Введение к работе
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 гидрохлорирования 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 жидксфазного 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 іл 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 жидко-фазного хлорирования этилена высокой производительности, которые заключаются:
в локальном повышении температуры паров в зоне реакции, что сопровождаетсяпереходом реакции хлорирования из жидкой фазы в паровую;
в неравномерности поля скоростей по сечению реактора и наличии застойных зон в его нижней части.
-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 «ИркутскНИИхиммаш». 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 по тематике работы.