Реакторы процессов гетерогенно-каталитического окисления
Эти реакции обычно проводят при атмосферном давлении, но иногда и под давлением 0,3 – 2 МПа. Это позволяет интенсифицировать процесс, уменьшить габариты аппаратов. Температуру процессов поддерживают от 250-300 до 400-5000С. Так как смеси углеводородов с кислородом взрывоопасны, чтобы выйти за пределы опасных концентраций окисление ведут рециркулирующими газами с добавкой свежего воздуха при низкой концентрации углеводорода (3-5% об.) или окисляют избыток углеводорода небольшим количеством технического кислорода, иногда разбавляют смесь водяным паром. Основной вопрос при конструировании реакционных аппаратов газофазного окисления – это отвод тепла и исключение зон перегрева.
Из-за высокой экзотермичности окисления адиабатические реакторы в этом процессе не применяют. Распространен трубчатый реактор со стационарным слоем катализатора в трубах, охлаждаемых через межтрубное пространство хладагентом
Трубы имеют диаметр 10-25 мм, что способствует отводу тепла и установлению более равномерной температуры по диаметру. Для лучшего использования объема катализатора реагенты подают в аппарат подогретыми. Лучший способ отвода тепла реакции – испарение в межтрубном пространстве водного конденсата с получением водяного пара соответствующего давления. Преимуществом трубчатых реакторов является простота их устройства и обслуживания. Близость к аппарату идеального вытеснения повышает селективность реакций. Недостатки этих аппаратов – малый полезный объем, неравномерность температуры по слою катализатора.
Часто используют реакторы с псевдоожиженным слоем катализатора:
Катализатор сохраняет активность в течение многих месяцев или даже лет. Реагенты можно подавать холодными. Катализатор используется в упрочненной микросферической форме и находится в постоянном витании.
Реактор снабжен распределительной решеткой, охлаждающими трубами и циклонами для улавливания частиц, унесенных газом. В таком аппарате идеальный теплоотвод и равномерно поддерживается температура, однако имеется обратное перемешивание, что снижает селективность процесса.
Последний недостаток можно устранить, используя секционированные аппараты, в которых несколько решеток делят реакционный объем на секции.
Уменьшение обратного перемешивания также достигается в реакторах с восходящим потоком катализатора, он перемещается вверх с газом. Реакционная труба охлаждается рубашкой. Катализатор отделяется в сепараторе или циклоне и возвращается в низ реактора по трубе.
При выборе материала аппаратуры следует учитывать сильную коррозию. Обычно рассмотренные аппараты делают из легированных сталей.
Окисление олефинов по насыщенному атому углерода. Производство акролеина
Процесс окисления пропилена в акролеин сопровождается образованием побочных веществ: ацетальдегида, ацетона, уксусной и акриловой кислот. Процесс катализируют закисью меди на носителях, а лучше молибдатом или фосформолибдатом висмута. Эти катализаторы обеспечивают высокую селективность при малом времени контакта и умеренной температуре. На закиси меди поддерживают температуру 320 – 400оС, на молибдатах - 400-500˚С.
Состав исходной реакционной смеси ограничивается пределами взрываемости, в реакционную среду добавляют 25-50% (об.) пара водяного. В качестве газа-окислителя используют воздух или технический кислород.
Степень превращения по реагенту, находящемуся в недостатке, колеблется от 60 до 100%, а селективность - от 70 до 90%. Реакторы чаще всего применяют кожухотрубчатые со стационарным слоем катализатора, охлаждаемым расплавом солей. Расплав циркулирует через котел-утилизатор, где получают пар высокого давления. Реакционные газы в абсорбере орошают водой, и получается 1,5 – 2 %-ный раствор акролеина с примесями. Ацетальдегид легко отделяется ректификацией. Экстрактивной дистилляцией с водой акролеин очищают от близко кипящего пропионового альдегида. Акролеин содержит 99% основного вещества, а также воду и пропионовый альдегид.