Применение комплексного подхода к каталитического процесса дизайна

Для обеспечения практической, эффективной и экономически устойчивый процесс, первым рассмотреть вопрос о успешного каталитической реакции системы будет работать, а затем сосредоточиться на катализатора с желаемыми характеристиками.

Высокие цены на энергоносители поставил ставку на эффективные процессы, которые работают при более низких реакция тяжести и с уменьшенным требует разделения. Мировой экономики и заставляет производителей постоянно совершенствовать свои процессы, чтобы сохранить конкурентоспособность.

Часто эти доходы получены путем изменения технологической схемы, идя на компромиссы между капитального ремонта и эксплуатационные затраты. В других случаях, повышение эффективности могут быть реализованы без значительных капитальных вложений путем пересмотра реакции системы (реактора и катализатор) в центре этого процесса. Каталитические процессы, в частности, поддаются такого рода улучшения из-за большей гибкости предоставляемых изменения катализатора. Там могут быть ситуации, когда катализатор, специально предназначенные для улучшения нет реакции, но весь процесс может дать значительную экономию средств без необходимости больших капиталовложений.

Catalyst производители постоянно работают над улучшением производительности своих продуктов. Кроме того, уровень понимания многих катализаторов значительно улучшилась в последние годы.

Во многих случаях, однако, катализатором дизайн остается больше искусство, чем наука. Способность прогнозировать в начале идеальным катализатором данной реакции остается проблемой. Методом проб и ошибок подходы, такие как высокопроизводительного скрининга катализатора материалов, по-прежнему предпочитают методы для открытия новых катализаторов.

К сожалению, с высокой пропускной методы лучше подходят для оптимизации катализатора проверки работы большого числа катализаторов, чем открытие новых. Исследователь по-прежнему должны решить, что пространство параметров для проведения расследования, даже с возможностью выполнять сотни и тысячи опытов, в короткий период времени.

Развитие новых каталитический процесс затруднен из-за почти бесконечное число вариантов для катализатора формулировок. Однако, несмотря на возможности почти безграничны, ученые ознакомятся с существующими каталитические процессы часто, как правило (почти инстинктивно) продолжать совершенствовать существующие катализаторы и процессы, даже если они представляют собой зрелую технологию. Хотя небольшое повышение эффективности, скорее всего, настоящим прорывом не является.

Одна из трудностей в разработке новых каталитических процессов связано с традиционной линейной философии дизайна: активный катализатор обнаружили или избран, реактор предназначен, а затем окончательный процесс развивается, как показано на рисунке 1a. Эти виды деятельности могут осуществляться различными группами или даже разных компаний, что делает обратного потока информации трудно. Этот подход был несколько лет, и все еще используется сегодня.

В этом линейный подход, часто деятельности или селективности катализатора служит оптимизирован переменной. Более активных катализаторов, как правило, рассматривается как лучше, чем менее активную 1. Тем не менее, производительность катализатора фактически должны рассматриваться как второстепенные. Решающим фактором является производительность процесса в целом, включая капитал, энергии, сырья и отходов расходы восстановления. Дополнительные факторы, такие как катализатор жизни, восстановительной стоимости и физические характеристики, также имеют важное значение (1).

Эти факторы часто не учитываются при разработке катализатора и вместо этого рассмотреть на более позднем этапе, после катализатора был выбран. По сути, линейный поток информации исключает важные переменные катализатора дизайн, и катализатор разработан без учета последующей конфигурации реактора, который, в свою очередь, диктует процесс экономики.

Эта линейная парадигма разработки, в которых развивающиеся экономические критерии и проектирование системы, реакция последнего шагов, в обратном направлении. Как можно наиболее подходящего катализатора быть выбраны при отсутствии спецификации дается для остальной части процесса? 1-способ линейного потока процесса проектирования приводит к оптимальным решениям.

Комплексный метод процесса дизайна представлены здесь не меняет традиционный подход - указать первый характеристик успешного процесса, а затем проектировании реактора и призван стимулировать эти характеристики. Дизайн всех аспектах этого процесса, в том числе катализатора и конструкции реактора, происходят одновременно, причем каждый аспект воздействия на все другие (рис. 1b). Такой подход учитывает не только кинетики реакции, а также влияние катализатора структуры, toxicify, время жизни, и, возможно, самое главное, каким образом катализатора, реактор и общего процесса могут быть совместно разработаны, всегда с учетом практического применения и стоимость процесса, выход будет лучше.

После этого подхода может привести к значительному улучшению процесса экономики. Он может также сократить время процесса развития, которая имеет свои собственные экономические выгоды. Сокращенный процесс развития цикла не только снижает затраты на R

Тем не менее, этот комплексный подход требует гибкости и готовности отказаться от исследований, которые не соответствуют критериям процесса. Он требует, чтобы исследователи постоянно задавать себе один вопрос о своей работе: Будет ли этот вопрос? С учетом реальности конкретного процесса, будут исследований приводят к значительному улучшению в случае успеха?

Слишком часто, время и деньги впустую, потому что исследование отдельно в исполнении функциональных групп, что каждый работает на конкретный аспект процесса. Например, катализатором группа будет усердно заниматься лучше катализатора, даже если один вывод не изменится процесс каким-либо существенным образом.

Раздельное исследование приводит к постепенных усовершенствований. Комплексное исследование приводит к прорывам. Постоянная обратная связь с постоянно совершенствуются экономические оценки, как правило, держать тангенциальных деятельности в узде, но и позволяет по ходу поправка к R

Первый шаг заключается в определении процесса или продукта, для которого комплексный подход будет применяться. Некоторые характеристики показывают, что условно разработан процесс может выиграет от такого подхода:

условия Extreme процесса. К ним относятся действующие на очень высокий или очень низкий (вакуум) давления, при очень высоких или к югу от температуры окружающей среды или с кормом композиций Расходы, приведенные, экзотических материалов, строительных и других параметров процесса, которые являются нетипичными для большинства процессов, происходящих в области . Примером такого процесса является производство водорода из паровой метана реформирования (SMR), которая проходит в температурах, близких к 1000 ° C, потребляет большое количество энергии, и требует дорогих строительных материалов.

Необычно крупных или сложных реакторов и разделения поездов. Это обычно указывает на плохой избирательности. Эти факторы значительно усугубляют капитальные и эксплуатационные затраты.

Краткое жизни катализатора. Это также обычно указывает на плохой избирательности (что приводит к побочных продуктов, таких как кокс) и не требует сложной схемы реактора, а в большинстве твердых кислот алкилирования процессов в настоящее время.

Опасных отходов. Они часто в результате использования опасных катализатора или другие добавки - перейти к новой химии процесса или катализатор типа, как правило, в порядке.

"Free-Ride" химических веществ. Эти материалы используются в качестве посредников или существовать в качестве промежуточных продуктов реакций, но не отображаются в конечной продукции. Как таковые, они зачастую приводят к нежелательным побочных продуктов и / или экологические проблемы. Хлор является фрирайд химических во многих процессах. Например, изоцианатов производятся с использованием фосгена, хлора, еще не появился в конечный продукт, и оно должно быть утилизированы как отходы. Хлора используется также для производства окиси пропилена в chlorohydrin процесса (который, к счастью, в основном, перемещенных в результате гидроперекиси процесс). Есть много других примеров, как обозначать тот факт, что около 30% хлора расходуется именно таким образом.

ограничения Сырье. Процесс, который использует более обильные и / или менее дорогостоящих исходных материалов также является хорошим кандидатом для комплексного развития. Рост текущих нефтехимической промышленности стимулировали развитие процессов с использованием недорогих олефинов (на основе сжиженного природного газа или НПЗ нефть), а ацетилена и других угольных полученных исходных материалов. Сегодня, действительный сферу интересов является замена олефинов сырья с менее дорогостоящими алканы или синтез-газа - бывший обильно availably из природного газа, а вторые могут быть изготовлены из различных исходных материалов, в том числе угля, углеводородов, биомассы и промышленных / бытовых отходов.

Дорогие процессов сделать простых молекул. Обычно это предполагает, что химия процесса в целом должна быть пересмотрена, чтобы найти более простой путь.

Применение комплексного подхода

Комплексный подход к катализатора дизайн имеет своей целью эффективного, экономически жизнеспособным процессом. Для достижения этой цели, анализ должен начинаться с определения того, что процесс качеств наиболее лучшего. Дизайн могут двигаться в реактор, где реакция условий, необходимых для получения желаемого качества процесса описаны Последним шагом является сфокусированным дизайн катализаторов и реакторов, чтобы помочь создать определенные условия в реакторе. Рисунок 2 изображает этот процесс.

Этот подход требует, в предположении, что катализатор с какой-либо свойства могут быть сделаны. Хотя, безусловно, трудно, но гарантирует, что все усилия в области развития расходуются на цели стоит, а не на целый ряд более легком для разработки катализаторов, которые никогда не будут использоваться в коммерческих целях. Это делает развитие прорыва каталитического процесса в центре внимания всех разработок, а не случайным побочным продуктом несфокусированного развития.

Процесс уровне

После процесса было выявлено, основные свойства окончательный проект может быть определен на основе анализа процесса в целом. Это включает в себя ряд вопросов, ответы на которые обеспечивают основу для катализатором развития:

1. Что такое ограничения экономических факторов в этом процессе?

2. Какие ограничения существуют в связи с продуктом или реагентов нестабильности?

3. Какой блок операций клиентов будет удобно использовать?

4. Какой тип реактора является наиболее экономичным?

5. Как это энергия добавлены или удалены из реакции системы?

6. Какие варианты существуют для модернизации существующего оборудования?

Ответы на эти процессы уровне вопросы обеспечить пространстве параметров, в которых развитие работы должны быть проведены, если в результате процесс будет жизнеспособным. Новый катализатор, который требует процесса, выходящие за этого параметра пространства, вероятно, никогда не будет использоваться в коммерческих целях.

Ответ на первый вопрос, ограничивающего экономический фактор, дает цель для всех разработок. Разработка долгосрочной жизни катализатора в процессе, где катализатором является недорогим и длится два года, вряд ли может принести какую-либо полезную возвращения. По ориентации в качестве сдерживающего фактора - самая дорогостоящая часть процесса - экономика влияние на максимально возможном пути.

Рассмотрение теплообмена часто упускается из виду, но может быть доминирующим фактором в процессе разработки - например, в таких реакциях, как эндотермических паровой метана реформирования и дегидрирования алканов и экзотермические реакции окиси этилена. Хотя это можно рассматривать как реактор на уровне обеспокоенности, вопрос того тепла или удаления часто влияет на всю концепцию процесса.

Ответ на четвертый вопрос, предпочтительный тип реактора, часто упускается из виду в катализатором развития и приводит к обычным, философии дизайна наизнанку. После традиционного подхода свойства катализатора диктовать реактора, который, в свою очередь, диктует большую часть остальных оперативного подразделения. Указывая желаемый реактора первого конфигурации и требует катализатора поддаваться, что реактор типа, развитие непривлекательными процессов можно избежать (2).

Ответы на другие вопросы, чтобы потенциальные клиенты будут принимать в результате процесса. Процесс, который является слишком экзотическим, не могут быть приняты в отрасли, если экономические выгоды очень большим. Способность модифицированной существующего оборудования дает доступ к коммерциализации за счет сокращения капитальных затрат и риска для раннего усыновителей.

Реактор уровне

После завершения процесса ограничения были установлены, требованиям химической реакции должны быть рассмотрены. Этот этап развития опирается на знание законов скорости реакции. Детальный механизм реакции пока нет необходимости, зная, происхождения, как желаемое и нежелательных продуктов достаточно. Важно также, на данном этапе рассматривать в качестве катализатора дизайн аспект реактора, а не рассматривать отдельно два. Ключевые вопросы, на данном этапе являются:

7. Что является ограничивающим фактором в реакторе?

8. Какие качества способствуют формированию целевого продукта?

Лимитирующим фактором реакции является явление, которое препятствует реакции от запуска в нужную конфигурацию реактора в соответствии с условиями, изложенными в процессе анализа уровня. Сдерживающим фактором может быть скорость реакции, равновесие, избирательность, теплообмен, массообмен, или дезактивации катализаторов, в частности. Ответ на этот вопрос является ключевым для фокусировки катализатором развития в аспекте катализатора / реакторной системы, которые необходимо решить для того, чтобы создать жизнеспособный процесс.

Реакция ограничена скорость реакции, очевидно, требует более активных катализаторов. С другой стороны, если равновесие является предельным, разработки более активных катализаторов является непроизводительной. В последнем случае, возможно, общая химия может быть изменена, чтобы удалить ограничение равновесия. Или другой катализатор может позволить операций на условиях, в результате которых более благоприятные равновесия конверсии. Или, может быть различной реакции без ограничения равновесия, для которого хорошие катализаторы уже есть могут быть заменены. Если тепло и массообмена является предельной, разработка структурированных катализатора или уникальных моделей потока может обеспечить выгоду.

Идентификации атрибутов, которые приводят к целевым продуктом является важнейшим связующим звеном между реактором и катализатором. Для многих реакций, в частности, ограниченный избирательностью, повышения производительности можно получить, имея низкую концентрацию реагента или один короткий срок проживания. Равновесие ограниченной реакции способствовало с низкой концентрации одного или нескольких продуктов.

Еще один вопрос, будет рассмотрен в начале фазы процесс концептуализации катализатором возобновления и восстановления. Ли катализатор теряет активность постепенно или быстро? Если условия процесса отрегулировать для поддержания постоянной производительности как можно дольше или должны быть катализатором циклически регенерации? Эти основные вопросы должны решаться в то время как процесс задуман, а не постфактум.

Реактора с катализатором должен быть совместно, направленных на достижение этих атрибутов. Много усилий могут быть растрачены впустую, когда отдельные группы исследований в рамках компании проводят различные аспекты развития реактора - когда одна группа постоянно развивает катализаторов, а другой работы для интеграции этих катализаторов в существующие процессы.

Катализаторы и реакторы не отдельные аспекты процесса! Они работают вместе, чтобы создать реакции окружающей среды и должны быть рассчитаны на совместную работу в полезным образом. Катализатора химических и физических характеристик, которые могут быть изменены, чтобы получить конкретный эффект.

Catalyst уровне

Окончательный уровень дизайна является катализатором уровне. На этом уровне, катализатор может быть сконструирован в ряду направлений, за счет приспособления такие свойства, как: плотность, прочность и распределения активных центров; микро-, мезо-и макропор структуры, электронных и окислительно-восстановительного поведения, и химический состав.

Этот уровень часто является отправной точкой для большинства проектов катализатора. Следует, в действительности, быть конечной точки. После завершения процесса и реактора были рассмотрены, катализатор может быть выполнен, зная, что результат будет эффективной, экономически жизнеспособным процессом.

На уровне катализатора, атрибуты, определенные в вопросе 7 должны быть приняты во внимание, чтобы ответить на следующий вопрос:

9. Как катализатор / системы реактора быть направлена на достижение желаемых условий реакции?

Важным моментом неявной в этом вопросе является то, что инженеры не должны полагаться на один реактор для достижения желаемых условий реакции. Катализатора не следует рассматривать просто как устройство для ускорения кинетики реакции. Катализатора может часто быть приспособлены для достижения эффектов, которые в противном случае возможно только с реактором конструкций, которые нарушают принципы, изложенные в процессе анализа уровня. Кроме того, для достижения конкретных условий реакции, а не просто более высокую активность и увеличение продолжительности жизни, может иногда приводить к противоречащий выводам о характеристиках хорошим катализатором.

Комплексный подход, описанный здесь, не требует значительных подробно о реакции механизмов или констант или использования сложных методов моделирования. Широкое мнение, что оно принимает с учетом характера данного подхода, который предназначен для ликвидации научно-исследовательской деятельности, которые вряд ли может принести положительные результаты даже в случае успеха, а вместо этого сосредоточить усилия на конкретной цели.

На рисунке 3 показана длина весов в течение которого процесс должен быть разработан и некоторые соображения на каждом уровне. Эти факторы являются частью непрерывного процесса, а не отдельные компоненты, и должны рассматриваться одновременно из-за взаимодействия различных масштабах. Некоторые из этих взаимодействий являются интуитивными, таких, как способ воздействия активных центров катализатора реактора. Другие не, например, как эффективность катализатора диффузии пор в конечном итоге влияет на окружающую среду процесса путем оказания влияния на побочные продукты, которые образуются.

Важно также помнить, что для достижения целей процесса требуют, что влияние каждой длины масштаба рассматриваются. Высшее селективности, например, может быть достигнуто путем изменения не только катализатором активных сайтов, а также структуры катализатора пор, форма зерна катализатора и размер, химический процесс, а общий дизайн реактора. Однако, такая попытка, следует проводить только, если это имеет существенное положительное влияние на крупнейший масштаб длины (процесс экономика, безопасность, окружающую среду и т.д.). Комплексный подход призван обеспечить, чтобы все до масштабов, считаются, начиная с самых крупных и важных. Это самый крупный масштаб длины, что является основным критерием, по которому процесс судить.

Подход на практике

Два тематических исследований, продемонстрировать применение этого метода на реальных инженерных задач. Первый связан с развитием твердого кислотного катализатора для изопарафины алкилирования и показывает, как метод используется, чтобы избежать развития неэффективных процессов. Вторая включает в себя системы роман реакции на реакции Фишера-Тропша, и показывает, как этот метод может быть использован, чтобы избежать научно-исследовательских работ, которые не оказывают влияния на ограничивающим фактором в этом процессе.

Пример 1: обеспечение благоприятных экономика

Изопарафины алкилирования использованием легких углеводородов в качестве сырья, общий процесс, используемый, чтобы алкилата, смесь изомеров октана, таких как trimethylpentanes. Алкилирование важно переработки в качестве источника чистого, высокого качества смешивания компонентов для переформулировать бензина. Она также представляет собой уникальный процесс, в котором две технологии конкурируют: жидкость-кислотно-катализируемых и твердого кислотно-катализируемых процессов (см. "Солид-кислотных катализаторов Shape Up для алкилирования," ВИС, январь 2007, с. 8-9). Алкилирование особенно интересен тем, что три крупные компании предлагают прямые лицензирования, твердого кислотно-катализируемых технологий, но не производства масштаба сооружения были построены из-за высоких капитальных затрат, связанных со сложными схемами реактора. Алкилирование поэтому представляет собой интересный случай исследования в разработке каталитических процессов.

Изопарафины алкилирования может быть определено как неоптимальный процесс по двум причинам - За короткий исторический срок катализатора и его опасных побочных продуктов. Традиционно, алкилирования осуществляется с использованием жидких кислотных катализаторов, либо плавиковой кислоты (3, 4) и серной кислоты (5). Плавиковой кислоты особенно опасна из-за склонности к образованию аэрозолей после освобождения. Серная кислота является несколько более безопасными, хотя и потребления в этом процессе является высокой и регенерации потери значительны (6).

Замена жидкости кислот с твердой кислотного катализатора позволит устранить опасность. Тем не менее, все попытки использовать твердые кислоты, не увенчались успехом из-за в первую очередь быстрое дезактивации катализатора коксования. Применяя комплексный подход показывает, как обе эти проблемы могут быть решены уступить безопасного коммерческого процесса алкилирования.

Начало на уровне процесса, в качестве сдерживающего фактора для алкилирования HF является опасность кислоты освобождения. Опасность заключается в количественном на стоимость разлива контроля и мониторинга оборудования, а также финансового риска, что ВЧ-устройств может быть запрещено будущих правил. Сдерживающим фактором в серной кислоте алкилирования является стоимость замены катализатора из-за большого потребления кислоты во время реакции, а также расходы на лечение отходов, содержащих различные органические соединения, растворяют в серной кислоте (7). Необходимость коррозионно-стойкие технологического оборудования и дополнительного оборудования кислоты нейтрализации также увеличивает капитальные затраты на эти процессы. Использование неопасных твердых кислоты позволит устранить все эти сдерживающие факторы, значительно улучшая процесс экономики и безопасности.

Другие вопросы, уровня процессов приводит к желаемому катализатора форме. Никаких конкретных вопросов стабильности существуют в этом процессе, хотя и с условием, что катализатор должен быть стабильным полезно. Такое требование не исключает использования галогенных основе катализа, например, к югу BF ^ 3 ^ ^ или AlCl 3 ^ к югу поддерживается на глинозем, которые chemicaliy неустойчивой в рамках процесса условиях и при поддержке жидких кислот, которые могут выщелачивания в технологических потоков. Таким образом, только истинный твердый кислота является приемлемым.

НПЗ могут быть готовы использовать несколько конфигураций реактора, а просто плотный слой часто предпочитал. Упакованные кровати легко изготовить и поддерживать и просты в эксплуатации. Кроме того, они обычно наиболее экономичным по тем же причинам. Использование плотный слой также позволяет взрослыми димеризации олефинов единиц или некоторые недавно выведенных из эксплуатации МТБЭ подразделений, которые будут модифицированной сделать алкилата. Использование системы реактора свинг-кровать, в которой две кровати упакованы параллельно используются для разрешения регенерации в один, а другой находится в использовании, является приемлемым, но и для нескольких мест (три или более) позволит сделать переговорный процесс экономика менее привлекательным, так катализатора жизнь должна превышать времени регенерации.

С процессом на уровне параметров устойчивого процесса установлено, реактор на уровне анализа теперь могут обеспечить в центре внимания катализатором развития. Фактором, препятствующим использованию твердого кислотного катализатора в упакованном кровать реактор для изопарафины алкилирования быстрой деактивации катализатора (8, 9). Для определения атрибутов приводит к дезактивации, некоторые особенности реакции сети должны быть известны. Как показано на рисунке 4, дезактивация происходит за счет того олефинов в изомеров октана до гидрида передачи может произойти, или олигомеризации. Соответствующих реакций можно резюмировать следующим образом:

O P [стрелка вправо]

O O [стрелка вправо] C

O [стрелка вправо] C

, где O представляет собой молекулу олефина, Р парафин, это алкилата, желаемый товар, С-кокс, нежелательного побочного продукта, который вызывает дезактивацию катализатора. P и О реагентов. Хотя эта реакция сети существенно упрощается, оно захватывает важные общие реакции и раскрывает способ снижения дезактивации. Основной атрибут приводит к дезактивации катализаторов является высокая концентрация олефинов на поверхности катализатора. Таким образом, концентрация олефина должно быть сведено к минимуму получить длительный срок службы.

Также важно реакции крекинга, что снижает качество продукта скалыванием октановое в легкие продукты. Поддержание ниже концентрация продукта в реакторе и, равномерное распределение времени пребывания (RTD) может уменьшить продуктом распада от растрескивания.

Если этот процесс на уровне анализа не было проведено, результаты анализа реактора уровня приведет к развитию хорошо смешанных реакторов, таких, как непрерывное реакторов перемешивали-цистерны (CSTRs) (10), кипящего слоя (2), или транспортных реакторов кровать с очень большими катализатора переработки потоков (11). Эти типов реакторов всех обеспечить низкие концентрации олефинов в реакторе по отношению к корма, сокращение темпов кокса формирование и расширение времени между регенерации. Тем не менее, эти реакторы все это приводит к сложным процессам или высокие цены на энергоносители. Они также обеспечить высокую алкилата концентрации продукта в реакторе, что приводит к растрескиванию и более низкого качества продукта. В результате может быть процесс, который не является экономическим или не будет хорошо воспринята клиентами.

Вместо этого, мы создадим реактора с учетом установленных критериев. Плотный слой используется для упрощения работы и сокращения расходов. Диффузия повышению перемешивающими устройствами добавляются к ликвидации очагов высокой концентрации олефинов, что приведет к быстрой дезактивации катализатора. Наконец, в реактор разработан с картины течения и распределение времени пребывания, которые поддерживают высокое парафина к алкилата соотношение уменьшить продукт деградации. Эти усовершенствования все это способствует эффективности процесса без создания реактора, что выходит за пределы ограничений, установленных в процессе анализа уровня.

Реактора на уровне анализ показал, что необходимые функции катализатора позволяет ограничить концентрации олефинов на поверхности катализатора. Требуя катализатором для выполнения этой функции, желаемую конфигурацию реактора могут быть использованы, обеспечивая экономический процесс.

Катализатора может быть направлена на достижение этой цели путем создания оптимального распределения активных центров и контроля относительной скорости диффузии и реакции (12). Пористой структуры, которая является функцией катализатора разработки и переработки гранул, также манипулировать для повышения производительности. Все аспекты катализатора дизайн одновременно развитых достижения лучшего возможного катализатора.

Рисунок 5 сравнивает жизни катализатора разработаны с использованием этой философии в других коммерческих катализаторов. Все катализаторы работать на тех же условиях реакции, за исключением температуры, которая была скорректирована дать каждому катализатора максимально возможной жизни.

Предусматривая, что процесс должен выглядеть так, нежелательно сложных систем реактора избежать. Критерии катализатором развития также четко определены: катализатор должен функционировать в плотный слой в течение достаточно длительного периода времени, разрешение 2-местные реакции системы. Таким образом, научно-исследовательская работа тесно целенаправленного и эффективного направлены четкие цели, которые приведут к прорыву процесса.

Пример 2: упор на фактором, ограничивающим

Фишера-Тропша (FT) синтеза преобразует синтез-газ (смесь СО и водорода) в жидкие углеводороды по следующей реакции (13):

CO 2 H ^ 2 ^ к югу [стрелка вправо] "-CH 2 ^ ^ к югу -" H2O H = -170 кДж / моль

где "-CH 2 ^ ^ к югу -" представляет собой продукт, состоящий главным образом из парафиновых углеводородов переменной длины цепи. FT чаще всего используется для преобразования синтез-газа из угля или природного газа в жидкие парафины полезным как дизельное топливо.

FT технология обладает большим потенциалом для уменьшения нехватки поставок нефти и газа использовать не подходит для сжиженного природного газа (СПГ). Но она никогда не была широко принята в связи с высокой стоимостью капитала связано с несколькими аспектами этого процесса, что делает его неконкурентоспособным с относительно низким ценам на нефть. Новые второго поколения FT технологии все еще стоит свыше $ 30 000 за баррель ежедневной пропускной способности, примерно в два раза, что большинство процессов НПЗ. Хотя многие аспекты процесса в целом могут воспользоваться ремонт, реакторы имеют отношение к этой дискуссии.

FT реакторы представляют собой неоптимальный процесс, потому что они являются сложными системами реагирования и они являются частью дорогостоящий процесс, чтобы простые молекулы парафина. Сложности, является прямым результатом необходимости для отвода тепла от больших экзотермический реакции. Управление этим тепловой эффект реакции является ограничивающим фактором в реакторах FT. Шлама пузырь колонке (SBC) реакторы реактор выбор по причине высоких темпов теплоотдачи, хотя и с несколькими трубками реакторов также использовался до сих пор с большими затратами. Хорошо перемешанных характеристики реакторов SBC улучшает тепловой скорости передачи данных, но за счет более низкой скорости реакции. Меньшего размера частиц катализатора также снижает дезактивации катализаторов в результате наращивания восковой продукта в порах, но делает отделения катализатора от продуктов очень трудно. Расширение SBC также затруднено из-за сложной гидродинамики процесса. Мульти-трубки с неподвижным слоем катализатора реакторов противоположной набор характеристик - высокая скорость реакции, бедных теплообмена, катализатор подключить проблем, и нет разделения вопросы ..

С небольшой установленной базы, способность модифицированной это не важно. Кроме того, клиент может считать хочу реактора типа, менее сложным и менее дорогостоящими, чем колонке пузырь навозной жижи. Завершение процесса анализа уровня является то, что реакция системы должна быть разработана, который предлагает высокий уровень тепло-и массообмена, полученные в SBC, но без катализатора разделения вопросов.

Реактора на уровне анализа процесса FT показывает интересный момент. Ограничивающим фактором является не скорость реакции, а управление тепла. Таким образом, разработка более активных катализаторов, не так критично, как инженерное реактора для отвода тепла эффективно. Факторов, которые обеспечивают достижение целей, установленных в процессе анализа уровня более физических характер - неподвижным слоем катализатора, который устраняет проблемы фильтрации, обеспечивая массовой скорости передачи малым размером частиц и высокий уровень теплоотдачи.

Уникальная интегрированная система катализатора реакторов решает эти проблемы. Различие между катализатором и реактор размыта, с катализатором многих содействия заданными свойствами, которые обычно рассматриваются только в конструкции реактора. Новый многоуровневой структурированной катализатора используется для обеспечения низкого перепада давления и низких барьеров диффузии как SBC, но без трудностей катализатора фильтрации. Частицы катализатора находятся мал, чтобы поддерживать высокие темпы межфазного массообмена и снижения катализатора подключения. Уникальный дизайн позволяет использовать недорогие метод - пара катушек - для передачи тепла. Катализатора / реактор система снижает назад перемешивания газа при сохранении провести меры, чтобы обеспечить расширенную скорость реакции и небольшие объемы реактора по сравнению с SBC. Наконец, конструкция существенно модульной, что резко снижает сложность масштабирования гидродинамических характеристик.

Некоторые из преимуществ такой комплексный подход к проектированию реактора FT показаны на рисунке 6, в которой сопоставляются технологий, разработанных с использованием комплексного подхода к традиционным технологиям. Сосредоточив усилия на исследованиях основные проблемы высоких показателей теплоотдачи и нижней части спины смешивания, преимущества обоих типов реакторов обычных (колонка шлама пузыря и несколькими трубками с неподвижным слоем катализатора) объединены в единую систему. Устранение проблем, таких как катализатора разделения SBC и высокой изготовления и материалов, расходы на мульти-трубки с неподвижным слоем реактора дает новые технологии конкурентным преимуществом.

В этом примере исследований, направленных на неверный цель избежать. Многие исследования в FT проводится сравнение катализатора деятельности в два традиционных конструкций реактора. Поскольку эти конструкции реактора в значительной степени способствовать стоимость и сложность этого процесса, они являются первым вещи, которые должны быть уничтожены и переработаны. Как показано здесь, катализатор производительности может быть значительно повышена по сравнению с SBC просто, не используя SBC. Сосредоточение внимания на лимитирующим фактором процесса, зачастую польза и в других аспектах процесса работы.

В заключение

Вопросы, представленные здесь, позволят разработчикам рассмотреть роль катализатора и реакторе в общий процесс. В первом рассмотрении того, каким образом успешного каталитической реакции системы могут работать и фокусировка усилий в области развития о внесении катализатора с этими особенностями, успехов в разработке практических, эффективных и экономически устойчивый процесс обеспечивается. Усилия развивающихся катализаторов, которые не являются практическим на процесс масштаба избежать. Рационального, комплексного подхода к каталитического процесса развития может принести значительные достижения в области химической технологии с использованием всех уровнях проектирования, от молекулярного до завода уровне.

ЛИТЕРАТУРА

1. Armor, JN, "У вас действительно лучше Catalyst?," Прикладная катализа: Общие, 282 (1-2), с. 1-4 (март 2005).

2. Ондрей Г., новый процесс алкилирования, чтобы быть менее дорогостоящими, проблематично, "Хим. Eng., 110 (7), p. 17 (июль 2003).

3. Stefanidakis Г., JE-Гвин ", алкилирования," JJ McKetta и WA Каннингэм, ред., "Энциклопедия обработки Химические технологии и дизайн", 2, стр. 357, (1977).

4. Новак, F.-M. и др.., "Достижения в плавиковой кислоте Катализированный Алкилирование", представленный на национальной нефтехимической и НПЗ ассоциации (NPRA) ежегодное совещание, Сан-Антонио, штат Техас (март 2003).

5. Аккерман, С. и др. /., "ExxonMobil сернокислотного алкилирования процесса", представил на 222-м Национальном собрании Американского химического общества, Chicago, IL (август 2001).

6. Рао, П., SR Vatcha, "Солид-кислотная Алкилирование процесса развития находится на решающем этапе," Нефть

7. Corma, А. и А. Мартинес, "Химия, катализаторы и процессы для алкилирования изопарафины-олефинов: реальная ситуация и будущие тенденции", катализа Обзоры науки и техники, 35 (4), с. 483-570 (1993).

8. Sahebdelfar, С. и др. /., "Дезактивация Поведение Catalyst в твердых КИСЛОТЫ Алкилирование: Влияние пор Рот Подключение", Chem. Eng. Наук, 57 (17), с. 3611-3620 (сентябрь 2002).

9. Симпсон, М. Ф. и др. /., "Кинетический анализ изобутан / бутен Алкилирование по ультраустойчивых HY цеолит," Промышленная инженерия "и химических исследований, 35 (11), с. 3861-3873 (ноябрь 1996).

10. де Йонг, К. П. и др.. ", парафиновые Алкилирование Использование цеолитных катализаторах в суспензии реактора: Химические принципы инженерно для расширения Catalyst Lifetime", Chem. Eng. Наук, 51 (10), с. 2053-2060 (октябрь 1996).

11. Meister, JM, и др.., "Оптимизация алкилата производства экологически чистых видов топлива", переработка углеводородного сырья, 79 (5), с. 63-75 (май 2000).

12. Мукерджи, М. и С. Sundaresan ", ExSact-Алкилирование Шаг отъезда изопарафины технологии, Часть 1. Catalyst развития," Мир Переработка, 15 (1), с. 28-31 (январь-февраль 2005).

13. Сухие, ME, "Фишера-Тропша: 1950-2000", катализа Сегодня, 71 (3-4), с. 227-241 (январь 2002).

Дополнительная литература

Кропли, JB, и др.. ", Бутаналь Гидрирование: тематическое исследование в процесс проектирования," CHEMTECH, 14 (6), с. 374-380 (июнь 1984).

Knozinger, Х. и К. Kochloefl ", гетерогенного катализа и твердого катализа", в энциклопедии Ульман в промышленной химии, Wiley-VCH, Weinheim, с. 315-431 (2003).

Кнудсен, KG и др.. ", Catalyst и Process Technologies по сверхнизким содержанием серы Дизель," Прикладная катализа: Общие, 189 (2), с. 205-215 (январь 1999).

ДЖЕЙМС Нелсен

MITRAJIT МУКЕРДЖИ

Ричард В. Порселли

EXELUS вкл.

ДЖЕЙМС Нелсен является старшим инженером исследований Exelus (<a href="mailto:jpnehlsen@exelusinc.com"> jpnehlsen@exelusinc.com </ A>), где он занимается разработкой энергоэффективных каталитических процессов химических производств. Он получил степень бакалавра наук в области химического машиностроения Лихай Univ. и степень доктора наук в области химической инженерии в Принстонском Univ. Он также Нью-Джерси науке и технике сотрудник и был членом Айше с 1997 года.

MITRAJIT МУКЕРДЖИ является основателем и президентом Exelus, Inc (99 Дорса просп. Lrvingston, NJ 07039, телефон: (973) 740-2350, факс: (973) 740-1650, E-почта: <A HREF = "Посылка : mmukherjee@exelusinc.com "> <mmukherjee@exelusinc.com />). Он провел большую часть своей 17-летней карьеры в разработке эффективных катализаторов твердых растворов кислот процессов изопарафины алкилирования. До начала Exelus, он занимал различные должности в Catalytica и ABB Lummus Global. Он имеет степень бакалавра в области химического машиностроения в Индийском технологическом институте и степень магистра 3 из Южного Иллинойса, Univ.

Ричард В. Порселли является старшим консультантом бизнес Exelus (<a href="mailto:porcelliconsult@optonline.net"> porcelliconsult@optonline.net </ A>). Он был в химической промышленности на протяжении более 36 лет и в настоящее время осуществляет широкий спектр технических, экономических и коммерческих консультационные услуги для нефтеперерабатывающей, химической, металлургической и биотехнологической промышленности. Он предоставляет услуги 65 международных клиентов, в том числе предприятий и государственных учреждений в 15 стран, расположенных вдоль Северной Америке, Южной Америке, Азии, Ближнего Востока и Европы. Ранее он занимал ряд должностей в Холкон SD группы. Он получил степень бакалавра в области химической технологии и MS и доктора технических наук, все из Колумбийский университет.

Подтверждение

Эта работа частично финансировалась за счет субсидий из Министерством энергетики США и Национального научного фонда.

Рекомендации по осуществлению СКМ

Информационная технология

Три типа молекул самостоятельно собираться в огромные структуры

EPA вопросов, г. 2,5 руководство

Слияния и поглощения

Электроосаждение метод создает 3-D микроструктур

Растения и проекты

Оптимизация энергопотребления в aeorobic ферментеров

Совместные предприятия и альянсы

Лучше УФ процесс для обеззараживания воды