Катализ / Лекции - Козловский - 2004 / Кисл-осн 2

45

2. ПРИМЕНЕНИЕ КИСЛОТНО-ОСНОВНОГО КАТАЛИЗА В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

К наиболее широко используемым в промышленности кислотным катализаторам относятся: H₂SO₄, HCl, H₃PO₄, HF, CH₃PhSO₃OH, BF₃, AlCl₃, FeCl₃, TiCl₄. Количество добавляемого катализатора, необходимого для эффективного катализа, составляет от сотых долей процента (например, для BF₃) до весьма значительных концентраций (нитрование ароматических соединений в среде концентрированной H₂SO₄).

Гомогенный кислотный катализ используют в реакциях гидратации, дегидратации, этерификации, эстерификации, алкилирования, конденсации карбонильных соединений (Рис. 2.4).

В качестве основных и нуклеофильных катализаторов в промышленности наиболее широко используются щелочи (NaOH, KOH), амины (триметиламин, триэтиламин, аммиак, пиридин), соли (Na₂CO₃, NaHCO₃, NaI, NaBr, NaCN, CH₃COONa, Са(ОН)₂), алкоголяты (C₂H₅ONa) и другие.

При катализе основаниями и нуклеофилами проводят различные процессы альдольной конденсации, присоединения протонодонорных веществ к кратным связям, присоединение –окисей к протонодонорным веществам и др.(Рис. 2.4).

Рисунок 2.4. Реакции, катализируемые гомогенными кислотами и основаниями.

1. ПРОМЫШЛЕННЫЕ КИСЛОТНО-ОСНОВНО-КАТАЛИТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

В этой главе будут рассмотрены некоторые наиболее крупнотоннажные промышленные процессы органического синтеза, в которых используются гомогенные кислотно-основные катализаторы, с точки зрения механизма катализа, конструкции реакционного узла, организации процесса и способа утилизации катализатора.

1. ТИПЫ РЕАКЦИОННЫХ УЗЛОВ

Реакции, катализируемые гомогенными кислотами или основаниями, проводят в промышленности как периодическим, так и непрерывным способами.

При этом используют аппараты различных конструкций. На Рисунке 2.5 приведены принципиальные схемы наиболее часто используемых реакторных узлов, это:

- емкостные аппараты: с мешалкой, без мешалки, одиночные, каскадные (Рис. 2.5 (1, 4));

- вертикальные колонные аппараты: пустотелые, тарельчатые, насадочные (Рис. 2.5 (3, 8));

- кожухотрубные и однотрубные аппараты: одиночные, каскадные (Рис. 2.5 (5, 6));

- секционированные горизонтальные аппараты (Рис. 2.5 (6));

- циклонные аппараты (Рис. 2.5 (7));

- реакционно-ректификационные аппараты (Рис. 2.5 (2));.

По типу теплопередачи аппараты делятся на

- адиабатические (без теплообменаобмена);

- теплообменные (передача тепла осуществляется через теплообменную поверхность в зоне реакции – рубашка, змеевик, трубчатка; выносной теплообмен; кипение реакционной массы).

Для непрерывных высокоэкзотермических процессов часто используют проточно-циркуляционные аппараты (Рис. 2.5 (5-8)), в которых часть конечной реакционной массы (поток С) с помощью циркуляционного насоса возвращают на вход реактора для разбавления исходных реагентов (поток А).

1 2 3

4 5 6

Рис. 2.5.(Продолжение на след. стр.) Типы реакторов.

7 8 9

Рис. 2.5 (Продолжение). Типы реакторов.

1 - Каскад емкостных реакторов с мешалкой, снабженных теплообменным устройством (Т/Н), конденсатором паров и сепаратором. Применяется как для непрерывных процессов (в виде каскада и в виде одиночного реактора), так и для периодических процессов (один реактор).

2 - Емкостной реактор с мешалкой и теплообменным устройством и ректификационной колонной для разделения паров. Применяется как для непрерывных, так и периодических реакционно-ректификационных процессов.

3 - Тарельчатая колона. Применяется для непрерывных процессов.

4 - Каскад реакторов с мешалкой, отличающийся от каскада типа 1 встречной подачей потоков (А) и (В). Применяется для непрерывных процессов.

5 - Проточно-циркуляционный кожухотрубный реактор. Применяется для непрерывных сильно экзотермических процессов.

6 - Горизонтальная секционированная колона. Применяется для непрерывных процессов.

7 - Проточно-циркуляционный циклонный реактор с выносным теплообменником. Применяется для непрерывных экзотермических процессов.

8 - Проточно-циркуляционный полый трубчатый реактор с выносным теплообменником. Применяется для непрерывных процессов.

9 - Каскад трубчатых реакторов с промежуточным теплообменом. Применяется для непрерывных процессов.