Контактно-каталитические процессы

Если химическая реакция протекает слишком медленно или для ее осуществления требуются чрезмерно большие энергетичес­кие затраты, то ее проводят (если это возможно) в присутствии катализатора — специального вещества, ускоряющего химиче­ский процесс.

Каталитические процессы широко применяются в органиче­ском синтезе. Большинство процессов переработки нефти невоз­можны сегодня без применения катализаторов.

Катализаторы — это вещества, которые изменяют скорость химической реакции, но при этом не меняют свой химический состав. Катализаторы способны изменить порядок реакции, сни­зить значение энергии активации и коэффициент в уравнении (24.2). Для каждой реакции требуется свой катализатор.

Химические процессы, проходящие в присутствии катализато­ра, подразделяют на гомогенные и гетерогенные. Наиболее ши­роко распространены в промышленности гетерогенно-каталити­ческие процессы, в которых одной средой является газ (пар) или жидкость, а другой — твердый катализатор. Именно поверхность катализатора служит границей раздела фаз.

К катализаторам предъявляют определенные требования, сре­ди которых главными являются:

∙ активность катализатора, под которой понимают его спо­собность содействовать ускорению химической реакции;

∙ температура зажигания — минимальная температура, при ко­торой обеспечивается достаточная для технологических целей ско­рость химической реакции;

∙ селективность катализатора — его способность избирательно ускорять определенную реакцию. Эта важная характеристика ката­лизатора позволяет получать максимальную степень превращения вещества той реакции, в результате которой образуется продукт;

∙ структура катализатора, характеризующая наличие у него развитой поверхности, с которой непосредственно контактирует реагент. Катализаторы делят на пористые и непористые. Наиболее развитой поверхностью обладают пористые катализаторы. Площадь их поверхности контакта в тысячи раз превышает площадь поверх­ности непористого зерна катализатора. Однако в ряде случаев нет необходимости создавать пористую поверхность: реакция проис­ходит в диффузионной области и ее скорость определяется не площадью поверхности пор, а турбулентностью среды и скорос­тью доставки вещества к поверхности зерна;

∙ долговечность работы катализатора, зависящая от его спо­собности сохранять высокий уровень активности. К сожалению, в ряде химических процессов происходит отравление или коксова­ние поверхности катализатора, что снижает его активность. Ката­лизатор нуждается в восстановлении;

∙ регенерация катализатора — возможность в условиях произ­водства восстановить его активность. На практике это достигается специальными технологическими операциями, которые, однако, требуют остановки производства.

Химический процесс, протекающий в присутствии катализа­тора, называют катализом. Особую роль играет избирательный катализ, который состоит в том, что катализатор ускоряет только одну реакцию, подавляя остальные. Например, из этилового спирта путем избирательного действия катализатора можно получить ацетальдегид, этилен или дивинил.

В ходе контактно-каталитической реакции может происходить значительное выделение или поглощение теплоты. Неравномер­ность укладки катализатора по сечению и высоте реактора приво­дит к появлению зон локального перегрева катализатора, образо­ванию продуктов горения на его поверхности и потере активнос­ти. Поэтому вся реакционная аппаратура для таких процессов классифицируется по способу размещения катализато­ра в рабочем объеме р е а к т ор а. В соответствии с этим они подразделяются на реакторы с неподвижным, движущимся и псевдоожиженным слоем катализатора.

Реакторы с неподвижным слоем катализатора. На рис. 25.3 пред­ставлен реактор шахтного типа. В таких реакторах возможны два способа движения реагента. Реакторы с аксиальным движением (рис. 25.3, а) применяют для проведения процессов с небольшим тепловым эффектом. Катализатор может быть засыпан сплошным слоем на опорную плиту или на слой инертной насадки, что по­зволяет использовать опорные плиты с малым гидравлическим сопротивлением. В этих реакторах снизить температуру сырья мож­но, разбавляя исходное сырье инертным газом или используя в качестве разбавителя керамические гранулы, смешанные с ката­лизатором.

Основной недостаток такой конструкции — неравномерность профиля скорости движения реагента по сечению реактора вслед­ствие неравномерной укладки катализатора. Это приводит к отло­жению кокса на поверхности зерен катализатора и необходимо­сти его регенерации или замены; реактор же вынужден работать в периодическом режиме.

Разновидностью реакторов шахтного типа является реактор с радиальным движением реагента (рис. 25.3, б). В этом случае ката­лизатор засыпается в пространство кольцевого сечения, образо­ванного двумя перфорированными цилиндрическими стаканами.

В химических реакторах трубчатого типа достигается эффек­тивный теплообмен при размещении катализатора в межтрубном (рис. 25.5, а) или трубном (рис. 25.5, 5) пространстве. Конструк­тивно такие аппараты напоминают кожухотрубчатый теплообмен­ник. Теплоноситель подается через разделяющую поверхность. Про­изводительность таких реакторов меньше, чем у реакторов шахт­ного типа, однако в этих реакторах значительно уменьшается воз­можность образования кокса на поверхности катализатора.

Рис. 25.5. Кожухотрубчатые реакторы с размещением катализатора в меж- трубном пространстве (а) и трубах (б)

Регенерированный катализатор по пневмотранспортным рас­пределительным трубам 1 (рис. 25.6) направляется в реактор 2. Частицы движутся под действием собственного веса со скоростью 2... 8 мм/с. Пары сырья поступают под плиту 3 ив виде пузырьков поднимаются в верхнюю часть реактора. Закоксованный катализа­тор собирается в сборных трубах 4 и выводится из реактора на регене­рацию.