Введение к работе
Актуальность проблемы. Капролактам является важным мономером в производстве капрона и некоторых других полиамидов, нашедших широкое применение в промышленности. Известно несколько схем промышленного синтеза капролактама, одним из этапов каждой схемы является гидрирование ароматического соединения — бензола, фенола или бензойной кислоты'. Изучение кинетики и механизмажидкофазного гидрирования указаных ароматических соединений путем исследования кинетики имеет также общее значение для теории гетерогенного катализа. Этим объясняется актуальность темы данного исследования, посвященного изучению кинетики жидкофазного гидрирования бензола и его производных на катализаторах— металлах VIII группы Периодической таблицы Д. И. Менделеева с целью установления механизма реакций и определения оптимальных условий и их проведения в промышленности.
Жидкофазное гидрирование на супендировашюм катализаторе представляет собой процесс в гетерогенной трехфазной системе. В этих условиях массоперенос может лимитировать скорость реакции. Для применяемых в кинетических исследованиях реакторов с мешалкой (из-за нестандартного соотношения размеров) и качающихся реакторов — «каталитических уток» нет уравнений, позволяющих рассчитывать скорость массопереноса. Поэтому другим направлением данной работы является разработка методики экспере-ментального установления условий кинетической области протекания жидкофазной реакции.
Цель работы. Работа посвящена изучению кинетики жидкофазного гидрирования ароматических соединений на суспендированных катализаторах — металлах VIII группы с целью установления механизма реакций и определения оптимальных условий их проведения в промышленности.
Задачей работы являлось также исследование процессов массопереноса в условиях жидкофазного гетерогенно-каталитического гидрирования с целью разработки методики установления области протекания гетерогенной реакции при лабораторном исследовании кинетики жидкофазных реакций.
Работа посвящена также разработке катализатора жидкофазного гидрирования бензойной кислоты на отечественном активированном угле с целью замены им импортного катализатора на Чирчик-ском ПО «Электрохимпром».
Научная новизна. Впервыесистематически исследована кинетика жидкофазного гидрирования бензола и его производных в кинетической области протекания реакции в широком интервалетемпе-
ратур, давлений водорода и концентраций гидрируемого вещества на суспендированных катализаторах — металлах платиновой группы (кинетика гидрирования бензола и толуола на иридиевом и осмиевом катализаторах ранее не исследовалась). Предложено кинетическое уравнение, описывающее всю совокупность экспериментальных данных. Оно отличается от уравнений, предлагавшихся ранее различными авторами для описания кинетики гидрирования в растворах. Для объяснения кинетического уравнения разработана теория жидкофазного гидрирования ароматических соединений, предложена схема механизма реакции.
Впервые выполнены измерения удельной мощности размешивания Е в каталитических реакторах по скорости растворения сферических гранул щавелевой и бензойной кислот в воде и по скорости выделения тепла в жидкости. Установлены условия определения Е в качающихся реакторах по скорости растворения гранул кислот в воде. Определена зависимость Е от частоты и амплитуды качаний «каталитической утки» при различных ее заполнениях жидкостью. Экспериментально найдено, что с увеличением частоты качаний «утки» при малых амплитудах Е увеличивается лишь до определенного предела. Этот эффект необходимо учитывать при выяснении влияния внешней диффузии на скорость жидкофазного гидрирования. Полученные данные позволили выбрать условия осуществления кинетической области реакции.
Практическая ценность работы. Установленная в работе кинетика гидрирования бензола и его производных на суспендировнных катализаторах-металлах VIII группы дает основу для расчетов при проектировании и оптимизации промышленных реакторов гидрирования.
Предлагаемая методика определения условий осуществления кинетической области жидкофазного гетерогенно-каталитического гидрирования может быть использована исследователями при изучении кинетики жидкофазных реакций.
Разработанный палладиевый катализатор жидкофазного гидрирования бензойной кислоты в циклогексанкарбоновую кислоту на отечественном активированном углеПН применяется наЧирчикс-ком ПО «Электрохимпром» вместо итальянского катализатора на угле Эпонит.
Установленный в работе эффект увеличения скорости гидрирования бензойной кислоты в присутствии воды используется на Чирчикском ПО «Электрохимпром» для интенсификации процесса промышленного гидрирования (вода добавляется в последний реактор каскада).
Вклад автора. Конструкция качающихся реакторов, схемы уста-
новок, методики анализа и проведения эксперимента разработаны автором. Все экспериментальные результаты, представленные в диссертации получены лично автором либо при его решающем участии. Данные по гидрированию фенола получены П.Н.Палки-ным (Ивановский химико-технологический институт), математическая обработка и обсуждение полученных результатов проведены автором.
Измерения удельной мощности размешивания в качающихся реакторах и опыты по гидрированию циклогексена произведены совместно со с. н. с. НИФХИ им. ЛЯ.Карпова Д.Ю. Мурзиным.
Разработка катализатора жидкофазного гидрирования бензойной кислоты осуществлена совместно с сотрудниками ГИАП [26,30], автором измерена скорость гидрирования и рассчитана каталитическая активность полученных катализаторов.
Использованные в работе катализаторы были приготовлены сн.с. НИФХИ имЛЛ.Карпова Н.В.Кульковой.
Апробация работы. Результаты работы неоднократно докладывались на ежегодных научных конференциях НИФХИ имЛЛ.Карпова, на 11 всесоюзных и 1 международной конференциях. Работа удостоена дипломов и премии ВХО им. Д.И. Менделеева и ВСНТО.
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 35 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и приложения. Содержит 217 страництек-ста, 25таблиц, 56рисунков.Библиография- 181 наименование.