193912. lajstromszámú szabadalom • Kapcsolási elrendezés és részleges szeparátor exoterm gáz/folyadék vegyesfázisú reakciók kivitelezésére
193912 A találmány tárgya kapcsolási elrendezés és részleges szeparátor exoterm gáz/folyadék vegyesfázisú kémiai reakciók kivitelezésére. A találmány szerinti kapcsolási elrendezés és részleges szeparátor segítségével egyszerűen szabályozható a reaktorrendszer hőmérséklete. A leírásban és az igénypontsorozatban a gáz/folyadék vegyesfázisú reakció megjelölésen olyan kémiai reakciókat értünk, amelyek egy gázfázis és egy folyadékfázis között mennek végbe; a folyadékfázis adott esetben’ szuszpendált szilárd anyagot (például szuszpendált katalizátort) is tartalmazhat. Ismert, hogy az exoterm kémiai reakciók nagyüzemi kivitelezésekor a reaktorok hőmérsékletének szabályozása esetenként komoly nehézséget jelent. Különösen nehéz az adiabatikus működésű reaktoroknál a hirtelen felszabaduló hőmennyiség káros hatását kiküszöbölni. A reakciók kézbentartása különösen olyan konszekutív és párhuzamos reakcióknál (pl. hidrogénezés vagy oxidálás) nehéz, ahol a hőmérséklet emelkedésével újabb hőtermeléssel járó vegyi folyamatok indulnak meg, és ily módon a hőtermelő folyamat önmagát erősíti. Az ilyen típusú, tisztán gázfázisban lejátszódó heterogén katalitikus reakciók (pl. ammónia-szintézis vagy metanol-szintézis) kivitelezésére szolgáló berendezéseknél sokféle megoldás terjedt el a hőmérsékletemelkedés káros hatásának kiküszöbölésére vagy csökkentésére. Ezeknek a megoldásoknak közös jellemzője, hogy a betáplált gáz párhuzamos ágakra osztva, ellen- vagy egyenáramban cserél hőt a katalizátortérben áramló felmelegedett gázzal (E.W. Comings: Nagynyomású technológiai /Műszaki Könyvkiadó, 1959/ 354. oldal; K.G. Denbigh, J.C.R. Turner: Kémiai reaktorok /Műszaki Könyvkiadó, 1971 / 14. oldal). Gyakori az a megoldás is, ahol hideg gázt juttatnak be a már felhevült reakcióelegybe, és a reaktánsok hőmérsékletét ilyen módon csökkentik. A párhuzamos ágakra való bontás azonban nem alkalmazható olyan kémiai reakciókra, amelyek lezajlásakor gáz- és folyadékfázis egyidejűleg van jelen. A reaktor stabil működésének az lenne az egyik alapfeltétele, hogy a gáz- és folyadékáram minden egyes reaktorcsőben egyenletesen legyen elosztva, pontosabban azonos legyen. Ellenkező esetben rögtön megváltozik egymáshoz képest az egyes ágak ellenállása, ami a hőcserére is kihat, ezáltal a reaktor egyes pontjain a hőmérséklet különböző, esetenként károsan magas értéket ér el, és az ellenőrzés lehetetlenné válik. A gáz- és folyadékfázis együttes jelenlétekor végbemenő exoterm reakciók kivitelezésére az Ullmanns Encyklopedie der technischen Chemie (4. kiadás, Verlag Chemie, Weinheim /1973/) 3. kötetének 501. oldalán ismertetnek néhány megoldást, megjegyezve, hogy csak kevés számú lehe1 2 tőség ismeretes. Ilyen az a megoldás, ahol a reaktor különböző pontjain hideg reaktánst vezetnek be, vagy hűtött termék-reeirkulációt alkalmaznak a felszabaduló hőmennyiség eloszlatására. Ez a megoldás azonban csak mérsékelt hőfelszabadulással járó reakcióknál alkalmazható eredményesen, és a recirkuláció miatt erősen csökken a reaktorok termelékenysége. Egyes esetekben eredményesen alkalmazható az a megoldás, hogy a kémiai reakciót több, sorba kötött, katalizátorral töltött reaktorban hajtják végre, és a reaktorok között hűtővel vagy hőcserélővel vonják el azt a hőmennyiséget, amely a következő reaktorban termikus problémát okozna. Ez a módszer feltételezi, hogy a . kiválasztott reakciónál a konverzió reaktoronként tetszés szerint megosztható, vagyis a reakció sebessége nem túl nagy és szabályozható. Vannak azonban olyan reakciók, amelyeknél a konverzió nem osztható meg stabilan, azaz a reakció sebessége nagy, a konverzió csekély zavaró hatásra is teljessé válik, ami káros hőfejlődést eredményez. Ilyen zavaró hatások ipari termelő berendezéseknél elkerülhetetlenül fellépnek, pl. megváltozik a belépő hőmérséklet, a betáplált nyersanyag (ok) mennyisége vagy a gáz/folyadék arány. A folyadékfázisban végbemenő exoterm kémiai reakcióknál fellépő hőmérsékletemelkedést úgy is lehet csökkenteni, hogy a folyadékfázisban lévő reagáló anyagot valamilyen in differens oldószerrel hígítják. Az oldószer — tömegétől és fajhőjétől függő mértékben — osztozik a fejlődő hőmennyiség okozta entalpiaváltozásban, így a reagáló anyagokra kisebb hőmérsékletemelkedés jut. Bizonyos esetekben hígítószerként maga a termék is felhasználható. Nem használható azonban a termék hígítószerként olyan többlépcsős folyamatoknál, ahol a termék és az alapanyag között káros mellékreakciók játszódhatnak le. Erősen exoterm reakcióknál igen nagyfokú hígításra van szükség, ami csöickenti a reaktor termelékenységét és növeli a gyártás energiaigényét. Célul tűztük ki olyan kapcsolási elrendezés és részleges szeparátor kidolgozását gáz/folyadék vegyesfázis, exoterm reakciók kivitelezésére, amellyel egyszerűen és megbízhatóan tudjuk a reaktánsokat vagy azok egy csoportját részáramokra bontani. így a kémiai reakció térben megosztva több lépcsőben hajtható végre, à feleslegben felszabaduló hőmennyiség pedig az egyes lépcsők után elvonható, ezáltal lehetővé válik az egyes reaktorokban fellépő hőmérsékletemelkedés szabályozása. Kísérleteink során azt tapasztaltuk, hog\ gáz/folyadék vegyesfázisú reakcióknál a reaktorok elé beiktatott részleges szeparátor felhasználásával tetszés szerinti módon szabályozhatjuk a folyékony fázis megoszlását az egymással sorba kapcsolt reaktorok kö2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
