Виробництва, в яких одна або кілька основних хі-чеських реакцій відбуваються за участю каталізаторів, називають каталітичними. Однак за обсягом реакційного про-простору, габаритами і складності апаратів, кількості обслу-жива персоналу і загальної вартості експлуатації собст-венно каталітичні процеси і апарати складають в біль-шинстве випадків незначну частину такого виробництва.
Типова технологічна схема каталітичного виробниц-ства орієнтовно може бути представлена наступною по-отже операцій і процесів:
1. Первинна переробка сировини з отриманням основних ре-агентів для каталітичного процесу;
2. Очищення реакційної суміші від домішок, які засмічують (пил) або отруйних (отрути) каталізатор;
3. Нагнітання газів або транспортування рідких реагентів в реактор;
4. Підігрів реагентів до температури каталізу;
5. Каталозі, зазвичай супроводжується відведенням або підведенням теплоти;
6. Переробка продуктів каталізу в цільові продукти про-ництва.
Щоб скласти більш конкретне уявлення, рассмо-трим послідовно кожну операцію для двох крупномасштаб-них, але вельми різнохарактерних каталітичних виробництв: контактного виробництва сірчаної кислоти і каталітичного крекінгу важких фракцій нафти.
Контактна виробництво сірчаної кислоти. Перша операція - первинна переробка сировини - являє собою випал Колч-дана в потоці повітря або спалювання сірки з отриманням газу, що містить 7-10% S02, 8-11% 02, азот і незначні за обсягом домішки Огаркова пилу, водяної пари, триоксида сірки , оксиду миш'яку, селену і, можливо, фтороводорода.
За співвідношенням основних компонентів гази випалу відповідають вимогам каталітичного окислення по реакції:
2SOa + 02 -> - 2S03,
Т. е. Є надлишок кисню для повного окислення S02, але ці гази зовсім не підходить для каталізу через утримуючи-ня в них контактних отрут і пилу.
Друга операція - очищення газів для забезпечення досить тривалої роботи каталізатора (2-4 роки) - включає ряд різнохарактерних процесів. Загальні габарити апаратів, що беруть участь в цій операції, досягають 40% всього обладнання д-ня цеху. Апарати вимагають значного обслуговуючого персоналу і великих енергетичних витрат.
Третю операцію здійснюють за допомогою турбогазодувок, що транспортують газ через всю систему. За енерговитратами це одна з найдорожчих операцій, тому завжди прагнуть ство-дати зерна каталізатора таких розмірів і форми, щоб забезпе-чити мінімальний гідравлічний опір. Для цього ката-лизатор формують у вигляді великих гранул або таблеток з міні-ною розміром 4-6 мм і найбільшим (довжина гранул) до 14 мм, хоча при цьому використовується на перших стадіях контактування лише 30-50% внутрішньої поверхні пористої гранули. Іноді виготовляють кільцеподібні, зіркоподібні та інші види ча-стічек каталізатора, хоча це здорожує його виготовлення. У коль-цеобразном каталізаторі одночасно зі зниженням гидравли-чеського опору збільшується використання внутрішньої поверхні. Шар такого каталізатора менше забивається пилом, яка утворюється при корозії і ерозії газоходів теплообмін-ників та іншої апаратури.
У всіх випадках при розробці та виготовленні каталізу-торів для апаратів з фільтруючим шаром слід мати на увазі наявність протиріччя між інтенсивністю його роботи і ги-дравліческім опором. Часто доводиться застосовувати великі гранули для зниження гідравлічного опору-тивления, хоча і на шкоду продуктивності каталізу-тора.
Четверту операцію - підігрів газу до температури зажи-ганія каталізатора - проводять в теплообмінниках за рахунок теп-лоти реакції окислення S02, що виділяється при каталізі. При цьому більш-менш досягається необхідне зниження тим-ператури реагентів в міру протікання оборотної екзотерміче-ської реакції окислення S02-
Каталозі здійснюється в основному в поличних апаратах з п'ятьма фільтруючими шарами каталізатора і проміжними теплообмінниками. Освоюються апарати киплячого шару [17], для яких необхідний міцний зносостійкий мелкосфері-ний ванадієвий каталізатор (див. Стор. 141). Габарити контакт-них апаратів не перевищують 10% від загального обладнання цеху. Апарати не вимагають складного обслуговування і могли б дли-тельное час працювати без нагляду, якби не змінювалися умови підготовки газу в перших чотирьох операціях і газ був би оччщен від контактних отрут. Таким чином, при досконалої підготовки реакційної суміші основна операція - каталіз - вимагає найменшого технологічного обслуговування.
Остання (шоста) операція полягає в абсорбції ок-сіда сірки (VI) і не представляє інтересу в розглянутому / аспекті, так як мало впливає на роботу каталізатора. Однак при неповному окисленні S02 в контактних апаратах абсорбція сильно ускладнюється, оскільки після поглинання S03 доводиться очищати гази від залишився S02.
Як видно з наведеного вище опису, робота і режим всіх стадій складного виробництва визначаються в основному ка-кість, працездатністю і стійкістю каталізатора.
Каталітичний крекінг важких фракцій нафти. Найбільш часто крекінгу піддають фракції нафти, що конденсуються при 300-500 ° С. Первинна переробка нафти полягає в очищенні її від солей і води, випаровуванні основних фракцій в трубчастих печах і поділі на фракції в ректифікаційних колонах. Широко застосовується в крекінгу алюмосилікатний каталізатор (див. Стор. 105) отруюється домішками, які можуть перебувати в крекіруемом нафтопродукт. Сильне, але оборотне отруєння алюмосиликатного каталізатора відбувається при наявності в сировині азотистих сполук. Необоротно отруюється каталізатор з-єднаннями лужних металів. Знижують активність каталізу-тора сполуки нікелю, заліза, ванадію та інших важких ме-Таллі. Для крекінгу застосовують дистиляти нафти, не утримуючи-щей значних кількостей каталізаторних отрут, або ж очі-ють нафту (або крекіруемий дистилят) від сірчистих і азо-Тіст з'єднань гидрированием.
Нафтопродукт подають в установку крекінгу насосами. Транс-портіровке парів вуглеводнів після крекінгу полегшується внаслідок конденсації продуктів крекінгу в ректифікаційних колонах і холодильниках. Нафтопродукт (сировина крекінгу) нагрівається спочатку в теплообмінниках за рахунок теплоти важких продуктів крекінгу, потім - в трубах трубчастих печей до 500 ° С в результаті спалювання палива (мазуту, газу) і випаровується. Каталітичний крекінг здійснюють в одношаровому реакторі. Таким чином, власне реактор міг би мати просте устрій-ство. Однак установки крекінгу складні внаслідок нестійкий-вої активності каталізатора.
Основною причиною швидкого зниження інтенсивності ра-боти каталізатора є його закоксовиваніє, т. Е. Покриття зерен шаром коксу, екрануючим каталізатор. Швидкість за - коксовиванія залежить від виду сировини. Приблизно за 10 хв роботи в каталізаторі накопичується до 2% коксу, який необхідно випалювати для відновлення активності каталізатора.
В таких умовах застосування реакторів з нерухомим (філь-трующім) шаром каталізатора виявилося нераціональним. При-міняють реактори зі зваженим (киплячим) шаром [2, 7, 9, 17] або ж з рухомим каталізатором [7], які забезпечують безперервне відведення каталізатора на регенерацію і надхо-ня регенерованого каталізатора. Регенерацію проводять в ап-Параті з киплячим або рухомим шаром каталізатора, при цьому теплоту згоряння коксу використовують для двох цілей: 1) каталізу-тор нагрівається до 600 ° С і, таким чином, при надходженні його в реактор компенсується ендотермічний ефект крекінгу; 2) топкові гази з регенераторів служать для отримання пара. Транспортується каталізатор між реактором і регенератором частково самопливом, а частково пневматично по трубах.
Продукти каталізу очищають від пилу, важких вуглеводнів і поділяють на фракції в ректифікаційних колонах з напів-ням, як правило, бензину.
Роль каталізу не вичерпується, звичайно, наведеної вище типової схемою. Деякі виробництва (наприклад, аміаку) включають ряд послідовних каталітичних процесів. В інших випадках каталітичні процеси є допо-них операціями (наприклад, процеси каталітичної очи-стки газів, що відходять). Природно, що такі виробництва не належать до числа каталітичних, хоча і включають каталитич-ські процеси.