Спосіб окислення органічних сполук

Изобретение относится к усовершенствованному способу окисления органических соединений и может найти применение в промышленности основного органического синтеза. Известен способ окисления метана до синтез-газа со смесями, находящимися внутри области взрываемости в быстром потоке газов, что затрудняет создание зоны устойчивого горения (1). Способ является взрывоопасным, вследствие того, что в аварийных ситуациях возникающих из-за нарушений технологического режима (снижение скорости потоков, неравномерность смешения горючего и окислителя и т. п.), возможно распространение пламежт по трубопроводам. Наиболее близким по совокупности признаков является способ окисления органических соединений, содержащихся в сточны х вода х, кислородсодержащим газом в проточном режиме псевдоожиженного слоя катализатора (2). Устойчивости проведения гетерогенной реакции окисления достигают проведением процесса при порозности псевдоожиженного слоя 0,46-0,82. Для цилиндрических аппаратов. где Vcл - объем псевдоожиженного слоя; Vтв - объем, занимаемый только твердыми частицами. Недостатками известного способа являются следующие: необходимость проведения исследований для определения допустимой величины порозности псевдоожиженного слоя, при которой еще нет проскока пламени в псевдоожиженный слой, в каждом конкретной случае (для каждого вида горючего, концентрации окислителя, диаметра сжижаемых частиц и т. д.); невозможность в реальных условиях промышленного производства точного регулирования потока, что необходимо для обеспечения порозности слоя на уровне, не превышающем экспериментально определенную величину, что в свою очередь, обеспечивает безопасную эксплуатацию системы; при аварийной ситуации может произойти неуправляемое повышение скорости потока, что вызовет роет порозности слоя, и слой потеряет гасящие свойства (при инициирования горения пламя распространяется по объему реактора и коммуникациям). Задачей данного изобретения является создание такого способа окисления органических соединений в псевдоожиженном слое катализатора, в котором для обеспече-ния высокой степени превращения исходных компонентов и высокого выхода основных продуктов реакции окисления при обеспечении взрывобезопасности процесса за счет увеличения порозности слоя катализатора ограничивают высоту псевдоожиженного слоя катализатора высотой Н с помощью перегородки, проницаемой для газа и непроницаемой для частиц катализатора, что позволяет снять ограничения по расходу материальных потоков, т. е. повысить производительность процесса окисления и обеспечить его взрывобезопасность. Поставленная задача решается тем, что в способе окисления органических соединений кислородсодержащим газом в проточном режиме псевдоожиженного слоя катализатора, согласно изобретению, окисление проводят путем ограничения расширения псевдоожиженного слоя перегородкой, проницаемой для газа и непроницаемой для частиц катализатора, при этом высота слоя Н должна соответствовать диапазону, рассчитанному по формуле где ho - высота осевшего слоя катализатора, dкр - критический диаметр пламегасящих каналов, d - диаметр сжижаемых частиц. Отличием предлагаемого способа от известного является то, что разделение на ограниченные объемы осуществляют путем ограничения высоты псведоожиженного слоя катализатора диапазоном величины Н Под ограниченными объемами понимают локальные объемы газовой фазы в псевдоожиженном слое, ограниченные частицами псевдоожиженного катализатора. Высоту псевдоожиженного слоя ограничивают с помощью ограничителя, который устанавливают над псведоожиженным слоем катализатора. В качестве ограничителя используют устройство, непроницаемое для частиц катализатора и проницаемое для газа. Полученная зависимость величины диапазона установки ограничителя расширения псевдоожиженного слоя хорошо согласуется с результатами экспериментальных исследований, выполненных авторами (см. таблицу). Ме ханизм распространения пламени в псевдоожиженном слое не изучен до настоящего времени и не описан в научно-технической литературе. Анализ известных технических решений, выявленных в патентной и научнотехнической литературе, показал, что отличительный признак касающийся разделения реакционной смеси частицами псевдоожиженного слоя на ограниченные объемы путем ограничения высоты псевдоожиженного слоя диапазоном величины неизвестен. Наличие этого существенного признака в заявляемой совокупности признаковпозволяет обеспечить взрывобезопасную работу системы в нормальных условиях эксплуатации и в аварийных ситуациях: при увеличении скорости потока расширение слоя (что может привести к его воспламенению) лимитируется ограничителем, устанавливаемым на высоте Н. Новый прием ограничения расширения псевдоожиженного слоя катализатора позволяет также повысить степень превращения исходных компонентов и выход основных продуктов реакции. Сущность изобретения иллюстрируется примерами. Примеры 1-16. В реактор проточного типа, имеющий зону смешения окисляемого вещества и окислителя (кислородсодержащего газа) и реакционную зону, представляющую собой трубу с вн утренним диаметром 100 мм и длиной 1 м, загружают на газораспределительную решетку медно-хромовый катализатор состава CuCr2О4 35% мас., g - Аl2O3 - остальное, на высоту ho - 100 мм. Диаметр частиц катализатора - 1-2 мм. Источником инициирования горения (окисления) служит нихромовая проволока диаметром 2,5 мм и длиной 25 мм, закрепленная на высоте 90 мм от газораспределительной решетки. Расширение слоя ограничивают металлической сеткой с размером ячеек 0,7 мм. Датчиком, фиксирующим распространение пламени в псевдоожиженном слое, служит термопара, установленная на высоте 45 мм от газораспределительной решетки. В качестве окислителя используют воздух, подаваемый в зону смешения. Сюда же подают горючее) окисляемое вещество). Состав смеси стехиомет-рический. Варьируя скорость потока горючей смеси в реактор, изменяют величину расширения псевдоожиженного слоя до высоты h сл, создавая аварийные ситуации. Другие условия и результаты примеров приведены в таблице, где пример 1 приведен в качестве сравнительного примера со стационарным слоем катализатора, пример 2 показывает нормальные условия эксплуатации системы, примеры 3-16 моделируют аварийную ситуацию - скорости потока газа в реакторе выше допустимых. В примерах 4. 6, 15 высоту псевдоожиженного слоя ограничива3d kp ö æ ÷ и пламя локализуется псевдоожиженным слоем. В примерах 3, 7, 3 Око ют величиной H = 0. 3h o × ç 2 + ç d ÷ è ø 3 d kp ö æ ÷ и пламя 9, 10, 12, 13 расширение поведоожиженного слоя ограничивают величиной H ³ 0. 3h o × ç 2 + ç d ÷ è ø распространяется в нем. В примерах 5, 8, 11 14 ограничение производят величиной 3d kp ö æ ÷ и пламя локализуется псевдоожиженным слоем. Пример 16 показывает возможность H > 0. 3h o × ç 2 + ç d ÷ è ø безопасной работы реактора при аварийной ситуации путем ограничения высоты стационарного слоя величиной Н=hо. Таким образом, для локализации пламени величина Н всегда должна быть больше h o. Примеры 17-26 иллюстрируются возможность окисления различных классов органических соединений - олефинов, спиртов, кетонов, сложных эфиров, циклических углеводородов. Примеры 27-28 показывают возможность парциального окисления органических соединений (окислительное дегидрирование метанола до формальдегида). Примеры 17-28 выполнены в условиях примеров 1-16. В примерах 27-28 в качестве катализатора используют серебро, нанесенное на гамма-окись алюминия (содержание серебра - 40% мас., диаметр частиц катализатора - 2 мм). Во всех случаях при ограничении расширения псевдоожиженного слоя катализатора величиной Н удается обеспечить взрывобезопасность процесса, в том, числе и для случаев стехиометрического состава реакций полного окисления до СO2 и Н2O (см. примеры 1-26 таблицы). В соответствии с теорией горения эквивалентный диаметр каналов псевдоожиженного слоя должен быть d kp меньше акр, и он может быть определен по формуле , В соответствии с данными, приведенными в 0. 36 примерах 1-8 таблицы, максимальный диаметр сжижаемых частиц для метано-воздушных смесей составляет 11,4 мм в примерах 19-20 и 27-28 для метаноло-воздушной смеси - 6,1 мм и в примерах 9-16 для ксилоловоздушной смеси - 8,6 мм. Таким образом, реализация условий предложенного способа не вносит ограничений на технологические процессы по величине диаметра частиц катализатора. Как видно из представленных примеров реализации описываемого способа окисления органических соединений, ограничение расширения псевдоожиженного слоя катализатора перегородкой, проницаемой для газа и проницаемой для частиц катализатора по формуле: 3 d kp ö æ ÷ H < H ³ 0. 3h o × ç 2 + ç d ÷ è ø где Н - высота ограничения псевдоожиженного слоя, ho - высота осевшего слоя катализатора, dкр - критический диаметр пламегасящих каналов, который известен из справочной литературы, d - диаметр сжижаемых частиц, позволяет добиться взрывобезопасности процесса окисления в более широком диапазоне линейных скоростей. Это позволяет, в свою очередь, увеличить производительность действующи х аппаратов окисления в 1,1 -1,5 раза без изменения их геометрических параметров за счет повышения линейности скорости потока газа в реакторе.