CC BY
49
УДК 661.727.1
М. Н. Пимошина, А. Ф. Махоткин, К. А. Павлова, И. А. Махоткин
ПУТИ ДАЛЬНЕЙШЕЙ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА ФОРМАЛЬДЕГИДА
Ключевые слова: формальдегид, абсорбция, вихревое контактное устройство, интенсификация.
На основе обобщения результатов экспериментального исследования закономерностей механизма и кинетики абсорбции формальдегида в условиях производства формалина разработаны пути дальнейшей интенсификации процесса абсорбции формальдегида и новые конструкции более компактных аппаратов. Наиболее эффективным и для интенсификации процесса абсорбции формальдегида являются вихревые аппараты в виде каскада одноступенчатых вихревых аппаратов, или в виде вихревой колонны, включающей три вихревые ступени контакта фаз.
Keywords: formaldehyde absorption, vortex contact device, intensification.
Based on summarizing the results of an experimental study of the mechanisms and laws of kinetics absorption offormaldehyde in a formalin-developed ways offurther intensification offormaldehyde absorption process and new design of more compact devices. The most effective for the intensification and the absorption process are formaldehyde, vortex devices are cascaded single stage vortex devices or vortex column as comprising three phases, vortex contact stage.
На стадии синтеза формальдегида из метанолана серебряном катализаторе в газовой фазе остается значительное количество метанола, который затем абсорбируется вместе с формальдегидом. B результате абсорбции получается смесь формалина c метанолом. B промышленных условиях метанол отделяют от формалина методом ректификации, при этом метанол возвращают в производство. При синтезе формальдегида на металлооксидном катализаторе в газе остается значительно меньше, поэтому на стадии абсорбции формальдегида можно получать практически безметанольный раствор формалина [1]. Себестоимость производства формальдегида на серебряном и металлооксидном катализаторе примерно одинаковая, однако аппаратура производства на серебряном катализаторе является более компактной. Последнее объясняется тем, что при работе на серебряном катализаторе расход газового потока, проходящего через реактор и абсорбер значительно меньше. Задача разработки как эффективных катализаторов, так и более компактных и эффективных абсорберов до сих пор является актуальной.
Для абсорбции формальдегида наибольшее распространение получили трехступенчатые насадоч-ные башни с циркуляцией жидкости насосом через теплообменник на каждой ступени. На рис. 1 иллюстрируется графический способ определения числа теоретических ступеней контакта фаз для абсорбции формальдегида. Кривые рисунка показывают, что для увеличения степени абсорбции важнейшей задачей является понижение температуры газа и жидкости на каждой ступени. Для решения этой задачи на каждой ступени абсорбера устанавливается теплообменник. Самый большой теплообменник устанавливается обычно на первой ступени контакта фаз по ходу газа, так как на этой ступени выделяется наибольшее количества тепла. На некоторых заводах для повышения степени абсорбции формальдегида на последней ступени по ходу газа иногда устанавливается аммиачный холодильник.
j
/
Ра Зочая /
ли ПИЯ /
f
/
/
/
/
/
70°С
/
/ Равное есная
ния для ],у газа г первой >рячей
/ похо/
/ /
Вто рая стуг ень
/
âÛ^-—
Трет ЬЯ СТуПЕ нь
1—-н I7 - 20"( - »
С,(СН20],И вес
Рис. 1 - Определение числа теоретических ступеней контакта фаз для процесса абсорбции формальдегида водой с получением 37% раствора формалина
Экспериментальное исследование процесса абсорбции формальдегида в лабораторных условиях проводилось в каскаде последовательно установленных барботажных дрекселей. Схема установки представлена на рис. 2. Экспериментальное исследование показало, что процесс абсорбции формальдегида водой завершается практически полностью в одну ступень контакта фаз. После абсорбции формальдегида водой в отходящих газах остаются только следы формальдегида. Контролирующий раствор в последнем аппарате по ходу газа практически не изменяет своего состава. Химическая реакция гидролиза формальдегида водой протекает менее чем за 0,1 секунды:
' СНяО+ И20 НО-СН7 - ОН (1)
Анализ численных значений констант равновесия реакции (1) показывает, что в растворе практи-
чески нет свободного формальдегида. Растворенный формальдегид практически весь мгновенно превращается в формалин. При концентрации формальдегида в продукционном растворе 37% можно говорить о том, что в одном объеме жидкости растворяется более трехсот объемов газообразного формальдегида. Известно, что при растворении более ста объемов газа в одном объеме жидкости газ считают легкорастворимым. Следовательно, формальдегид относится к классу легкорастворимых газов, а процесс массопередачи лимитируется массотдачей в газвой фазе.
Рис. 2 - Схема экспериментальной установки для исследования процесса абсорбции формальдегида: 1 - газодувка, 2 - реометр, 3 - автоматический регулятор температуры, 4 - подогреватель, 5 - водяная баня, 6 - десорбер паров формальдегида, 7 - абсорбер, 8 - ловушка, с контрольным раствором
Однако формальдегид полимеризуется. Реакция полимеризации протекает не только в жидкости, но и в газе. При этом в газе образуется твердая фаза в виде частиц, которые осаждаются на стенках аппарата. На рис. 3 показано, что вероятность образования твердой фазы увеличивается при понижении температуры. В этой связи процесс абсорбции формальдегида в промышленных условиях является специфичным процессом. Изменяя температуру на ступени, управляют не только процессом абсорбции паров формальдегида, но и процессом предотвращения образования тумана и твердой фазы [2]. Анализ рис. 3 показывает, что наиболее вероятным местом образования тумана и частиц полимера является первая ступень. Последнее возможно при локальном или случайном уменьшении температуры газа и жидкости на ступени.
Экспериментальное исследование подтвердило, что массопередача в процессе абсорбции формальдегида действительно лимитируется массоотдачей в газе. Поэтому для интенсификации процесса абсорбции формальдегида необходимо не только уменьшать температуру, но и повышать степень турбулизации газа. Кроме того, особо необходимо осуществлять быстрое обновление активной поверхности контакта фаз. Этим требованиям известные насадочные башни не удовлетворяют. Исследование показало, что этим требованиям удовлетворяют аппараты вихревого типа [3]. Аппараты вихревого типа могут быть как одноступенчатыми, так и многоступенчатыми. В связи с повышенной ком-
пактностью вихревых аппаратов теплообменник необходимо делать выносным с циркуляцией жидкости насосом. Из числа известных вихревых аппаратов наиболее компактными являются вихревые аппараты c восходящим способом взаимодействия фаз. Однако при нисходящем способе взаимодействия фаз достигается более высокая производительность [4,5]. Известно, что действующие наса-дочные башни имеют ограничение по производительности. Последнее обеспечивается тем, что насадочные башни работают в режиме противоточного способа взаимодействия фаз. Для увеличения производительности насадочной башни относительно не трудно выполнить реконструкцию действующей башни на основе перехода на нисходящий прямоток на каждой ступени контакта фаз. При этом пропускная способность аппарата может быть резко увеличена. Останется лишь необходимым увеличить соответственно площадь поверхности у теплообменников и установить брызголовушки для каждой ступени контакта фаз.
Рис. 3 - Диаграмма деления системы на твердую и жидкую фазу [2]
Исследование показало, что минимальным брызгоуносом обладают вихревые аппараты с восходящем способом взаимодействия фаз. В связи с тем, что вихревые аппараты обеспечивают не только максимальную массотдачу, но и минимизируют брызгоунос, то просматривается возможность полного высвобождение морально устаревших наса-дочных башен, как не эффективных и дорогих аппаратов с заменой их на высокоэффективные компактные вихревые аппараты. При этом металлоемкость и стоимость аппаратов на стадии абсорбции может быть уменьшена в десятки раз, а производительность увеличена.
Дальнейшее развитие технологии производства формальдегида должно предусматривать полное высвобождение большой и дорогой колонны ректификации для выделения метанола из раствора после стадии абсорбции формальдегида. Последнее возможно только на основе перехода на новые метал-лооксидные катализаторы в процессе синтеза формальдегида. Очевидно, что новые катализаторы должны обладать максимальной пропускной способностью по газовой фазе. Поэтому целью дальнейшей работы является не только внедрение в производство высокоэффективных вихревых аппаратов на стадии абсорбции формальдегида, но и разработка принципиально новых высокоэффективных ката-
лизаторов для дальнейшей интенсификации процессов синтеза формальдегида и каталитической очистки отходящих газов от остатков токсичных веществ после стадии абсорбции.
Литература
1. Огородников С.К., Формальдегид, Л.: Химия, 1984. -280 с.
2. Павлова К. А. Анализ закономерностей процеса полимеризации формальдегида для решения экологических проблем в производстве формалина/ К.А. Павлова, А.Ф, Махоткин, Р.А. Мамадиев, Т.А. Сайфутдинов, Д.Р. Ис-
хакова// Вестник технол. ун- та. -2015. -Т18. №24. -С.127-129
3. Павлова К.А. Анализ закономерностей кинетики аб-сорбций формальдегида/ К.А. Павлова, А.Ф,Махоткин, И.А. Махоткин// Вестник технол. ун- та. -2015. -Т18. №20. -С .27-29.
4. И. А. Махоткин, Автореф. дисс. канд. техн. наук, -ФГБОУ ВПО КНИТУ, - г. Казань, - 2011. - 20с.
5. Патент РФ №2016842 (2004).
© М. Н. Пимошина. - студент V курса каф. «Оборудование химических заводов» КНИТУ, [email protected]; А. Ф. Махоткин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. «Оборудование химических заводов» КНИТУ, [email protected]; К. А. Павлова - асп. каф. «Оборудование химических заводов» КНИТУ, [email protected]; И. А. Махоткин - канд. техн. наук. доцент каф. «Оборудование химических заводов» КНИТУ, [email protected].
© M. N. Pimoshina - V-year student cafes. «Equipment for chemical plants» KNRTU, [email protected]; A. F. Makhotkin - doctor of technical sciences, professor, head of department «Equipment for chemical plants», KNRTU, [email protected].; K A. Pavlova - postgraduate department «Equipment for chemical plants», KNRTU, [email protected]; I. A. Makhotkin - candidate of engineering sciences, «Equipment for chemical plants» KNRTU, [email protected].
