автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Гидравлика, тепло- и массообмен в реакторе хлорирования этилена с эжекционными смесителями

АНГАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи Для служебного пользования

Экз. № ¿7/7

Бальчугов Алексей Валерьевич

ГИДРАВЛИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕН В РЕАКТОРЕ ХЛОРИРОВАНИЯ ЭТИЛЕНА С ЭЖЕКЦИОННЫМИ СМЕСИТЕЛЯМИ

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ангарск 2000 г.

Работа выполнена в Ангарском государственном технологическом институте

Научные руководители:

- доктор технических наук, профессор Ульянов Б.А.;

- кандидат технических наук Самсонов В.В.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Косинцев В.И.;

- кандидат химических наук Селезнев A.B.

Ведущая организация - ОАО «ИркутскНИИхнммаш», г. Иркутск.

Защита состоится X "4 июня 2000г. в ^ час. на заседании диссертационного совета К 064.51.01 при Ангарском государственном технологическом институте по адресу: 665835, г. Ангарск, ул. Чайковского, 60, ауд. 305. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Реферат разослан JoO мая 2000г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

A.A. Асламов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. 1,2-Дихлорэтан является одним из наиболее многотоннажных продуктов хлорорганического синтеза. Основное его количество расходуется на производство поливинилхлорида, входящего в состав различных видов пластмасс.

В промышленности для получения 1,2-дихлорэтана широко используется процесс жидкофазного хлорирования этилена. Различают низкотемпературное и высокотемпературное жидкофазное хлорирование. Более перспективным является высокотемпературный процесс: он характеризуется низким расходом катализатора, отсутствием сточных вод и эффективной утилизацией тепла реакции, используемого на испарение продукта для его ректификации.

Процесс высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена осуществляют преимущественно в реакторах барботажного типа. Барботаж-ные реакторы имеют ряд недостатков. К основным из них относятся низкая селективность процесса (97,0...98,7 %) и необходимость использования значительного избытка этилена по отношению к расходу хлора (9...25%). Кроме того, реакторы данной конструкции имеют значительные размеры и большую металлоемкость.

Потери реагентов, обусловленные низкой селективностью, и значительный избыток этилена приводят к увеличению себестоимости продукции. Образующиеся в процессе высокотоксичные побочные вещества не находят рационального применения и подлежат захоронению или сжиганию, что наносит вред экосистеме. В связи с этим важное значение приобретает создание нового реактора, обеспечивающего более высокие технико-экономические показатели процесса.

Цель работы состоит в создании реактора высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена новой конструкции, обеспечивающей большую скорость массообмена, высокую селективность процесса и низкий избыток этилена по отношению к расходу хлора.

Научная новизна. Изучены массообменные характеристики эжекцион-ных смесителей в реакторе высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена. Определена зависимость интенсивности десорбции хлора от температуры. Установлено, что причиной снижения селективности процесса высокотемпературного хлорирования этилена является десорбция хлора при контакте раствора с газообразным этиленом. Предложена модель распределения концентрации хлора и этилена в пограничном слое жидкости и получено уравнение для расчета критической концентрации хлора в растворе, при которой происходит интенсивное разрушение пограничных слоев жидкости.

Экспериментальные исследования опытно-промышленного реактора с эжекционными смесителями позволили установить распределение температуры среды, концентрации хлора и газосодержания по высоте реактора; определить значения объемных коэффициентов массопередачи в зонах абсорбции и реакции; определить селективность процесса в широких диапазонах изменения избытка этилена. Показано, что при использовании абгазного хлора примеси азота и водорода мало влияют на селективность процесса.

Практическая ценность. Создан реактор высокотемпературного жидко-фазного хлорирования этилена с эжекционными смесителями, характеризующийся высокой селективностью процесса (99,85...99,95%), низким избытком этилена (2% об.), малой металлоемкостью, простотой конструкции и надежностью в эксплуатации. Ожидаемый экономический эффект от замены барботаж-ных реакторов хлорирования этилена на реакторы эжекционного типа на ОЛО «Саянскхимпром» составляет 11 млн. руб. в год.

Разработана инженерная методика расчета реакторов высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена с эжекционными смесителями.

Апробация. Материалы диссертации опубликованы в 5 статьях и в 5 тезисах докладов. Они доложены на международной научно-практической конференции «Технологические и экологические аспекты комплексной переработки минерального сырья» (Иркутск, 1998), на конференциях «Современные техноло-

гш и научно-технический прогресс» (Ангарск, 1999, 2000), рассмотрены на заседании Научно-технического совета ОАО «ИркутскНИИхиммаш».

Автор выражает благодарность канд. техн. наук Шишкину З.А. за методическую помощь в выполнении данной работы и главному инженеру ОАО «Саянскхимпром», канд. техн. наук Мубаракову Р.Г. за содействие в реализации ряда технических решений по тематике работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений. В первой главе рассматриваются основные закономерности, технология и конструктивное оформление процесса жидкофазного хлорирования этилена. Приводятся литературные данные о химизме целевой и побочных реакций. Отмечается, что основное количество побочных веществ образуется в результате реакций заместительного хлорирования, протекающих по радикально-цепному механизму.

Приводятся результаты анализа литературных данных о причинах низкой селективности процесса высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена. Отмечается, что наиболее важными из них являются значительное время пребывания хлора в растворенном состоянии и перенос хлора из раствора в газовую фазу в зоне реакции. Десорбция хлора приводит к снижению селективности процесса вследствие того, что в газовой фазе уменьшается скорость основной реакции и возрастает скорость побочных реакций.

Рассмотрены основные закономерности процессов массопередачи, протекающих в газожидкостных реакторах и указаны особенности процессов массопередачи в системе этилен - раствор хлора. Отмечается, что в настоящее время для описания процессов массопередачи в системе этилен - раствор хлора используется модель, в соответствии с которой сопротивление массопере-носу полностью сосредоточено в жидкой фазе и реакция протекает мгновенно в жидкостной пленке.

Выполнен сравнительный анализ гидродинамических и массообменных параметров реакторов барботажного типа и реакторов с эжекционными смесителями. Показано, что реакторы с эжекционными смесителями характеризуются более высокой степенью диспергирования газа и развитой поверхностью контакта фаз. Вследствие этого процессы массопередачи в реакторах с эжекционными смесителями протекают более интенсивно. Сравнительный анализ позволяет сделать вывод, что реакторы с эжекционными смесителями могут оказаться эффективными для проведения процесса высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена.

Рассмотрены описанные в литературе методы расчета аппаратов с эжекционными смесителями. Отмечается, что литературных данных недостаточно для разработки реактора хлорирования этилена с эжекционными смесителями. В частности отсутствуют сведения о скорости массопередачи в зонах абсорбции и реакции, нет данных о распределении концентрации хлора и газосодержания по высоте реактора, не изучена зависимость селективности процесса от избытка этилена. В связи с этим является необходимым исследование реактора с эжекционными смесителями в условиях, близких к промышленным.

Вторая глава посвящена исследованию причин снижения селективности процесса высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена. Известно, что выход побочных продуктов значительно увеличивается при переносе хлора из раствора в газовую фазу. Выполненные нами экспериментальные исследования позволили установить, что при взаимодействии раствора хлора с этиленом даже в отсутствие кипения имеет место десорбция хлора в газовую фазу, скорость которой связана с состоянием пограничного слоя раствора хлора.

Исследования десорбции хлора из раствора в этилен выполнялись на лабораторной установке, изображенной на рис. 1.

Раствор хлора из емкости 1 через теплообменник 2 самотеком поступал в нижнюю часть кюветы 3, снабженной тепловой рубашкой и окнами из стекла для наблюдения за состоянием границы раздела фаз. Нагревание раствора и рубашки осуществлялось водой, поступающей из термостата 4.

Рис. 1. Лабораторная установка: 1 - емкость с раствором хлора; 2 - теплообменник; 3 - контактный аппарат; 4- термостат; 5 - приемная емкость; 6 - баллон с этиленом; 7 - сосуд с водным раствором 8 - прибор для измерения расхода газа; 9.10.11. 12-вентили.

Этилен подавался в верхнюю часть кюветы из баллона 6 и взаимодействовал с раствором на горизонтальной поверхности контакта фаз. По барабанному газосчетчику 8 устанавливался необходимый расход этилена с помощью вентиля 11.

При прохождении газовой фазы через емкость 7 хлор реагировал с ио-дидом калия с образованием иода:

С1г + 21и——>2КС1^г (1)

По окончании эксперимента содержимое емкости 7 сливалось в колбу и титровалось водным раствором тиосульфата натрия с молярной концентрацией 0,01 моль/дм'" в присутствии крахмала:

J2 +-2Ага28203-> + 2Ш (2)

Удельный поток хлора из жидкости в газ от определялся по уравнению:

0,6546 х КхУ

т =---(3)

Ма хгх ^

где К - поправочный коэффициент к раствору тиосульфата натрия с концентрацией 0,01 моль/дм3; V - объем раствора тиосульфата натрия; 0,6546 - масса хлора, соответствующая 1см3 раствора тиосульфата натрия с концентрацией 0,01 моль/дм3.

Эксперименты проводились при атмосферном давлении и температуре раствора 20-60°С. Концентрации хлора и катализатора в растворе составляли соответственно 3,4% масс, и 0,1% масс.

Результаты экспериментов представлены на рис. 2, из которого следует, что в исследованных интервалах температур часть хлора из раствора переходила в газовую фазу, причем интенсивность десорбции хлора возрастала с увеличением температуры раствора. При визуальном наблюдении с помощью измерительной лупы за границей раздела фаз было отмечено образование вихрей в поверхностном слое раствора. Толщина слоя, содержащего вихри, достигала 1... 1,2мм. Причиной образования вихрей, по нашему мнению, является конвективное движение жидкости, возникающее в пограничном слое в результате выделения тепла реакции. С увеличением температуры интенсивность конвективного движения в пограничном слое возрастала, что сопровождалось увеличением массопотока хлора из раствора в этилен.

0,12 ■г «л 0,08 #0,06 I 0,04 £ 0,02 о

.--"'В

17 22 27 32 37 42 47 52 57 62 67 Рис. 2. Зависимость ттсис№1тегадеа>раши хт.ораотлемперш-уры

Полученные результаты расходятся с положениями модели (рис. 3), разработанной ранее другими исследователями для описания процессов мас-сопередачи при хемосорбции этилена раствором хлора *). В соответствии с ней реакция хлорирования этилена протекает мгновенно в жидкостной пленке, которую можно представить состоящей из двух слоев. В первом слое толщиной ¿1 (от границы раздела фаз до фронта реакции) происходит диффузия этилена с понижением его концентрации от равновесной С'эт до нуля. Во втором слое из глубины объема жидкости до фронта реакции происходит диффузия хлора с изменением его концентрации от Сх, до нуля.

Выполненные нами исследования позволяют предложить иную модель, схематически изображенную на рис. 4. В соответствии с ней в пограничном слое жидкости происходит диффузия хлора с понижением его концентрации от начальной Сх7 до концентрации С'рх„ на границе раздела фаз, а концентрация этилена снижается от равновесной С*т до нуля.

граница у раздела фаз\^ 1

Г »» г

этилен с' ^ эт V ч ч ч раствор хлора

А < 5 <82> ж . X

**

граница У раздела фаз\.

этилен

раствор хлора

Рис. 3. Модель хемосорбции этилена по данным [.]

Рис. 4. Модель хемосорбции этилена с учетом десорбции хлора

5

[*] - Бавуап Д. Ма§. СЬет. 1арап, 1972, № 11, р. 571-581.

Таким образом, при содержании хлора в жидком 1,2-дихлорэтане и температурах, соответствующих промышленным условиям, граничные концентрации хлора могут достигать значений, которые приводят к десорбции хлора и протеканию реакции в газовой фазе. Первостепенное значение при этом имеет температура пограничного слоя жидкости.

Когда отсутствует вскипание пограничного слоя и хлор полностью вступает в реакцию с этиленом в жидкой пленке, можно допустить, что все тепло реакции расходуется на нагревание жидкости и удельный тепловой поток <у от границы раздела в ядро жидкой фазы можно выразить как:

д = /ЗхСхдр (4)

Этот поток можно представить и с помощью уравнения теплоотдачи:

Ч = а{Т5-Т1) (5)

Откуда температуру пограничного слоя можно определить как:

Т3=Схдрх- + Т1 (6)

а

На основе аналогии процессов тепло- и массоотдачи соотношение коэффициентов скоростей можно заменить соотношением молекулярных транспортных свойств раствора:

Р 1

гщ (7)

а

а ср х р

На основе литературных данных показатель степени для подвижной границы раздела фаз был принят равным 0,5. В этом случае уравнение (6) приобретает вид:

+ Г, (8)

сРхр\а,

Уравнение (8) позволяет определить критическую концентрацию хлора в 1,2-дихлорэтане Скр, при которой температура пограничного слоя достигает температуры кипения:

с _сРхрх{ткип -Тг)

вР и

Расчет, выполненный по уравнению (9) для промышленного барботаж-ного реактора, показывает, что фактическая концентрации хлора в начале зоны реакции (383 моль/м3) превышает критическую концентрацию (282 моль/м3). Это является, по нашему мнению, одной из причин снижения селективности процесса.

Анализ показывает, что интенсивность переноса хлора из раствора в газовую фазу может быть значительно снижена в реакторе с эжекционными смесителями за счет интенсификации хемосорбции этилена и увеличения равномерности распределения реагентов в поперечном сечении реактора.

Третья глава содержит описание опытно-промышленного реактора с эжекционными смесителями, методику выполнения экспериментов и обработку экспериментальных данных.

Реактор (рис. 5) представлял собой аппарат высотой 16м. Основными его элементами являлись: эжекционные смесители хлора (1) и этилена (2), газлифтная труба (3), сепаратор (4), циркуляционная труба (5). В смесителях струя газа эжектировала поступающую снизу рабочую среду. Полное растворение газа происходило в камере смешения.

При движении вверх по газлифтной трубе (3) статическое давление жидкости уменьшалось и при достижении давления насыщенных паров происходило вскипание потока. В зоне кипения имелись четыре перфорированных тарелки с постоянным свободным сечением и одна тарелка с переменным свободным сечением. Тарелка с переменным свободным сечением предназначалась для регулирования расхода циркулирующей рабочей среды.

Парожидкостная смесь из газлифтной трубы поступала в сепаратор (4), где происходило ее разделение на жидкость и пар. После сепаратора пары продукта поступали на стадию конденсации, а жидкость по циркуляционной трубе (5) спускалась к эжектору хлора.

Рис. 5. Опытно-промышленный реактор:

1,2- эжекционные смесители хлора и этилена; 3 - газлифтная труба; 4 - сепаратор; 5 -циркуляционная труба; 6 - буйковый уровнемер; 7 - ротаметр для измерения расхода воздуха; Т^о - термосопротивления; Р ыо - дифманомстры; р,_6 - манометры; - точки отбора проб рабочей среды на содержание СУ2.

т

При расчете характеристик перфорированных тарелок и параметров зоны кипения в опытно-промышленном реакторе (рис. 5) использованы экспериментальные данные о вскипании восходящего потока нагретой жидкости в циркуляционном контуре, где изучалось влияние уровня расположения перфорированной тарелки на параметры зоны кипения.

На рис. 6, а показан режим, при котором давление среды над тарелкой было больше давления насыщенных паров, поэтому вскипание жидкости происходило выше тарелки. Данный режим характеризуется слабо выраженной нижней границей зоны кипения, что приводит к пульсациям расхода циркулирующей среды в контуре.

При перемещении тарелки вверх был найден уровень, где вскипание потока происходило на самой тарелке (рис. 6, б). При этом протяжений ность зоны кипения оставалась неизменной, что обеспечивало стабильный расход циркуляции.

На основе гидравлического расчета циркуляционного контура получено уравнение, связывающее параметры зоны кипения и характеристики перфорированной тарелки: рт =Рв + Рх£х1~Щ (10)

Снижение давления на тарелке рассчитывалось по уравнению:

рх\¥г

¡1 щг,

И

Рис. 6. Восходящий поток нагретой жидкости: а - вскипание выше перфорированной тарелки; б -вскипаниена тарелке.

АРГ = Сх

(1-<рг)гх2

(И)

Для обеспечения устойчивого режима циркуляции давление над тарелкой должно быть равно давлению насыщенных паров. Для 1,2-дихлорэтана его можно рассчитать, например, по уравнению Ангуана и далее из уравнения (10) определить высоту столба монолитной жидкости в циркуляционной трубе над уровнем расположения тарелки:

1=._РТ + ЪРП + ЬРТ-РВ (12)

Расход циркулирующей рабочей среды в опытно-промышленном реакторе (рис. 5) I определяли с учетом теплового эффекта реакции, используя значения температур на входе в зону реакции Т4 и на выходе из диффузора Т6, где реакцию можно считать полностью завершенной:

£ =__ухл х (2г__(13)

~ 3 600 X 22,4 хсР X р X (Г6 - Г4)

Экспериментальные исследования позволили определить распределение температуры, газосодержания и концентрации хлора по высоте опытно-промышленного реактора, найти значения объемных коэффициентов массопе-редачи в зонах абсорбции и реакции и значение селективности процесса в широком диапазоне изменения технологических параметров.

Начальная концентрация хлора в зоне реакции поддерживалась за счет регулирования расходов хлора и циркулирующей рабочей среды в диапазоне 0,51-0,59% масс., а избыток этилена составлял 2-13% об. Пробы рабочей среды на содержание хлора отбирались в четырех точках: НУ (рис. 5).

На основе результатов анализа проб можно заключить, что хлор полностью растворяется в рабочей среде до ввода этилена. Это подтверждается совпадением экспериментально определенной концентрации хлора в точке I с расчетной концентрацией СТХГ„ определенной через отношение расхода хлора, подаваемого в реактор, к расходу циркулирующей рабочей среды. Распределение концентрации хлора по высоте зоны реакции свидетельствует о том, что основное количество хлора вступает в реакцию с этиленом в пределах камеры смешения.

Объемный коэффициент массопередачи в зоне реакции Ку определялся при различных нагрузках реактора по хлору на основе концентраций хлора в рабочей среде перед вводом этилена С1 и в середине камеры смешения С«:

40 50 60 70 80 90 100 110 120 Расход хлора, м'/ч

Рис. 7. Определение объемного коэффициента массопередачи в зоне реакции

Наиболее высокое значение коэффициента массопередачи в зоне реакции было получено при нагрузке реактора по хлору 100 м3/ч, которое составляет 3,12 с"1. Диссипация энергии в единице объема камеры смешения при этом составляла 190 кВт/м3. Дальнейшее увеличение нагрузки реактора по хлору приводило к снижению объемного коэффициента массопередачи. Это можно объяснить тем, что увеличение расхода газа приводило к коалесценции пузырей и снижению поверхности контакта фаз. В промышленном барботаж-ном реакторе объемный коэффициент массопередачи в зоне реакции значительно меньше и составляет 0,5-0,7 с*'. При расходе хлора 100 м3/ч объемный коэффициент массопередачи в зоне абсорбции составил 3,5 с"1.

где К/_7/ - объем камеры смешения между точками отбора проб I и Г1, м3. Результаты расчетов приведены на рис. 7.

Распределение газосодержания по высоте газлифтной трубы определялось на основе показаний дифманометров Р3-Р7 (рис. 5). Результаты измерений представлены на рис. 8.

1,00

в

| 0,80 10

в" 0,60

г л

0,40

<у

ч о

о 0,20

0,00

-в-

012345678 Расстояние от нижнего края трубы, м

Рис. 8. Характерное распределение газосодержания по высоте газлифтной трубы

Видно, что газосодержание ниже тарелки с переменным свободным сечением составляет не более 0,12. Оно обусловлено присутствием избытка этилена и технологического воздуха. На тарелке с переменным свободным сечением происходит вскипание рабочей среды. За счет образования паров газосодержание выше тарелки резко возрастает и достигает значения 0,8 - 0,9. Распределение газосодержания по высоте газлифтной трубы (рис. 8) свидетельствует о том, что вскипание рабочей среды происходит за пределами зоны реакции.

Селективность процесса может быть рассчитана на основе материального баланса реактора по хлористому водороду или по 1,2-дихлорэтану. При расчете селективности процесса использовался способ, основанный на материальном балансе по хлористому водороду. Расчет расхода дихлорэтана, подаваемого в реактор с целью поддержания уровня, и расход конденсата на выходе из реактора определялись по тепловому балансу. Данный способ определения селективности процесса характеризуется погрешностью менее 0,02%.

Определена селективность процесса в широком диапазоне изменения концентрации катализатора в реакционной среде. На рис. 9 видно, что селективность процесса снижается до 99,50-99,70% лишь при концентрации катализатора менее 0,02% масс.

Избыток этилена в экспериментах менялся от 2 до 35% об. (рис. 10). Показано, что в исследованном диапазоне избытка этилена селективность процесса остается высокой и составляет 99,85...99,98%.

100,00

99,90

99,80

99,70

99,60 ^

99,50

99,40

а

н

г---**

а

100,00

(0 99,90

о

99,80

о

с 99,70

л

и 99,60

X

99,50

<г

99,40

а>

о 99,30

- » » > ^ А-^

♦ ♦

0 0,04 0,08 0,12 0,16 0,2 0,24

Концентрация катализатора, % масс. Рис. 9. Зависимость селективности процесса от концентрации катализатора

0 5 10 15 20 25 30 Избыток этилена, %об. Рис. 10. Зависимость селективности процесса от избытка этилена

В процессе электролиза хлорида натрия кроме чистого хлора образуется так называемый абгазный хлор, в котором концентрация азота, кислорода, водорода и других газов достигает 40-60% об. Абгазный хлор также используется для получения 1,2-дихлорэтана. В связи с этим была выполнена серия экспериментов с использованием абгазного хлора в качестве реагента. Установлено, что селективность процесса в реакторе с эжекционными смесителями при работе на абгазном хлоре составляет 99,85-99,95%, что соизмеримо с селективностью процесса при работе на чистом хлоре.

В четвертой главе приведена инженерная методика расчета промышленного реактора высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена с эжекционными смесителями.

Исходными данными для расчета являются нагрузка реактора по хлору, допустимая высота реактора, избыток этилена, давление в верхней части реактора и физико-химические свойства сред. Расчет в соответствии с методикой

15

позволяет определить высоту и диаметр камер смешения, характеристики устройства формирования зоны кипения, высоту и диаметр газлифтной трубы и сепаратора.

Расчет ведется методом последовательных приближений. На начальной стадии расчета определяется значение расхода циркулирующей рабочей среды. Далее последовательно определяются основные конструктивные параметры реактора с использованием полученных экспериментальных данных: значений коэффициентов массопередачи, распределения газосодержания по высоте реактора, значения избытка этилена. Заключительным является проверочный расчет по основному уравнению циркуляционного контура. Расчет реактора заканчивается, если определенное по основному уравнению циркуляционного контура значение расхода циркулирующей рабочей среды совпадает с ранее рассчитанным значением.

Блок-схема и алгоритм методики расчета приведены в диссертации.

С целью оценки нового реактора было выполнено его сравнение с промышленным барботажным реактором хлорирования этилена по следующим показателям: селективность процесса, избыток этилена и объемный коэффициент массопередачи в зоне реакции. Результаты сравнения приведены в таблице.

Таблица

Сравнение реакторов барботажного и эжекционного типа

Характеристика Барботажный реактор Реактор с эжекционны-ми смесителями

Селективность процесса, % 98,0-98,7 99,85...99,95

Избыток этилена по отношению к расходу хлора, % об. 9 2

Объемный коэффициент массопередачи в зоне реакции, с"1 0,5-0,7 3,12

Видно, что реакторы с эжекционными смесителями по всем показателям превосходят реакторы барботажного типа. Их использование позволит получить существенный экономический эффект и значительно сократить выход высокотоксичных побочных продуктов, загрязняющих окружающую среДУ-

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1. Разработан и испытан реактор высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена с эжекционными смесителями, обеспечивающий высокую селективность процесса (99,85...99,95%), низкий избыток этилена и характеризующийся малой металлоемкостью.

2. Получено уравнение для расчета критической концентрации хлора в 1,2-дихлорэтане, приводящей к вскипанию пограничного слоя жидкости и интенсивной десорбции хлора.

3. Установлено, что основные причины снижения селективности процесса -заместительное хлорирование в жидкой фазе, десорбция хлора и протекание газофазных реакций, - могут быть уменьшены за счет повышения скорости массоотдачи в жидкой фазе и более равномерного распределения реагентов.

4. В лабораторных и промышленных условиях исследованы характеристики реактора с эжекционными смесителями. Установлено распределение температуры, концентрации хлора и газосодержания по высоте аппарата, определены значения объемных коэффициентов массопередачи в зонах абсорбции и реакции; определено значение минимального избытка этилена.

5. Исследование процесса высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена в реакторе с эжекционными смесителями при использовании абгазного хлора показало высокую селективность процесса, соизмеримую с селективностью при работе на чистом хлоре. Это позволяет эффективно использовать реакторы с эжекционными смесителями для утилизации абгазного хлора.

6. Разработана инженерная методика расчета реактора высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена с эжекционными смесителями, позволяющая на основании заданной производительности, допустимой высоты реактора и свойств сырья рассчитать его основные конструктивные параметры.

7. Высокая селективность процесса в реакторах с эжекционными смесителями позволяет рекомендовать для ОАО «Саянскхимпром» разработку новой технологической схемы с направлением синтезированного продукта непосредственно на стадию пиролиза, минуя энергоемкую стадию ректификации.

8. Использование реакторов с эжекционными смесителями позволяет снизить избыток этилена по отношению к расходу хлора с 9% об. до 2% объемных и повысить селективность процесса с 98,0%...98,7% до 99,85...99,95%. Ожидаемый экономический эффект на ОАО «Саянскхимпром» составляет 11 млн. руб. в год.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Самсонов В.В., Шишкин З.А., Кузнецов A.M., Бальчугов A.B., Харитонов В.И., Мубараков Р.Г. Разработка нового реактора высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена с повышенными технико-экономическими показателями. / Сборник научных трудов ОАО «Иркутск-НИИхиммаш». Иркутск: Издание ГП «Иркутская областная типография №1», 1999.-с. 312-317.

2. Шишкин З.А., Самсонов В.В., Кузнецов A.M., Бальчугов A.B., Харитонов В.И., Мубараков Р.Г. Исследование и модернизация реактора высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена. / Сборник научных трудов ОАО «ИркутскНИИхиммаш». Иркутск: Издание ГП «Иркутская областная типография №1», 1999. - с. 308-312.

3. Бальчугов A.B., Кузнецов A.M., Ульянов Б.А., Самсонов В.В., Шишкин З.А. Модель газлифтного барботажного реактора получения 1,2-дихлорэтана. / Сборник научных трудов ОАО «ИркутскНИИхиммаш». Иркутск: Издание ГП «Иркутская областная типография №1», 1999. - с. 317325.

4. Бальчугов A.B., Кузнецов A.M., Ульянов Б.А., Самсонов В.В., Шишкин З.А. Физико-химические явления на границе раздела фаз в системе этилен-раствор хлора. / Сборник научных трудов ОАО «ИркутскНИИхиммаш». Иркутск: Издание ГП «Иркутская областная типография №1», 1999. - с. 325-328.

5. Куприянов В.В., Самсонов В.В., Бальчугов A.B., Шишкин З.А., Кузнецов A.M. Влияние локального газосодержания на селективность процесса жид-кофазного хлорирования этилена. / Сборник научных трудов АГТИ. Ангарск, 2000. - с. 25-29.

6. Самсонов В.В., Мубараков Р.Г., Шишкин З.А., Бальчугов A.B. Разработка способа получения 1,2-дихлорэтана и конструктивного оформления процесса. / Тезисы докладов в сб.: Технологические и экологические аспекты комплексной переработки минерального сырья. Иркутск: Издательство ИГТУ, 1998.-с. 231.

7. Самсонов В.В., Мубараков Р.Г., Шишкин З.А., Бальчугов A.B. Разработка реактора высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена с повышенными технико-экономическими показателями. / Тезисы докладов в сб.: Технологические и экологические аспекты комплексной переработки минерального сырья. Иркутск: Издательство ИГТУ, 1998. - с. 230.

8. Бальчугов A.B., Звягинцев А.П., Мубараков Р.Г., Самсонов В.В., Соловьев C.B., Шишкин З.А. Способ управления реактором синтеза дихлорэтана с вынесенной зоной кипения. / Тезисы докладов в сб.: Технологические и экологические аспекты комплексной переработки минерального сырья. Иркутск: Издательство ИГТУ, 1998. - с. 225.

9. Бальчугов A.B., Звягинцев А.П., Мубараков Р.Г., Самсонов В.В., Соловьев C.B., Шишкин З.А., Флид М.Р. Способ оптимального управления работой реакторов оксихлорирования этилена. / Тезисы докладов в сб.: Технологические и экологические аспекты комплексной переработки минерального сырья. Иркутск: Издательство ИГТУ, 1998. - с. 224.

Ю.Самсонов В.В., Шишкин З.А., Харитонов В.И., Мубараков Р.Г., Кузнецов A.M., Бальчугов A.B., Ульянов Б.А. Реактор жидкофазного хлорирования этилена с повышенными технико-экономическими показателями. / Тезисы докладов в сб.: Современные технологии и научно-технический прогресс. Ангарск: АГТИ, 1999.-е. 20.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ:

а - коэффициент температуропроводности, м2/с;

Р - коэффициент массоотдачи хлора в 1,2-дихлорэтане, м/с;

а - коэффициент теплоотдачи в 1,2-дихлорэтане, Дж/(м2хградхс);

С - концентрация хлора;

F - площадь поверхности раздела фаз, м2;

IV - скорость, м/с;

Ухи - расход хлора, м3/ч;

{2р - тепловой эффект реакции, Дж/моль;

сР - теплоемкость 1,2-дихлорэтана, ДжДкгхград);

В - коэффициент диффузии, м2/с;

МС12 - молекулярная масса хлора;

р - плотность 1,2-дихлорэтана, кг/м3;

- коэффициент гидравлического сопротивления;

- температура основной массы раствора, °С;

ЛРц - потери давления на участке между сепаратором и тарелкой;

Рв - давление в верхней части реактора;

Рг - давление над тарелкой;

<£>•/• - газосодержание под тарелкой, об. доли.