Громова Елена Викторовна. Новый процесс хлорирования этилена с комбинированным отводом тепла и его аппаратурное оформление

brief description

Громова Елена Викторовна. Новый процесс хлорирования этилена с комбинированным отводом тепла и его аппаратурное оформление : диссертация... кандидата технических наук : 05.17.08 Ангарск, 2007 117 с. РГБ ОД, 61:07-5/3027

АНГАРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ
На правах рукописи
Громова Елена Викторовна
НОВЫЙ ПРОЦЕСС ХЛОРИРОВАНИЯ ЭТИЛЕНА С
КОМБИНИРОВАННЫМ ОТВОДОМ ТЕПЛА
И ЕГО АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ
05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Б.А. Ульянов
Ангарск - 2007
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. Технологический процесс жидкофазного хлорирования этилена
1.1. Способы получения 1,2 - дихлорэтана 7
1.2. Конструкции реакторов хлорирования этилена 11
1.3. Закономерности хемосорбции 19
1.4. Влияние различных факторов на интенсивность абсорбции и
хемосорбции 25
1.5. Поверхностные явления при хемосорбции 30
1.6. Методы исследования поверхностной конвекции 35
1.7. Гидродинамика и массообмен в вакуумных испарителях ... 38
1.8. Постановка задач исследования 53
ГЛАВА 2. Исследование процесса хлорирования этилена
2.1. Процессы тепло - и массообмена в пленке жидкости 54
2.2. Экспериментальные исследования поверхностных явлений
при хемосорбции этилена раствором хлора 61
ГЛАВА 3. Разработка вакуумного реактора с комбинированным отводом тепла
3.1. Модель идеального вытеснения зоны реакции 67
3.2. Ячеечная модель зоны реакции 73
ГЛАВА 4. Разработка нового способа жидкофазного хлорирования этилена с комбинированным отводом тепла 81
ГЛАВА 5. Разработка устройств стабилизации и ввода этилена
5.1. Разработка устройства стабилизации потока жидкости в бар-
ботажных газлифтных реакторах 85
5.2. Разработка эжекционного устройства для ввода этилена ... 89
ВЫВОДЫ 93
ЛИТЕРАТУРА 95
Приложение 1 105
Приложение 2 109
Приложение 3 114
Приложение 4 116
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследования. 1,2-дихлорэтан является ценным хи-мическим сырьем, которое широко используется в различных областях промышленности в качестве растворителя, а также при производстве дру¬гих хлорорганических продуктов. В химической промышленности 1,2- дихлорэтан получают методом хемосорбции этилена раствором хлора. Различают низкотемпературный и высокотемпературный процессы хлори-рования.
Достоинством низкотемпературного процесса является высокая се-лективность (99.6%), объясняющаяся замедлением побочных реакций при снижении температуры. К недостаткам, ограничивающим возможность более широкого использования низкотемпературного процесса в промыш¬ленности, относятся большой объем сточных вод на стадии отмывки, зна¬чительный расход катализатора на единицу продукции, большие расходы воды на охлаждение реакционной массы и потери тепла реакции.
При высокотемпературном процессе хлорирования этилена продук¬ты реакции не содержат катализатор. Они отводятся из реактора в виде на-сыщенного пара, теплота конденсации которого может быть полезно ис-пользована. Однако, вследствие повышения температуры, селективность процесса снижается и требуется очистка 1,2-дихлорэтана от примесей с помощью энергоемкого процесса ректификации.
В предложенном нами низкотемпературном способе хлорирования этилена с комбинированным отводом тепла 1/6 часть выделяющейся в ре-акторе теплоты отводится за счет испарения 1,2-дихлорэтана при кипении, а 5/6 частей теплоты отводится в выносном теплообменнике.
Жидкофазное хлорирование этилена под вакуумом позволяет со-вместить достоинства низкотемпературного и высокотемпературного про-цессов. Понижение давления приводит к уменьшению температуры кипе¬ния среды в реакторе, что позволяет обеспечить высокую селективность процесса. Отвод продукта из раствора в виде пара исключает стадию от¬мывки продукта от катализатора. Все это позволяет повысить технико¬
экономические показатели процесса и имеет большое практическое значе¬ние.
Цель работы. Разработать новый способ хлорирования этилена с комбинированным отводом тепла и его аппаратурное оформление. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие за¬дачи:
• исследовать поверхностные явления при хемосорбции этилена раство-ром хлора;
• разработать модель хемосорбции этилена раствором хлора в газлифт¬ном реакторе;
• исследовать влияние давления в верхней части реактора на параметры зоны реакции;
• разработать устройства стабилизации расхода жидкости для барботаж- ного газлифтного реактора хлорирования этилена;
• разработать распределительные устройства для ввода этилена в слой жидкости.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Разработан низкотемпературный способ хлорирования этилена с комбинированным отводом тепла под вакуумом.
Теоретически предсказана и экспериментально подтверждена поверх-ностная конвекция при хемосорбции этилена раствором хлора.
Разработана модель хемосорбции этилена в барботажном реакторе, по-зволяющая определить основные характеристики зоны реакции в зависи-мости от определяющих факторов.
Разработаны эффективные распределительные устройства для ввода этилена и стабилизации потока жидкости в барботажном реакторе.
Практическая значимость. Реализация нового способа хлорирова¬ния этилена позволяет обеспечить содержание 1,2-дихлорэтана в продук¬тах реакции выше 99,6% и тем самым снизить потери реагентов (хлора и этилена), обусловленные побочными реакциями.
Высокое качество 1,2-дихлорэтана позволяет исключить стадию рек-тификации продуктов реакции, а также стадию отмывки продуктов от ка-тализатора.
Апробация работы и публикации. Результаты работы докладыва¬лись и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Новые химические технологии: производство и применение», г. Пенза (2006 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Химия и хи¬мическая технология», г. Иркутск (2006 г.), 16 международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», г. Рос¬тов - на - Дону (2003 г.), VI международном симпозиуме молодых ученых, г. Москва (2002 г.), на ежегодных научно - технических конференциях Ан¬гарской государственной технической академии «Современные техноло¬гии и научно - технический прогресс», г. Ангарск (2001 - 2006 г.г.). По ма¬териалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 11 статей. По заявке № 2004131405 «Вакуумный реактор жидкофазного хло¬рирования этилена» получено решение о выдаче патента РФ от 10.04.2006. По заявке № 2005116091 «Способ получения 1,2 - дихлорэтана под вакуу¬мом» получено решение о выдаче патента РФ от 20.11.2006.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введе-ния, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложе¬на на 114 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 1 таб¬лицу и 4 приложения на 9 страницах.

bibliography

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
• Разработан новый способ хлорирования этилена с комбинированным отводом тепла за счет частичного испарения жидкости и ее охлажде¬ния в выносном холодильнике, позволяющий повысить селектив¬ность процесса до 99.9%.
• Экспериментальные исследования показали, что при хемосорбции этилена раствором хлора на горизонтальной поверхности раздела
фаз возникает упорядоченная ячеечная конвекция, ускоряющая мас¬соперенос.
• Исследование хемосорбции этилена раствором хлора показали, что массообмен протекает в конвективном режиме, обусловленном не¬стабильностью подвижной границы раздела фаз.
• На основе материального и теплового баланса, учитывающего теп¬ловой эффект реакции и теплоту растворения хлора, рассчитаны протяженности зон реакции и кипения, и установлено влияние на них кратности циркуляции раствора и давления в аппарате. Показа¬но, что понижение давления в аппарате благоприятно сказывается на температурном режиме реактора и позволяет увеличить селектив¬ность процесса хлорирования этилена. Разработан новый реактор жидкофазного хлорирования этилена с комбинированным отводом тепла. Получено решение о выдаче патента РФ на «Способ получе¬ния 1,2 - дихлорэтана под вакуумом». Получено решение о выдаче патента РФ на «Вакуумный реактор жидкофазного хлорирования этилена».
• Разработаны устройства стабилизации расхода жидкости в барбо- тажных газлифтных реакторах, обеспечивающие равномерное рас¬пределение реагентов, исключающие пульсации среды и образова¬ние обратных пристеночных потоков. Вследствие низкого гидравли¬ческого сопротивления стабилизирующие устройства незначительно снижают протяженность зоны кипения и скорость циркуляции жид¬кости.
• Разработаны распределительные устройства эжекторного типа для ввода этилена в слой жидкости. Газообразный этилен в них увлекает жидкость и ингибитор в виде мелкодисперсных капель с развитой поверхностью контакта фаз. Присутствие в газовой фазе капель аэ¬розоля с катализатором способствует снижению скорости побочных реакций и обеспечивает образование целевого продукта.
Результаты доложены на техническом совете ОАО «СаянскХИМ¬ПЛАСТ» и приняты к внедрению.