Реактор для осуществления реакций окисления органических соединений
Полезная модель относится к области химической технологии, экологии, а более подробно к реакторам для проведения химических реакций, в частности, окисления в сверхкритических средах-флюидах (или растворителях), обеспечивающих многократное увеличение скорости химического процесса и контролируемую его селективность. Описан реактор для осуществления реакций окисления органических соединений в сверхкритической воде, который представляет собой объем смешения с мешалкой и каталитическим пакетом в верхней его части для окисления топлива, и находящимся в его центральной его части трубчатой части реактора вытеснения последовательно сочетающего с объемом смешения по движению реакционной смеси. Технический результат - высокоэффективное осуществление реакций окисления, синтеза и разложения органических соединений в сверхкритической воде, возможность синтеза новых соединений. 1 н.п. ф-лы. 2 пр., 1 илл.
Полезная модель относится к области химической технологии, экологии, а более подробно к реакторам для проведения химических реакций, в частности, окисления или синтеза органических соединений в сверхкритических средах-флюидах (или растворителях), обеспечивающих многократное увеличение скорости химического процесса и контролируемую его селективность.
Многие жидкости в сверхкритическом состоянии вблизи критической точки, как среды для проведения химических реакций, обладают рядом особых свойств, которые позволяют с высокой скоростью осуществлять реакции дегидратации и гидролиза, синтеза, гидрирования и окисления большого числа органических и неорганических веществ. Такое состояние жидкости может быть результатом изменения ее структурных свойств в сверхкритических условиях. В частности для воды, в сверхкритическом ее состоянии вблизи критической точки характерно образование высокой концентрации ионов H + и ОН-, что обеспечивает свойства основного или кислотного катализа.
Среди сверхкритических раствори гелей, наиболее пригодных для проведения в них химических превращений и практического использования, следует выделить воду, СО2, гексан, аммиак, ряд предельных и непредельных углеводородов. Наиболее высоким сохраняется интерес к сверхкритической воде, находящейся вблизи своего критического состояния, как к среде для осуществления химических реакций. Поскольку, осуществлять химические превращения в воде (или другой жидкой среде), мы просто вынуждены, так как именно в воде, чаще всего в стоках, содержаться малые примеси различных органических и неорганических веществ. И на сегодняшний день, практически нет альтернативных и эффективных путей их удаления, кроме как проводить химические превращения с участием этих соединений в той среде, в которой они растворены. Среди реакций, на которые следует серьезно обратить внимание для их проведения в
сверхкритической воде (СКВ), надо выделить окисление, дегидратацию, гидролиз и гидрирование.
Известны способы осуществления процессов окисления различного класса органических соединений в сверхкритической воде и устройства-реактора, в которых осуществляются эти реакции [Р.Е.Savage, S.Gopalan. T.I.Mizan, Ch.J.Martino, E.E.Brock. Reactions at supercritical conditions: Applications and fundamentals. AlChE Journal, 1995, 41, 1723-1778; US Pat. 5723045, Mar.3. 1998].
К основным недостаткам таких способов осуществления химических реакций в сверхкритических растворителях можно отнести низкие скорости химических реакций (если это не окислительные реакции), не выбраны параметры, контролирующие и управляющие скоростью и селективностью химических превращений, реакции проводятся при температурах и давлениях далеких от оптимальных, организация осуществления химических реакций в реакторах не обеспечивает требуемых степеней превращений. Нагрев растворителя для перевода его в сверхкритическое состояние производится вместе с растворенным в нем реагентом, в результате, растворенный реагент проходит вместе с водой много стадий нагревания, сопровождаемое различными скоростями химических превращений и селективностью. В итоге, по достижению флюидом своего сверхкритического состояния, реагент частично прореагирует.
Наиболее близкими является изобретение, в котором предлагаются различные реактора и процессы окисления отходов и материалов в сверхкритической воде [US Pat. 5558783, Sep.24. 1996; US Pat. 5591415, Jan.7. 1997; US Pat. 6264844, Jul.24. 2001].
В этих патентах предлагается использовать проточный трубчатый реактор (Us Pat. 6264844, Jul. 24, 2001), выполненный в виде прямой трубы, для процессов окисления в СКВ (недостатки: сложно поддерживать изотермичность реакционной смеси, состав меняется по длине реактора); проточный реактор в виде сосуда высокого давления (реактор смешения) (US Pat. 5591415, Jan.7. 1997).
К недостаткам такого типа реактора, как и практически любого реактора смешения, можно отнести трудности в достижении больших времен контакта реакционной смеси, что приводит к достижению не высоких степеней превращения.
Задача решается реактором для осуществления реакций окисления или синтеза органических соединений в сверхкритической воде, который представляет собой объем смешения с мешалкой и каталитическим пакетом, расположенных в верхней его части
(каталитический пакет предназначен для окисления топлива), и находящимся в его центральной его части трубчатого реактора вытеснения последовательно сочетающего с объемом смешения по движению реакционной смеси.
Предложенная конструкция реактора позволяет достигать гарантированного полного окисления целевых органических соединений или требуемой селективности в реакциях синтеза органических соединений.
Принципиальная схема реактора, отражающею основные признаки изобретения, представлена на Фиг., где 1 - корпус объема смешения реактора высокого давления, 2 - трубчатый реактор вытеснения, 3 - каталитический пакет, 4 - мешалка, 5 - устройство ввода топлива, 6, 7 и 9 - устройства для подачи окислителя, 8 - устройство подачи реагентов, 10 - устройство смешения и ввода реакционной смеси, 11 - устройство ввода реакционной смеси в трубчатый реактор, 12 - устройство ввода орошающей воды, 13 - устройство вывода орошающей воды, 14 - устройство вывода продуктов реакции.
Предложенный реактор для проведения процессов полного, селективного окисления в присутствие окислителя и синтеза различного вида органических соединений в сверхкритической воде представляет собой последовательное сочетание объема смешения высокого давления - 1 и трубчатого объема вытеснения - 2, расположенного в центральной части объема смешения реактора.
Реактор работает следующим образом.
Предварительно подогретое топливо - 5 и часть окислителя - 6 поступают в устройство смешения перед каталитическим пакетом - 3, который располагается в верхней части объема смешения и где происходит окисление топлива с выделением тепла. Продукты окисления топлива с выхода каталитического пакета направляются на лопасти одно или много секционной мешалки - 4, вращая ее, тем самым, обеспечивая изотермичность и хорошее перемешивание внутри объема реактора. В поток горячего газа после каталитического пакета с помощью устройства смешения - 10 подаются органические реагенты - 7, и окислитель - 8. В результате хорошего перемешивания и высокой температуры, выше критической температуре воды, в объеме смешения реактора органические материалы окисляются или происходит синтез новых соединений. Образующиеся в процессе реакций или имеющиеся в исходной реакционной смеси неорганические соединения - соли выпадают из сверхкритического раствора и вследствие хорошей циркуляции потока в объеме смешения реактора, попадают в воду на дне объема
смешения реактора, в которой они растворяются и выводятся из реактора через устройство - 13. Орошающая вода поступает через вводы - 12 в нижнюю часть объема смешения реактора и циркулируется насосом - 13.
Пример 1.
Окисление глицерина нитратом аммония в присутствии кислорода в СКВ.
Топливо-ацетон и окислитель - кислород в избытке поступают в каталитический пакет - 3, где происходит полное окисление топлива с выделением тепла. В струю горячего газа после каталитического пакета подают водный раствор глицерина - 7 и растворенный в воде окислитель-нитрат аммония - 8.
Реакция окисления глицерина в присутствие двух окислителей протекает в две стадии:
С3Н8О 3+0.5O2=3СН3 СООН
СН3СООН+4NH4 NO3=4N2+2СО 2+10Н2О
Продукты реакции из объема смешения через распределительный приемник - 11 поступают в трубчатую часть реактора, где происходит полное окисление уксусной кислоты (промежуточный продукт).
Пример 2.
Синтез терефталевой кислоты путем окисления пара-ксилола. Синтез терефталевой кислоты осуществляют при окислении пара-ксилола перекисью водорода в предлагаемом реакторе в сверхкритической воде без катализатора, при температуре 270-500°С и давлении 221-300 bar. Почти 100%-ная конверсия пара-ксилола наступает через 15-20 мин, достигается селективность процесса выше 90%.
Таким образом, приведенные примеры показывают, что использование предлагаемой полезной модели позволяет высокоэффективно осуществлять химические реакции в сверхкритической воде и может быть использовано для уничтожения и утилизации токсичных и вредных веществ и отходов, синтеза новых соединений.
Реактор для осуществления реакций окисления или синтеза органических соединений в сверхкритической воде, отличающийся тем, что он представляет собой объем смешения с мешалкой и каталитическим пакетом в верхней его части для окисления топлива, и находящимся в центральной его части трубчатой части реактора вытеснения последовательно сочетающего с объемом смешения по движению реакционной смеси.
