Технологія газофазного гідрування

 

Гідрування в газовій фазі здійснюють, пропускаючи суміш водню з парами органічної речовини через гетерогенний контакт. Цей процес застосовують для речовин, летючість яких при температурі реакції достатня для створення необхідного парціального тиску їх у парогазовой суміші. При великому надлишку водню, високій температурі або зниженні загального тиску – цим шляхом можна гидрувати і менш летучі речовини. Процес широко використовують для гідрування бензолу, фенолу, нітробензолу, аліфатичних альдегідів, кетонів і т.д.

Переважна більшість реакцій газофазового гідрування проводиться зі стаціонарним каталізатором у виді кульок, таблеток або в інших формах, розміром 3-5 мм. Тільки в рідких випадках застосовують дрібнодиспергований контакт – для процесу з псевдозрідженим каталізатором.

 

Типи реакційних пристроїв

 

Через низькі коефіцієнти тепловіддачі від газу до стінки проблема тепловідводу при газофазном гідруванні значно складніша, ніж при рідинофазном. Вона ще більш ускладнюється при нерухомому шарі каталізатора, зерна якого перешкоджають дифузії реагентів та їхньому охолодженню. У залежності від ступеня экзотермічності реакції відвід тепла досягається трьома основними способами, що визначають конструктивні особливості реакторів гідрування.

У трубчастих апаратах, які застосовуюються для проведення сильно екзотермічних процесів гідрування (відновлення нітроз’єднань, гідрування ароматичних з'єднань), каталізатор поміщають у трубах діаметром 25х50 мм. Парогазовую суміш водню з органічним реагентом звичайно надають зверху (іноді знизу) і реакція протікає в трубах на зернах каталізатора. Виділене тепло знімається хладоагентом, який циркулює в міжтрубному просторі. У якості хладоагенту особливо підходить киплячий водний конденсат, у цьому випадку можна утилізувати тепло реакції для одержання водяної пари.

Ступінь використання реакційного об’єму у цих апаратах невеликий, тому для менш екзотермічних реакцій застосовують апарати із суцільним шаром каталізатору, що поміщається на дирчастих полках або в спеціальних кошиках у кілька шарів. У просторі між шарами маються холодильники, але з верхньою подачею парогазової суміші. Іноді використовують трохи адіабатичних реакторів із суцільним шаром каталізатору. Для ще менш экзотермічних реакцій (гідрування насичених альдегідів) можна обмежитися подачею між шарами каталізатору холодного водню, який сприймає надлишкове тепло. При газофазном гідруванні карбонових кислот або їх ефірів у спирти можна взагалі обійтися без охолодження реакційної суміші.

Для роботи за високим тиском використовуються апарати, подібні застосовуваним при синтезі аміаку. Каталізатор розміщають у кілька шарів у спеціальній катализаторній коробці, яку монтують поза реактором і яку можна виймати з нього і вставляти при заміні каталізатору. У кільцевий простір між корпусом реактору і каталізаторною коробкою надають холодний водень або реакційну суміш для часткового відводу тепла і запобігання корпусу від дії високих температур. У кілька місць по висоті коробки вводять холодний водень, щоб не послабляти корпус реактора, усі труби виведені не збоку, а через масивну кришку у днищі.

При проході парогазової суміші через суцільний шар каталізатору температура трохи підвищується, тому висоту шару потрібно підбирати так, щоб не відбувалося надмірного перегріву і температура знаходилася у припустимих оптимальних межах. Важливим методом регулювання температури при газофазному гідруванні є застосування великого надлишку водню в порівнянні з теоретично необхідним. Він складає в різних процесах від 5:1 до (20¸30):1. Надлишковий водень акумулює выділене тепло, запобігаючи надмірний перегрів реакційної маси. В кожному випадку мається оптимальний надлишок водню, при встановленні якого необхідно враховувати витрати на його рециркуляцію.

Цікавим варіантом оформлення процесу є сполучення двох реакторів: реактору для гідрування в рідкій фазі із суспендированим каталізатором і реактору для гідрування в газовій фазі з стационарним каталізатором. Тут у першому апараті також здійснюється основна частка перетворень за тим або іншим способом відводу тепла. Компоненти суміші випаровуються в струмі водню і гідрування завершується в другому апараті, що не вимагає теплообмінних пристроїв. Ця схема особливо підходить для гідрування бензолу в циклогексан, коли досягається майже повна конверсія бензолу при високій продуктивності установки.