Научно-практические основы процесса дегидрирования этилбензола в присутствии водяного пара, полученного из воды, подвергнутой физическому воздействию - А. Лиакумович

Следующим этапом развития процессов дегидрирования можно считать успешный пуск в октябре 2003 г. на ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» производства СТ мощностью 200 тыс. т/г вакуумным дегидрированием [29]. Технология была разработана российскими учеными под руководством Г.Р. Котельникова. Низкое соотношение [водяной пар]: [ЭБ] (менее 2,0:1 по массе) и высокий уровень конверсии ЭБ (до 70 %) обеспечивают низкие эксплуатационные затраты энергосредств, а высокие показатели селективности по СТ (до 95 % в промышленных условиях), обеспечивают низкий расход исходного сырья на производимый СТ.

Однако расчет равновесных выходов СТ при дегидрировании ЭБ при разных температурах и степенях разбавления водяным паром показывает, что теоретически возможно достижение 80-90 % выхода СТ [30]. Во всех вышеизложенных методах не был достигнут термодинамический максимум. Резерв составляет около 10 %.

Успешное внедрение вакуумного дегидрирования в промышленности означает начало перехода процессов нефтехимии на новый уровень, т.к. основные процессы, такие, как пиролиз, каталитический крекинг, дегидрирование парафиновых углеводородов (УВ), протекают с увеличением объема, и проведение этих процессов под вакуумом позволит значительно увеличить выход целевых продуктов. Единственная проблема подобных технологий – высокая стоимость компрессоров и сложности, связанные с их эксплуатацией.

Однако существуют попытки и другого подхода решения этой проблемы, заключающегося в использовании внешних физических полей в качестве дополнительного источника энергии.

1.2 Повышение эффективности процессов воздействием физических полей

По мере развития физики высоких энергий возникли подходы, подразумевающие передачу энергии либо катализатору с целью подвода тепла реакции [31], либо продуцирование ионов, радикалов или других активных частиц, которые могли бы быть инициаторами [32], либо структурные изменения реагентов, отличные от традиционных [33]. Вполне объективно, что родилась область химии, которая исследует протекание химических реакций под воздействием физических и механических полей.

Первоначально это были работы группы ученых под руководством К.С. Минскера, связанные с турбулизацией потоков, когда ускорялись массообменные процессы и, следовательно, увеличивались выходы продуктов [34]. Ими предложен аппарат типа инжектора, в цилиндрической части которого происходило смешение одного или двух потоков реагентов на огромной скорости. Такое смешение приводило к сильному ускорению реакции. Однако подобные конструкции трудноосуществимы для аппаратов большой единичной мощности, что побудило исследователей обратиться к воздействию электрических, магнитных, электромагнитных полей (ЭМП) сверхвысоких частот (СВЧ), плазмы, акустики (Ак) [35, 36]. Так возникло новое направление химии, основанное на ускорении химических процессов, а в науке и практике утвердились методы воздействия на химизм реакций и способы интенсификации. Из них наиболее прочное место удерживают плазмо-, звукохимия, МВИ, кавитация, воздействие магнитными и ЭМП.

По нашему мнению, наиболее предпочтительно из этих путей использование МВИ и Ак, т.к. вырисовываются конструкции промышленных аппаратов. Поэтому в своих исследованиях мы решили изучить возможность применения МВИ и Ак для интенсификации химических процессов на примере дегидрирования ЭБ.

1.2.1 Применение микроволнового излучения в химии и химической технологии

МВИ или СВЧ излучением, или дециметровыми, сантиметровыми, миллиметровыми волнами называют электромагнитное излучение (ЭМИ) с частотой приблизительно от 300 МГц до 300 ГГц или длиной волны от нескольких миллиметров до нескольких метров. МВИ используется в телекоммуникационной связи, а также в радиолокации. Международным соглашением для лабораторных и бытовых микроволновых печей выделены частоты 2450 МГц (λ = 12,2 см) и 915 МГц (λ=32,7 см) [37, 38].

В органической химии МВИ начало применяться сравнительно недавно. Первая новаторская публикация – малоизвестный патент Bhargava Naresh’а (BASF, Канада), связанный с использованием микроволновой энергии для получения сложноэфирного пластификатора, появилась в 1981 г. Затем в 1986 г. появились две известные статьи исследовательских групп R. Gedye и R. Giguere. Авторами описаны некоторые реакции, завершающиеся в течение нескольких минут, которые проводились в герметичной посуде (стекло или тефлон) в микроволновых печах.

В литературе представлены порядка 2500 тысяч публикаций, посвященных микроволновой активации в органическом синтезе. Главные результаты собраны в исчерпывающих обзорах и книгах [39-49]. В России впервые такая обзорная книга была выпущена башкирскими учеными под руководством Д.Л. Рахманкулова, в которой обобщены и систематизированы результаты исследований использования МВИ как источника энергии для проведения ряда процессов в химии, химической, нефтехимической и нефтяной отраслях промышленности.

Впечатляющий рост использования данного метода, несомненно, связан с развитием новых специальных реакторов, позволяющих четко контролировать и воспроизводить процессы с применением МВИ, а также с повышением интереса промышленных и фармацевтических лабораторий. Однако достоверные данные об эффективности применения МВИ можно получить лишь при строгом сравнении реакций, проводимых с использованием МВИ с реакциями проводимых в традиционных условиях (реакционная среда, температура, время, давление) [50-52]. Для этого предпочтительнее использовать мономонодовый микроволновый реактор, который фокусирует волну, при этом возможен более четкий контроль температуры на протяжении всей реакции [53]. Основанное на таком строгом сравнении утверждение делает применимым МВИ для различного типа реакций и условий эксперимента.

Взаимодействие микроволнового излучения с веществом

МВИ может взаимодействовать с веществами, находящимися в газообразном, жидком или твердом состоянии. Наибольший интерес вызывает взаимодействие МВИ с жидкими и твердыми веществами. Заметное поглощение МВИ наблюдается при облучении многих жидкостей и жидких растворов. Особенно сильное поглощение наблюдается в случае воды и водных растворов.

Поглощение МВИ обусловлено действием двух факторов. Вопервых, при наложении микроволнового поля движение диполей (полярных молекул или иных обособленных групп атомов) приобретает определенную ориентацию, связанную с характером налагаемого поля. Когда интенсивность микроволнового поля уменьшается, возникшая ориентация исчезает и хаотичность вращательного и колебательного движения молекул восстанавливается, при этом выделяется тепловая энергия. При частоте 2450 МГц ориентация диполей молекул и их разупорядочение может происходить несколько миллиардов раз в 1 с, что и приводит к быстрому разогреву образца. Для поглощения МВИ по этому механизму необходимо, чтобы связь диполя с окружающими его в веществе атомами обеспечивала определенную свободу его вращательного и колебательного движения. Второй фактор, особенно важный для тепловыделения при микроволновом воздействии в водных растворах, обусловлен направленной миграцией присутствующих в растворе ионов под действием внешнего поля. Такая миграция ионов – это фактически протекающий через раствор электрический ток.

Воздействие МВИ может приводить к появлению в облучаемом образце повышенной концентрации свободных радикалов. Это позволяет в некоторых случаях проводить с использованием микроволнового облучения химические реакции, начало которых обусловлено появлением (обычно в жидкой среде) этих радикалов. Так как такие реакции осуществить без микроволнового облучения не удается вообще, то их протекание под действием МВИ иногда называют микроволновым катализом.

К сожалению, в настоящее время теория взаимодействия МВИ с диэлектриками пока еще не достигла такой степени развития, которая позволила бы заранее предсказать возможность заметного поглощения микроволнового поля диэлектриком.

Специфический нетермический эффект

Эффект МВИ в химических реакциях может быть объяснен совмещением термического и нетермического эффекта, например, перегрев, локальный перегрев, селективный нагрев и нетермическими эффектами высокополяризованного поля, в добавление к которым подвижность и диффузия, в свою очередь, могут повысить вероятность столкновений. Эффекты могут быть объяснены по закону Аррениуса [55] при изменении любого из членов уравнения 1.1:

k=A·exp (-∆G/RT) (1.1)

1. Возрастание предэкспоненциалного множителя А, который показывает вероятность столкновения молекул. На эффективность столкновений может повлиять взаимная ориентация полярных молекул, участвующих в реакции. Т.к. этот фактор зависит от частоты вибраций атомов в области контакта, то можно утверждать, что на это влияет микроволновое поле. Так объясняли Binner и другие повышение скоростей реакций в ходе микроволнового синтеза карбида титана, протекающего по реакции [56] (урав. 1.2):