2. Технология гидрирования углеводородов

Технология гидрирования (жидкофазная и газофазная) всех трех групп органических соединений в принципе мало отличается друг от друга. Это относится как к конструкции реакционных аппаратов, так и к оформлению реакционных узлов и технологических схем.

2.1. Реакционные узлы процессов жидкофазного гидрирования

Типы реакционных устройств

Оформление реакционного узла в процессах жидкофазного гидрирования в основном зависит от степени экзотермичности реакции и от того, в каком виде используется катализатор.

На рис. 1-а показан реакционный узел периодического действия с суспендированным катализатором. Реакционная колонна, рассчитанная на соответствующее давление, примерно 80% заполняется гидрируемым углеводородом, через которую барботирует водород, подаваемый снизу через распределительное устройство. Верхняя часть колонны расширена и выполняет роль брызгоуловителя – там имеются полки или слой насадки из колец Рашига, с помощью которых унесенные с водородом капли углеводородов (сырья и продукта реакции) возвращаются в реакционный объем. Отвод реакционного тепла осуществляется путем принудительной циркуляции реакционной массы через выносной холодильник. Водород подают в значительном избытке, чтобы турбулизовать движение жидкости и поддерживать катализатор в суспендированном состоянии. О завершении операции судят по данным анализа реакционной массы. Реактор выгружают, катализат отправляют на разделение и реактор загружают новой порцией исходного углерода с катализатором.

Для оформления гидрирования с суспендированным катализатором используют каскад из двух или более последовательно работающих реакторов (рис. 1-б). Исходный углеводород подают только в 1ую колонну. В другой реактор реакционная масса из 1-го поступает самотеком. Для избежания излишнего перемешивания реагирующей массы здесь использовано внутреннее охлаждение и прямоток жидкости и газа, подаваемых в нижнюю часть реакторов. В случаях водного конденсата тепло реакции утилизируется, получая технический пар.

Адиабатический реактор с одним стационарным слоем катализатора для проведения редких случаев малоэкзотермического гидрирования. Чаще катализатор укладывают в специальные корзины с перфорированным дном. В пространство между ними находятся охлаждающие змеевики (рис. 1-в) или вводится охлажденный водород (рис. 1-г). В этих случаях каждый слой катализатора работает в адиабатическом режиме. Реагент в каждом слое разогревается, а между ними – охлаждаются. Нагревание потоков жидкого реагента и водорода может быть трех вариантов: противоток жидкости с верха колонны и газа и с низа; прямоток, сверху вниз. Во втором случае, изображенном на рис.1-г в реактор работает с затоплением слоя катализатора, что ведет к значительному увеличению его гидравлического сопротивления. Если оба реагента поступают с верха колонны слой катализатора только орошается жидкостью и гидравлическое сопротивление становится небольшим.

Рис. 1. Реакционные узлы для жидкофазного гидрирования:

а — колонна периодического действия с выносным охлаждением для процесса с суспендированным катализатором; б — каскад колонн непрерывного действия с внутренним охлаждением для процесса с суспендированным катализатором; в — колонна непрерывного действия с внутренним охлаждением для процесса со стационарным катализатором; г — колонна непрерывного действия с охлаждением холодным водородом для процесса со стационарным катализатором

В случае гидрирования летучих веществ (превращение бензола и циклогексана) можно применять реакторы без устройств для охлаждения, тепло реакции, в которых отводится за счет испарения компонентов смеси, которые затем конденсируют и возвращают в реактор. В последнее время применяют комбинированные системы реакторов с суспендированным и стационарным слоем катализатора (рис. 2).

В 1-ом осуществляется основная часть реакции, и тепло её отводят одним из описанных выше методов. Во 2-ом реакторе происходит небольшая доля превращений, поэтому охлаждения не требуется. Благодаря комбинированию реакторов близких к моделям полезного смещения и идеального вытеснения достигаются высокие производительность и степень превращения сырья. Селективность процесса при этом не снижается.

Рис.2. Система из двух реакторов с суспендированным и стационарным катализаторами для жидкофазного гидрирования

Материал в ряде случаев обычная сталь. Если процесс проводится при высоком давлении, способствующем водородной коррозии, или с агрессивными веществами (карбоновые кислоты и др.), требуются специальные марки стали, или облицовка внутренней поверхности реакторов легированной сталью и другими коррозионностокими металлами.