактор, при сохранении постоянным состава этой смеси, что обеспечивает возможность определения скорости реакции при заданных температуре и составе контактной смеси (каталитической активности). На фиг. 1 4 представлены блок-схемы вариантов исполнения предлагаемого устройства. Вариант 1. На фиг. 1 показана схема предлагаемого устройства в том случае, когда каталитический процесс реализуется с газовыми реакционными смесями. Основными частями устройства являются микрореактор 1 с размещенным в нем катализатором 2 и циркуляционный насос 3. Микрореактор 1 размещен в термостате 4. Выход насоса 3 соединен с входом микрореатора 1 через последовательно включенные узел вывода 5 и узел ввода 6, выполненный в виде эжектора, и подогреватель 7, выход микрореактора 1 соединен с входом насоса 3 через охладитель 8 и фильтр 9 с образованием замкнутого циркуляционного контура 10. Исходные газы подключены к входам дозаторов газов 11, выходы которых подсоединены к входу смесителя 12. К выходу смесителя 12 подключены входы клапана сброса 13 и дозатора смеси 14, выход последнего подключен через обратный клапан 15 и соединительный элемент 16 к узлу ввода реакционной смеси 6. К узлу вывода реакционной смеси 5 подключен через соединительный элемент 17 вход обратного клапана 18. Соединительные элементы 16 и 17 подключены также к анализатору 19. Устройство (см. фиг. 1) работает следующим образом. Одновременно работающие дозаторы газов 11 создают стационарные потоки исходных газов с заданными обменными расходами, которые перемешивают в смесителе 12 с образованием однородной по составу газовой ИРС. Далее смесь разделяется на две части одна часть с помощью дозатора смеси 14, который формирует стационарный поток ИРС с заданным объемным расходом, подается в циркуляционный контур 10 через соединительный элемент 16 и узел ввода реакционной смеси 6, а остаток смеси через клапан 13 сбрасывается. При этом автоматически поддерживается постоянное повышенное давление смеси в смесителе 12. Количество приготавливаемой смеси равно сумме расходов исходных газов на дозаторах 11 и превосходит максимальный расход смеси на реактор, состав смеси определяется расходами газов на дозаторах и не зависит от изменений расхода на дозаторе смеси 14. Циркуляционный насос 3 создает непрерывный поток реакционной смеси внутри контура 10, при этом входящий в микрореактор 1 поток нагревается до температуры реакции в подогревателе 7. При контакте реакционной смеси с термостатированным при определенной температуре катализатором 2, размещенным внутри микрореактора 1, происходят соответствующие химические превращения. Выходящий из микрореактора 1 поток охлаждается до рабочей температуры насоса 3 в охладителе 8. Противопыльный фильтр 9 предотвращает попадание твердых частиц катализатора в насос 3. Узел ввода 6, выполненный в виде эжектора, и обратный клапан 15 исключает влияние вызванных работой насоса 3 колебаний давления на точность дозировки ИРС в контур 10. Действие эжектора проявляется только при работающем циркуляционном насосе и предотвращает попадание исходной реакционной смеси на выход циркуляционного контура минуя реактор. Поток конечной реакционной смеси КРС выходит из контура 10 через узел вывода реакционной смеси 5 и соединительный элемент 17 и обратный клапан 18. Последний предотвращает попадание внутрь контура 10 атмосферного воздуха при вызванных работой насоса 3 пульсациях циркулирующей реакционной смеси, а также поддерживает внутри контура 10 небольшое избыточное давление (около 5 КПа), необходимое для направления части потоков ИРС и КРС на анализатор 19. Отбор анализируемых потоков ИРС и КРС осуществляется с помощью соединительных элементов 16 и 17. Вариант 2. На фиг. 2 показана схема предлагаемого устройства в том случае, когда ИРС готовится из одного или нескольких газов и одной однокомпонентной жидкости, в которой не растворяются компоненты исходных газов. Схема (см. фиг. 2) отличается от схемы (см. фиг. 1) тем, что на выходе из смесителя 12 дополнительно размещен третий соединительный элемент 20, выход дозатора смеси 14 соединен через обратный клапан 21 с входом шестиходового двухпозиционного крана 22, к которому по показанной на фиг. 2 схеме подсоединен специальный сатуратор 23, выход крана 22 подключен к входу в циркуляционный контур 10, а все части устройства, начиная с крана 22, размещены в термошкафу 24. Позиции крана 22 указаны сплошной («ОТКЛ») и штриховой («ВКЛ») линиями. При позиции крана 2 «ОТЛК» устройство (см. фиг.2 ) работает аналогично устройству (см. фиг. 1), вход в сатуратор заперт, а выход его соединен с атмосферой. При помощи крана 22 «ВКЛ» газовый поток после дозатора смеси 14 проходит через сатуратор 23, где насыщается парами дозируемой жидкости. Конструкция сатуратора 23 должна обеспечивать постоянное равновесное при температуре жидкости парциальное давление паров жидкости в выходящей из сатуратора парогазовой смеси на выходе крана 22 увеличивается по сравнению с расходом газовой смеси на входе этого крана на величину расхода паров жидкости. Состав исходной паро-газовой смеси определяется расходами газов на дозаторах 11 и температурой жидкости в сатураторе 23 и не зависит от изменения расхода на дозатор смеси 14. Размещенный на входе в кран 22 обратный клапан 21 предотвращает попадание жидкости из сатуратора в дозатор смеси 14 при вызванных работой насоса 3 пульсациях давления в контуре 10. Термошкаф 24 термостатирует соответствующую часть оборудования при повышенной температуре и предотвращает конденсацию паров жидкости и адсорбцию этих паров на стенках аппаратуры. Концентрация паров жидкости в парогазовой ИРС может быть определена из результатов сравнения концентрации удобного для анализа газового компонента и газовой и парогазовой ИРС. В общем случае отбор газовой ИРС на анализатор 19 осуществляется с помощью соединительного элемента 20. В тех случаях, когда допустима подача на реактор газовой ИРС без паров жидкости, соединительный элемент 20 не используется, а подача на анализатор 19 газовой ИРС осуществляется с помощью соединительного элемента 16. В частных случаях, когда ИРС готовится из одного газа и одной жидкости, клапан 13 и дозатор смеси 14 могут быть исключены из схемы (см. фиг. 2), при этом выход смесителя 12 соединяется с входом крана 22, сброс избытка газа отсутствует, а изменение расхода ИРС на реактор осуществляется путем вариаций расхода газа на одном из дозаторов газа 11. Вариант 3. На фиг. 3 показана схема предлагаемого устройства в том случае, когда ИРС готовится из нескольких газов и одной или нескольких однокомпонентных жидкостей, при условии, что хотя бы один из исходных газов не растворяется в жидкостях и его можно использовать в качестве газа-носителя сатураторов. Схема (см. фиг. 3) отличается от схемы (см. фиг.1) тем, что выходы некоторых дозаторов газов 11 соединены через обратные клапаны 21 с входами кранов 22, к которым по схеме, аналогичной схеме (см. фиг. 2), подключены сатураторы 23, выходы кранов 22 подключены к входам смесителя 12, а все части устройства начиная с кранов 22, размещены в термошкафу 24. При позиции кранов 22 «ОТКЛ» схема (см. фиг. 3) работает аналогично схеме (см. фиг. 1). При позиции кранов 22 «ВКЛ» некоторые создаваемые дозаторами 11 потоки нерастворяемого в жидкостях газа насыщаются парами жидкостей в сатураторах 2 3, после чего выходящие из сатураторов 23 парогазовые потоки подаются через краны 22 в смесители 12, где перемешиваются с остальными газовыми потоками с образованием однородной по составу газопаровой ИРС. Состав этой ИРС определяются расходами газовых потоков на дозаторах 11 и парциальными давлениями паров жидкостей в сатураторах 23 и не зависит от изменения расхода смеси на реактор. Размещенные на выходах кранов 22 обратные клапаны 21 предотвращают попадание жидкостей из сатураторов 23 в дозаторы газов 11. Аналогичная фиг. 1 схема используется в том что случае, когда ИРС готовится из нескольких газов и одной жидкости, в которой могут растворяться некоторые газовые компоненты. Вариант 4. На фиг. 4 показана схема предлагаемого устройства в тех случаях, когда ИРС готовится из нескольких газов и одной или нескольких многокомпонентных жидкостей, а также при невозможности использовать какие-либо газы в качестве газов-носителей сатураторов. Схема (см. фиг. 4) отличается от схемы (см. фиг. 1) тем, что дополнительно оснащена дозаторами жидкостей 25, выходы которых, а также выходы дозаторов газов 11 подсоединены к входам испарителя 26. Выход испарителя 26 соединен с входом смесителя 12, а все части устройства, начиная с испарителя 26, размещены в термошкафу 24. При выключенных дозаторах жидкостей 25 схема (см. фиг. 4) работает аналогично схеме (см. фиг. 1а). При включении дозаторов 25 они создают стационарные потоки жидкостей с заданными расходами, которые поступают в испаритель 25, образующиеся при испарении жидкостей пары захватываются подающимися на испаритель 25 потоками газов с дозаторов 11 и проходят через смеситель 12 с образованием однородной по составу газопаровой ИРС. Состав этой ИРС определяется только расходами газов и жидкостей на дозаторах 11 и 25 и не зависит от вариаций расхода смеси на дозаторе 14. При обеспечении интенсивного принудительного перемешивания паров жидкостей в смесителе 12 (см. фиг. 4) может использоваться также в тех случаях, когда ИРС готовится из паров одной или нескольких жидкостей без газовых компонентов. При этом дозаторы газов 11 используются только для вспомогательных операций (подготовка катализаторов, продувка оборудования от паров жидкостей и т.п.). Предлагаемое устройство позволяет организовать точные экспресс-определения каталитической активности гетерогенных катализаторов в стационарных одномаршрутных процессах при атмосферном давлении на одной навеске катализатора в тех случаях, когда формальная кинетика процесса неизвестна и было успешно апробировано на примере процессов глубокого окисления и гидрирования углеводородов и CO, паровой конверсии метана и CO, окисления сернистого газа и ряде других процессов, для которых состав контактной смеси может быть рассчитан по стехиометрии реакции ключевого компонента в контактной смеси. Несмотря на то, что в ходе экспериментов часть исходной смеси сбрасывается, общий расход реакторов на проведение кинетических исследований активности катализаторов оказался существенно меньше по сравнению с другими устройствами и за счет оперативности и возможности применения специальных методик экспериментов.
Формула изобретения

1. Устройство для определения каталической активности, содержащее по меньшей мере два дозатора газа, смеситель, анализатор состава исходной и конечной реакционных смесей, узел ввода, узел вывода реакционных смесей, проточно-циркуляционный реактор, включающий термостатированный каталитический микрореактор в комплекте с циркуляционным насосом, подогревателем и охладителем смеси, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено клапаном сброса исходной реакционной смеси, дозатором смеси, первым обратным клапаном и первым соединительным элементом, расположенными между смесителем и узлом ввода реакционной смеси, вторым соединительным элементом и вторым обратным клапаном, расположенными после узла вывода реакционной смеси, а анализатор подключен своим входом к первому и второму соединительным элементам. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел ввода реакционных смесей выполнен в виде эжектора. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено фильтром, расположенным между охладителем и циркуляционным насосом. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено сатуратором в комплекте с шестиходовым двухпозиционным краном и обратным клапаном, расположенными между дозатором смеси и первым обратным клапаном, третьим соединительным элементом, расположенным между клапаном сброса и дозатором смеси. 5. Устройство по пп.1 и 4, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено термошкафом. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено термошкафом, по меньшей мере одним сатуратором в комплекте с шестиходовым двухпозиционным краном и обратным клапаном, расположенными на входе смесителя. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено термошкафом, по меньшей мере одним дозатором жидкости в комплекте с испарителем, расположенными на входе смесителя.РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 20.07.2009

Дата публикации: 10.12.2011