Каталитическая дистилляция

Каталитическая дистилляция — это раздел реактивной дистилляции , который сочетает в себе процессы дистилляции и катализа для селективного разделения смесей в растворах. Его основная функция — максимизировать выход каталитических органических реакций, таких как очистка бензина . Считалось, что самый ранний случай каталитической перегонки датируется 1966 годом; однако идея была официально запатентована в 1980 году Лоуренсом А. Смитом-младшим. В настоящее время этот процесс используется для очистки бензина, извлечения каучука и получения пластмасс.

Катализаторы

Катализаторы , используемые для каталитической дистилляции, состоят из разных веществ и наносятся на разные предметы. Большинство катализаторов представляют собой порошкообразные кислоты , основания , оксиды металлов или галогениды металлов . Эти вещества, как правило, обладают высокой реакционной способностью, что может значительно ускорить скорость реакции, что делает их эффективными катализаторами.

Формы, в которые упакованы катализаторы, должны образовывать последовательную геометрическую структуру, чтобы обеспечить одинаковое расстояние в слое катализатора (область в дистилляционной колонне , где реагент и катализатор вступают в контакт с образованием продуктов ). Такое расстояние предназначено для обеспечения равномерного распределения катализаторов внутри колонны. Слой катализатора должен быть достаточно просторным (около 50%), чтобы любые испаренные газообразные реагенты могли катализировать и образовывать газообразные продукты . Слой катализатора также должен иметь возможность сжиматься и расширяться, поскольку ему, возможно, придется реагировать на изменения давления внутри колонны.

Прежде чем катализаторы упаковываются в форму, их сначала упаковывают на что-то пористое, например, на ткань или проволочную сетку . Ткань может быть изготовлена ​​из хлопка, стекловолокна, полиэстера, нейлона или других подобных материалов. Сетка обычно изготавливается из алюминия, стали или нержавеющей стали.

По форме катализаторы обычно упаковываются в кольца, седла, шарики, листы, трубки или спирали. Эти формы, как правило, изготавливаются из стекловолокна, тефлона и инертных металлов. Перед введением катализаторов в систему их либо упаковывают в пакеты, закрепляют на металлических решетках или ситах, либо помещают на пенопласт .

Процесс

В каталитической дистилляционной колонне жидкие реагенты катализируются при одновременном нагревании. В результате продукты сразу начинают испаряться и отделяться от исходного раствора. Катализируя и одновременно нагревая реагенты, вновь образовавшиеся продукты быстро выпариваются из системы. При недостатке продуктов вступает в силу принцип Ле Шателье , заключающийся в образовании новых продуктов из реагентов взамен удаленных продуктов. Поскольку продукты постоянно выводятся, система никогда не достигает равновесия . Непрерывное образование продуктов приводит к завершению реакции.

Рефлюкс

В большинстве реакций, проводимых каталитической перегонкой, реагенты часто более летучи , чем продукты . внутренняя система рециркуляции, известная как рециркуляция применяется По этой причине сразу после конденсатора (область внутри колонны, где вырвавшиеся газы охлаждаются до жидкости) . Рефлюкс переносит концентрированный пар обратно в зону катализатора. Рециркуляция также возвращает часть сконденсированных жидкостей в колонну, обеспечивая только продуктов с самыми низкими температурами кипения улавливание . Поскольку при рециркуляции возвращаются нечистые смеси, катализаторы промываются при длительном использовании.

Типы реакций

Реакции в колоннах каталитической дистилляции включают:

• димеризация – образование одной молекулы из двух мономеров со слабыми или сильными связями.
• полимеризация – образование трехмерной молекулы из нескольких мономеров.
• этерификация — образование молекулы путем связывания двух групп CH _n ( алкана ) вокруг кислорода атома .
• этерификация — образование молекулы из кислоты с кислородом ( оксокислотой ) и молекулой, содержащей ОН-группу ( гидроксил ).
• изомеризация – изменение структуры молекулы без изменения ее отдельных элементов и их соответствующих количеств.
• алкилирование – перенос группы CH _n из одной молекулы в другую.
• гидрирование – добавление атомов водорода к молекуле.
• дегидрирование – отделение атомов водорода от молекулы.

Улучшения от двухколонной дистилляции

При двухколонной перегонке для получения желаемого продукта требуется колонна для катализа , а затем колонна для перегонки . Это означает, что дистилляционной компании придется профинансировать строительство двух больших колонн, а также способ транспортировки содержимого одной колонны в другую. При каталитической дистилляции компании необходимо финансировать только одну колонну, что исключает как затраты на вторую колонну, так и затраты на перемещение химикатов из одной колонны в другую. Такая оптимизация сокращает накладные расходы почти до половины первоначальной стоимости.

Помимо сокращения затрат, каталитическая дистилляция является важной вехой в повышении эффективности и результативности. Затрачивается меньше времени, поскольку нет необходимости перемещать содержимое из столбца в другой. Также процент выхода реагентов в некоторых реакциях в продукты увеличился с 96-97% до 99,9%.