182984. lajstromszámú szabadalom • Eljárás reaktorok hőmérsékletszabályozására
1 182 984 2 A találmány tárgya eljárás reaktorok hőmérsékletszabályozására. A kémiai reakciók lefolytatására szolgáló berendezések - összefoglaló néven reaktorok — kiviteli formájukat és működtetésüket illetően igen változatosak. a kémiai reakciókat befolyásoló paraméterek kívánt értéken tartására ennek megfelelően számtalan változat valósult meg és ezek lehetséges kombinációit csak többé kevésbé önkényes csoportosítással lehet rendszerbe foglalni. Ezt mellőzve az egyik paramétert, a hőmérsékletet szabályozó módszerekkel foglalkozunk, oly módon szűkítve a vizsgált területet, hogy az csak falon keresztüli hőközlésre vagy hőelvonásra vonatkozik. A falon keresztül történő hőátadással történő hőmérséklet-szabályozás ipari megvalósításának egyik példája az úgynevezett Casale ammóniakonverter (1. ábra). Az 1. ábrából látható, hogy a reaktor (konverter) katalizátorának hőmérséklete (T0— T^) nem egyenletes a hossz (x) függvényében, a reaktor nem izoterm, a belépő T0 hőmérsékletről 440°C-ról a katalizátortérben 530 °C-ra melegszik. Az izotermitás azonban ipari körülmények között — különösen magas hőszínezetű reakcióknál — nem is valósítható meg. Minél inkább törekszünk ennek megközelítésére, annál bonyolultabb berendezéseket kell építeni (lásd a 2. ábrán bemutatott NEC-ammóniakonvertert). A hőátadó felülettől, a reakcióhőtől, a reakció sebességétől, a hőelvonó közegtől, a reaktánsok összetételétől és belépési hőmérsékletétől függően a katalizátorágy mentén a katalizátor aktivitásától függően, vagy katalizátor nélküli reakciók esetén ettől függetlenül a reaktor hosszirányában hőmérséklet-eloszlás figyelhető meg. Számos esetben — konszekutív vagy párhuzamosan, illetve a kettő kombinációja alapján lejátszódó reakciósorozat esetén — kívánatos a reakció hőmérsékletének a reaktorhossz függvényében történő szabályozása. Aki B k2 C konszekutív elsőrendű reakciók esetén a kívánt termék a ,,B”, a nemkívánatos melléktermék ,C% Ha a sebességi állandók (ki; k2) értékei olyanok, hogy ,,ki51 értéke közelítőleg 10-szerese ,.k2 ” értékének, akkor a 3. ábrán láthatjuk a termékek koncentrációeloszlását adott terhelés, azaz adott kontakt idő esetén a reaktorhossz függvényében. Csökkentett terhelés esetén ugyanolyan körülmények között (hőfok, reaktorhossz) a koncentráció-eloszlás megváltozik (4. ábra). Ebben az esetben a termékeloszlás kedvezőtlenebb. Ezt csak úgy tudjuk kiküszöbölni, hogy a reaktorhossz azon részében, ahol már a kívánt „B” terméknek a nemkívánt termékké váló átalakulása történik, a reaktor hőmérsékletét lecsökken tjük. Találmányunk lényege egy olyan hőmérséklet-szabályozási, azaz hőközlési (vagy hőelvonási) eljárás, amellyel a reaktorok aktív, működő részét a falon kívüli hőátadó közeg fázisarányának 1 : 9 és 9 : 1 szélső értékek közötti változásával szabályozzuk. Találmányunk alapelvének megértése érdekében vizsgáljuk egy heterogén katalitikus gőzfázisú csőreaktor hosszirányú hőfokeloszlását, amikor a külső térben folt adék halmazállapotú hűtőközeget áramoltatunk ellenáramban. Az exoterm reakció jellemző hőfokeloszlása az 5. ábrán látható, ahol T a hőmérsékletet, x pedig a katalizátortér hosszát jelenti. Ha a hűtőközeg nyomását vagy minőségét úgy választjuk meg, hogy a reaktor alsó felén a hűtőfelületet egy adott szabályozott magasságig a hűtőközeg forrásponton leve folyékony halmazállapota borítsa, akkor a borított részen forrásban lévő folyadék intenzív hőelvonása miatt a hőfokeloszlás kedvezőbb lesz és a másodlagos reakció a hőmérséklet csökkentésén keresztül erősen lelassul (ó. ábra).A találmány tulajdonképpen azt az önmagában ismert tényt hasznosítja, hogy megfelelő körülmények között ugyanannak a hőátadó közegnek folyékony, illetve gáznemű halmazállapotát választva a hőátadási együtthatók érteke egymástól jelentősen eltér. _ A 6. ábrán látható, folyadék-halmazállapotú hőátadó anyaggal borított felületen a forrpontján lévő folyadék má" igen kis hőmérséklet-növekedés hatására forrásba jön és intenzív hőelvonást biztosít. Ugyanakkor a folyadéktót nem borított részen a hőátadás rosszabb és a hőmérséklet-emelkedés — amely a reakció kezdeti szakaszában előnyös — gyorsabb. A karbamidgyártás egyik lépésében, az úgynevezett szt ripping lépésben a következő reakciók játszódnak le a 7. ábrán vázlatosan ábrázolt készülékben: NH4COONH2— CO(NH2)2 + H;0 (1. reakció) 2C(XNH2)2 — NH2CONH-CO-NH2 + NH.,(2. reakció) A fenti reakciókkal kapcsolatban az a kívánalom, hogy az első reakció minél teljesebb lejátszódása mellett a második reakcióban termelődő biuret a késztermékben lehetőleg <1% legyen. Adott méretű berendezésben a tartózkodási idő - az üzem előre meghatározott termelési terve esetén — meghatározott értékű. A fenti konszekutív reakciósor legjobb eredménnyel akkor hajtható végre, ha a reakciót adott időben, azaz a reaktor adott szakaszában befagyasztjuk. Ezt úgy hajtjuk végre, hogy a hőátadó anyagnak — jelen esetben a gőz — kondenzátumnak - szintjét a csőköteg magasságában egy meghatározott értékre állítjuk be. Ebben az esetben a kondenzáló gőz csak akkora felületen érintkezik a reakcióeleggyel és közli vele az endotevm reakcióhoz szükséges hőmennyiséget, amely az ammóniumkarbamát bomlását (1. reakció) lehetővé teszi, de a képződött karbamidnak a káros biuretté történő átalakulását (2. reakció), amely a reaktor alsó részében történne meg, nem segíti elő. A találmányt közelebbről a következő kiviteli példákkal kívánjuk megvilágítani. 1. példa a) A karbamid-előállítás sztripping-rendszerénél (7. ábra) 80 kg reakcióelegy/cső. óra terhelésnél a külső gázfűtés a cső egész hosszában érvényesül, tehát a gőz a csőfal egész hosszán át tudja adni a hőjét a termékelegynek. 80% kihajtási hatásfok mellett a termék biurettartalma 1,0%. Csökkentett terhelés esetén [50 kg termékelegy/cső. óra] azonos üzemelési körülmények között, azonos — 80% — kihajtási hatásfok mellett a biurettartalom — a 2. reakció előtérbe lépése miatt — 1,6%. b) Ha az a) részben leírt, csökkentett terhelésű sz.tripping-rendszer gőzoldalán a hőátadó felületet a kondenzvíz szintjének emelésével az eredeti 70%-ára csökkentjük (tehát a cső 30%-a kondenzvízzel és 70% gőzzel fedett) akkor a megkívánt 80%-os kihajtási hatásfok mellett a termék biurettartalma 0,98%, tehát az elfogadható 1,0% alá esik. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
