Содержание к диссертации
Введение
Основные условные обозначения 10
1 Анализ закономерностей синнеза дихлорэтана жидкофазным хлорированием этилена 12
1.1 Анализ условий проведения процесса 12
1.1.1 Химизм основной и побочных реакций 12
1.1.2 Катализ хлорирования этилена 18
1.1.3 Особенности галогенирования в присутствии кислорода 19
1.1.4 Основные факторы, влияющие на селективность 21
1.1.5 Выводы 24
1.2 Анализ конструктивных особенностей существующих реакторов 25
1.2.1 Барботажные реакторы 25
1.2.2 Газлифтные реакторы 27
1.2.3 Реакторы с принудительной циркуляцией 28
1.2.4 Выводы 29
1.3 Гидродинамические характеристики газожидкостных процессов 29
1.3.1 Режимы течения двухфазных потоков 30
1.3.2 Газосодержание 31
1.3.3 Циркуляция жидкости и продольное перемешивание 37
1.3.4 Выводы 43
1.4 Массообменные процессы в газожидкостных реакторах 43
1.4.1 Фазовое равновесие при физической абсорбции 44
1.4.2 Фазовое равновесие при хемосорбции 47
1.4.3 Кинетика хемосорбции этилена раствором хлора в дихлорэтане... 48
1.4.4 Выводы 50
1.5 Устройства диспергирования газа в жидкости 51
1.5.1 Барботаж 51
1.5.2 Струйное истечение газа в жидкость. Эжектор 52
1.5.3 Выводы з
1.6 Выводы и постановка задач исследования 58
2 Методика определение селективности в реакторе высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена 62
2.1 Определения и допущения 62
2.2 Определение селективности из материального баланса по ДХЭ 64
2.3 Определение селективности из материального баланса по хлористому водороду 66
2.4 Погрешность определения селективности 68
3 Испытания опытно-промышленного реактора синтеза дихлорэтана 69
3.1 Описание экспериментальной установки 69
3.2 Средства измерения и контроля
3.2.1 Контроль параметров режима 72
3.2.2 Аналитический контроль
3.3 Методика проведения экспериментов 73
3.4 Результаты экспериментов и их анализ
3.4.1 Сравнение сверхзвукового и дозвукового сопел 76
3.4.2 Влияние производительности эжектора и удельного расхода реагентов к поперечному сечению на селективность 77
3.4.3 Оптимальные конструктивные параметры эжектора 78
3.4.4 Объем зоны абсорбции хлора 80
3.4.5 Результаты исследования кинетики хемосорбции этилена 81
3.4.6 Выводы по результатам экспериментальных исследований 87
4 Методика расчета газлифтного реактора высокотемпературного хлорирования этилена 88
4.1 Методика расчета и математическая модель газлифтного реактора 89
4.2 Адекватность математической модели реактора 99
5 Разработка реактора синтеза дихлорэтана 107
5.1 Анализ основных недостатков эксплуатируемого реактора 107
5.2 Разработка нового промышленного реактора синтеза дихлорэтана ... 111
Основные выводы 114
Список литературы 117
- Основные факторы, влияющие на селективность
- Определение селективности из материального баланса по хлористому водороду
- Влияние производительности эжектора и удельного расхода реагентов к поперечному сечению на селективность
- Разработка нового промышленного реактора синтеза дихлорэтана
Введение к работе
Актуальность работы. Винилхлорид (ВХ) является крупнотоннажным продуктом хлорорганического синтеза. Примерно 85% ВХ идет на получение поли- винилхлорида (ПВХ). Изделия из ПВХ находят широкое применение в различных областях производства: изготовление трубопроводов, деталей для строительства, транспорта, электротехники и радиоэлектроники, тары и упаковки, настилов для полов, одежды и обуви, эластомеров, волокнообразующих полимеров и прочее.
В настоящее время себестоимость ВХ в себестоимости полимера составляют 60% - 65%. Поэтому цены на ПВХ в значительной мере зависят от экономичности технологии производства ВХ.
Начальной стадией производства ВХ является получение 1,2-дихлорэтана (ДХЭ). В промышленности для синтеза ДХЭ широко используется процесс жид- кофазного хлорирования этилена. Различают низкотемпературное и высокотемпературное жидкофазное хлорирование. Более перспективным является высокотемпературный процесс синтеза ДХЭ в газлифтных реакторах, имеющий ряд преимуществ перед низкотемпературным. В процессе синтеза продукт из реактора выводится в виде пара, образующегося в результате нагрева реакционной среды за счет тепла реакции, а катализатор - трехвалентный хлорид железа, остается в жидкофазной реакционной среде, что исключает дорогостоящую стадию отмывки ДХЭ от растворенного в нем катализатора. При этом имеется возможность использования тепла от экзотермической реакции взаимодействия хлора и этилена на ректификацию ДХЭ. Однако основным недостатком существующих конструкций реакторов высокотемпературного хлорирования этилена является недостаточно высокая селективность синтеза по основному продукту ДХЭ (98,0% - 99,0%).
Потери реагентов, обусловленные низкой селективностью, приводят к увеличению себестоимости продукции. Образующиеся высокотоксичные побочные вещества в настоящее время не находят рационального применения. Вследствие этого побочные продукты подлежат захоронению или сжиганию, что требует дополнительных затрат и загрязняет окружающую среду.
Поэтому весьма актуальной является разработка конструкции реактора для синтеза ДХЭ, отличающегося от существующих реакторов более высокими технико-экономическими показателями и, прежде всего, обеспечивающего высокую селективность процесса по целевому продукту, а в связи с этим, снижение образования высокотоксичных побочных продуктов.
Работа выполнена в рамках хоздоговоров ОАО «ИркутскНИИхиммаш» и ОАО «Саянскхимпласт» № 5126 от 14.02.2000 г. и № 6094 от 10.12.2003 г.
Цель работы: разработать конструкцию газлифтного реактора для синтеза 1,2-дихлорэтана с эжекционным диспергированием реагентов, обеспечивающую высокую селективность процесса по основному продукту.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- проанализировать закономерности процесса синтеза дихдорэтана жидко- фазным хлорированием этилена и определить основные условия, обеспечивающие высокую селективность;
разработать конструкцию опытно-промышленного газлифтного реактора синтеза дихлорэтана с эжекционным диспергированием реагентов и исследовать основные технические решения в промышленных условиях;
определить оптимальные конструктивные параметры эжекционных диспер- гаторов;
определить оптимальные конструктивные параметры абсорбционной и реакционной зон при эжекционном диспергировании реагентов для обеспечения полной конверсии хлора;
разработать методику расчета газлифтного реактора синтеза дихлорэтана высокотемпературным жидкофазным хлорированием этилена, позволяющую определять глубину кипящего слоя в реакторе, расход циркулирующей жидкофазной среды и время контакта реагентов.
разработать методику определения селективности по целевому продукту в промышленном реакторе синтеза дихлорэтана высокотемпературным жидкофаз- ным хлорированием этилена.
Объект исследования: газлифтный реактор синтеза дихлорэтана прямым высокотемпературным жидкофазным хлорированием этилена.
Предмет исследования: конструктивные и технологические параметры узлов реактора и их влияние на качество проведения массообменных процессов при синтезе ДХЭ высокотемпературным жидкофазным хлорированием этилена - селективность по целевому продукту.
Методологическая основа исследования.
Методы исследований включают натурный эксперимент, комплексный и сравнительный анализ, математическое моделирование. Использованы следующие программные продукты: Microsoft Excel со встроенным модулем Visual Basic, Ansys CFX.
Научная новизна.
-
-
Установлено, что для дозвуковых эжекционных диспергаторов газообразных реагентов в жидкофазную реакционную среду при синтезе дихлорэтана оптимальное расстояние от пересечения образующих струи газа и конусного входного коллектора до начала цилиндрической камеры смешения равно 0,095 диаметра камеры смешения. С увеличением этого расстояния селективность процесса падает, что объясняется частичным поступлением эжектирующего газа по стенкам конусного входного коллектора в основной поток реакционной среды. При расстоянии, близком к нулю эжектор обладает неустойчивой характеристикой по селективности процесса в зависимости от расхода газа.
-
Установлено, что степень конверсии хлора от времени протекания реакции при эжекционном диспергированием реагентов имеет обратную экспоненциальную зависимость, объясняемую уменьшением газосодержания и поверхности контакта фаз. Также установлено, что совмещение процессов абсорбции хлора и хемосорбции этилена увеличивает скорость реакции за счет снижения диффузионного торможения при сдвиге фронта реакции к поверхности раздела фаз, а также благодаря более высокому коэффициенту массопередачи в газовой фазе, чем в жидкости.
3. Предложенная методика расчета гидродинамики и тепломассообмена в газлифтном реакторе для синтеза дихлорэтана высокотемпературным хлорированием этилена определяет глубину кипящего слоя в реакторе, расход циркулирующей жидкофазной среды, время контакта реагентов до вскипания реакционной среды и другие технологические параметры по высоте реактора.
Практическая ценность.
Для ОАО "Саянскхимпласт" разработана конструкция промышленного газ- лифтного реактора синтеза дихлорэтана с эжекционным диспергированием реагентов, обеспечивающая высокую селективность процесса по целевому продукту.
Разработана методика расчета газлифтного реактора синтеза дихлорэтана с эжекционным диспергированием реагентов, позволяющая на стадии проектирования оптимизировать основные конструктивные и режимные параметры реактора.
Для газлифтного реактора синтеза дихлорэтана жидкофазным высокотемпературным хлорированием этилена разработана методика определения селективности по целевому продукту. Методика используется на ОАО "Саянскхимпласт" для контроля качества синтеза дихлорэтана.
Замена реактора с барботажным диспергированием реагентов на реактор новой конструкции с эжекционным диспергированием реагентов позволяет получить экономический эффект не менее 16 млн. руб. в год за счет снижения материальных и энергетических затрат в связи с повышением селективности процесса.
На защиту выносится:
конструктивные решения эжекционных диспергаторов и их узлов, интенсифицирующие массообменные процессы при хлорировании этилена;
зависимость степени конверсии хлора при взаимодействии его с этиленом от времени протекания реакции, проявляющаяся в условиях интенсивного массооб- мена;
методика расчета газлифтного реактора синтеза дихлорэтана;
новая конструкция промышленного газлифтного реактора синтеза дихлорэтана.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на международных и межрегиональных научно-технических и практических конференциях. В том числе на научно-технической конференции "Современные технологии и научно-технический прогресс" (Ангарск, 2002); международной научно- практической конференции "Прогрессивные технологии развития" (Тамбов, 2005); IX и X международных научно-практических конференциях "Химия XXI век: новые технологии, новые продукты" (Кемерово, 2006, 2007). Рассмотрены на заседании научно-технического совета ОАО «ИркутскНИИхиммаш».
Публикации. По результатам диссертационной работы имеется десять публикаций, в том числе три статьи в изданиях перечня ВАК и два патента РФ на конструкцию реактора.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений.
Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков, 16 таблиц и 4 приложения, список литературы из 107 наименований.
Основные факторы, влияющие на селективность
Сопоставление данных по кинетическим параметрам позволяет выделить основное отличие реакций атомов хлора в газовой и жидкой фазах: газофазный процесс происходит безактивационно, жидкофазный - с измеримой энергией активации. Увеличение энергии активации по сравнению с газовой фазой может быть объяснено тем, что для реакции необходим разрыв донорно-акцепторной связи атома хлора с растворителем.
Реакции галогеналкильных радикалов с молекулами хлора (1.5) изучены недостаточно. Соответствующие константы скорости в газовой фазе определены для взаимодействия радикалов, полученных присоединением атома хлора к этилену и хлорэтиленам, с молекулой хлора [11]. Значения констант скорости представлены в таблице 1.2. Сопоставление с данными таблицы 1.1 показывает, что константы скорости реакции отрыва хлора на несколько порядков меньше констант скорости присоединения атомов хлора по двойной связи. При сопоставимых концентрациях реагентов это должно привести к тому, что концентрация менее реакционноспособных галогеналкильных радикалов будет становиться больше концентрации атомов хлора, а стадия (1.5) станет лимитирующей.
В отсутствии ингибиторов и кислорода обрыв цепи в радикальном га-логенировании происходит по реакциям (1.6), (1.7) и (1.8). В жидкой фазе рекомбинация алкильных радикалов и атомов галогенов лимитируется диффузией. Преимущественное протекание обрыва цепи по одной из указанных реакций зависит от концентрации реагентов и соотношения констант скорости реакций (1.4 - 1.8), и сделать какие-либо предсказания невозможно.
Цепной механизм общепринят для термических реакций галогениро-вания в газовой фазе при высокой температуре, когда он успешно конкурирует с молекулярными процессами. Образование атомов и радикалов происходит в этих случаях путем распада молекул реагентов в объеме и на стенках реакционных сосудов. Напротив, жидкофазное гомолитическое галогениро-вание непредельных соединений, происходящее при нормальных и низких температурах, осуществляется по молекулярно-радикальному механизму.
Участие в самопроизвольных реакциях галогенирования атомов и свободных радикалов неопровержимо доказывает ряд факторов.
Индуцированное галогенирование. Образование в системах галоген -олефин атомов и радикалов обнаруживается при галогенировании соединений, не способных самопроизвольно реагировать с галогенами. К таким соединениям относятся алканы, хлорпроизводные, ароматические углеводороды и их производные. Еще в конце 20-х - начале 30-х гг. Стьюартом и др. было показано, что хлорирование этилена при комнатной температуре дает наряду с 1,2-дихлорэтаном заметные количества 1,1,2-трихлорэтана. Самопроизвольного хлорирования 1,2-дихлорэтана в условиях эксперимента не происходило. Добавление кислорода подавляло индуцирование этиленом хлорирование 1,2-дихлорэтана [15, 16].
Эффективность индуцированного хлорирования в системе хлор - этилен достаточно велика. Фактор индукции в этом случае имеет величину порядка 10 [17]. Добавки катализаторов хлоридов железа, сурьмы, хлористого водорода, - ускоряющих нерадикальное хлорирование непредельных соединений, резко снижают фактор индукции. Насыщение растворов кислородом подавляет индуцированный процесс.
Влияние ингибиторов на скорость галогенирования. Воздействие ингибиторов - стандартный тест на радикальные реакции. Если процесс осуществляется с участием радикалов, ингибиторы могут приводить к прекращению реакции. В галогенировании в неполярных средах с гомолитической реакцией конкурирует молекулярная. Поэтому следует ожидать, что добавки ингибиторов будут приводить не к остановке процесса, а лишь к уменьшению его скорости.
Наиболее распространенным ингибитором гомолитического галогенирования является кислород. Он также может участвовать в реакциях разветвления и продолжения цепи, но энергии активации таких стадий велики, и они сказываются, в основном, при повышенных температурах. При комнатной и низких температурах доминирует ингибирование, что и отмечено авторами [15, 16].
Определение селективности из материального баланса по хлористому водороду
Самопроизвольные гомолитические реакции в газовой фазе протекают при температуре выше 97С, когда зарождение цепи осуществляется за счет термического распада молекул хлора.
Жидкофазное гомолитическое галогенирование предельных соединений при нормальных и низких температурах осуществляется по молекулярно-радикальному механизму. При этом индуцирование этих реакций объясняется присутствием этилена в растворе. Добавка катализаторов, ускоряющих нерадикальное хлорирование, резко снижает фактор индукции. Насыщение растворов кислородом подавляет индуцирующий процесс.
В качестве катализатора в промышленном жидкофазном хлорировании этилена в основном используется трехвалентный хлорид железа, который помимо каталитического действия проявляет и ингибирующие свойства. Вследствие малой летучести хлорид железа (III) способен эффективно действовать только в жидкой фазе.
В газовой фазе сильным ингибитором радикального направления реакции является кислород. С увеличением температуры ингибирующая способность кислорода снижается, однако при температурах 30С - 200С он оказывает в основном ингибирующее действие.
Вскипание дихлорэтана в присутствии хлора ощутимо увеличивает скорость побочной реакции взаимодействия хлора с ДХЭ. Количество образовавшегося трихлорэтана также возрастает с увеличением времени контакта хлора с ДХЭ и концентрации хлора в ДХЭ.
Из вышесказанного, высокая селективность хлорирования этилена по ДХЭ может быть достигнута при обеспечении следующих условий: - полная конверсия хлора при минимальном времени реакции; - малый объем раствора хлора большой концентрации в реакторе; - поддержание температуры реакции ниже температуры кипения ДХЭ. Таким образом, при конструировании нового реактора необходимо руководствоваться основными принципами: - обеспечить наименьший объем раствора хлора в реакторе; - создать условия для увеличения скорости хемосорбции этилена; - обеспечить протекание реакции до полной конверсии хлора при температуре реакционной среды ниже ее температуры кипения.
Наиболее перспективным и экономичным способом получения ДХЭ в настоящее время является высокотемпературное жидкофазное хлорирование этилена в газлифтных реакторах с эжекционным диспергированием исходных реагентов и отводом тепла реакции за счет испарения реакционной среды. Однако имеющиеся экспериментальные данные и сведения, описанные в литературе, недостаточны для разработки таких реакторов с обеспечением необходимых условий проведения реакции. Отсутствуют данные о скорости протекания абсорбции хлора дихлорэтаном, так же как и о кинетике хемосорбции. Не представлены методы расчета необходимого времени, или объемов зон проведения указанных процессов при эжекционном диспергировании реагентов. Остается открытым вопрос о влиянии конструктивных и режимных параметров эжекционных диспергарторов на эффективное проведение массообменных процессов. В настоящее время нет надежных методов гидродинамического расчета газлифтной циркуляции с изменяющимся газосодержанием по высоте газлифтной барботажной зоны реактора вследствие протекания процессов абсорбции хлора, хемосорбции этилена и кипения реакционной среды.
Исходя из этого, для разработки газлифтного реактора высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена, обеспечивающего высокую селективность процесса по основному продукту - ДХЭ ставились следующие задачи работы: - проанализировать закономерности процесса синтеза дихлорэтана жидкофазным хлорированием этилена и определить основные условия, обес печивающие высокую селективность; - разработать конструкцию опытно-промышленного газлифтного реактора синтеза дихлорэтана с эжекционным диспергированием реагентов и исследовать основные технические решения в промышленных условиях; - определить оптимальные конструктивные параметры эжекционных диспергаторов; - определить оптимальные конструктивные параметры абсорбционной и реакционной зон при эжекционном диспергировании реагентов для обеспечения полной конверсии хлора; - разработать методику расчета газлифтного реактора синтеза дихлорэтана высокотемпературным жидкофазным хлорированием этилена, позволяющую определять глубину кипящего слоя в реакторе, расход циркулирующей жидкофазной среды и время контакта реагентов. - разработать методику определения селективности по целевому продукту в промышленном реакторе синтеза дихлорэтана высокотемпературным жидкофазным хлорированием этилена.
Для оценки качества проведения процесса при исследовании и принятии конструктивных решений по реактору высокотемпературного жидкофаз-ного хлорирования этилена разработана методика определения селективности по основному продукту - ДХЭ.
Влияние производительности эжектора и удельного расхода реагентов к поперечному сечению на селективность
Дальнейшее сравнение конфигураций зон абсорбции не строгое, так как при изменении их объемов были изменены основные конструктивные характеристики эжекторов (см. таблицу 3.10). Однако, учитывая существенное влияние последних на селективность и ее высокие значения, полученные при проведении процесса с частичным растворением хлора, можно заключить, что уменьшение зоны абсорбции, вплоть до подачи хлора и этилена на одном уровне, способствует снижению выхода побочных хлорорганических продуктов реакции.
Одним из важных параметров любого процесса является скорость его протекания. Основываясь на имеющихся литературных данных по прямому жидкофазному хлорированию этилена [79 и др.] в случае проведения реакции с избытком этилена реакция лимитируется диффузией хлора из объема раствора к фронту реакции у поверхности пузырьков этилена. Автором работы [32] в лабораторных условиях определено, что хлор во время реакции способен десорбироваться в газообразный этилен, что меняет представление о кинетике процесса: скорость реакции меньше скорости диффузии хлора к поверхности контакта фаз. Однако в эксперименте концентрация хлора в ДХЭ завышена по сравнению с условиями в промышленных реакторах: концентрация раствора хлора в ДХЭ составляла 3,4% масс, что в 7-10 раз выше, чем в промышленных реакторах. Такое превышение концентрации хлора могло существенно увеличить скорость диффузии хлора, превышающей скорость реакции которая, в данном случае, лимитировалась диффузией этилена в раствор. Для определения влияния скорости диффузии хлора в жидкой фазе на скорость протекания реакции проведены расчетные исследования по экспериментальным данным для двух случаев: с полным растворением хлора и с частичным растворением при вводе хлора и этилена на одном уровне (рисунок 3.4 д и г). В последнем случае абсорбция хлора без хемосорбции этилена протекала в небольшом объеме ДХЭ от ввода хлора до пересечения струй хлора и этилена. Таким образом, часть хлора перед началом реакции оставалась в газовой фазе, смешиваясь с этиленом. Учитывая, что коэффициент массопередачи в газовой фазе значительно выше коэффициента массопе-редачи в жидкой фазе, диффузионное торможение скорости реакции должно быть снижено за счет сдвига фронта реакции к поверхности раздела фаз, и скорость реакции должна увеличиться.
Для расчетов использовались нижеследующие зависимости. Количество тепла, теряемое на нагрев исходных компонентов, поступающих в реактор: хлора, этилена, воздуха, кВт: bqn=Gn-cn-{tHn), (3.2) где п = \..Ъ - индекс компонентов; Gn - массовый расход компонентов, кг/с; сп - теплоемкость компонентов, кДж/кг; tH, tn - начальная температура циркулирующего потока ДХЭ и температура /7-ого компонента соответственно, С.
На основе экспериментальных данных, приведенных в таблице 3.11, получены зависимости степени конверсии хлора от времени протекания реакции, представленные на рисунке 3.5. 4 5
Из рисунка видно, что при полном растворении хлора скорость реакции меньше, чем при частичном растворении, что говорит о присутствии диффузионной составляющей скорости реакции. На скорость реакции, протекающей в диффузионном режиме, оказывает влияние не только скорость диффузии компонентов, но и газосодержание и удельная поверхность контакта фаз, которые возрастают с увеличением скорости газа [50, 79]. В случае с частичным растворением хлора, по полученным данным, скорость реакции не зависит от скорости газа (сравнение экспериментов 2 и 3). Однако последнее еще не является достаточным основанием для утверждения о переходе процесса реакции в кинетический режим. Экспоненциальный же характер зависимости объясняется изменением газосодержания, а значит и поверхности контакта фаз по высоте реактора (1.30).
Полученные зависимости для обоих случаев описываются следующим выражением: Ххл=1-е к \ (3.14) где Ххл - конверсия хлора, доля; т - время, с. Коэффициент & для полного растворения хлора равен 0,51, для частичного растворения хлора - 0,89. Среднее квадратичное отклонение экспериментальных данных не превышает 5%. Данные справедливы при температуре протекания реакции от 77С до 90С, средней скорости газожидкостного потока в зоне реакции в пределах от 1,2 до 2 м/с и отношении объемных расходов хлора и циркулирующего ДХЭ 1,6 +- 2,0:1.
Из полученной зависимости следует, что для конверсии хлора более 99,99% при совмещении процессов абсорбции хлора и хемосорбции этилена необходимо не менее 11 с, а с предварительной полной абсорбцией хлора перед хемосорбцией этилена требуется более 18 с.
Полученная зависимость (3.14) может быть использована при расчете протяженности зоны реакции в реакторах с эжекционным диспергированием и для определения газосодержания по ее высоте при гидравлическом расчете газлифтной циркуляции реакционной среды. Таблица 3.11 - Исходные экспериментальные данные для расчета степени конверсии хлора от времени реакции
Впервые разработана конструкция опытно-промышленного газ-лифтного реактора высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена с многосопловым эжекционным диспергированием исходных реагентов в реакционную среду. Расчетная производительность реактора - 500 м3/ч по перерабатываемому хлору (2,2 т/ч синтезируемого ДХЭ). В процессе испытания опытно-промышленного реактора отработаны основные конструктивные и технические решения для проектирования промышленного реактора. Использование эжекторов с дозвуковыми соплами в качестве диспер-гаторов исходных газообразных реагентов позволило осуществить синтез дихлорэтана с селективностью 99,8% - 99,97%.
При проектировании узлов ввода и диспергирования реагентов необходимо учитывать, что удельный расход реагентов к поперечному сечению реактора и производительность эжекторов ощутимо влияют на качество процесса. С увеличением удельного расхода селективность процесса по целевому продукту возрастает. Применение эжекторов с расчетной производительностью 180 нм3/ч по газу позволило наиболее качественно провести процесс хлорирования этилена.
Оптимальное расстояние от пересечения образующих струи и коллектора до начала камеры смешения равно 0,095 диаметра камеры смешения. Уменьшение зоны абсорбции, вплоть до подачи хлора и этилена на одном уровне, способствует снижению выхода побочных хлорорганических продуктов реакции. Определена зависимость конверсии хлора от времени протекания реакции. Полученная зависимость позволяет рассчитывать протяженность зоны реакции в реакторах с эжекционным диспергированием реагентов, рассчитывать температуру и газосодержание по высоте реакционной зоны.
Разработка нового промышленного реактора синтеза дихлорэтана
Конструкция реактора рассчитана, в основном, на максимальную нагрузку (производительность), то есть на максимальный расход по хлору и этилену и предполагает подачу хлора и этилена по всему поперечному сечению реакционной зоны, следовательно, по всему поперечному сечению восходящего потока циркулирующего ДХЭ. При этом предполагается создание необходимого расхода циркулирующего ДХЭ в реакционной зоне за счет газлифта.
Основными недостатками реактора является резкое снижение эффективности его работы при пониженных нагрузках по хлору и этилену, меньших расчетных максимальных. Кроме того, и при пониженных и при максимальных рабочих нагрузках реактор не позволяет использовать общий объем реакционной зоны с максимальной эффективностью. Ввиду этого, в реакторе не обеспечивается высокая селективность процесса получения ДХЭ при любой нагрузке. Это обусловлено следующими основными факторами.
1. Незначительное отклонение положения распределителей от горизонтальной плоскости при их значительных диаметрах и большой площади сечения реакционной зоны приводит к неравномерности распределения хлора и этилена по сечению реакционной зоны. То есть через отверстия, расположенные выше относительно общего горизонтального уровня размещения каждого из распределителей, расход хлора и этилена будет превышать их расход через отверстия, расположенные ниже указанного уровня их размещения. Эта неравномерность обусловлена разницей гидростатического давления столба жидкого ДХЭ, находящегося над распределителями, при этом величина разности указанного давления, а следовательно, степень неравномерности, тем выше, чем больше площадь сечения реакционной зоны.
2. Неравномерность истечения хлора и этилена из отверстий распределителей усиливается наличием в реакционной зоне на всех ее участках нестационарных крупномасштабных турбулентных вихрей. Эти вихри и их отрицательное влияние на равномерность распределения хлора и этилена тем больше, чем больше определяющие геометрические размеры и площадь поперечного сечения реакционной зоны. Причиной указанного недостатка является выполнение реакционной зоны в виде единого пространства, имеющего значительные поперечные размеры и, соответственно, значительный геометрический объем. В таком объеме неизбежно возникают нестационарные турбулентные вихри, имеющие масштабы, соразмерные геометрическим масштабам реакционной зоны. Этот недостаток приводит к существенному снижению эффективности использования объема реактора даже при максимальных рабочих нагрузках, то есть к снижению селективности и к повышению выхода продуктов побочных реакций.
3. В реальных условиях эксплуатации реактора нередко требуется уменьшить расход хлора и этилена ввиду необходимости временного уменьшения количества выпускаемой продукции в соответствии с изменением, например, конъюнктуры рынка. Другой причиной, требующей уменьшения расхода хлора и этилена, является нерегламентированное снижение параметров работы других аппаратов, входящих в состав общей технологической линии производства продукции на основе получаемого в реакторе ДХЭ. Указанные причины могут потребовать уменьшения нагрузки на реактор по хлору и этилену до 20 % максимальной нагрузки на реактор при постоянном уровне заполнении его жидким ДХЭ. Уменьшение нагрузки на реактор по хлору и этилену при сохранении сечения и объема реакционной зоны неизменными приводит к значительному увеличению степени неравномерности распределения газовых пузырьков хлора и этилена по всей площади сечения реакционной зоны, рассчитанной на максимальную нагрузку по хлору и этилену. Эта неравномерность распределения газовой фазы хлора и этилена по сечению реакционной зоны обусловлена снижением перепада давления газовых потоков на отверстиях кольцевых барботажных распределителей. Согласно известной зависимости, при уменьшении расхода газа в реакторах с неизменным сечением и высотой столба жидкости, например, в два раза, перепад давления на выходе из отверстий распределителей уменьшится в четыре раза. То есть указанные величины находятся в квадратичной зависимости. Поэтому при уменьшении расхода подаваемых в реактор хлора и этилена резко усиливается степень неравномерности их распределения и перемешивания, обусловленная как снижением самого расхода, так и отклонениями плоскости расположения распределителей от горизонтального уровня.
При уменьшении расходов хлора и этилена одновременно снижается движущая сила циркуляции жидкого ДХЭ как следствие уменьшения этих расходов, так и, в еще большей степени, следствие вызванного этим уменьшения расхода паров ДХЭ в зоне его кипения за счет уменьшения тепла, выделенного за счет экзотермической реакции взаимодействия хлора и этилена. Все это приводит к уменьшению разности плотностей восходящей и нисходящей потоков циркуляционного ДХЭ и, следовательно, к уменьшению его расхода и скорости. Уменьшение скорости циркуляции ДХЭ приводит к снижению интенсивности процессов перемешивания и тепло- и массообмена на участках абсорбции и хемосорбции реакционной зоны, что, в свою очередь, также приводит к резкому снижению качества процесса (селективности) и к увеличению выхода продуктов побочных реакций.
Задачей разработки нового реактора являлась создание оптимальных условий проведения процесса синтеза ДХЭ высокотемпературным жидко-фазным хлорированием этилена с обеспечением высокой селективности по ДХЭ и наименьшего выхода экологически вредных продуктов побочных реакций в широких диапазонах изменения производительности реактора согласно производственной необходимости и конъюнктуры рынка.
Похожие диссертации на Высокоселективный синтез 1,2-дихлорэтана в газлифтном реакторе прямого высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена
-
![СИНТЕЗ (4-ФТОРБЕНЗИЛ)[R-(1H-ТЕТРАЗОЛ-1-ИЛ)ФЕНИЛ]АМИНОВ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ](/i/i/5406/570610.png "СИНТЕЗ (4-ФТОРБЕНЗИЛ)[R-(1H-ТЕТРАЗОЛ-1-ИЛ)ФЕНИЛ]АМИНОВ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ Павлов Антон Викторович")