насадочный реактор для получения 1,2-дихлорэтана

Формула изобретения

Реактор барботажного типа для получения 1,2-дихлорэтана методом жидкофазного хлорирования этилена с отводом теплоты реакции при кипении рабочей среды, отличающийся тем, что в реакторе размещают два слоя металлической насадки, сверху на насадку подают жидкий 1,2-дихлорэтан, в пространство между слоями насадки подают газообразный хлор с азотом, а под нижний слой насадки подают газообразный этилен с азотом, причем теплоту реакции отводят за счет испарения 1,2-дихлорэтана в азот и температуру жидкости поддерживают ниже температуры кипения.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к устройству реактора получения 1,2-дихлорэтана методом жидкофазного хлорирования этилена с отводом теплоты реакции при кипении рабочей среды.

Уровень техники

Наиболее близкими конструкциями реакторов для получения 1,2-дихлорэтана являются высокотемпературный и низкотемпературный реакторы жидкофазного хлорирования этилена [1].

В высокотемпературном реакторе процесс проводится при температуре, равной температуре кипения рабочей среды (83,5-110°С в зависимости от давления). Реактор высокотемпературного процесса представляет собой барботажную газлифтную колонну 1, снабженную внутренней циркуляционной трубой 4 (фиг.1). Рабочей средой является жидкий 1,2-дихлорэтан. Катализатором процесса является FeCl₃, который находится в реакторе в растворенном виде. Для получения раствора газообразный хлор через распределитель 2 подается в нижнюю часть кольцевого пространства. Реакция осуществляется выше по потоку при вводе в реактор газообразного этилена через распределитель 3. Вследствие разности плотностей сред в циркуляционной трубе и в кольцевом пространстве возникает циркуляция жидкости. В верхней части реактора устанавливаются перфорированные тарелки 6, предназначенные для интенсификации перемешивания. Теплота реакции отводится за счет испарения 1,2-дихлорэтана при кипении. Верхняя часть реактора играет роль сепаратора для отделения капель жидкости от пара. Продукты реакции отводятся в виде паров на стадию ректификации через штуцер в крышке реактора. Вследствие низкой летучести катализатор остается в реакторе. Для поддержания уровня жидкости в нижнюю часть реактора вводится 1,2-дихлорэтан.

Важным преимуществом высокотемпературного реактора по сравнению с низкотемпературным является экономичность: выделяющееся тепло расходуется на испарение и ректификацию продуктов, сточные воды отсутствуют, расход катализатора минимален.

Недостатком высокотемпературного реактора является низкая селективность (98,0-98,7%), связанная с увеличением скорости побочных реакций при росте температуры. Побочные продукты - трихлорэтан, трихлоэтилен и другие высшие хлорпроизводные этана - образуются в реакторе в результате реакций заместительного хлорирования. Скорость побочных реакций снижается при уменьшении температуры [2]. При образовании 1 моля 1,2-дихлорэтана выделяется количество теплоты, достаточное для испарения 6 молей 1,2-дихлорэтана.

Низкотемпературный реактор (фиг.2) представляет барботажную колонну 1, соединенную в верхней и нижней части с выносным кожухотрубчатым теплообменником 5. Рабочей средой в реакторе является продукт реакции -1,2-дихлорэтан в жидком состоянии. Хлор вводится в нижнюю часть колонны через распределитель 2. Выше в образовавшийся раствор хлора через распределитель 3 вводится этилен. За счет разности плотностей сред в холодильнике и колонне возникает циркуляция рабочей среды с восходящим потоком в колонне. Температура в реакторе составляет 65°С. Отвод синтезированного продукта осуществляется самотеком через перелив. Отделение продукта от катализатора осуществляется на стадии очистки. Катализатор после стадии очистки не подлежит регенерации. Продукты процесса со стадии очистки поступают на ректификацию.

Достоинством низкотемпературного реактора является высокая селективность (99,6%), объясняющаяся замедлением побочных реакций заместительного хлорирования при снижении температуры. К недостаткам низкотемпературного реактора относятся большой расход сточных вод на стадии очистки продукта от катализатора, значительный расход катализатора на единицу продукции, большие энергетические затраты на охлаждение реакционной массы и нерациональное использование теплоты реакции.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является увеличение селективности процесса за счет разработки нового типа реактора - насадочного реактора жидкофазного хлорирования этилена (фиг.4). В качестве насадки можно использовать любой известный современный вид насадки: кольца Рашига, Паля, регулярные виды насадок. Материалом для насадки выбрана углеродистая сталь. Это способствует равномерному распределению температуры в пленке жидкости. Поток жидкого дихлорэтана с растворенным катализатором подается сверху на слой насадки, жидкость пленкой распределяется по поверхности насадки. В реакторе размещаются два слоя насадки. Верхний слой насадки предназначен для абсорбции хлора потоком 1,2-дихлорэтана, а нижний слой насадки - для хемосорбции этилена раствором хлора. В пространстве между слоями насадки подается газообразная смесь хлора и азота. Образовавшийся раствор хлора стекает на нижний слой насадки, снизу которого подается газообразная смесь этилена с азотом. Теплота реакции отводится за счет испарения 1,2-дихлорэтана в поток азота, при этом температура жидкости поддерживается ниже температуры кипения.

При реализации изобретения могут быть получены следующие результаты:

1. Уменьшение диаметра реактора по сравнению с прототипами. Для проведения процесса в барботажном режиме со средним объемным газосодержанием среды 20-30% требуется большое количество жидкого 1,2-дихлорэтана. Этим объясняется большой диаметр барботажного реактора. В насадочном реакторе процесс проводится за счет контакта пленки жидкости с хлором, этиленом и азотом. В этом случае не требуется большое количество 1,2-дихлорэтана. 1,2-дихлорэтан в насадочный реактор подается в количестве, необходимом для отвода реакции за счет испарения. Промышленный барботажный реактор с нагрузкой по хлору 3000 м³/ч имеет диаметр 3600 мм. Расчеты показывают, что насадочный реактор с такой же нагрузкой имеет диаметр 2000 мм.

2. Увеличение селективности. В насадочный реактор подается хлор в смеси с азотом. В результате этого концентрация хлора в газовой фазе будет ниже, чем в барботажном реакторе. Это приведет к снижению равновесной концентрации хлора в жидкой фазе в соответствии с законом Генри [3].

В результате снижения концентрации хлора в 1,2-дихлорэтане уменьшится скорость побочных реакций. Это следует из работы [4], которая показывает, что повышение концентрации растворенного хлора в реакционной массе ведет к увеличению скорости образования побочных продуктов, в соответствии с уравнением для скорости образования побочных продуктов.

Кроме того, из-за испарительного охлаждения 1,2-дихлорэтана в азот температура в реакторе будет ниже температуры кипения 1,2-дихлорэтана (фиг.3). График фиг.3. построен на основе материального, теплового баланса насадочного реактора для следующего режима: расход хлора 300 нм³/час, расход этилена 315 нм ³/час, расход азота 300 нм³/час, начальная концентрация хлора в жидкости 0,1 кмоль/м³, конечная концентрация хлора в жидкости 0,005 кмоль/м³, удельная поверхность насадки 400 м²/м³, объемный расход жидкости 134 м³/ч, внутренний диаметр реактора 1,36 м. Из фиг.3. видно, что по мере движения вниз рабочая жидкость сначала нагревается за счет выделяющейся теплоты реакции, а затем начинает охлаждаться азотом, движущимся снизу вверх. Средняя температура рабочей жидкости составляет 77°С. Таким образом, температура в насадочном реакторе меньше температуры кипения в барботажном реакторе. Известно [2], что с уменьшением температуры падает скорость побочных реакций, что будет способствовать увеличению селективности процесса, проводимого в насадочном реакторе. Таким образом, в насадочном реакторе селективность будет выше, чем в высокотемпературном барботажном реакторе, в котором температура рабочей среды составляет 83,5-110°С, а селективность процесса 98,0-98,7% [5].

Таким образом, в насадочном реакторе жидкофазного хлорирования этилена создаются более благоприятные условия для проведения процесса, чем в реакторе с барботажным вводом реагентов.

Краткое описание чертежей

Перечень фигур:

фиг.1. Барботажный газлифтный реактор высокотемпературного жидкофазного хлорирования этилена;

фиг.2. Барботажный реактор низкотемпературного хлорирования этилена;

фиг.3. Распределение температуры жидкости по высоте насадочного реактора;

фиг.4. Насадочный реактор для получения 1,2-дихлорэтана.

В фиг.1 и фиг.2 описываются аналоги изобретения. На фиг.3 приведена зависимость, позволяющая определить температуру рабочей жидкости в любом сечении реактора. На фиг.4 описывается устройство и принцип работы реактора, в котором может быть осуществлено изобретение.

Осуществление изобретения

Насадочный реактор (фиг.4) для получения 1,2-дихлорэтана работает в следующем режиме: расход хлора 300 нм³/час, расход этилена 315 нм³/час, расход азота 300 нм³/час, начальная концентрация хлора в жидкости 0,1 кмоль/м³, конечная концентрация хлора в жидкости 0,005 кмоль/м³, коэффициент массоотдачи в жидкости 0,4 м/ч, удельная поверхность насадки 400 м²/м³, объемный расход жидкости 134 м³/ч, внутренний диаметр реактора 1,36 м. Высота слоя насадки в этих условиях составила 3,12 м. В качестве насадки используются кольца Рашига. Материалом для насадки выбрана углеродистая сталь, это будет способствовать равномерному распределению температуры в пленке жидкости. Насадка размещается в два слоя.

Насадочный реактор жидкофазного хлорирования этилена (фиг.4) работает следующим образом. Сверху подается 1,2-дихлорэтан в количестве, необходимом для проведения реакции и охлаждения реакционной смеси в результате испарительного охлаждения. 1,2-дихлорэтан пленкой стекает по поверхности насадки. В реакторе размещаются два слоя насадки. Верхний слой насадки предназначен для абсорбции хлора потоком 1,2-дихлорэтана, а нижний слой насадки - для хемосорбции этилена раствором хлора. В пространство между слоями насадки через распределитель 2 подается газообразная смесь хлора и азота. Образовавшийся раствор хлора с верхнего слоя насадки стекает на нижний слой насадки. Под нижний слой насадки через распределитель 3 подается газообразная смесь этилена с азотом. Газовая и жидкая фазы движутся противотоком. Верхняя часть реактора играет роль сепаратора для отделения капель жидкости от пара. Этому же способствует и каплеотбойник 8. В качестве насадки 7 решено использовать металлическую насадку для более равномерного распределения температуры в пленке жидкости. Азот и избыток этилена с верха реактора после конденсации паров в конденсаторе 5 отделяются от жидкого 1,2-дихлорэтана в газожидкостном сепараторе 10 и возвращаются компрессором 9 в реактор. Конденсат после газожидкостного сепаратора 10 поступает на распределительный узел 11, часть конденсата насосом 12 возвращается в реактор, а остальная часть в виде готового продукта сливается в сборные емкости. Теплота реакции отводится при испарении 1,2-дихлорэтана в азот. Метод отвода теплоты при испарительном охлаждении эффективен. В данном насадочном реакторе из-за испарительного охлаждения 1,2-дихлорэтана в азот температура в реакторе будет ниже температуры кипения 1,2-дихлорэтана, что отражено на фиг.3. График фиг.3. построен на основе материального, теплового баланса насадочного реактора. В качестве данных, свидетельствующих о том, что селективность в насадочном реакторе будет выше, чем в прототипе (барботажном высокотемпературном реакторе), можно использовать показания графика (фиг.3). В соответствии с этими данными средняя температура рабочей среды в реакторе будет равна 77°С. Как известно из работы [2], уменьшение температуры в реакторе снизит скорость побочных реакций, в результате селективность процесса будет выше, чем в высокотемпературном барботажном реакторе (фиг.1). В барботажном высокотемпературном реакторе температура рабочей среды составляет 83,5-110°С, а теплота реакции отводится за счет кипения рабочей среды. При этом селективность процесса в высокотемпературном реакторе составляет 98,0-98,7% [5].

Насадочным реактором можно управлять за счет регулирования расхода рабочей жидкости, расхода азота и начальной температуры рабочей жидкости. Снижение начальной температуры рабочей жидкости приведет к увеличению селективности процесса, однако это потребует увеличения расхода азота и, как следствие, увеличения высоты слоя насадки. Увеличение расхода рабочей жидкости позволит снизить среднюю температуру в слое насадки, но это также приведет к необходимости увеличения высоты слоя насадки. За счет увеличение расхода азота можно снизить температуру рабочей жидкости, но вследствие снижения концентрации этилена и движущей силы массопередачи произойдет увеличения требуемой высоты слоя насадки.

Литература

1. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. Изд. 2-е, пер. М., «Химия», 1975 - 736 с.

2. Аветьян М.Г, Сонин Э.В., Зайдман О.А. и др. Исследование процесса прямого хлорирования этилена в промышленных условиях. // Химическая промышленность, 1991, №12, с.710-713.

3. Рамм В.М. Абсорбция газов. М., Высшая школа, 1975.

4. Рожков В.И., Зайдман О.А., Сонин Э.В., Кришталь Н.Ф., Аветьян М.Г., Трегер Ю.А., Харитонов В.И., Перевалов А.Ф., Мубараков Р.Г. Закономерности жидкофазного хлорирования этилена. // Хим. пром. 1991. №7. С.398.

5. Мубараков Р. Г. Гидравлика и массообмен в барботажном реакторе хлорирования этилена. - Дисс. на соискание степени канд. техн. наук. - Ангарск, 1998. 132 с.