УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЦЕТИЛЕНА И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЦЕТИЛЕНА Российский патент 1995 года по МПК C10H11/00 C10H15/22 C10H21/16 

Изобретение относится к устройству для получения ацетилена и способу одновременного получения ацетилена и хлорида кальция из карбида кальция и хлористого водорода.

Согласно применяемой в настоящее время технологии в большой резервуар с водой, снабженный медленно вращающейся лопастной мешалкой, загружают карбид кальция. Карбид бросают на поверхность воды, с которой тот спонтанно реагирует. Газообразный ацетилен отводят из верхней части резервуара, а гидроокись кальция и другие примеси осаждаются в его нижней части. Реактор охлаждают с помощью внутреннего змеевика с охлаждающей водой или разбрызгиванием холодной воды снаружи резервуара, или применением того и другого. Образующийся гидроксид кальция вместе с примесями отводят, собирают в кучу и используют в качестве малоценного нейтрализатора для промышленных кислотных потоков или для установления равновесного рН в отстойниках. В зависимости от намеченного применения ацетилен сжимают и хранят в баллонах либо в случае его использования в качестве химического сырья ацетилен по трубопроводу отправляют в близлежащий химический завод.

Для применяемой в настоящее время технологии существуют следующие проблемы.

Нерегулируемый контакт карбида с водой, ведущий к малоконтролируемой скорости реакции и возможности перегрева. Перегрев возникает, когда частицы карбида кальция захватываются образующимся ацетиленом и поднимаются на поверхность воды, где интенсивно реагируют, но без необходимого охлаждения, превалирующего в случае погруженных частиц. Недостаточное охлаждение и высокая экзотермичность реакции может привести к локализованному повышению температуры, при которой частицы нагреваются до температур каления или свечения. Если давление ацетилена превышает примерно 190 кПа (абсолютных), указанные условия могут инициировать детонацию или дефлагpацию с участием ацетилена, приводящую к значительному повышению давления, разрушению резервуара и нерегулируемому выбросу содержимого. Эти условия представляют значительную пожароопасность и угрозу безопасности. Таким образом, слабый контроль реакции приводит к повышению вероятности нежелательных химических реакций и создает необходимость того требования, чтобы первичный реактор работал при низких рабочих давлениях.

В применяемой в настоящее время технологии используют единственный реакционный резервуар, представляющий собой реактор с мешалкой. Вследствие присущих реактору с мешалкой характеристик, чтобы избежать удаления непрореагировавшего карбида, необходимо применять большие относительно перерабатываемого карбида резервуара. На практике медленное перемешивание приводит к реактору, который не является ни идеальным CSТR (реактор с непрерывным перемешиванием), ни идеальным реактором с поршнеобразным потоком и для которого очень мало известно о происходящих местных процессах. Подобное состояние приводит к слабой степени контроля и к неустойчивой работе реактора.

Существующая технология на практике ведет к чрезвычайно низкому использованию теплоты, выделяющейся в ходе экзотермической реакции между карбидом кальция и водой. В применяемой в настоящее время практике технологии выделяющееся тепло используется мало или вовсе не используется. На эту теплоту приходится примерно 20% выделяющейся в реакторе химической энергии, и теплота расходуется понапрасну в результате необходимого охлаждения.

В применяемой в настоящее время технологии предприняты незначительные или совсем не предпринимались попытки улучшить качество образующегося в качестве побочного продукта гидроксида кальция. Гидроксид кальция, полученный при производстве ацетилена, содержит значительное количество примесей, источником которых являются применяемые при изготовлении карбида кальция каменный уголь, кокс или известняк. Эти примеси делают образовавшийся гидроксид кальция малопригодным или совсем не пригодным для продажи.

Цель изобретения заключается в преодолении указанных трудностей существующего уровня техники.

Способ изобретения реализуется в двухэтапной реакторной системе, в которой карбид кальция и воды реагируют с образованием ацетилена и гидроксида кальция. Затем гидроксид кальция в нейтрализаторе вводят в реакцию с хлористым водородом с образованием хлорида кальция. Хлорид кальция может быть продан в виде водного раствора или может быть направлен на осушение с получением пригодного к продаже безводного хлорида кальция.

Изобретение воплощено в уникальном двухреакторном варианте, в котором воду и карбид кальция смешивают в реакторе проточного типа. Реакция протекает в разбавленной водной фазе при времени пребывания в реакторе таком, что реакция завершается на 60-90% в первичном реакторе. Продукты реакции и непрореагировавшее сырье перетекают поверху во вторичный реактор, представляющий собой реактор с плотнофазным ламинарным поршнеобразным потоком. Полученный в качестве промежуточного продукта гидроксид кальция оставляют на осаждение и выводят из нижней части реактора. Непрореагировавшую воду отделяют от гидроксида кальция с помощью перелива и рециркулируют в первичный реактор. Сочетание первичного реактора и вторичного реактора таково, что основная реакция протекает в реакторе типа резервуара с перемешиванием, после чего переносится во вторичный реактор, представляющий собой реактор с поршнеобразным типом потока. Реактор с поршнеобразным типом потока позволяет завершить реакцию карбида кальция с водой. В присутствии избытка воды реакция карбида кальция с водой относится к необратимым реакциям первого порядка.

Предпочтительные варианты воплощения изобретения показаны на прилагаемых диаграммах и чертежах.

На фиг. 1 приведена схема реакторной системы, в которой карбид кальция, хлористый водород и вода реагируют с образованием ацетилена и хлорида кальция; на фиг.2 схема, показывающая двухэтапное расположение реакторов; на фиг. 3 верхняя часть вертикального цилиндрического первичного реактора; на фиг.4 подробная диаграмма вторичного реакционного резервуара.

Фиг. 2 иллюстрирует полную двойную реакционную систему с первичным реактором 10 и вторичным реактором 16, более подробно показанным на фиг.3 и 4. Как видно на фиг. 3, первичный реактор 10 состоит из верхней части 11, представляющей собой вертикальную цилиндрическую конструкцию. Верхняя часть 11 снабжена круглой нисходящей трубой 12, по которой поступает свежая вода. Карбид кальция вводится по центру нисходящей трубы 12 в одном направлении с протекающей по трубе 12 водой. В этот момент и начинается реакция. Реагенты перемещаются в нижнюю часть верхней секции 11, где смешиваются с рециркулируемой водой, проходящей через ограничитель скорости 13. Карбид кальция продолжает реагировать с водой в нижней части верхней зоны, пока размер частиц не достигнет 2-3 мм в диаметре, и в этот момент увлекаются восходящим потоком жидкой части и уносятся через боковое ответвление во вторичный реактор. Время пребывания в первичном реакторе 10 составляет порядка 1-3 мин.

Непрореагировавшие примеси в карбиде кальция более плотные, чем карбид кальция, проходят вниз через ограничитель скорости 13 и накапливаются в нижней секции 14 первичного реактора 10. Рециркулируемая из вторичного реактора вода вводится вблизи дна нижней секции 14 первичного реактора 10. Скорость, с которой вводится рециркулируемая вода, задается с помощью ограничителя скорости 13. Частицы, плотность которых больше, чем у карбида кальция, опускаются через зону вниз, а частицы карбида кальция увлекаются восходящим потоком за счет скорости, превышающей конечную скорость частиц. Непрореагировавшие и тяжелые примеси выводятся из нижней секции 14 первичного реактора непрерывно или периодически через соответствующий вентиль (не показан). После завершения реакции на 60-90% непрореагировавший карбид кальция и образующийся в качестве промежуточного продукта реакции гидроксид кальция вместе с ацетиленом и непрореагировавшей водой вводят через боковой ответвляющийся соединитель 15 во вторичный реакционный резервуар 16, показанный на фиг. 4. Вторичный реактор 16 представляет собой круглый резервуар, размеры которого достаточны для обеспечения времени осаждения гидроксида кальция от 30 мин до 2 ч. Продукт, перетекающий из первичного реактора 10, вводится во внутреннюю кольцеобразную зону 17, в которой продукт оставляют течь в нисходящем направлении и в которой гидроксид кальция оставляют осаждаться в зоне уплотнения 18.

Непрореагировавший карбид кальция во вторичном реакторе 16 полностью вступает в реакцию. Надосадочную непрореагировавшую воду оставляют переливаться через внутренний перелив 19, имеющий концентрическую кольцеобразную форму, из которого воду накачивают по трубе 20 в нижнюю зону первичного реактора 10. Осажденный гидроксид кальция отклоняют в направлении дна реактора. Скос 21 приводится в движение с помощью механического устройства 22, рассчитанного на определенную скорость вращения в 1-6 оборотов в минуту. Гидроксид кальция выводят из нижней части вторичного реактора 16 по трубе 23 и направляют в нейтрализатор хлористым водородом (не показан). Вторичный реактор 16 кроме того снабжен клапаном 24 сброса избыточного давления для вывода ацетилена в случае выхода из строя фильтровых и задних устройств сброса давления (не показаны). Вторичный реактор снабжен также соответствующими разрывными дисками 25, через которые отводятся газы на безопасное расстояние от мест обитания человека на случай возможной дефлагpации или детонации в результате автореакций ацетилена. Полученный ацетилен из вторичного реактора 16 отводится по трубопроводу 26 через фильтрующие и осущающие устройства (не показаны) с приданием ему характеристик продажного продукта.

Как показано на фиг.1, гидроксид кальция направляют в секцию нейтрализации, где его смешивают с соляной кислотой. Нейтрализатор представляет собой цилиндрический реактор с объемом, достаточным для создания времени пребывания в 1-5 c. Простая реакция идет с выделением тепла и образованием растворенного хлорида кальция и воды. Или же к потоку гидроксида кальция, поступающему из вторичного реактора, может быть добавлен безводный хлористый водород с образованием тех же продуктов, но без дополнительной воды, содержащейся в соляной кислоте. Количество добавляемого НСl регулируют установкой измерителей рН или иных приемлемых датчиков. Нерастворимые твердые вещества, содержащиеся в потоке хлористого кальция, могут быть отделены под действием силы тяжести в циклонах или в отстойных башнях. Или же раствор может быть отфильтрован с удалением твердых веществ перед высушиванием. Водный хлорид кальция может поступить в продажу как таковой или же может быть направлен в сушильный аппарат, в котором из хлорида кальция извлекают воду. Высушивание повышает рыночную стоимость хлорида кальция. Тепло, образующееся в первичном реакторе и вторичном реакторе, и нейтрализаторе, сохраняют настолько, насколько это допускают требования безопасности в виде теплосодержания раствора хлорида кальция. При такой высокой температуре теплосодержание вносит значительный вклад в энергетическую эффективность сушильного аппарата и сводит к минимуму количество внешнего тепла, подводимого для осуществления операции по осушению. Избыточное тепло, образовавшееся в реакторах и нейтрализаторе (см. фиг. 1), может быть использовано для нагревания применяемого в сушилке воздуха. Конструкция сушилки может включать ряд промышленных сушилок типа сушки разбрызгиванием, предназначенных для испарения жидкости из кристаллических или твердых продуктов. Вторичный осушитель может быть введен для дальнейшего уменьшения кристаллизационной воды. Вторичный осушитель требует дополнительного, и может иметь конструкцию промышленной сушилки с огневым обогревом. Продуктом операции по осушке является безводный хлорид кальция, который может быть продан.

В изобретение могут быть внесены дополнительные модификации и вариации. Поэтому в объеме прилагаемой формулы изобретение может быть осуществлено на практике несколько иначе, чем это описано.

Сущность изобретения: продукт-ацетилен и хлорид кальция. Реагенты: карбид кальция и вода. Получают последовательными стадиями реакции. На первой стадии карбид кальция загружают в реактор с увлеченным потоком, содержащим воду до степени 60 90% Продукты реакции и непрореагировавшее сырье переносятся во вторичный реактор с отводом газообразного ацетилена, удалением гидроксида кальция и вводом в реакцию с хлористым водородом с получением хлорида кальция. Теплоту, образовавшуюся в экзотермической реакций, используют для высушивания полученного хлорида кальция и повышения его ценности. Устройство для получения ацетилена включает соединенные между собой трубопроводом для транспортировки жидкой фазы и ацетилена первичный и вторичный реактор, патрубки для подачи в первичный реактор воды и карбида кальция, патрубок отвода гидроксида кальция из нижней части первичного и вторичного реактора, патрубка для отвода ацетилена из вторичного реактора, размещенное в центральной части вторичного реактора перемешивающее приспособление, охваченное подсоединенной ко дну реактора вертикальной кольцевой перегородкой, циркуляционный трубопровод, соединяющий пространство с внешней стороны от кольцевой перегородки вторичного реактора с нижней частью первичного реактора, которая отделена от верхней части сужением, подсоединенный к патрубку для отвода гидроксида кальция из вторичного реактора нейтрализатор гидроксида кальция с подводом хлористого водорода или соляной кислоты, подсоединенную к нейтрализатору и к первичному реактору сушилку хлорида кальция. 3 с. и 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для получения ацетилена, включающее соединенные между собой первичный и вторичный реакторы, патрубки для подачи в первичный реактор воды и карбида кальция, патрубки для отвода гидроксида кальция из нижней части первичного и вторичного реакторов, патрубок для отвода ацетилена из вторичного реактора, размещенное в центральной части вторичного реактора перемешивающее приспособление, отличающееся тем, что оно снабжено подсоединенной ко дну вторичного реактора и охватывающей перемешивающее приспособление вертикальной кольцевой перегородкой, циркуляционным трубопроводом, соединяющим пространство с внешней стороны от кольцевой перегородки вторичного реактора с нижней частью первичного реактора, которая отделена от верхней части сужением, подсоединенным к патрубку для отвода гидроксида кальция из вторичного реактора, нейтрализатором гидроксида кальция с подводом хлористого водорода или соляной кислоты, подсоединенной к нейтрализатору и к первичному реактору сушилкой хлорида кальция, реакторы соединены трубопроводом для транспортировки жидкой среды и ацетилена. 2. Способ получения ацетилена, включающий подачу в первичныый реактор избытка воды и карбида кальция и приведение их в контакт, отвод из первичного реактора ацетилена и гидроксида кальция, перенос во вторичный реактор непрореагировавшего карбида кальция, отвод гидроксида кальция и ацетилена из вторичного реактора, перемешивание воды с карбидом кальция во вторичном реакторе, отличающийся тем, что осуществляют циркуляцию воды из вторичного реактора в нижнюю часть первичного с направлением потока в первичном реакторе вверх через частицы карбида кальция, причем воду на циркуляцию отбирают непосредственно с поверхности на периферии перемешиваемого объема во вторичном реакторе, выходящий поток воды в первичном реакторе регулируют для увлечения вверх легких частиц карбида кальция и осаждения на дно реактора тяжелых частиц, плотность которых больше плотности карбида кальция, циркулирующую воду с непрореагировавшими частицами карбида кальция и частицами гидроксида кальция переносят из первичного реактора в центральную часть перемешиваемого объема вторичного реактора, ацетилен из первичного реактора отводят во вторичный вместе с циркулирующей жидкой средой, гидроксид кальция из вторичного реактора подают на нейтрализацию хлористым водородом или соляной кислотой и полученный хлорид кальция подают на сушку с использованием тепла от нейтрализации гидроксида кальция и реакций карбида кальция с водой в первичном реакторе. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что время пребывания реагентов в первичном реакторе обеспечивает протекание реакции карбида кальция с водой на 60 90%
4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что регулирование восходящего водного потока в первичном реакторе обеспечивает перенос частиц карбида кальция с размером 2 3 мм. 5. Способ получения ацетилена, включающий подачу в первичный реактор воды и карбида кальция и приведение их в контакт, отвод из первичного реактора ацетилена и гидроксида кальция, перенос во вторичный реактор непрореагировавшего карбида кальция, отвода гидроксида кальция и ацетилена из вторичного реактора, перемешивание воды с карбидом кальция во вторичном реакторе, отличающийся тем, что в первичном реакторе осуществляют отделение плотных и нереакционноспособных примесей от целевых продуктов реакции и осаждение их на дно реактора, ацетилен, воду и гидроксид кальция переносят в перемешиваемый объем вторичного реактора вместе с непрореагировавшим карбидом кальция, теплоту, образованную при получении ацетилена, отводят и утилизируют, а процесс осуществляют с применением минимального пространства для реакторов. 6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что реакцию в первичном реакторе осуществляют в течение 1 3 мин со степенью превращения 60 90%