Россия
В работе предложено новое газораспределительное устройство для реактора жидкофазного хлорирования этилена, позволяющее обеспечить присутствие в газовой фазе капель аэрозоля с ингибитором. Наличие ингибитора в газовой фазе позволит снизить выход побочных продуктов
1,2-дихлорэтан, барботажный реактор, газораспределительное устройство
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. Рожков, В.И. Закономерности жидкофазного хлорирования этилена / В.И. Рожков, О.А. Зайдман, Э.В. Сонин // Химическая промышленность. – 1991. – № 7. – С. 398-340.
2. Подоплелов, Е.В. Кинетика и селективность процесса жидкофазного хлорирования этилена в барботажном реакторе / Е.В. Подоплелов, Петрушин Г.А., Петрушина А.Д. // Вестник Ангарского государственного технического университета. – 2023. – № 17. – С. 95-99.
3. Подоплелов, Е.В. Массообмен между газом и жидкостью при получении дихлорэтана / Е.В. Подоплелов, А.В. Бальчугов, Б.А. Ульянов // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. – 2006. – Т. 49. – № 8. –С. 92-96.
4. Подоплелов, Е.В. Тепло– и массообмен при образовании пузыря в барботажном реакторе хлорирования этилена / Е.В. Подоплелов, А.В. Бальчугов, Б.А. Ульянов // Сборник научных трудов Ангарского государственного технического университета. – 2006. – Т. 1. – № 1. – С. 186-189.
5. Подоплелов, Е.В. Исследование процесса перемешивания в барботажном реакторе жидкофазного хлорирования этилена / Е.В. Подоплелов, А.В. Бальчугов, В.Ю. Рахманин, А.В. Подоплелова // В сборнике: Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-26). Сборник трудов XXVI Международной научной конференции: в 2-х частях. Под общей редакцией А.А. Большакова. – 2013. – С. 61-62.
6. Соколов, Е.Я. Струйные аппараты / Е.Я. Соколов, Н.М. Зингер. – Москва : Энергоатомиздат, 1989. – 352 с.
