Разработка высокоэффективных аппаратов абсорбции формальдегида в производстве формалина

ШЕСТОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УКЛАД: МЕХАНИЗМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

13-14 ноября 2015 г.

УДК 661.7

РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ АППАРАТОВ АБСОРБЦИИ ФОРМАЛЬДЕГИДА В ПРОИЗВОДСТВЕ ФОРМАЛИНА

К. А. Павлова, Т. А. Сайфутдинов, Р. А. Мамадиев, Д. Исхакова

На сегодняшний день формальдегид, как полупродукт в промышленном органическом синтезе, играет огромную роль и в связи с тем, что областьприменения формальдегида с каждым годом расширяется, неуклонно возрастаетего потребление. вопрос об интенсификации процесса производства формальдегида встает достаточно остро в последние годы.

В настоящее время практически весь товарный формальдегидвыпускается в виде водно-метанольных растворов (С. К., 1984) [2]. Наибольшее распространение получил формалин -водно-метанольный раствор формальдегида, содержащий 34-37% формальдегида и 6-11 % метанола.

Сырьем для производства формальдегида является метанол. Данный способ был разработан первым и до сих пор остается основным способом получения формальдегида в промышленности.

В настоящее время формальдегид преимущественно получают методом окислительного дегидрирования метанола на серебряном катализаторе при 500-700 °С. Все большее распространение получает низкотемпературный синтез на железо -молибденовом катализаторе при температуре 300-400 °С.

Из за простоты конструкции реактора и большего срока службы катализатора некоторые крупные производители формальдегида долгое время придерживались способа окисления метанола на серебряном катализаторе. Однако в настоящий момент наблюдается тенденция на переход к железооксидному катализатору. На железооксидном катализаторе работают крупные производители формальдегида например фирма Ре^огр Formox. На серебряном катализаторе работают производители формальдегида фирмыОупеа.

Полученный в реакторе синтеза газообразный формальдегид с остатками непрореагиро-ванного метанола передается по газоходу на стадию абсорбции. Абсорбция осуществляется-водой с получением метанольного раствора формалина. Затем метанольный раствор формальдегида передается в колонну ректификации, где метанол отделяется от раствора. Вверху колонны ректификации отводится относительно чистый метанол, а внизу остается формалин. Метанол возвращается на стадию синтеза в реактор каталитического окислительного дегидрирования и находится в рецикле, а растворбезметанольного формалина является продукцией.

Подпитка исходного метанолана стадию синтеза осуществляется по материальному балансу основных и побочных реакций с учетом безвозвратных потерь. По реакциям на одну тонну формальдегида теоретически необходимо 1,06 тонны метанола. Однако на практике, удельный расход метанола больше и достигает 1,21 т/т. Последнее означает, что потери метанола велики и нужно стремиться к их сокращению. Потери метанола связаны с побочными реакциями протекающими в реакторе синтеза.

Процесс абсорбции формальдегида представляют собой процесс массопередачи с быстрой химической реакцией в жидкости. Скорость процесса лимитируется диффузией в жидко-сти.Молекула формальдегида, касаясь жидкости, мгновенно абсорбируется, или правильнее говорить вступает в химическое взаимодействие с молекулами воды и другими молекулами формальдегида или его соединений в водных растворах. Процесс хемосорбции мгновенен и сопровождается выделением тепла. Поверхность жидкости при этом сильно нагревается, что уменьшает величину движущей силы абсорбции паров формальдегида. В связи с тем, что скорость молекул формальдегида в газовой фазе в разы выше скорости молекул формальдегида и его гидратов и жидкой фазе, на поверхности контакта фаз возникает пересыщение жидкости и движущая сила процесса уменьшается. Кроме того, при достижении определен-

Разработка высокоэффективных аппаратов абсорбции формальдегида в производстве формалина

ной концентрации на границе раздела фаз велика вероятность возникновения полимерной пленки- параформальдегида на поверхности что негативно сказывается на скорости абсорбции. Доказано, что коэффициент массопередачи в данном процессе больше коэффициента диффузии в жидкости. Соответственно для интенсификации процесса абсорбции формальдегида необходимо не только быстро и эффективно отводить тепло с поверхности контакта фаз, но и перемешивать жидкость.Следовательно,для интенсификациипроцесса абсорбции формальдегида важнейшим являетсябыстрое активное обновление поверхности контакта фазс высокой степенью турбулизации жидкости.

Барботажные тарельчатые аппараты не соответствуют данным требованиям. В барбо-тажном аппарате поверхность пузырька газа быстро нагревается и вскипает. Применение аппаратов насадочного или пленочного типа так же не является целесообразным. Слой жидкости, движущийся в упомянутых аппаратах обычно течет ламинарно, что приводит к перегреву поверхности контакта фаз и его пересыщению. Известно, что распылительная труба Вен-тури обеспечивает высокий турбулентный режим газового потока. Однако этот тип аппарата тоже не эффективен из-за того, что на поверхности летящей капли жидкости опять таки возникнет локальный перегрев поверхности контакта фаз.

Для интенсификации процесса абсорбции предлагается вместо насадочных башен принципиально новые аппараты вихревого типа. Вихревые аппараты обеспечивают увеличение тепломассообмена [4]. Тепло эффективно отводится с поверхности контакта фаз за счет перемешивания жидкости. В вихревых контактных устройствах достигается увеличение скорости газапо сравнению с насадочной колонной в 10 и более раз [5]. Кроме того, вихревые устройства позволяют сократить диаметр аппарата в три раза и более, или при равном диаметре аппарата увеличить его производительность в три раза и более .

Анализ закономерностей механизма и кинетики абсорбции формальдегида для перспективного увеличения производительности показал, что на стадии абсорбции все ступени контакта фаз должны быть не насадочными, а вихревыми. Необходимы вихревые устройства с нисходящим способом взаимодействия фаз, обеспечивающие высокую производительность. При этом по-прежнему необходима мощная циркуляция жидкости с помощью насосов через теплообменники. По-прежнему нужна эффективная брызготуманоловушка. Однако, вдейст-вующем насадочном абсорбере применена брызголовушка, которая по эффективности является самой плохой из числа известных. Анализ закономерностей процесса абсорбции формальдегида показал, что работа действующего абсорбера сопровождается не только большим брызгоуносом, но и интенсивным образованием в газовой фазе тумана формальдегида. При этом концентрация формальдегида в частицах тумана может быть даже больше концентрации формальдегида в продукционном метанолформальдегидном растворе, выходящем из абсорбера. Известно, что мелкодисперсный туман в насадочных абсорберах практически не улавливается при любой плотности орошения. Для эффективного улова тумана формальдегида из отходящих газов и полной ликвидации брызгоуноса жидкости из абсорбера должна быть установлена брызготуманоловушка с рукавными фильтрующими элементами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Уокер, Дж. Ф. Формальдегид / Дж. Ф. Уокер. - Госхимиздат, М., 1957. - 606с.

2. Огородников С. К. Формальдегид / С. К. Огородников. - Л.: Химия, 1984. - 280 с.

3. Крылов О. В. Гетерогенный катализ / О. В Крылов - Москва: Академкнига, 2004.

4. Патент Пат. 2232625 Российская Федерация, МПК7 B01D 47/06, B04C 3/00/. Вихревой аппарат для проведения физико-химических процессов с нисходящим потоком фаз / Хамидуллин Р. Н., Останин Л. М., Махоткин И. А., Махоткин А. Ф.; заявитель и патентообладатель КГТУ. - № 20033120604/15; заявл. 07.07.2003; опубл. 20.07.04. - 4 с.

5. И. А. Махоткин,Автореф. дисс. канд. хим. наук, - ФГБОУ ВПО КНИТУ, - г. Казань, -2011. - 20 с.