РЕАКТОР ПРЯМОГО ХЛОРИРОВАНИЯ ЭТИЛЕНА Российский патент 1998 года по МПК B01J19/24 

Изобретение относится к конструкции аппаратов, применяемых в химической промышленности для получения дихлорэтана путем хлорирования газообразного этилена в среде жидкого дихлорэтана (ДХЭ).

Известен барботажный реактор для проведения химических реакций в системе жидкость - газ, выполненный в виде вертикальной реакционной колонны со штуцерами ввода и вывода реагентов, снабженный выносной циркуляционной трубой и перфорированными ситчатыми тарелками. Площадь поперечного сечения реакционной колонны, т.е. ее проходное сечение в зоне реакции значительно превышает размеры площади поперечного (проходного) сечения циркуляционной трубы.

Недостатками известного реактора являются снижение выхода дихлорэтана, повышенный синтез вредных высококипящих соединений и повышенный в связи и этим расход вводимого этилена. Причинами указанных недостатков являются большая неравномерность гидродинамической обстановки в местах ввода хлора и этилена, связанная с большой площадью поперечного сечения вертикальной реакционной колонны на входе в зоны растворения хлора и этилена и в зону реакции, а также недостаточный расход охлажденного дихлорэтана, циркулирующего через зону реакции. Это приводит к вскипанию дихлорэтана в зоне реакции и, в конечном счете, к снижению качества процесса синтеза, которое выражается в высокой доле синтеза побочных вредных продуктов реакции (в основном, трихлорэтана), экологически опасных, трудно поддающихся утилизации, и соответственно, в снижении вследствие этого выхода целевого продукта - дихлорэтана по отношению к вводимым в процесс количествам хлора и этилена.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является реактор прямого хлорирования этилена, содержащий сообщенные между собой в верхней и нижней частях вертикальные колонну и трубу, патрубки и устройства для ввода хлора и этилена и патрубки для ввода жидкого возвратного дихлорэтана и отвода паров дихлорэтана.

Недостатками известного реактора являются снижение выхода синтезированного дихлорэтана по отношению к вводимому количеству хлора, повышенный синтез вредных высококипящих соединений (трихлорэтана) и повышенный в связи с этим расход вводимого этилена.

В известном реакторе процесс синтеза происходит в среде жидкого дихлорэтана при повышенном давлении, обусловленном давлением гидростатического столба жидкости и избыточным давлением верха колонны. Когда дихлорэтан с растворенным в нем хлором достигает уровня, где в него вводят газообразный этилен, начинается химическая реакция хлорирования этилена, т.е. на этом уровне начинается зона реакции. Реакция хлорирования этилена продолжается по мере движения жидкого дихлорэтана вверх до тех пор, пока в жидком дихлорэтане имеется растворенный хлор. Как только на некотором уровне высоты колонны все количество этого хлора будет исчерпано - реакция хлорирования заканчивается, т.е. на этом уровне заканчивается зона реакции. Процесс хлорирования этилена протекает с выделением большого количества тепла. Образование 1 моля синтезированного дихлорэтана сопровождается выделением количества тепла, достаточного для испарения 6 молей дихлорэтана. В известном реакторе излишки тепла, выделяющегося в ходе реакции, утилизируются посредством испарения синтезированного и дополнительно подаваемого возвратного жидкого дихлорэтана в процессе кипения дихлорэтана. Однако, вследствие различных ниже указанных причин, утилизация излишков тепла происходит не полностью и поэтому кипение дихлорэтана начинается уже в зоне реакции. Когда же при выделении тепла происходит вскипание дихлорэтана именно в зоне реакции, то часть растворенного в дихлорэтане хлора переходит в паровую фазу, в которую поступает и газообразный этилен. То есть химическая реакция хлорирования этилена начинает происходить и в паровой фазе, в результате чего значительно увеличивается выход вредных побочных продуктов.

Причин вскипания дихлорэтана в зоне реакции несколько. Основная причина вскипания дихлорэтана в зоне реакции установлена экспериментально и заключается в недостаточно интенсивной циркуляции, то есть в недостаточном расходе дихлорэтана через зону реакции при малой разности его температур на входе и выходе зоны реакции. Т. е. расхода жидкого дихлорэтана, проходящего через зону реакции, имеющую значительную площадь проходного сечения, недостаточно для снятия тепла, необходимого для исключения вскипания дихлорэтана в зоне реакции. В известном реакторе циркуляция дихлорэтана в контуре "вертикальная колонна - вертикальная труба" происходит за счет эрлифта, то есть за счет разности плотностей рабочей среды, находящейся в рабочих объемах указанных вертикальных элементов, циркуляционного контура. Величина движущей силы эрлифта в известном реакторе определяется величиной газосодержания в зоне кипения дихлорэтана, расположенной в вертикальной колонне, по отношению к плотности жидкого дихлорэтана, поступающего в центральную вертикальную трубу. Вследствие значительной величины площади поперечного сечения вертикальной колонны и ввиду жестко регламентированного расхода вводимых в нее газообразных компонентов отсутствует технологическая возможность увеличения газосодержания (паросодержания) в зоне кипения дихлорэтана, а следовательно, и увеличения интенсивности циркуляции, то есть увеличения расхода дихлорэтана через зону реакции.

Другой причиной вскипания дихлорэтана в зоне реакции является наличие локальных неоднородностей концентрации растворенного хлора и этилена в жидком дихлорэтане, поступающем восходящим потоком в зону реакции колонны, имеющей значительную площадь поперечного сечения. Эта неоднородность концентрации хлора и этилена обусловлена локальной неравномерностью ввода хлора и этилена через устройства, а также неравномерностью распределения газообразных компонентов по всему сечению колонны, так как общая площадь отверстий для их ввода по отношению к площади поперечного сечения колонны составляет очень малую ее часть. Величина локальной концентрации растворенного хлора зависит также от отношения скорости его подачи через устройство к локальной скорости восходящего потока жидкого дихлорэтана в данном месте сечения колонны. Экспериментально установлено, что в нижней части колонны известного реактора в зоне растворения хлора на 30% площади поперечного сечения колонны скорость восходящего потока дихлорэтана значительно ниже расчетной. Поэтому дихлорэтан, поступающий через это сечение в зону реакции, имеет концентрацию растворенного хлора, и значительно превышающую расчетную. Следовательно в 30% объема дихлорэтана, поступающего в зону реакции, происходит его вскипание. При этом часть молекул хлора, находящегося в кипящем дихлорэтане, переходит в паровую фазу и там встречается и реагирует с этиленом. Известно, что когда реакция хлора и этилена протекает в паровой фазе, то температура их синтеза выше, чем при их синтезе в жидкой фазе. Поэтому в указанных локальных объемах восходящего потока дихлорэтана резко повышается скорость образования вредных высококипящих соединений и их количество в синтезируемом дихлорэтане резко возрастает.

Таким образом кипение дихлорэтана, происходящее в пределах реакционной зоны известного реактора, приводит к повышенному синтезу вредных побочных продуктов, которые снижают качество процесса синтеза дихлорэтана и, вследствие этого, значительно снижают выход дихлорэтана. Кроме того, для обеспечения полной утилизации хлора в конечном продукте необходимо вводить дополнительное количество этилена, а это приводит к завышенному его удельному расходу и к его повышенным потерям.

Задачей изобретения является повышение выхода дихлорэтана по отношению к вводимому количеству хлора, практическое исключение синтеза вредных побочных продуктов реакции, а также снижение удельного расхода вводимого этилена.

Поставленная задача достигается тем, что в реакторе прямого хлорирования этилена, содержащем сообщенные между собой в верхней и нижней частях вертикальные колонну и трубу, патрубки и устройства для ввода хлора и этилена, патрубки для ввода жидкого возвратного дихлорэтана и отвода паров дихлорэтана, согласно изобретению, устройства для ввода хлора и этилена установлены внутри вертикальной трубы, а их выходные отверстия направлены вверх вдоль оси вертикальной трубы.

Каждое из устройств для ввода хлора и этилена может быть выполнено в виде сопла, направленного вверх вдоль оси вертикальной трубы.

Каждое из устройств для ввода хлора и этилена может быть выполнено в виде эжектора, направленного вверх вдоль оси вертикальной трубы, при этом эжекторы расположены последовательно и соосно вертикальной трубе.

Кроме того, реактор может быть снабжен соплом, установленным под нижним концом вертикальной трубы, направленным вверх вдоль ее оси и сообщенным с патрубком для ввода жидкого возвратного дихлорэтана.

Технический результат изобретения выражается в исключении вскипания дихлорэтана в зоне химической реакции хлора и этилена за счет повышения интенсивности съема тепла их реакции восходящим потоком жидкого дихлорэтана и переноса части тепла в зону его кипения. Это происходит благодаря увеличению кратности циркуляции жидкого дихлорэтана через зону реакции за счет увеличения движущей силы процесса циркуляции, которая возрастает благодаря повышению разности плотностей рабочей силы, находящейся в вертикальной колонне и в вертикальной трубе, имеющей меньший геометрический объем. Кроме того, благодаря резкому уменьшению площади поперечного сечения зоны растворения хлора и зоны реакции устранены причины неравномерности профиля скорости восходящего потока дихлорэтана. При этом обеспечивается равномерное смешение хлора, этилена и возвратного дихлорэтана с потоком жидкого циркулирующего дихлорэтана.

Дополнительный технический результат от применения сопел и эжекторов в качестве устройств для ввода хлора, этилена и жидкого возвратного дихлорэтана в реакционную зону вертикальной трубы выражается в повышении интенсивности процесса растворения вводимых газообразных компонентов, в активизации процесса их смешения с жидким дихлорэтаном, а также в дополнительном увеличении расхода восходящего потока жидкого дихлорэтана, циркулирующего через зону реакции, за счет динамического воздействия на восходящий поток. Таким образом, дополнительный технический результат способствует решению задачи изобретения в части обеспечения равномерной концентрации растворенного хлора по всей площади поперечного сечения вертикальной трубы.

На фиг. 1 схематично показан в продольном разрезе общий вид реактора с устройствами для ввода хлора и этилена, выполненными в виде трубных колец с выходными отверстиями, направленными вверх вдоль оси вертикальной трубы; на фиг. 2 - общий вид реактора с устройствами для ввода хлора и этилена, выполненными в виде сопел; на фиг. 3 - общий вид реактора с устройствами для ввода хлора и этилена, выполненными в виде эжекторов.

Реактор прямого хлорирования этилена содержит вертикальную колонну 1, внутри которой установлена вертикальная труба 2, имеющая меньшую площадь поперечного (проходного) сечения, чем площадь поперечного (проходного) сечения колонны 1. Соотношение указанных площадей составляет по меньшей мере 0,75-3,0. Труба 2 расположена по оси колонны 1 и сообщена с ее внутренним пространством в своей верхней и нижней частях. В верхней части труба 2 имеет коническое расширение 3, а внутри ее нижней части установлены газоподающие устройства для ввода хлора и этилена, выполненные в виде известных барботажных или струйных газоподающих устройств, выходные отверстия которых направлены вверх вдоль оси вертикальной трубы 2. В качестве таких газоподающих устройств могут быть использованы трубные кольца 4 и 5 (см. фиг. 1), из которых нижнее кольцо 4 соединено с патрубком 6 для ввода хлора, а верхнее кольцо 5 - с патрубком 7 для ввода этилена. Патрубки 6 и 7 закреплены в стенках колонны 1 и трубы 2. Выходные отверстия колец 4 и 5 расположены на их верхней стороне и направлены вверх вдоль оси вертикальной трубы 2. Газоподающие устройства могут быть выполнены в виде сопел 8 и 9 (см. фиг. 2), из которых нижнее сопло 8 соединено с патрубком 6 для ввода хлора, а верхнее сопло 9 - с патрубком 7 для ввода этилена. При этом выходные отверстия сопел 8 и 9 направлены вверх вдоль оси вертикальной трубы 2. В качестве газоподающих устройств могут быть использованы также эжекторы (см. фиг. 3), нижний из которых имеет сопло 10, соединенное с патрубком 6 для ввода хлора, а верхний эжектор имеет сопло 11, соединенное с патрубком 7 для ввода этилена. Каждый эжектор имеет направляющий аппарат, состоящий из входного конфузора 12, камеры смешения 13 и диффузора 14, которые могут служить стенками трубы 2, как это показано на фиг. 3. Эжекторы распложены последовательно и соосно вертикальной трубе 2. Выходные отверстия сопел 10 и 11 эжекторов направлены вверх вдоль оси вертикальной трубы 2. В днище колонны 1 установлен патрубок 15 для ввода жидкого возвратного дихлорэтана, а к нему присоединено сопло 16, распложенное под нижним концом вертикальной трубы 2 и направленное вверх вдоль ее оси. Верхняя часть колонны 1 является зоной сепарации и снабжена патрубком 17 для отвода паров дихлорэтана.

Предложенный реактор работает следующим образом.

Вертикальную колонну 1 реактора заполняют жидким дихлорэтаном через патрубок 15 и сопло 16 с добавлением ингибитора побочных реакций в жидкой среде, например хлористого железа. Заполнение доводят до уровня, обеспечивающего надежный переток дихлорэтана из вертикальной трубы 2 в рабочее пространство колонны 1 при выбранном режиме работы, определяемом нагрузкой по хлору. Затем включают подачу газообразного этилена через патрубок 7 и устройство для подачи этилена, т.е. или через трубное кольцо 5, или через сопло 9, или через сопло 11 эжектора. При этом этилен вводят с расходом, обеспечивающим начало циркуляции жидкого дихлорэтана в реакторе под воздействием разности плотностей рабочих сред, которая создается между плотностью газожидкостного слоя, образующегося в вертикальной трубе 2 над уровнем расположения выходных отверстий газоподающих устройств 5, 9 или 11, и плотностью столба монолитного дихлорэтана той же высоты, находящегося в вертикальной колонне 1. Далее, через патрубок 6 ввода хлора и соответствующее газоподающее устройство 4, 8 или 10, начинают подавать газообразный хлор, постепенно увеличивая его расход до заданного значения. Вместе с хлором вводят газообразный ингибитор побочных реакций, т.е. кислород или воздух объемом до 0,5-2,5% от объема вводимого хлора. При этом происходит процесс смешения этилена и хлора с жидким дихлорэтаном и их растворение в его восходящем потоке. Наиболее интенсивно эти процессы смешения и растворения происходят в конфузорах 12, камерах смешения 13 и диффузорах 14. Благодаря малому поперечному сечению вертикальной трубы 2 при значительных расходах хлора происходит быстрое выравнивание концентрации растворенного хлора по сечению восходящего потока дихлорэтана, и когда дихлорэтан с равномерно растворенным в нем хлором достигает уровня ввода этилена, между растворенным в дихлорэтане этиленом и хлором происходит химическая реакция прямого хлорирования этилена до 1,2 - дихлорэтана, протекающая в жидкой фазе с равномерной температурой по сечению трубы 2. Эта реакция продолжается по мере движения восходящего потока дихлорэтана до полного исчерпывания всего количества хлора, непрерывно вводимого в трубу 2. При этом в реакционной зоне трубы 2 выделяется тепло реакции, разогревающее восходящий поток циркулирующего и синтезированного 1,2 - дихлорэтана до температуры, несколько меньшей, чем температура вскипания дихлорэтана, за счет повышенной интенсивности циркуляции жидкого дихлорэтана через зону реакции. Введенный в трубу 2 этилен к моменту окончания реакции хлорирования этилена также срабатывается почти полностью, и в восходящем потоке циркулирующего и синтезированного дихлорэтана остается незначительное количество избыточного этилена, составляющее около 1-3% от количества этилена, вступившего в реакцию, с учетом количества ингибитора реакции - кислорода или воздуха. В конце зоны реакции температура восходящего потока дихлорэтана достигает наибольшего значения, но остается меньшей, чем температура вскипания дихлорэтана при давлении в трубе 2 на уровне окончания процесса реакции.

При дальнейшем подъеме потока дихлорэтана в трубе 2 давление в нем падает в связи с уменьшением гидростатического давления столба парожидкостной смеси. При этом падает и равновесное данному давлению значение температуры вскипания дихлорэтана и становится равным температуре потока циркулирующего дихлорэтана. Начинается интенсивное вскипание дихлорэтана, при котором происходит отбор теплоты реакции на покрытие теплоты парообразования таким образом, что температура циркулирующего жидкого дихлорэтана поддерживается равной непрерывно снижающейся по высоте трубы 2 равновесной температуре кипения дихлорэтана. При кипении дихлорэтана образуется значительное количество его паров, поэтому, при относительно меньшем рабочем объеме трубы 2, среднее газосодержание в нем увеличивается и, следовательно, возрастает движущая сила циркуляции рабочей среды в реакторе, благодаря чему увеличивается расход жидкого дихлорэтана через зону реакции трубы 2, и обеспечивается непрерывный отбор излишнего тепла из зоны реакции. Кипящий дихлорэтан поступает в верхнюю часть колонны 1 через коническое расширение 3 трубы 2, где за счет резкого увеличения рабочего пространства происходит интенсивная сепарация его паров и отбор их через патрубок 17 для дальнейшей переработки. Здесь же происходит отделение избыточного этилена и кислорода и производится их отбор вместе с парами дихлорэтана. При отборе паров уносится значительное количество тепла реакции, поэтому происходит дальнейшее снижение температуры отсепарированной части жидкого дихлорэтана, который нисходящим потоком поступает в нижнюю часть колонны 1, где его температура достигает наименьшего значения за счет отдачи тепла стенкам колонны 1. В нижней части колонны 1 нисходящий поток циркулирующего дихлорэтана активно вовлекается в нижнюю часть трубы 2 в основном за счет газлифтной составляющей движущей силы процесса циркуляции и дополнительно за счет кинетической составляющей движущей силы процесса циркуляции, то есть за счет кинетической энергии, создаваемой направленными вверх струями вводимых в трубу 2 газообразных компонентов - хлора и этилена, и жидкостного компонента - жидкого возвратного дихлорэтана, подаваемого через сопло 16 патрубка 15 в нижнюю часть трубы 2, где циркулирующий и возвратный дихлорэтан смешиваются между собой. Далее процесс циркуляции дихлорэтана в реакторе повторяется.

Таким образом, благодаря повышению интенсивности циркуляции дихлорэтана через зону реакции, перенесенную в трубу 2, а также благодаря обеспечению равномерной концентрации растворенного хлора по ее сечению, достигается исключение вскипания дихлорэтана в период протекания химической реакции прямого хлорирования этилена и, следовательно, достигается повышение выхода дихлорэтана по отношению к количеству вводимого хлора, снижается на порядок количество синтезированных вредных побочных продуктов, что позволяет в свою очередь снизить количество подаваемого в зону реакции избыточного этилена (на 30-50%).

Использование: в химической промышленности для получения дихлорэтана. Сущность изобретения: в реакторе прямого хлорирования этилена устройства для ввода хлора и этилена установлены внутри вертикальной трубы. Их выходные отверстия направлены вверх вдоль оси трубы. Каждое из устройств для ввода хлора и этилена может быть выполнено вдоль оси вертикальной трубы. Каждое из устройств для ввода хлора и этилена также может быть выполнено в виде эжектора, направленного вверх вдоль оси вертикальной трубы, при этом эжекторы расположены последовательно и соосно вертикальной трубе. Реактор может быть снабжен соплом, установленным под нижним концом вертикальной трубы, направленным вверх вдоль ее оси и сообщеным с патрубком для ввода жидкого возвратного дихлорэтана. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Реактор прямого хлорирования этилена, содержащий сообщенные между собой в верхней и нижней частях вертикальные колонну и трубу, патрубки и устройства для ввода хлора и этилена и патрубки для ввода жидкого возвратного дихлорэтана и отвода паров дихлорэтана, отличающийся тем, что устройства для ввода хлора и этилена установлены внутри вертикальной трубы, а их выходные отверстия направлены вверх вдоль оси вертикальной трубы. 2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что каждое из устройств для ввода хлора и этилена выполнено в виде сопла, направленного вверх вдоль оси вертикальной трубы. 3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что каждое из устройств для ввода хлора и этилена выполнено в виде эжектора, направленного вверх вдоль оси вертикальной трубы, при этом эжекторы расположены последовательно и соосно вертикальной трубе. 4. Реактор по пп.1 - 3, отличающийся тем, что он снабжен соплом, установленным под нижним концом вертикальной трубы, направленным вверх вдоль ее оси и сообщенным с патрубком для ввода жидкого возвратного дихлорэтана.