Введение к работе
Актуальность диссертации.
В последнее время в связи с развитием химической промышленности перед мировым сообществом остро стоят экологические проблемы. Одна из них. - разрушение озоновото слоя атмосферы, связанное с накоплением в ее верхних слоях хлорсодержащих веществ. Особенно опасными для озонового слоя являются хлорсодержащие хладоны, используемые в промышленности в качестве теплоносителей. Во всем мире принимаются программы снятия их с производства.
В качестве замены хлорсодержащих хладонов в холодильных агрегатах предлагаются фторированные соединения ряда этана. Это 1,1,1,2-тетрафторэтан СаН^ (хладон 134а ), пентафторэтан c2hfs (хладон 125), гексафторэтан c2fb (хладон 116). Пентафторэтан (ПФЭ) применяют как хладагент в холодильных установках для низких и средних температур ( рефрижераторах и т.п.), а также он может быть использован в качестве средства пожаротушения взамен запрещенных бромхладонов.
Существующее сейчас в России производство пентафторэтана в пермском НПО "Галоген" использует метод жидкофазного гидрофторирования тетрафторхлорэтана, являющегося озоноопасным хладоном. Другими недостатками данного способа является незначительный ресурс катализатора, утилизация которого после использования связана со значительными трудностями, большой рецикл в синтезе фтороводорода и образование в качестве продукта реакции хлорово-дорода. Поэтому весьма актуальной является задача создания экологически безопасной безотходной технологии синтеза пентафторэтана, которая отличалась бы высокой производительностью и простотой в аппаратурном оформлении. Получение пентафторэтана газофазным фторированиям 1,1,1,2-тетрафторэтана элементным фтором позволяет избежать все недостатки уже существующего метода синтеза ПФЭ. Однако, процессы фторирования органических соединений элементным
фтором относительно слабо изучены и в настоящее время практически не находят применения в технологии фторорганического синтеза. В связи с етим исследование кинетики процесса газофазного фторирования 1,1,1,2-тетрафторэтана элементным фтором с цель» получения пентафторэтана, который может выступать как модельный для данного типа реакций, а так же разработка технологии производства пентафторэтана, которая обладала бы вышеуказанными свойствами и могла бы применяться для получения других гидрофторуглеродов, является актуальной задачей.
Цель заключается в исследовании реакции газофазного фторирования 1,1,1,2-тетрафторэтана и разработке безотходной технологии производства пентафторэтана, которая обладала бы высокой производительностью и простотой в эксплуатации.
Для осуществления этой цели были поставлены задачи:
-
Изучить кинетику реакции газофазного фторирования 1,1,1,2-тетрафторэтана элементным фтором и оптимизировать условия синтеза.
-
Разработать безотходную технологию получения пентафторэтана, которая отличается высокой производительностью и простотой в аппаратурном оформлении с возможностью масштабирования реакционного узла.
-
Проверить в опытно - промышленных условиях технологию получения пентафторэтана.
Научная новизна
-
Исследована кинетика реакции газофазного фторирования 1,1,1,2-тетрафторэтана элементным фтором. Показано, что реакция взаимодействия 1 ,1 ,1 ,2-тетрафторэтана и пентафторэтана имеет автокаталитический характер с порядком автокатализа 1. Реакция имеет дробный порядок по фтору, который составляет величину порядка 0.8.
-
Определена энергия активации реакции газофазного фторирования 1,1,1,2-тетрафторэтана элементным фтором, которая составила вели-
чину 50 кДж*моль~1- .
3. На основе изученной кинетики с помощью теории цепных газофаз
ных экзотермических реакции проведен расчет стационарного и не
стационарного (волнового) режима протекания реакции получения
пентафторэтана фторированием 1,1,1,2-тетрафторэтана. Показано,
что наиболее эффективным является реактор, работающего в режиме
неподвижной тепловой волны в движущемся газе.
4. Изучен состав продуктов реакции газофазного фторирования
1,1,1,2-тетрафторзтана, протекащей в нестационарном тепловом
режиме, в зависимости от концентрации фтора в исходной смеси и
определены оптимальные условия синтеза пентафторэтана. Установле
но, что при концентрации фтора, не превыщавдей 25 об Л, не проис
ходит деструкция углеродного скелета молекулы с образованием
фторметанов, и достигается 90 селективность по пентафторэтану.
-
Для получения пентафторэтана предложено использовать реакционный узел, синтез в котором протекает в режиме неподвижной тепловой волны в движущемся газе. Преимущество выбранного реакционного узла заключается в большой удельной производительности и простоте аппаратурного оформления и масштабирования.
-
Изучен процесс получения пентафторэтана в условиях неподвижной тепловой волны в движущемся газе. Показано, что состав продуктов реакции не зависит от условий теплообмена в зоне синтеза и наличия примесей в исходной смеси и является функцией только адиабатической температуры реакции, которая определяется концентрацией фтора.
-
Разработана безотходная технология получения пентафторэтана, отличащаяся высокой производительностью и простой в аппаратурном оформлении.
Практическая значимость диссертации. 1. На пилотной установке в НИК-760 НПО "Энергомаш" реализована
схема получения пентафторэтана из 1,1,1,2-тетрафторэтана в режиме неподвижной тепловой водны в движущемся газе. Подтверждена независимость продуктов синтеза от масштаба реакционного узла, что позволяет осуществить переход к промышленному реактору при концентрации фтора до 30 об.%. Селективность по пентафторэтану составила 90. конверсия фтора достигала 100%, количество фтормета-нов не превышало 0.3 мас.%.
2. Результаты, полученные в ходе исследования были использованы для расчета промышленного реактора производительностью 1000 тонн в год пентафторэтана.
Структура и объем диссертации, диссертация состоит из введения, (4) глав и заключения, изложена на 136 стр. машинописного текста, иллюстрируется (21) рисунками, содержит (21) таблицу и библиографический список из (98) наименований на 6 страницах.