автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Гидравлика и массообмен в барботажном реакторе хлорирования этилена

■•-И

На правах рукописи

МУбАРАКОВ Рифгат Гусманович

ГИДРАВЛИКА И МАССООБМЕН В БАРБОТАЖНОМ РЕАКТОРЕ ХЛОРИРОВАНИЯ ЭТИЛЕНА

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ангарск 1998 г.

Рабата выполнена на ОАО "Саянскхимпром" и. ОАО "ИркутскНИИхиммаш".

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Кузнецов А.М. кандидат технических наук Самсонов В.В.

Официальный оппонент

доктор химических наук, профессор Корчевин Н.А. доктор технических наук Попова Н.Ю.

Ведущее предприятие - ЗАО "Каустик", г. Стерлитамак

диссертационного совета К.064.51.01 при Ангарском государственном технологическом институте по адресу: 665835, Ангарск, ул. Чайковского, 60, в ауд. 23 в/// час.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Защита

1998 г. на заседании

Реферат разослан v ноября 1998

г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

АА. Асламов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Поливинилхпорид лежит в основе получения многих видов пластмасс, которые имеют важное значение для производства различных видов промышленной продукции. Начальной стадией технологического процесса производства поливинилхлорида является жидкофазное хлорирование этилена с получением дихлорэтана (ДХЭ). Эта химическая реакция осуществляется в растворе хлора в дихлорэтане. Различают высокотемпературное и низкотемпературное жидкофазное хлорирование этилена. Процесс высокотемпературного жидкофазного "хлорирования этилена является одним из наиболее перспективных способов получения ДХЭ - важнейшего продукта хлорорганического синтеза и характеризуется низким расходом катализатора, отсутствием сточных вод и эффективной утилизацией тепла реакции, используемого на испарение ДХЭ и его ректификацию.

Анализ технико-экономических показателей различных конструкций промышленных реакторов для высокотемпературного процесса, технических предложений зарубежных фирм и разработок отечественных научно-исследовательских институтов позволяет сделать вывод, что одной из наиболее перспективных конструкций является газлифтный барботажный реактор (ГБР). Существующие промышленные ГБР высокой производительностью (более 2000 нм3/ч по хлору) имеют ряд недостатков. Основным из них является пониженная селективность процесса, которая по данным исследований и промышленной эксплуатации объясняется протеканием в реакторе побочных процессов заместительного хлорирования ДХЭ до 1,1,2-трихпорэтана и высших полихлоридов, а также гидрохпорирования этилена до хлорэтана. Кроме того, в существующих реакторах с целью полного извлечения хлора из зоны реакции, синтез ведут с избытком этилена, что приводит к его повышенному расходу на единицу продукции.

Указанные недостатки промышленного, ГБР повышают себестоимость продукции и отрицательно влияют на экологическую ситуацию.

Разработка методов совершенствования процесса хлорирования невозможна без достаточно полного описания тепло- и массообменных процес-

сов, протекающих в ГБР с учетом особенностей характерных для процесса высокотемпературного жидкофазного хлорирования. Наиболее важной особенностью ГБР для высокотемпературного хлорирования является наличие области кипения ДХЭ. В этой области с паром, образующимся при кипении, отводится тепло выделяющееся при хлорировании этилена. Кипение ДХЭ в реакторе оказывает значительное влияние на циркуляцию рабочей среды, а также на протекание в нем химических, тепло- и массообменных процессов. Следует отметить, что до настоящего времени не получено надежных сведений о взаимодействии этих процессов с учетом кипения ДХЭ, которые можно было бы использовать для расчета конструктивных и режимных параметров ГБР.

Поэтому для повышения селективности процесса, снижения удельного расхода этилена, сокращения выбросов побочных продуктов в окружающую среду и, соответственно, повышения конкурентоспособности производимой продукции на отечественном и мировом рынках необходимо проведение дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.

Целью работы является создание новой конструкции реактора высокотемпературного хлорирования этилена, обеспечивающего высокую селективность процесса и разработка инженерной методики его расчета на основе изучения теории процесса и экспериментальных исследований влияния гидродинамических, тепло- и массообменных процессов на селективность высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена.

Научная новизна работы.

-Впервые изучена циркуляция рабочей среды и распределение газосодержания по высоте промышленного ГБР высокотемпературного хлорирования этилена и установлено, что в зоне реакции существующих ГБР происходит кипение ДХЭ;

-Выявлены и исследованы основные причины низкой селективности в существующих промышленных реакторах высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена высокой производительности, которые заключаются:

- в локальном повышении температуры паров в зоне реакции, что сопровождается переходом реакции хлорирования из жидкой фазы в паровую;

- в неравномерности поля скоростей по сечению реактора и наличии застойных зон в его нижней часта.

-Предложен и защищен патентами способ повышения селективности высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена, заключающийся в смещении зоны кипения из зоны реакции в верхнюю часть реактора;

-Разработано и защищено патентом устройство выравнивания поля скоростей в нижней части реактора;

-Разработаны методы экспериментального определения параметров массопередачи в системе хлор-дихлорэтан и дихлорэтановый раствор хпора-этилен. На основе результатов экспериментов рассчитаны коэффициенты массопередачи в жидкой фазе при абсорбции хлора дихлорэтаном и при хемосорбции этилена дихлорэтановым раствором хлора при пузырьковом истечении газа.

-Установлена взаимосвязь между интенсивностью циркуляции в реакторе, концентрацией растворенного хлора в зоне абсорбции и параметрами зоны кипения, которая положена в основу методики расчета ГБР высокотемпературного хлорирования этилена с вынесенной зоной кипения;

Практическая ценность работы.

На основе проведенных исследований разработан технический проект ГБР новой конструкции с нагрузкой по хлору 6000 м3/ч, в котором зона кипения и зона реакции разнесены по высоте реактора. Это позволяет повысить селективность промышленного высокотемпературного хлорирования этилена и более чем в 2 раза снизить выход побочных продуктов. Реактор находится в стадии изготовления со сроком ввода в эксплуатацию в 1999 - 2000 г. Ожидаемый экономический эффект 2,31 млн. деноминированных рублей в год.

Разработана инженерная методика расчета конструктивных и режимных параметров ГБР высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена с «вынесенной» зоной кипения.

На основе результатов исследований выполнена реконструкция крупнотоннажного промышленного реактора, что позволило получить реальный годовой экономический эффект 1,69 млн. деноминированных руб. в год.

Разработанные способы повышения селективности процесса могут служить основой для проведения реконструкции действующих ГБР, а полученные в эксперименте данные по массопередаче в жидкой фазе могут быть использованы при проектировании других промышленных реакторов получения ДХЭ;

Апробация работы. Материалы диссертации опубликованы в 14 печатных работах, доложены на научно-практической конференции "Современные технологии и научно-технический процесс" (Ангарск, 1993), на международной научно-практической конференции «Технологические и экологические аспекты комплексной переработки минерального сырья» (Иркутск, 1998) рассматрены на заседании Научно-технического совета ОАО «Ир кутс кН И И хим ма ш». Результаты работы защищены четырьмя патентами РФ.

Автор выражает благодарность заведующему лабораторией реакторного оборудования ОАО «ИркутскНИИхиммаш» к.т.н. Шишкину З.А. за методическую помощь в выполнении данной работы и заместителю директора ОАО «Саянскхимпром» г-ну Харитонову В.И. за содействие в реализации ряда технических решений ло тематике работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из четырех глав и приложения,

В первой главе сравниваются технические характеристики применяемых в промышленности методов получения ДХЭ: низкотемпературного и высокотемпературного процессов жидкофазного хлорирования этилена. Низкотемпературный процесс характеризуется сравнительно высокой селекгив-

ностью (99,5...99,8%), но имеет ряд недостатков, к которым относится большой расход катализатора, значительный выход отмывсчных стсчных вод, потери всего тепла реакции хлорирования и необходимость затрат на охлаждение реакционной массы.

В случае высокотемпературного синтеза расход катализатора минимален, сточные воды отсутствуют, отпадает необходимость установки холодильников для отвода тепла реакции, которое используется на испарение ДХЭ-сырца и его ректификацию. Перечисленные достоинства делают высокотемпературный процесс более привлекательным для использования в промышленности. Поэтому вопросы совершенствования технологии и конструктивного оформления высокотемпературного процесса приобретают особую актуальность.

- Приводятся технические характеристики наиболее распространенных в промышленности аппаратов, которые могут использоваться для высокотемпературного жидкофазного хлорирования. К ним относятся следующие реакторы: барботажный колонный, барботажный газлифтный с внешней или с внутренней циркуляционной трубой, барботажный петлевидный со встроенным сепаратором. Анализ технико-экономических показателей промышленных реакторов позволяет сделать вывод, что одним из наиболее перспективных является ГБР. К его основным достоинствам можно отнести простоту и надежность конструкции, интенсивное перемешивание реакционной массы и организованное движение жидкости, способствующее эффективному отводу тепла из зоны реакции.

Рассматриваются основные химические, гидродинамические, тепло- и массообменные.процессы, протекающие в реакторах высокотемпературного синтеза. Анализируются модели массопередачи применительно к процессам взаимодействия газа и жидкости, а также литературные данные, которые могут быть использованы для оценки кинетических характеристик и движущей силы процесса физической абсорбции хлора в ДХЭ и хемосорбции этилена в дихлорэтановом растворе хлора.

Литературные данные свидетельствуют о том, что наиболее перепек-

тивным является высокотемпературный метод. Метод, который позволяет использовать теплоту реакции хлорирования этилена и обеспечивает благоприятную экологическую обстановку. Повышение селективности процесса может быть достигнуто за счет совершенствования конструкции газлифтного барботажного реактора, который обеспечивает необходимую гидродинамическую обстановку и условия теплообмена. Однако сведений о теории процесса высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена, а также о гидравлике, тепло- и массообмене недостаточно для надежного проектирования ГБР.

На основе выводов литературного обзора сформулирована цель работы и основные задачи исследования, которые заключаются в следующем:

- выполнить исследования и анализ основных химических, гидродинамических, тепло- массообменных процессов, протекающих в реакторах высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена;

- изучить циркуляцию рабочей среды и ее влияние на показатели растворения хлора в зоне абсорбции, а также распределения газосодержания по высоте промышленного ГБР высокотемперагтурного хлорирования этилена;

- установить причины низкой селективности в существующих реакторах высокотемпературного хлорирования этилена;

- разработать инженерную методику расчета и реактор жидкофазного хлорирования этилена, обеспечивающего высокую селективность процесса.

Вторая глава посвящена описанию промышленного реактора, лабораторных установок, методике проведения экспериментов, экспериментальным исследованиям и обработке экспериментальных данных.

Изучение циркуляции, профиля скоростей и распределение газосо-держанкя в аппарате проводилось на промышленном газлифтном барботаж-ном реакторе хлорирования этилена (рис. 1). Реактор представляет собой колонну (1) высотой 18500 мм и диаметром 3600 мм, снабженную внутренней циркуляционной трубой (2). Ввод газообразных реагентов осуществляется в нижнюю часть кольцевого пространства с помощью диспергаторов, выпол-

ненных в виде перфорированных трубных колец.

Измерение среднего обьемного газосодержания по высоте реактора осуществлялось с помощью дифманометров, схема расположения, которых приведена на рис.1. Расстояние между точками отбора дифманометров составляет PD1...PD5-0,9 м, PD6-2M, PD7-7M.

Среднее объемное газосодержание слоя, заключенного между положительными точками отбора дифманометров DP-6 и DP-7 рассчитывалось по уравнению:

(1)

pxgxBt-i

где ДРв,7 - показания дифманометров; ЛРт - потери давления газожидкостного потока на тарелке; Ве-7 - расстояние между нижними точками отбора дифманометров DP-6 и DP-7. Среднее объемное газосодержание в зоне от ввода до нижней тарелки рассчитывалось на основе показаний дифманометров DP-1 - DP-5 по формуле:

Л«1— Р)

gxpxBi

где АР* - показания i-того дифманометра.

Среднее объемное газосодержание между верхней точкой отбора дифманометра DP-5 и нижней точкой отбора дифманометра DP-7 принималось равным среднему арифметическому от значений газосодержания в соседних слоях.

Среднее объемное газосодержание между верхней точкой отбора дифманометра DP-5 и нижней точкой отбора дифманометра DP-7 принималось равным среднему арифметическому значений газосодержания в соседних слоях. Результаты обработки экспериментальных данных приведены на рис. 2.

Кроме средних показаний дифманометров были обработаны пульса-ционные характеристики перепадов давления, на основании которых была выделена зона с интенсивно протекающими процессами изменения содержания паровой и газовой фазы в жидкости. Большие отклонения перепада дав

Рис. 1. Принципиальная схема конструкции промышленного барботажного газпифтаого реактора хлорирования этилена. 1 - колонна; 2 - циркузыциошгая труба; 3 - коллектор подачи возвратного ДХЭ; 4 - коллектор хлора; 5 - коллектор этилена; 6 -перфорированные тарелки; 7 - трубка Пнто-Правдтля.

ления от среднего значения свидетельствует о протекании в данной области интенсивного парообразования характеризующего зону кипения.

Величина среднеквадраггаческого отклонения показаний дифмано-метра от среднего значения определялась по выражению

где N - количество членов в выборке;

ДРср - среднее значение параметра в выборке.

Сопоставление графиков газосодержания и изменения интенсивности пульсаций паровой фазы показывает, что выше уровня ввода этилена происходит интенсивный рост газосодержания. В этой же области наблюдаются и большие пульсации давления. Это свидетельствует об интенсивном парообразовании в зоне реакции. Сопоставление данных о парообразовании в зоне реакции и резком снижении газосодержания в области первой тарелки, указывает на неравномерность скорости ДХЭ по сечению зоны абсорбции. В часто сечения, где скорость ниже среднего значения, ДХЭ разогревается выше температуры кипения и происходит выделение пузырей, а в областях с более высокой скоростью, ДХЭ не догревается до такой температуры. При дальнейшем движении перегретого и недогретого ДХЭ через первую тарелку происходит их смешение. Пары конденсируются и, газосодержание снижается. На неравномерность поля скоростей в зоне абсорбции и ниже уровня ввода хлора косвенно указывает и коррозия стенок элементов конструкции в этой области. Результаты толщинометрии и расчеты, по истечению ДХЭ из циркуляционной трубы свидетельствует о наличии кольцевой застойной зоны в виде тора, ось которого совпадает с осью циркуляционной трубы. Наружный диаметр тора составляет около 0,35-0,5 диаметра реактора, а внутренний равен диаметру циркуляционной трубы.

Для выравнивания поля скоростей в нижней части реактора разработано устройство, представляющее собой набор разнесенных по высоте от дна реактора до уровня ввода хлора кольцевых струевыпрямителей.

(3)

Газосодержание, об. доли

Рис. 2. Распределение газосодержания по ■ ' высоте реактора.

О 100 200 Э0Э 400 £00

Пульсации давления, ско, Па

Рис. 3. Изменение пульсаций по высоте _■■ реактора

Исследования газосодержания и циркуляции показали, что наблюдается изменение количества паров при снижении уровня в реакторе, которое

является следствием снижения температуры кипения ДХЭ при уменьшении столба гидростатического давления. В частности, увеличение интенсивности кипения, в том числе и в зоне реакции, подтверждается данными по измерению пульсаций давления, которые приведены на рис. 3, где четко выделяется область кипения с высоким уровнем пульсаций давления.

Следствием кипения является образование паровых пузырей, которые содержат и газообразный хлор. При взаимодействии с газообразным этиленом реакция хлорирования протекает газовой фазе. При этом происходит локальное повышение температуры, которое ведет к снижению селективности процесса.

Определение расхода циркулирующего ДХЭ в исследуемом реакторе производилось двумя способами. По первому способу использовалась трубка Пито-Прандтля, установленная в циркуляционной трубе и по средней скорости (4) рассчитывалось количество циркулирующего ДХЭ (5). Второй способ основан на расчете расхода циркулирующего ДХЭ по уравнению циркуляционного контура с использованием экспериментальных данных газосодержания в реакторе.

По показаниям трубки Пито-Прандтля средняя скорость жидкости в циркуляционной трубе рассчитывалась по уравнению:

В выражении (4) коэффициент 0,87 учитывает связь между максимальной и средней скоростью в циркуляционной трубе.

Для расхода циркулирующего 1,2-дихпорэтана справедлива зависимость:

где О - диаметр циркуляционной трубы, м.

Результаты обработки экспериментальных данных по формулам (4,5) представлены в табл. 1.

В газлифтных реакторах в зоне над верхним концом циркуляционной трубы газожидкостная смесь характеризуется одинаковой плотностью по

И)

I = 0,785 х Ог х!Гс

(5)

всему сечению. Поэтому высота и газосодержание данного слоя не влияет на движущую силу циркуляции.

Табл. 1. Показатели циркуляции в реакторе по измерениям трубки

Пито-П ранд тля.

Расход хлора, нм"7ч 2877111 2864112 2857124 2858116

Расход этилена, нмл/ч 3240+4 3221 ±5 3207+6 3210+8

Уровень жидкости в реакторе, м 9,83 11,53 12,28 12,65

Средняя скорость жидкости в циркуляционной трубе, м/с. 0,47 0,39 0,34 0,31

Расход циркулирующего продукта, мЧч. 341,8 280,8 244,9 224,3

Газосодержание в циркуляционной трубе может быть обусловлено избыточным этиленом, а также парами, образующимися при кипении продуктов. При движении вниз по циркуляционной трубе температура кипения ДХЗ увеличивается за счет роста гидростатического давления, поэтому кипение жидкости в циркуляционной трубе отсутствует, а пары, захваченные из зоны кипения, конденсируются. Вследствие этого наличием паровой фазы в циркуляционной трубе можно пренебречь.

Попадание избыточного этилена е циркуляционную трубу в значительном количестве также исключено, вследствие эффективного сепарирующего действия конического расширения верха циркуляционной трубы.

Поэтому с достаточной уверенностью можно утверждать об отсутствии газосодержания в циркуляционной трубе. В дальнейшем это подтвердилось при экспериментальных измерениях и расчетах.

С учетом проведенного анализа уравнение циркуляционного контура можно записать в следующем виде:

Нт{Ри-Ро)Ра8 =

ртЦ'т

(6)

Результаты обработки экспериментальных данных по уравнению (6) представлены в табл. 2.

Табл. 2. Показатели циркуляции, рассчитанные по уравнению циркуляционного контура.

Расход хлора, нм7ч 2877±11 2864±12 2857+24 2858±16

Расход этилена, нмл/ч 3240±4 3221±5 3207±6 3210±8

Уровень жидкости в реакторе, м 9,83 11,53 12,28 12,65

Газосодержание восходящего потока, об. доли. 0,41 0,23 0,16 0,13

Расход циркулирующего продукта, м3/ч. 360,1 295,8 257,2 221,0

Сходимость результатов двух методов определения интенсивности циркуляции указывает на надежную оценку расхода циркулирующего продукта и подтверждает наличие кипения ДХЭ в зоне реакции.

Из полученных результатов исследований необходимо отметить еще одно важное обстоятельство, касающееся гидродинамической обстановки реактора высокотемпературного хлорирования. Это уменьшение циркуляции при увеличении уровня жидкости в реакторе. Оно объясняется увеличением температуры кипения и, соответственно, уменьшением количества паровой фазы. Следствием этого является уменьшение газосодержания в реакторе и, соответственно, движущей силы циркуляции.

Высота зоны реакции непосредственно связана со скоростью растворения газообразного хлора в ДХЭ и химической абсорбцией этилена раствором хлора в ДХЭ.

Для получения экспериментальных данных о массопередаче при барботаже газообразного хлора через ДХЭ и этилена через раствор хлора в ДХЭ разработаны две лабораторные установки, изготовленные и смонтированные на ОАО "Саянскхимпром".

Источником хлора в установке на рис. 4 является сосуд со сжиженным хлором 1, из которого через испаритель 2, вентиль тонкой регулировки 3 и капиллярный ввод 6, с определенной частотой подаются пузырьки хлора в

прозрачный цилиндрический вертикальный сосуд 4 с жидким ДХЭ. Для предотвращения проскока хлора в атмосферу при насыщении ДХЭ хлором, выход емкости 4 соединен с утилизатором 5, состоящим из емкости, заполненной концентрированным раствором ЫаОН.

Рис. 4. Схема установки для определения коэффициента массопере-дачи в системе хлор-ДХЭ при пузырьковом истечении хлора. 1 - сосуд с хлором; 2 - испаритель; 3 - вентиль тонкой регулировки; 4 - абсорбер (прозрачный сосуд с индикаторной линейкой); 5 - утилизатор (емкость с раствором ЫаОН); 6 - капилярная трубка.

Изменение размеров пузырька хлора, при его всплытии в ДХЭ, фиксировалось телекамерой. В результате последующей обработки видеозаписи были получены следующие характеристики процесса: начальный размер пузырей, скорость их всплытия, изменение размера пузырей во времени и траектория движения. Характерные результаты измерений представлены в табл.3.

Установка для определения коэффициента массопередачи хемо-сорбции этилена раствором хлора в ДХЭ аналогична представленной на рис. 2. Но, кроме этого, установка была дополнена сосудом со сжатым этиленом, который подключался к капилляру 6 вместо источника хлора после подготовки дихлорэтанового раствора хлора. Методика проведения экспериментов при регистрации динамики изменения размеров пузырька этилена и после-

дующая обработка данных аналогична исследованиям в системе хпор-ДХЭ. Результаты измерений представлены в табл. 4.

Табл. 3. Результата измерений при исследовании абсорбции хлора.

Параметр Номер эксперимента

1 2 3

Начальные диаметры пузыря, имеющего форму эллипсоида, мм 8x6 9x7 7x5,5

Конечный диаметр пузыря, имеющего форму шара, мм 1 1,5 1

Длина пути пузыря, м 0,03 0,03 0,03

Время всплытия, с 0,14 0,13 0,14

Табл. 4. Результаты измерений при исследовании хемосорбции этилена.

Параметр Номер эксперимента

1 2 3

Начальные диаметры пузыря, имеющего форму эллипсоида, мм 8x6 9x6,5 7x6

Конечный диаметр пузыря, имеющего форму шара, мм 4 5 3,2

Длина пути пузыря, м 0,4 0,4 0,4

Время всплытия, с 1,8 1,75 1,9

Изменение массы всплывающего пузырька во времени описывается уравнением

(7)

где М - масса пузырька, кг

К1 - коэффициент массопередачи, м/с;

С *- концентрация хлора, равновесная, кг/м3;

С - концентрация хлора в ДХЗ, кг/м3; ¥ - поверхность пузырька, м2;

I - время, с.

После формальных промежуточных подстановок и последующих преобразований, получено дифференциальное уравнение:

Интегрирование (8) с учетом граничных условий и выполнение обратных подстановок дает выражение для вычисления коэффициента массо-передачи

где й - диаметр пузырька в конечный момент времени, м; Отах- максим, диаметр пузырька в начальный момент времени, м; 0,шп- миним. диаметр пузырька в начальный момент времени, м.

Обработка данных эксперимента позволила получить значение коэффициента массопередачи в системе хлор-ДХЭ при пузырьковом режиме истечения и температуре ДХЭ 40 °С К1. = 1,68 * 10 3, м/с. Разброс результатов поданным, полученным в трех группах экспериментов, составил ±5,2%.

Коэффициент массопередачи при хемосорбции этилена раствором хлора в ДХЭ при пузырьковом режиме истечения и температуре ДХЭ 45 °С оказался выше и составил К|_= 3.16 * Ю-3 м/с. Разброс данных, полученных в трех группах экспериментов ±9,7%.

Полученные данные позволили обоснованно рассчитывать массооб-менные характеристики зоны абсорбции и зоны реакции в ГБР и сделать вывод о том, что эти зоны должны быть удалены от зоны кипения, т.е. внутри реактора зона кипения должна быть «вынесена» за пределы зоны абсорбции и зоны реакции.

В третьей главе рассмотрены возможные причины пониженной се-

М'2/г*(М + г*Л =0

(8)

О)

2* (С* -С)*(

лективносги промышленного процесса высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена.

Установлены две основные причины. Первая из них заключается в значительном обьеме жидкого ДХЭ с растворенным хлором. Вторая - в кипении ДХЭ в зоне реакции, что обусловлено неравномерностью гидродинамической обстановки и, соответственно, локальными перегревами реакционной массы до температуры кипения.

При кипении ДХЭ в зоне реакции температура внутри паровых пузырей, в которых идет реакция хлорирования, превышает температуру кипения. Константа скорости побочных реакций выше, чем у реакции хлорирования. Поэтому при росте температуры увеличиваются скорости побочных реакций по сравнению с реакцией хлорирования этилена. Это приводит к росту количества побочных продуктов по отношению к количеству синтезируемого ДХЭ, и, следовательно, снижает селективность процесса.

Предложено уравнение для расчета минимального значения расхода циркулирующего ДХЭ через зону абсорбции хлора, исключающего кипение в зоне реакции.

I = ДГ *

С р* м

где Ы - коэффициент, учитывающий неоднородность гидродинамической обстановки, выбирается в пределах 1,05 -1,2; Ох - расход хлора, м3/с, Я-суммарная теплота реакции хлорирования этилена и абсорбции хлора в ДХЭ, кДж/кг; Ср - теплоемкость ДХЭ, кДЖ/(кг*К); Д1 - перепад температуры кипения ДХЭ на расчетной длине зоны кипения, К.

Увеличению синтеза побочных продуктов и снижению селективности способствует неоправданное увеличение объема ДХЭ с растворенным хлором. Несмотря на применение ингибиторов, в таких растворах происходит, хотя и с меньшей скоростью, реакция заместительного хлорирования. Чтобы уменьшить этот эффект, необходимо исключить застойные зоны в реакторе, расположенные ниже уровня ввода хлора.

В четвертой главе приведена инженерная методика расчета

реактора высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена с «вынесенной» зоной кипения.

Методика расчета позволяет определить два основных параметра: высоту реастора и протяженность зоны кипения. По протяженности зоны кипения рассчитывается уровень нижней границы зоны кипения и температура нагрева ДХЭ в зоне абсорбции и зоне реакции. На основании полученной температуры нагрева ДХЭ в зоне реакции и зоне абсорбции определяется необходимый расход циркуляционного ДХЭ. Расчет зоны абсорбции и зоны реакции выполняется с использованием полученных в настоящей работе данных по коэффициентам массообмена в системе хлор-ДХЗ и этилен-раствор хлора в ДХЭ.

Разработанная методика была использована для расчета основных элементов промышленного реактора жидкофазного хлорирования этилена с «вынесенной» зоной кипения. Основные решения технического проекта нового промышленного ГБР производительностью по хлору 6000 м3/ч приведены в приложении.

На основе выполненных исследований представлено техническое предложение по реконструкции действующего барботажнога газлифтного реактора. Целью реконструкции явилось повышение селективности процесса и снижение избытка этилена, необходимого для полной утилизации хлора в зоне реакции. Техническое предложение предусматривала увеличение диаметра циркуляционной трубы, изменение свободного сечения перфорированных тарелок и установку внизу реактора устройства выравнивания профиля скоростей в зоне абсорбции.

Реконструкция реактора позволила устранить застойную зону растворенного хлора в области ниже хлорного диспергатора, выровнять поле скоростей ДХЭ в зоне абсорбции, увеличить расход циркуляционного ДХЭ до величины, исключающей кипение в зоне реакции.

Высокая эффективность технических предложений подтверждена в ходе промышленных испытаний реконструированного реактора. Результаты испытаний приведены в табл. 8.

испытаний приведены в табл. 8.

Табп. 8. Сравнение показателей работы реактора до и после реконструкции.

Показатель (средние значения за 1 месяц) До реконструкции После реконструкции

Концентрация высококипящих веществ в реакционной среде, % масс. 5,98 2,4

Концентрация хлористого водорода в реакционной среде, ррм. 338 78

Избыток этилена по отношению к хлору, мол. доли. 0,12 0,09

Важнейшими показателями, характеризующими эффективность реконструкции, являются уменьшение концентрации побочных продуктов в реакционной среде и снижение избытка этилена, необходимого для полной утилизации хлора в зоне реакции. Прямые измерения содержания побочных продуктов показали, что их концентрация снизилась более, чем в 2,5 раза. Косвенным показателем синтеза количества побочных продуктов является концентрация хлористого водорода. В реконструированном реакторе этот показатель уменьшился в 4,3 раза. Особо необходимо отметить, что такие высокие показатели работы реактора после реконструкции достигнуты при снижении избытка этилена на 25%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнено исследование работы промышленного гаалифтного реактора высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена. Определены расходы циркуляционного дихлорэтана и распределение газосодержания по высоте реактора. Это позволило оценить высоту зоны реакции и зависимость ее от гидродинамических факторов.

2. Экспериментально установлено и подтверждено расчетом, что в зоне реакции промышленных ГБР происходит кипение дихлорэтана, что обусловлено неравномерностью гидродинамической обстановки в аппарате

и, соответственно, локальными перегревами реакционной массы до температуры кипения.

3. На основе лабораторных исследований получены экспериментальные данные по массообмену и рассчитаны коэффициенты массоотдачи в системе хпор-дмхлорэтан и этилен-дихлорэтановый раствор хлора, что позволило дать рекомендации по оптимальному распределению газовой фазы в реакторе и определить размеры зоны абсорбции и зоны реакции.

4. На основе результатов исследований на ОАО «Саянскхимпром» выполнена реконструкция промышленного реактора жидкофазного хлорирования этилена. Реальный экономический эффект составил 1,69 млн. деноминированных руб. в год. Повышение селективности процесса в реакторе достигнуто за счет оптимизации гидродинамической обстановки в реакторе, равномерного распределения поля температур и «вынесения» зоны кипения в верхнюю часть реактора.

5. Разработана инженерная методика расчета промышленного ГБР для высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена с «вынесенной» зоной кипения. Методика использована при проектировании основных элементов промышленных реакторов жидкофазного хлорирования этилена.

6. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработан технический проект нового промышленного ГБР для высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена с «вынесенной» зоной кипения, обеспечивающий высокую селективность процесса. Ожидаемый экономический эффект составляет 2,31 млн. деноминированных руб. в год.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Мубараков Р.Г., Аветьян М.Г., Сонин Э.В., Зайдман O.A. и др. Промышленное освоение совмещенного с колонной ректификации реактора прямого хлорирования этилена. Химическая промышленность. 1991. №6. С.23.

2. Мубараков Р.Г., Зайдман O.A., Сонин Э.В. и др. Закономерности жидко-фазного хлорирования этилена Химическая промыишенность.1991. №7. С.398.

3. Мубараков Р.Г., Зайдман O.A., Садогурский Н.Ф., Криилаль Н.Ф., Харитонов В.И. Очистка винилхлорида от хлористого метила зтерификзцией спиртовыми растворами гидроксида натрия. Химическая промышленность. 1991. №11.0.646.

4. Мубараков Р.Г., Ищенко О.В., Максикова A.B., Этингова Э.М., Кривдин Л.Б. Анализ компонентного состава фракций дихлорэтана методом спектроскопии ЯМР 13 С. В сб. Химия, наука, производство, экология. - Ангарск. 1992. С.39.

5. Мубараков Р.Г., Бузилова С.Р., Воропаева Т.К., Кириллова В.Ф., Сергеева O.P., Кривдин Л. Б. Анализ компонентов состава фракций 1,2-дихлорэтана методом спектроскопии ПМР. В сб. Химия, наука, производство, экология. Ангарск, 1992. С.44.

6. Мубараков Р.Г., Самсонов В.В., Шишкин З.А. Исследование распределения парогазосодержания по высоте реактора прямого хлорирования этилена. Тез. докл. науч.-технич. конф. Современные технологии и научно-технический прогресс. Ангарск. 1993. С. 23.

7. Мубараков Р.Г., Самсонов В. В, Шишкин З.А. и др. Анализ работы промышленного реактора синтеза 1,2-дихлорэтана способом жидкофазного хлорирования этилена Тез. докл. науч.-технич. конф. Современные технологии и научно-технический прогресс. Ангарск. 1993. С.27.

8. Мубараков Р.Г., Кривдин Л.Б. Новые методы аналитического контроля процесса хлорирования в промышленных условиях. Тез. докл. науч.-технич. конф. Современные технологии и научно-технический прогресс. Ангарск. 1993. С. 28.

9. Самсонов В.В., Мубараков Р.Г., Шишкин З.А. и др. Разработка реактора высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена с повышенными технико-экономическими показателями. Тез. докл. межудунар. науч-праетич. конф. Технологические и экологические аспекты комплексной ne-

реработки минерального сырья, Иркутск, 1998, с.230. Ю.Самсонов ВВ., Мубараков Р.Г., Шишкин ЗА. и др. Разработка способа получения 1,2-дихлорзтана и конструктивного оформления процесса. Тез. докл. межудунар. науч.-практич. конф. Технологические и экологические аспекты комплексной переработки минерального сырья, Иркутск, 1998, с.231.

11. Патент №2075344 от 27.09.93 г. Реактор прямого хлорирования этилена /Мубараков Р.Г., Шишкин З.А., Харитонов В.И. и др./

12. Патент №2084849 от 30.09.94 г. Способ получения 1,2-дихлорзтана. /Мубараков Р.Г., Самсонов В.В., Кузнецов А.М. и др./

13. Патент №2106907 от 09.11.95 г. Реактор прямого хлорирования этилена. /Мубараков Р.Г., Самсонов В.В., Шишкин З.А. и др./

14. Патент №2051891 от 10.01.96. , Способ получения дихлорэтана. /Мубараков Р.Г., Самсонов В.В., Кузнецов А.М. и др./

Формат 60x84 1/16. Бумага типографская. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1.75. Уч.-изд.л. 1.75. Тираж 100 экз. Зак. 194

ЛР №020263 от 30.12.96 Иркутский государственный технический университет 664074 Иркутск, ул. Лермонтова, 83

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ИРКУТСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И КОНСТРУКТОРСКИЙ ИНСТИТУТ ХИМИЧЕСКОГО И НЕФТЯНОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ" (ОАО "ИРКУТСКНИИХИММАШ")

На правах рукописи УДК 66.023+66.094.403

МУБАРАКОВ РИФГАТ ГУСМАНОВИЧ

ГИДРАВЛИКА И МАССООБМЕН В БАРБОТАЖНОМ РЕАКТОРЕ ХЛОРИРОВАНИЯ ЭТИЛЕНА

(05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: академик Академии инженерных наук РФ, доктор технических наук, профессор A.M. Кузнецов кандидат технических наук В.В. Самсонов

Иркутск 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Основные условные обозначения. 4

Введение. 7 1. Особенности современного промышленного процесса жидкофаз-

ного хлорирования этилена 12

1.1. Методы жидкофазного хлорирования этилена. 12

1.1.1. Низкотемпературное хлорирование этилена. 12

1.1.2. Высокотемпературное хлорирование этилена. 16

1.2. Реакторы высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена. 19

1.2.1. Реактор барботажный колонный. 19

1.2.2. Реактор барботажный газлифтный с внутренней циркуляционной трубой. 21

1.2.3. Реактор барботажный петлевидный со ^^оЕнным сепаратором. 23

1.2.4. Реактор барботажный газлифтный с внешней циркуляционной трубой. 23

1.2.5. Реактор с совмещением хлорирования и ректификации. 24

1.3. Гидродинамические, химические и массообменные процессы в реакторах хлорирования этилена. 27

1.3.1. Гидродинамика в газлифтных барботажных реакторах. 27

1.3.1.1. Скорость жидкой фазы газожидкостного потока. 28

1.3.1.2. Газосодержание в барботажных реакторах. 33

1.3.2. Химические процессы. 38

1.3.2.1 Аддитивное хлорирование этилена. 38

1.3.2.2 Побочные реакции. 41

1.3.3. Процессы массопередачи. 43 1.3.3.1. Модели массопередачи. 44

1.3.3.2. Некоторые закономерности абсорбции хлора и этилена ДХЭ. 46

1.3.3.3. Хемосорбция этилена раствором хлора в ДХЭ. 49 1.4. Постановка задач исследований. 52 2. Экспериментальные исследования гидродинамических и массо-

обменных процессов. 54

2.1. Экспериментальные установки. 54

2.1.1. Барботажный газлифтный реактор. 54

2.1.2. Экспериментальная установка абсорбции хлора ДХЭ. 57

2.1.3. Экспериментальная установка хемосорбции этилена раствором хлора в ДХЭ. 59

2.2. Методики исследований. 61

2.2.1. Методика исследования газосодержания и циркуляции в ГБР. 61

2.2.2. Методика толщинометрии стенок циркуляционной трубы. 62

2.2.3. Методика определения коэффициентов массоотдачи при абсорбции хлора ДХЭ. 63

2.2.4. Методика определения коэффициентов массоотдачи при хемосорбции этилена раствором хлора в ДХЭ. 64

2.3. Обработка результатов исследований. 65

2.3.1. Обработка результатов исследования газосодержания в ГБР. 65

2.3.2. Обработка результатов экспериментов по определению расхода циркулирующего раствора. 70 2.3.2.1.Определение расхода циркулирующего раствора с использованием трубки Пито-Прандтля. 70 2.3.2.2.Расчет расхода циркулирующего раствора по основному уравнению циркуляционного контура. 71

2.3.3. Результаты толщинометрии стенок циркуляционной трубы ГБР 7 5

2.3.4. Обработка результатов экспериментов по определению коэффициентов массоотдачи при абсорбции хлора ДХЭ. 79

2.3.5. Обработка результатов экспериментов по определению коэффициентов массоотдачи при хемосорбции этилена раствором хлора в

ДХЭ. 81

3. Обсуждение результатов экспериментов. 84

4. Разработка ГБР высокотемпературного хлорирования этилена с «вынесенной» зоной кипения. 87

4.1. Инженерная методика расчета ГБР высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена. 87

4.2. Предложения по реконструкции ГБР. 93

4.3. Результаты промышленных испытаний реконструированного реактора. 97

4.4.Разработка реактора с «вынесенной» зоной кипения с нагрузкой по хлору до 6000нм3/ч 98

Основные результаты и выводы 99

Литература 101

Приложение 1 112

Приложение 2 113

Приложение 3 114

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а - удельная поверхность контакта фаз, м"1;

Ср - теплоемкость ДХЭ, кДж/(кгхград);

О - диаметр реактора, м;

йт - диаметр циркуляционной трубы, м;

<4/ - диаметр эквивалентный межтрубного пространства, м;

^ - площадь поверхности раздела, м2;

/в - площадь поперечного сечения барботажной зоны, м2;

/с - площадь поперечного сечения циркуляционной трубы, м2;

Сэ - объемный расход этилена, м3/ч;

Сх - объемный расход хлора, м3/ч;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

Ис - высота сепаратора, м;

Ист - высота жидкостного стабилизационного участка, м;

Нк - высота зоны кипения, м;

Нт - высота циркуляционной трубы, м;

АН - теплота абсорбции, кДж/моль;

АНр - тепловой эффект реакции, кДж/моль;

К.1 - коэффициент, учитывающий потери давления в циркуляционном контуре;

К2 - коэффициент осреднения газосодержания по длине зоны абсорбции;

Кз - коэффициент пропорциональности при расчете стабилизационного участка;

Го - теплота парообразования ДХЭ, кДж/кг;

Ь - расход жидкости, м3/ч;

1а - протяженность зоны абсорбции, м;

1р - протяженность зоны реакции, м;

Р - давление, Па;

Рнк - давление в нижней части зоны кипения, МПа;

Рв - давление в верхней зоне реактора, МПа;

Рн - давление в нижней зоне реактора, МПа;

АР - суммарные потери давления в циркуляционном контуре, Па;

АРтр - потери давления на трение, Па;

ЛРмс - потери давления на местные сопротивления, Па;

АР\ - потери давления при движении жидкости в циркуляционной трубе, Па;

АР2 - потери давления при движении газожидкостного потока в кольцевом пространстве, Па

Т - температура, К;

Тк - температура кипения при давлении Рв, К;

Пь - истинная скорость жидкости, м/с;

\¥м - приведенная скорость жидкости в межтрубном пространстве, м/с;

\¥т - приведенная скорость жидкости в циркуляционной трубе, м/с;

Жо - относительная скорость газа, м/с;

Дз - коэффициент массоотдачи в газовой фазе, м/с;

Д - коэффициент массоотдачи в жидкой фазе при абсорбции, м/с;

Я - коэффициент сопротивления трения;

Ят - коэффициент трения жидкости в циркуляционной трубе;

Ям - коэффициент трения жидкости в межтрубном пространстве;

- коэффициент динамической вязкости жидкости, н*с/м2;

- коэффициент местного сопротивления перфорированной тарелки; р - плотность ДХЭ, кг/м3;

рт - плотность хлора, кг/м3;

р' - плотность этилена, кг/м3;

сг - поверхностное натяжение, Н/м2;

а' - среднеквадратическое отклонение;

т - время, с;

(рСР - среднее газосодержание восходящего потока, об. доли;

(рР - среднее газосодержание в зоне реакции, об. доли.

Введение.

1,2-дихлорэтан (ДХЭ) является одним из наиболее важных промежуточных продуктов хлорорганического синтеза. Основное количество ДХЭ расходуется на получение поливинилхлорида - компонента многих видов пластмасс, широко используемых в различных отраслях промышленности.

В химической промышленности наиболее распространены следующие способы получения ДХЭ:

- окислительное хлорирование этилена

СН2=СН2 + 2НС1 + 7202 -> СН2С1 - СН2С1 + Н20+239,19кДж/моль ;

- прямое хлорирование этилена

СН2=СН2 + С12 СН2С1 - СН2С1 + 188кДж/М0ЛЬ;

Процесс прямого жидкофазного хлорирования осуществляют путем барботирования газообразных реагентов через жидкий продукт, в растворе которого и протекает взаимодействие. Синтез ДХЭ в жидкой фазе может осуществляться либо при относительно низкой температуре (55...65 °С), либо при температуре кипения ДХЭ (83...86 °С). Низкотемпературный процесс [75] характеризуется сравнительно высокой селективностью (99,5...99,8%), но, в то же время, имеет ряд недостатков, к которым относятся большой расход катализатора, значительный выход сточных вод и необходимость энергетических затрат на охлаждение реакционной массы. В случае высокотемпературного синтеза расход катализатора минимален, сточные воды отсутствуют и отпадает необходимость установки холодильников для отвода тепла реакции, которое расходуется на испарение продукта - ДХЭ-сырца и его ректификацию.

Конструкция реактора жидкофазного хлорирования этилена зависит от типа протекающего в нем процесса. Аппарат для низкотемпературного син-

теза снабжается кожухотрубчатым холодильником для отвода реакционного тепла, что приводит к значительным затратам металла и энергии.

Конструктивное исполнение реакторов высокотемпературного хлорирования может быть различным [73]. Анализ технико-экономических показателей промышленных реакторов, технических предложений зарубежных фирм и отечественных научно-исследовательских институтов позволяет сделать вывод, что одним из наиболее перспективных является газлифтный барботажный реактор (ГБР). К основным достоинствам аппаратов такой конструкции можно отнести интенсивное перемешивание реакционной массы и организованное движение жидкости, способствующее эффективному отводу тепла из зоны реакции. Однако реакторы высокотемпературного синтеза ДХЭ большой производительности (превышающей 2000 нм3/ч по хлору) имеют ряд недостатков. Одним из них является пониженная селективность процесса (97,0...98,4%), которая, по имеющимся данным [48,96,116] объясняется протеканием в реакционной зоне побочных процессов заместительного хлорирования ДХЭ до 1,1,2-трихлорэтана и высших полихлоридов, а также гидрохлорирования этилена до хлорэтана.

Образующиеся побочные продукты ухудшают качество ДХЭ, и, после отделения от целевого продукта в ректификационной колонне, подлежат захоронению или сжиганию.

На практике с целью повышения селективности процесса и для более полного извлечения хлора синтез ведут с избытком этилена, который является весьма дефицитным и дорогим реагентом.

Актуальность увеличения селективности процесса, снижения расхода этилена и сокращения выбросов побочных продуктов в окружающую среду вызвана необходимостью снижения себестоимости продукции в условиях конкуренции на мировом и отечественном рынках и улучшения экологиче-

ской обстановки. Поэтому проведение дополнительных теоретических и экспериментальных исследований является необходимым условием решения перечисленных задач.

Разработка методов совершенствования процесса хлорирования этилена невозможна без достаточно полного анализа и описания процессов, протекающих в газлифтных барботажных реакторах. Однако до настоящего времени нет надежных сведений о химических, гидродинамических и мас-сообменных процессах, протекающих в ГБР, а информация, приводимая в литературе, отрывочна и часто противоречива.

Целью работы является создание новой конструкции реактора высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена, обеспечивающего высокую селективность процесса и разработка инженерной методики его расчета на основе изучения теории процесса и экспериментальных исследований влияния гидродинамических, тепло- и массоообменных процессов на селективность высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена.

Научная новизна работы.

- Впервые изучена циркуляция рабочей среды и распределение газосодержания по высоте промышленного ГБР высокотемпературного хлорирования этилена и установлено, что в зоне реакции существующих ГБР происходит кипение ДХЭ.

- Выявлены и исследованы основные причины низкой селективности в существующих промышленных реакторах высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена высокой производительности, которые заключаются:

- в локальном повышении температуры паров в зоне реакции, что сопровождается переходом реакции хлорирования из жидкой фазы в паровую;

- в неравномерности поля скоростей по сечению реактора и наличии застойных зон в его нижней части;

- в неравномерном распределении реагентов по сечению реактора в результате недостаточного сопротивления барботеров истечению газов.

- Предложен и защищен патентами способ повышения селективности высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена, заключающийся в смещении зоны кипения из зоны реакции в верхнюю часть реактора.

- Разработаны методы экспериментального определения параметров массо-передачи в системе хлор-дихлорэтан и дихлорэтановый раствор хлора-этилен. На основе результатов экспериментов рассчитаны коэффициенты массоотдачи в жидкой фазе при пузырьковом истечении хлора в ДХЭ и этилена раствор хлора в ДХЭ.

- Установлена взаимосвязь между интенсивностью циркуляции в реакторе, концентрацией растворенного хлора в зоне абсорбции и параметрами зоны кипения, котрая положена в основу методики расчета ГБР высокотемпературного хлорирования этилена с вынесенной зоной кипения.

Практическая ценность работы. На основе проведенных исследований разработан технический проект ГБР новой конструкции с нагрузкой по хлору 6000м3/ч, в котором зона кипения и зона реакции разнесены по высоте реактора. Это позволяет повысить селективность промышленного высокотемпературного хлорирования этилена и более чем в 2 раза снизить выход побочных продуктов. Реактор находится в стадии изготовления со сроком ввода в эксплуатацию в 1999-2000г. Ожидаемый экономический эффект 2,31 млн. деноминированных рублей в год.

Разработана инженерная методика расчета конструктивных и режимных параметров ГБР высокотемпературного жидкофазного хлорирования

сс

этилена с вынесенной зоной кипения.

На основе результатов исследований на ОАО «Саянскхимпром» выполнена реконструкция крупнотоннажного промышленного реактора, что позволило получить реальный годовой экономический эффект 1,69 млн. деноминированных руб. в год.

Разработанные способы повышения селективности процесса могут служить основой для проведения реконструкции действующих ГБР, а полученные в эксперименте данные по массопередаче в жидкой фазе могут быть использованы при проектировании других промышленных реакторов получения ДХЭ.

Апробация работы. Материалы диссертации опубликованы в 14 печатных работах, доложены на научно-практической конференции "Современные технологии и научно-технический прогресс" (Ангарск, 1993), на международной научно-практической конференции "Технологические и экологические аспекты комплексной переработки минерального сырья" (Иркутск, 1998), рассмотрены на заседании Научно-технического Совета ОАО "ИркутскНИИхиммаш". Результаты работы защищены четырьмя патентами РФ.

1. Особенности современного промышленного процесса жидкофазного

хлорирования этилена 1.1 Методы жидкофазного хлорирования этилена 1.1.1 Низкотемпературное хлорирование этилена

Процесс получения ДХЭ методом низкотемпературного хлорирования этилена состоит из трех основных стадий (рис. 1.1):

1) подготовка реагентов и катализатора ;

2) химическая реакция;

3) выделение целевого продукта ;

Стадия подготовки реагентов заключается в испарении жидкого хлора и нагревании его паров до температуры 40...48 °С в теплообменнике (1). Катализатор готовится путем растворения хлорида железа в ДХЭ в емкости (4). Расход БеСЬ составляет ОД 5...0,5 кг на одну тонну целевого продукта.

Химическая реакция протекает в реакторе (2), представляющем собой колонный аппарат, в нижней части которого установлены два распределительных устройства для подачи хлора и этилена. Для снятия тепла реакции аппарат соединен с вертикальным кожухотрубчатым теплообменником (3), охлаждаемым водой. Хлор под давлением 0,3...0,6 МПа подается в реактор прямого хлорирования в нижнее распределительное устройство. Газообразный этилен поступает с диапазоном температур -30...+30 °С под давлением 0,3...0,6 МПа. Мольное соотношение реагентов поддерживается 1:1. В результате экзотермической реакции прямого хлорирования циркулирующий в реакторе и синтезированный ДХЭ нагревается до температуры 49... 65 °С и через верхнюю циркуляционную трубу поступает в трубное пространство теплообменника (3), проходит его сверху вниз, охлаждаясь при этом до температуры 40...56 °С и по нижней циркуляционной трубе возвращается в реактор. Циркуляция рабочей среды между реактором (2) и теплообменником (3) осуществляется за счет разно-

сти плотностей рабочей среды в реакторе, содержащей пузыри газа и жидкости в теплообменнике. Недостатком реакторов данного типа является зависимость их производительности от правильной организации теплоотвода и его интенсивности.

Из реактора (2) смесь поступает на стадию выделения целевого продукта, которая заключается в ее отделении от абгазов, а также кислотной, щелочной и водной отмывке ДХЭ-сырца. Смесь из реактора самотеком поступает в промежуточную емкость ДХЭ-сырца (5), откуда насосом (6), в зависимости от уровня жидкости в емкости (5), подается на систему отмывки. Часть потока ДХЭ-сырца насосом (6) периодически подается в емкость для растворения катализатора (4). Абгазы из реактора (2) и емкости (5) сбрасываются через огнепреградитель (на рис. 1.1. не показан). Вместе с этиленом и хлором в систему хлорирования попадают инерты, содержащие кислород, который ведет к образованию взрывоопасной газовой смеси. Поэтому перед огнепреградителем для предотвращения взрыва предусмотрена подача азота в трубопровод сброса абгазов. Объемная доля кислорода в абгазах должна быть менее 7%. Полученный методом прямого хлорирования ДХЭ-сыре�