Russian Federation
A new gas distribution device for an ethylene liquid-phase chlorination reactor is proposed, which makes it possible to ensure the presence of aerosol droplets with an inhibitor in the gas phase. The presence of an inhibitor in the gas phase will reduce the yield of side products
1,2-dichloroethane, bubbling reactor, gas distribution device
В настоящее время основную часть 1,2-дихлорэтана получают жидкофазным хлорированием этилена в среде синтезируемого продукта. В процессе получения 1,2-дихлорэтана возможно образование побочных продуктов [1, 2] в результате протекания реакций заместительного хлорирования этилена с последующим присоединением к образовавшемуся винилхлориду хлора (1, 2):
(1)
(2)
и заместительного хлорирования 1,2-дихлорэтана до трихлорэтана (3):
. (3)
Скорость реакций образования побочных продуктов в жидкой фазе ниже, чем в газовой. В жидкой фазе образование побочных продуктов происходит преимущественно по второму направлению. Выход побочных продуктов высших хлорпроизводных этана уменьшается в присутствии ингибитора – хлорида железа (III), возрастает с повышением концентрации хлора в 1,2-дихлорэтане и увеличением времени контакта между фазами [3, 4].
Для получения 1,2-дихлорэтана в химической промышленности используются барботажные реактора с газораспределительными устройствами для ввода хлора и этилена [5]. Хлор вводится в нижнюю часть реактора, а выше в образовавшийся раствор хлора вводится этилен. В барботажном реакторе в газовой фазе (в пузырях этилена) отсутствует ингибитор побочных реакций FeCl3, что создает условия для протекания побочных реакций заместительного хлорирования 1,2-дихлорэтана. С целью снижения скорости побочных реакций в газовой фазе предлагается установить на газораспределительном устройстве для ввода этилена (1) насадки (2) (рисунок 1), которые по конструкции схожи с эжекторами. При использовании таких насадок этилен будет эжектировать раствор хлора в 1,2-дихлорэтане с ингибитором FeCl3, который в виде капель аэрозоля распределится в пузырях этилена. На выходе из эжектора будем иметь мелкодисперсную газожидкостную смесь, представляющую собой аэрозоль 1,2-дихлорэтана с ингибитором FeCl3 в газообразном этилене. Наличие ингибитора в газовой фазе позволит снизить образование побочных продуктов. В присутствии аэрозоля увеличится влагосодержание внутри пузыря этилена, а, следовательно, и плотность пузырей. В результате снизится скорость всплытия пузырей этилена и увеличится время пребывания пузыря в барботажном слое, т.е. время контакта этилена с раствором хлора. Замедление всплытия пузырей позволит увеличить газосодержание в зоне реакции и поверхность контакта фаз.
|
|
|
Рисунок 1 – Эжекционное газораспределительное устройство для ввода
этилена
Для расчета газораспределительного устройства принципиально применимы расчетные уравнения, относящиеся к расчету газоструйных эжекторов с малой степенью сжатия эжектируемого потока. При этом предполагается, что в движущемся потоке, состоящем из этилена и раствора 1,2-дихлорэтана, жидкая фаза равномерно распределена в объеме газовой фазы и скорости жидкой и газовой фаз одинаковы по сечению. Расчет выполнялся по методике, приведенной в работе [6]. В качестве исходных данных принимались: давление этилена перед соплом PЭТ=10 ата, массовый расход этилена через одно сопло МЭТ=0,035 кг/с, объемный расход этилена через одно сопло VЭТ=125 м3/ч (при нормальных условиях), число сопел: 24, общий расход этилена 3000 м3/ч (при нормальных условиях), температура этилена перед соплом ТЭТ=200 °С, температура дихлорэтана перед эжектором ТДХЭ=800 °С, давление дихлорэтана перед эжектором РДХЭ=2 ата, давление среды на выходе из эжектора РС=2,1 ата, удельный объем дихлорэтана uДХЭ=0,0008 м3/кг.
При по газодинамическим таблицам [6] находим коэффициент l=1,48 и
, где f0 – площадь критического сечения сопла Лаваля, f1 – площадь выходного сечения сопла Лаваля.
Изменение давления дихлорэтана в эжекторе:
ата
Критическое отношение давлений:
,
где k=1,3 – показатель адиабаты для этилена.
Оптимальное отношение сечений:
,
где j1, j2 – коэффициенты скорости, f2 – площадь поперечного сечения камеры смешения эжектора.
Удельный объем этилена перед эжектором:
м3/кг,
где R – индивидуальная газовая постоянная, Дж/(кг·град).
Отношение удельных объемов дихлорэтана и этилена:
.
Отношение удельного объема этилена на выходе к удельному объему этилена на входе в эжектор:
.
Поскольку объемный расход дихлорэтана намного меньше объемного расхода этилена на выходе из эжектора, то уравнение для расчета коэффициента эжекции принимает вид:
,
где – коэффициент эжекции, равный отношению массовых расходов эжектируемого дихлорэтана и рабочей среды – этилена; j3 =0,83; e =0,65.
Откуда коэффициент эжекции u=11. Таким образом, массовый расход дихлорэтана в 11 раз превышает расход этилена.
При расходе этилена на промышленном реакторе 3000 м3/ч расход дихлорэтана с растворенным катализатором через эжектор составит 25 м3/ч. Большая часть этого дихлорэтана на выходе из эжектора принимает вид аэрозоля, капли которого содержат катализатор FeCl3. Таким образом, применение нового газораспределительного устройства для ввода этилена обеспечит присутствие в газовой фазе капель аэрозоля с ингибитором, что будет способствовать снижению скорости протекания побочных реакций и увеличению выхода целевого продукта – 1,2-дихлорэтана.
1. Rozhkov, V.I. Zakonomernosti zhidkofaznogo hlorirovaniya etilena / V.I. Rozhkov, O.A. Zaydman, E.V. Sonin // Himicheskaya promyshlennost'. – 1991. – № 7. – S. 398-340.
2. Podoplelov, E.V. Kinetika i selektivnost' processa zhidkofaznogo hlorirovaniya etilena v barbotazhnom reaktore / E.V. Podoplelov, Petrushin G.A., Petrushina A.D. // Vestnik Angarskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. – 2023. – № 17. – S. 95-99.
3. Podoplelov, E.V. Massoobmen mezhdu gazom i zhidkost'yu pri poluchenii dihloretana / E.V. Podoplelov, A.V. Bal'chugov, B.A. Ul'yanov // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Seriya: Himiya i himicheskaya tehnologiya. – 2006. – T. 49. – № 8. –S. 92-96.
4. Podoplelov, E.V. Teplo– i massoobmen pri obrazovanii puzyrya v barbotazhnom reaktore hlorirovaniya etilena / E.V. Podoplelov, A.V. Bal'chugov, B.A. Ul'yanov // Sbornik nauchnyh trudov Angarskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. – 2006. – T. 1. – № 1. – S. 186-189.
5. Podoplelov, E.V. Issledovanie processa peremeshivaniya v barbotazhnom reaktore zhidkofaznogo hlorirovaniya etilena / E.V. Podoplelov, A.V. Bal'chugov, V.Yu. Rahmanin, A.V. Podoplelova // V sbornike: Matematicheskie metody v tehnike i tehnologiyah (MMTT-26). Sbornik trudov XXVI Mezhdunarodnoy nauchnoy konferencii: v 2-h chastyah. Pod obschey redakciey A.A. Bol'shakova. – 2013. – S. 61-62.
6. Sokolov, E.Ya. Struynye apparaty / E.Ya. Sokolov, N.M. Zinger. – Moskva : Energoatomizdat, 1989. – 352 s.
