Основы химии, технологии и оборудование непрерывных производств органического синтеза

 
 
 
 
Н. Е. Галанин, Т. А. Румянцева, В. Е. Майзлиш 
 
 
 
 
ОСНОВЫ ХИМИИ, ТЕХНОЛОГИИ  
И ОБОРУДОВАНИЕ НЕПРЕРЫВНЫХ  
ПРОИЗВОДСТВ ОРГАНИЧЕСКОГО СИНТЕЗА 
 
 
Учебное пособие 
 
Под редакцией Е. А. Даниловой 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 
 

УДК 661.7 
ББК 24.2 
Г15 
 
 
 
Рецензенты: 
генеральный директор АО «Ивхимпром» С. Н. Хахин; 
генеральный директор ООО «Бета-Силикон» Р. А. Лапа 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Галанин, Н. Е. 
Г15  
Основы химии, технологии и оборудование непрерывных производств 
органического синтеза : учебное пособие / Н. Е. Галанин, Т. А. Румянцева, 
В. Е. Майзлиш ; под ред. Е. А. Даниловой. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2024. – 120 с. : ил. 
ISBN 978-5-9729-1827-0 
 
Рассмотрены некоторые химические превращения, технологии, типовое основное 
и вспомогательное оборудование непрерывных процессов органического синтеза. Особое внимание уделено реакторам и конверторам контактно-каталитических процессов, 
оборудованию процессов ректификации (ректификационным колоннам, их внутреннему устройству, конструкциям тарелок), рассмотрено технологическое оформление 
некоторых важнейших процессов органического синтеза, в частности, процессов алкилирования, каталитического крекинга и риформинга. 
Для студентов, обучающихся по ООП подготовки бакалавров по направлению 
«Химическая технология», профиль подготовки «Технология органического и нефтехимического синтеза» по дневной и заочной формам обучения.  
 
УДК 661.7 
ББК 24.2 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1827-0 
” Галанин Н. Е., Румянцева Т. А., Майзлиш В. Е., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение ....................................................................................................................... 4 
1. Вспомогательное оборудование ............................................................................ 6 
1.1. Аппаратура для расплавления твердых реагентов ........................................... 6 
1.2. Аппаратура для очистки газовых реагентов 
...................................................... 6 
1.3. Аппаратура для испарения жидких реагентов  
и получения парогазовой смеси 
................................................................................. 7 
2. Основное технологическое оборудование 
.......................................................... 13 
2.1. Контактные реакторы ........................................................................................ 13 
2.2. Конверторы ......................................................................................................... 15 
2.3. Ректификационные аппараты 
............................................................................ 40 
3. Технологические процессы .................................................................................. 83 
3.1. Алкилирование ................................................................................................... 83 
3.1.1. Условия проведения процесса ....................................................................... 86 
3.1.2. Технологическое оформление ....................................................................... 87 
3.2. Катализ ................................................................................................................ 98 
3.2.1. Условия проведения процесса ....................................................................... 99 
3.2.2. Технологическое оформление ..................................................................... 101 
3.3. Ректификация 
.................................................................................................... 108 
3.3.1. Условия проведения процесса ..................................................................... 108 
3.3.2. Технологическое оформление ..................................................................... 109 
Вопросы для самоконтроля .................................................................................... 115 
Список литературы ................................................................................................. 117 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Основной органический синтез (тяжелый органический синтез) – многотоннажное малостадийное промышленное производство органических соединений на основе углеводородного сырья (нефть, газ, уголь) и продуктов его переработки. В отличие от тонкого органического синтеза, производство продукции основного органического синтеза, как правило, представляет собой непрерывный процесс, реализованный на крупных производственных комплексах  
с агрегатами большой единичной мощности (до 1000 тыс. тонн вгод).  
Особенности технологии основного органического синтеза обусловлены 
большими масштабами производства и высокими требованиями к чистоте получаемых продуктов. Это, прежде всего, непрерывность технологических процессов, определяющая в целом последовательную структурную схему производства. Иногда, особенно в случае периодических процессов, применяются 
технологические схемы с параллельным соединением аппаратов. Технологические ограничения, обусловленные физико-химическими факторами (равновесный выход продуктов реакции, наличие азеотропных смесей), а также требования экономичности и безопасности работы создают необходимость использования обратных связей между аппаратами технологической схемы (потоки вещества и энергии, направленные от последующих аппаратов к предыдущим). 
Обратные связи, рециклы, обеспечивают более полное использование сырья и 
увеличение выхода целевых продуктов, получение продуктов требуемой чистоты, утилизацию тепла и др. 
Основной органический синтез отличается высоким уровнем автоматизации производственных процессов. На предприятиях основного органического 
синтеза действуют автоматические системы управления сложными химикотехнологическими комплексами (цехами, производствами); разрабатываются 
системы автоматизированного оптимального проектирования. Кибернетические 
методы и средства используются также при разработке технологических схем. 
Химическое превращение веществ в основном органическом синтезе стараются осуществить при минимальном (1–3) числе реакционно-аппаратурных 
стадий, одновременно совмещая рабочие функции аппаратов и используя 
направленно-совмещенные реакционно-массообменные процессы. Для интенсификации химических стадий применяют высокоактивные катализаторы,  
а в ряде процессов – высокие температуры и давления или вакуум. Одним из 
важных показателей, определяющих эффективность процессов основного органического синтеза, является селективность катализаторов. В основном органическом синтезе наибольшее распространение получили реакторы с контактом 
газовой и твердой фаз (с неподвижным или псевдоожиженным слоем катализатора), а также газовой и жидкой фаз (преимущественно колонные, барботажные 
и с эрлифтом). Большую роль в производствах играют процессы выделения  
и очистки. Так, капиталовложения только в оборудование ректификации составляют в среднем 20 % от сметной стоимости заводов, а энергетические затраты на процессы разделения достигают 50 % и выше от себестоимости продукции. В связи с ростом единичных мощностей установок первичной перера4 

ботки нефти и газа ряд важных продуктов основного органического синтеза 
(бутадиен, изопрен, стирол) получают непосредственным выделением (главным 
образом специальными методами ректификации) из смесей продуктов пирогенетических процессов. Для производства этих продуктов обычными (синтетическими) методами требуется дополнительно несколько стадий.  
Таким образом, оборудование непрерывных процессов органического синтеза условно можно разделить на вспомогательное и основное. К вспомогательному оборудованию относятся хранилища, насосы, испарители, плавители, котлы, фильтры и др. Основное оборудование представлено реакторами, конверторами, ректификационными колоннами. 
В настоящем учебном пособии рассмотрено и проиллюстрировано устройство основного и вспомогательного оборудования технологий основного органического синтеза. Особое внимание уделено реакторам и конверторам  
контактно-каталитических процессов, оборудованию процессов ректификации 
(ректификационным колоннам, их внутреннему устройству, конструкциям тарелок), рассмотрено технологическое оформление некоторых важнейших процессов органического синтеза, в частности, процессов алкилирования, каталитического крекинга и риформинга. 
Настоящее учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной 
форм обучения по направлению – «Химическая технология», профиль подготовки – «Технология органического и нефтехимического синтеза» и призвано 
расширить теоретические и практические представления обучающихся об аппаратурном оформлении процессов основного органического синтеза. 
5 

1. Вспомогательное оборудование 
 
1.1. Аппаратура для расплавления твердых реагентов 
 
Получению парогазовой смеси контактируемых веществ обычно предшествует их расплавление, если при комнатной температуре эти исходные вещества находятся в твердом состоянии. 
Расплавление является весьма несложной операцией, которая может быть 
проведена в самых разнообразных и простых по устройству аппаратах. Эти аппараты чаще всего выполняются в виде котлов, обогреваемых теплоносителями. Поверхность теплообмена оформляется любым способом: в виде змеевиков, 
рубашек и т. д. В плане легкости очистки аппарата наиболее удобны рубашки и 
змеевики, приваренные к стенкам аппарата с наружной стороны. Например,  
для плавления нафталина или фталевого ангидрида применяют стальные сварные котлы с паровыми змеевиками, приваренными снаружи к стенкам и днищу 
аппарата. В случае плавления фталевого ангидрида возможна его конденсация 
на внутренней поверхности крышки, поэтому крышку тоже делают обогреваемой. Обычно снаружи к крышке приваривают змеевик, обогреваемый паром. 
Необходимость применения плавителей отпадает при поступлении твердого сырья в обогреваемых цистернах. При этом уменьшаются потери при перегрузках и потери при хранении (с сублимацией). 
 
1.2. Аппаратура для очистки газовых реагентов 
 
Атмосферный воздух, используемый в качестве окислителя в контактнокаталитических процессах, должен быть подвергнут очистке перед поступлением в контактный аппарат и компрессор, так как пыль, содержащаяся в воздухе, 
может отравлять катализатор при прохождении воздуха через контактные трубки аппаратов. 
Для очистки воздуха от твердых примесей применяют висциновые фильтры (рис. 1), которые монтируются на всасывающем патрубке воздуходувки. 
Фильтры изготавливают в виде стандартных коробок сечением 520u520 мм  
и глубиной 75 мм. Боковые стенки коробок затянуты металлическими сетками, 
а пространство между ними заполнено кольцами, смоченными висциновым 
маслом (смесь машинного масла с глицерином и едким натром). Висциновые 
фильтры отличаются простотой конструкции, высокой производительностью, 
малым гидравлическим сопротивлением, удобством в эксплуатации. Степень 
очистки газа от твердых примесей в таких фильтрах достигает 99 %, допустимая часовая нагрузка на 1 м2 фильтра до 8000 м3 воздуха, гидравлическое сопротивление запыленного фильтра составляет при этом 20 мм вод. ст. По мере 
засорения фильтра коробку заменяют, кольца промывают керосином, сушат, 
снова смачивают маслом и ставят коробку на место. 
 
6 

 
 
Рис. 1. Висциновый фильтр: 
1 – стенки коробки; 2 – насадка 
Рис. 2. Маслоотделитель Э-120: 
1 – отстойник; 2 – обрезки трубок;  
3 – фланец 
 
Воздух, сжатый поршневыми и ротационными компрессорами некоторых 
типов, содержит капельки масла. Если такой воздух направить в контактный 
аппарат, масло окислится и будет загрязнять получаемые продукты. Этим объясняется необходимость очистки сжатого воздуха на выходе из компрессора. 
Маслоотделитель Э-120 (рис. 2) служит для удаления масла и конденсата  
из сжатого воздуха, поступающего от компрессора. В корпусе маслоотделителя 
между решетками размещены обрезки трубок 2, на которые осаждается масло. 
Нижняя часть корпуса образует отстойник 1, в котором скапливаются вода  
и масло. В отстойник ввернут кран продувки маслоотделителя.  
1.3. Аппаратура для испарения жидких реагентов  
и получения парогазовой смеси 
 
В процессах контактирования, специфичных для промышленности органического синтеза, обычно принимают участие два реагента (не считая катализатора), один из которых – жидкость, а другой – газ (например, нитробензол и водород, расплавленный нафталин и воздух). 
Перед контактированием жидкие реагенты испаряют и смешивают с газообразными для получения парогазовой смеси определенного состава. Эти процессы могут быть проведены различными способами в разной по устройству 
аппаратуре. Из применяемых в технике принципиально различных способов 
испарения следует отметить испарение при температуре кипения и испарение 
при температуре ниже температуры кипения. По первому способу допускается 
возможность предварительного испарения с последующим смешением паров и 
газа. По второму способу предусматривается одновременное испарение жидкости и смешение ее паров с газом. 
Испарение жидких веществ по физической сущности мало отличается от 
процессов выпаривания и поэтому может проводиться в различных выпарных 
аппаратах, в которых происходит равномерное испарение жидкости. 
Один из характерных аппаратов для испарения жидкости при температуре 
кипения представлен на рис. 3.  
7 

 
 
Рис. 3. Испаритель жидкости  
при температуре кипения:  
1 – подогреватель;  
2 – брызгоуловитель; 3 – штуцер  
для опорожнения аппарата 
Рис. 4. Скоростной  
испаритель жидкости:  
1 – стальной цилиндрический резервуар;  
2 – рубашка; 3 – решетка;  
4 – насадка 
 
Аппарат выполнен в виде стального цилиндрического сосуда, в нижней 
части которого расположен трубчатый подогреватель 1, обогреваемый паром. 
Испаряемая жидкость поступает через боковой штуцер в нижнюю часть испарителя, образующиеся пары уходят через брызгоуловитель 2. Штуцер 3 предназначен для полного удаления жидкости в период чистки аппарата. Испаренное  
в аппарате вещество далее дозируют перед смешением с газообразным ингредиентом. 
Иногда предпочитают дозировать органическое вещество не в парообразном состоянии, а в виде жидкости. В этом случае применяют аппараты, в которых испарение происходит мгновенно, вследствие чего расход жидкого реагента может определяться количеством жидкости, подаваемой на испарение.  
Подобный испаритель показан на рис. 4. Это стальной цилиндрический резервуар с паровой рубашкой и решеткой, на которой уложена насадка. При достаточной поверхности нагрева и большой разнице между температурой кипения жидкости и температурой теплоносителя вводимая в аппарат жидкость испаряется со скоростью ее подачи и смешивается с поступающим газом. Парогазовая смесь удаляется из аппарата через верхний штуцер. Насадка, заполняющая верхнюю часть аппарата, способствует более равномерному смешению пара с газом и, кроме того, выполняет функции брызгоуловителя. Применение 
испарителей подобного типа обеспечивает равномерность подачи парогазовой 
смеси, но из-за небольшой производительности такие аппараты могут использоваться только в производствах малой мощности. Кроме того, в состав парога8 

зовой смеси, получаемой в описанных испарителях, переходят смолистые вещества, содержащиеся в исходном сырье или образующиеся в процессе его испарения. В некоторых случаях попадание смолистых веществ на катализатор 
приводит к его отравлению, что ограничивает область применения указанных 
испарителей. 
В испарителях при температуре ниже температуры кипения газы насыщаются парами жидкости при температуре ниже температуры ее кипения. Состав 
образующейся парогазовой смеси зависит главным образом от температуры 
жидкости. Такие испарители, в свою очередь, делятся на аппараты с постоянным объемом жидкости и аппараты исчерпывающего испарения. 
 
 
Рис. 5. Испаритель барботажного типа:  
1 – рубашка; 2 – барботер; 3 – брызгоуловитель 
 
В аппаратах первого типа расход органического вещества определяется 
температурой жидкости и газа, количеством газа, расходуемого в единицу времени, и поверхностью зеркала испарения. В аппаратах второго типа расход органического сырья регулируется дозированием жидкости, так как в единицу 
времени испаряется жидкости столько, сколько вводится ее в испаритель.  
Как правило, аппараты, работающие по принципу исчерпывающего испарения, 
более производительны, чем аппараты с постоянным объемом жидкости.  
На рис. 5 показан аппарат барботажного типа, относящийся к аппаратам с постоянным объемом жидкости. Он выполнен в виде котла, снабженного паровой 
рубашкой, барботером и брызгоуловителем. Испаряемая жидкость вводится  
в аппарат периодически или непрерывно через верхний штуцер (на рисунке  
не показан). Газ, непрерывно поступающий в аппарат через барботер 2, насыщается парами жидкости и удаляется через брызгоуловитель 3. 
К аппаратам аналогичного типа относится вертикальный цилиндрический 
испаритель фталевого ангидрида (рис. 6). Расплавленный фталевый ангидрид 
подается в аппарат через патрубок 1. По трубе 2, заканчивающейся внизу колоколом, в испаритель вводится перегретый водяной пар. Испаритель снабжен 
змеевиками, приваренными снаружи к стенкам и днищу аппарата. При большой 
9 

длине змеевика его последние витки заполняются конденсатом и потому работают неэффективно. Коэффициент теплоотдачи от конденсата к стенке ниже 
коэффициента теплоотдачи к ней от конденсирующегося пара. Поэтому при 
необходимости монтировать длинный змеевик его выполняют из нескольких 
секций. В испарителе имеется двухсекционный змеевик, одна секция 7 служит 
для обогрева стенок испарителя, вторая секция 12 – для обогрева днища. Каждая секция снабжена самостоятельными вводами пара (трубы 6 и 10) и отдельными выводами конденсата (трубы 9 и 11). 
Аппарат изготовлен из кислотостойкой стали 1Х18Н9Т и покрыт слоем 
термоизоляции. Смесь паров фталевого ангидрида и водяного пара отводится 
из испарителя через штуцер 4. Измерение температуры проводится при помощи 
термопар, снабженных гильзами 3 и 5, одна из термопар находится в паровой, 
другая в жидкой фазе. 
 
 
Рис. 6. Аппарат барботажного типа для испарения фталевого ангидрида:  
1 – патрубок наполнения; 2 – труба для ввода перегретого водяного пара;  
3, 5 – гильзы для термопар; 4 – штуцер для отвода смеси паров фталевого ангидрида  
и воды; 6, 10 – трубы для ввода греющего пара; 7, 12 – секции парового змеевика;  
8 – термоизоляция; 9, 11 – трубы для отвода конденсата 
 
В производстве фталевого ангидрида малой мощности применяют испаритель нафталина с постоянным объемом жидкости (рис. 7).  
Этот аппарат конструктивно оформлен в виде горизонтального цилиндра, 
снабженного трубой 1 для ввода газа, паровым змеевиком 2, патрубком 5 для 
ввода испаряемой жидкости. Этот патрубок автоматически закрывается клапаном 4, который связан рычагом 6 с поплавком 7. Жидкость вводится в аппарат 
непрерывно, причем клапан и поплавок регулируют приток ее через патрубок 5 
так, чтобы уровень жидкости в аппарате и соответственно зеркало испарения 
10