Введение к работе
. Актуальность темы.
Оксид этилена широко используется для получения зтиленгликолей, эфиров гликолей, волокон, антифризов, этаноламинов, тормозных жидкостей и ряда других продуктов Мировое производство превышает 14 млн тонн в год, и продолжает динамично возрастать на 4-5% в год Мощности по оксиду этилена в России превышают 640 тыс тонн в год
В промышленности высоко теплонапряженный процесс окисления этилена в оксид этилена осуществляется в неподвижном слое катализатора - серебро с промотирующими и модифицирующими добавками на корундовом носителе, размещенном в узких длинных трубках многотрубчатых реакторов Единичные мощности промышленных реакторов в последнее время резко возрастают - до 75 - 100 тысяч тонн в год и более Даже кратковременные остановки таких реакторов приводят к значительным экономических издержкам, особенно аварийные остановки, связанные в основном с затруднениями отвода тепла при резком увеличении тепловыделения при малейших отклонениях, колебаниях технологического режима при высокой параметрической чувствительности или возникновении локальных неоднородностей в реакторах, или в слое катализатора
Поэтому проблема повышения устойчивости, стабильности работы и безопасности эксплуатации промышленных реакторов имеет большое значение и является весьма актуальной и практически значимой Цель и задачи работы.
Цель диссертационной работы заключается в анализе промышленных реакторов действующих производств процесса окисления этилена в оксид этилена и случаев аварийных остановок и тепловых срывов работы реакторов, проведение необходимых лабораторных и опытных экспериментов и на этой основе нахождение технологических и конструктивных решений для трубчатых реакторов процесса окисления этилена, повышающих устойчивость их работы и безопасность эксплуатации действующих и проектируемых реакторов
В соответствии с этой целью, были поставлены и решены следующие задачи
Провести анализ работы действующих производств и имеющихся случаев их аварийной остановки для определения возможных путей повышения стабильности процесса и предотвращения аварийных остановок
Провести экспериментальное изучение процесса окисления этилена в присутствии инертных добавок - метана, этана с целью выяснения возможности их использования для повышения допустимого взрывобезопасного содержания кислорода в исходной газовой смеси
На опытной установке экспериментально исследовать условия возникновения и развития теплового срыва в слое катализатора и сопоставить их с результатами моделирования теплового срыва процесса с использованием выбранной математическоД_мшшди_
С.-Петербург
ОЭ 200 <5Гкт^> *
Определить запасы технологических параметров к срыву для предполагаемых вариантов повышения безопасности работы реакторов
Сформулировать рекомендации для повышения стабильности (устойчивости) работы промышленных реакторов как по выбору технологических условий ведения процесса, так и по определению более безопасных основных характеристик новых реакторов на основе критерия величины запаса технологических парамеїров процесса к срыву
Научная новизна
Научную новизну работы составляют:
Анализ работы и аварийных остановок промышленных реакторов синтеза оксида этилена и результаты экспериментального исследования процесса окисления этилена на промышленных катализаторах на опытной установке позволили установить механизм теплового срыва в реакторе в целом, заключающийся в следующем: первоначально происходит перегрев в отдельной трубке (возникновение горячих пятен), а затем тепловой фронт через движущийся между трубками хладагент распространяется на соседние трубки, увеличение температуры в которых приводит к возрастанию скорости реакции и к увеличению выделяющегося тепла. Возникает тепловой срыв.
Экспериментально обнаружен факт образования пропилена при тепловом срыве в отдельной трубке при t = 400 -г- 700С, наличие которого в выходном потоке реактора рекомендуется использовать в качестве признака предаварийной ситуации.
Вычислительные эксперименты на предложенной математической модели и результаты экспериментов на опытной установке позволили определить условия безопасного проведения процесса окисления этилена по величине запаса температуры теплоносителя и других параметров к срыву.
Определен оптимальный состав исходной реакционной смеси с использованием в качестве балласта метана, который увеличивает диапазон взрывобезопасного содержания кислорода.
Найдены медленные и быстрые переменные технологических параметров, позволяющие предотвратить возникновение и развитие локального «теплового пятна» и его распространения на весь промышленный реактор.
Практическая значимость
Найдены причины возникновения и развития теплового срыва в отдельной трубке, направление и скорость распространения «горячего пятна» по реакционной трубке с катализатором.
Предложены способы введения инертного балласта - метана в газовую смесь: подача метана в смеситель или добавление метана к этилену непосредственно на установке получения этилена
Сформулированы рекомендации: по модернизации реакторов синтеза оксида этилена путем использования для охлаждения кипящей воды; по интенсификации процесса за счет оптимизации исходной газовой смеси; по определению предаварийной ситуации, которые внедрены на Дзержинском заводе окиси этилена.
- Разработан способ повышения стабильности и длительной работы промышленных реакторов синтеза оксида этилена большой мощности в условиях высокой параметрической чувствительности.
Автор защищает:
Результаты анализа действующих промышленных реакторов синтеза оксида этилена и сопоставление с математическим моделированием на основе выбранной модели; результаты экспериментальных исследований процесса окисления этилена в присутствии инертных предельных углеводородов - метана и этана, экспериментальных исследований условий возникновения и развития теплового срыва в трубчатых реакторах; результаты расчета основных характеристик оптимальной конструкции реактора (диаметра и длину трубок с катализатором при наличии и возникновения неоднородностей в слое катализатора и в системе теплоотвода, оптимальное время контакта), рекомендации по условиям стабильной устойчивой эксплуатации промышленных реакторов процесса окисления этилена в оксид этилена.
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием методов исследования, проверенных в лабораторных, опытных и промышленных условиях, адекватностью экспериментальных и расчетных параметров, надежными хроматографическими методами анализа газовых смесей, апробированных методов математического моделирования процесса окисления этилена.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на международных конференциях по химическим реакторам «Химреактор-13» (г.Новосибирск, 1996г.), «Химрсактор-14» (г Томск, 1998 г.), "CHEMREACTOR-15" (Helsinki, Finland, 2001), «Химреактор-16» (г.Казань, 2003 г.), на VII международной конференции «Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных процессов и оборудования» (г.Иваново, 2005).
Публикации. Материалы, изложенные в диссертации, отражены в 7 опубликованных работах. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, включая литературный обзор, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 149 страницах, включающих 23 рисунка, 35 таблиц и 128 ссылок на источники научно-технической литературы
