Текст к Тексту

Задание на проектирование

Выполнить проект реакторного узла для получения 1,2 – дихлорэтана оксихлорированием этилена. В реактор с псевдоожиженным слоем катализатора встроено теплообменное устройство в виде вертикального змеевика, в котором из кипящего под давлением 0,8 МПа конденсата образуется водяной пар. В верхней части реактора смонтирован циклон для отделения частиц катализатора, увлекаемых восходящим потоком газовой смеси. Производительность установки по готовому продукту составляет G=3,7 кг/с. Процесс протекает при температуре t=220С и давлении Р=0,35МПа. Степень конверсии этилена достигает аС2Н4=97,0%, степень конверсии хлороводорода – аНС1 = 98,7%, выход 1,2 – дихлорэтана в расчете на превращенный этилен составляет в = 0,93%. Объемная скорость газовой смеси на входе в реактор V = 375 1/ч. Насыпная плотность катализатора 1050 кг/м3, плотность частиц катализатора 1750 кг/м3, средний диаметр частиц катализатора 150 мкм.

Рассчитать реактор оксихлорирования, площадь поверхности теплообмена змеевика и циклон для отделения частиц катализатора.

Представить технологическую схему установки и выполнить чертеж реактора.

Введение

В настоящее время основным способом производства винилхлорида-мономера из этилена является так называемый «сбалансированный» процесс с утилизацией хлороводорода, образующегося на стадии пиролиза 1,2-дихлорэтана. На стадии получения 1,2-дихлорэтана оксихлорированием этилен, воздух и хлороводород подают в реактор с псевдоожиженным слоем катализатора - Al₂O₃ /5,5% ( CuCl₂+Cu₂ Cl₂), где протекает целевая реакция:

CH₂=CH₂ + 0,5O₂ + 2HCl à CH₂Cl-CH₂Cl + H₂O; - H⁰₂₉₈ = 239кДж/моль.

Процесс ведут при температуре 210-230⁰ С, давлении 0,35-0,50МПа и молярном отношении исходных веществ CH₂=CH₂:O₂ : HCl=1 : (0,75-0,80) : (1,85-1,90). Теплоту экзотермических реакций отводят с помощью встроенного теплообменника, в котором из кипящего под давлением конденсата образуется водяной пар. В таких условиях степень конверсии этилена достигает 98,0-98,5%, хлороводорода – 99,6-99,8%, выход 1,2-дихлорэтана в расчете на превращенный этилен составляет 94,0%.

Основной способ проведения оксихлорирования – газофазный процесс с использованием катализаторов на носителях. В качестве катализаторов применяют соединения меди, щелочных, редкоземельных и некоторых других металлов на пористых носителях разного состава и строения.

В зависимости от исходного углеводородного сырья и температуры процессы оксихлорирования могут осуществляться по различным механизмам, обобщенные схемы которых были предложены в НИФХИ им.Л.Я.Карпова

Схема I. Сопряжение реакции окисления хлористого водорода

2HCl + ½ O₂ → Cl₂ + H₂O (1)

с реакцией заместительного хлорирования предельных углеводородов:

HR₁R₂H + Cl₂ → HR₁R₂Cl + HCl (2)

HR₁R₂Cl + Cl₂ → ClR₁R₂Cl + HCl(2¹)

Схема II. Сопряжение реакций (1) и (2) схемы I с реакцией дегидрохлорирования предельных хлорпроизводных углеводородов.

HR₁R₂Cl → R₁=R₂ + HCl(3)

ClR₁R₂Cl → R₁=R₂Сl + HCl (3¹)

Схема III. Реакция присоединительного оксихлорирования непредельных углеводородов.

R₁=R₂ + 2HCl + ½ O₂ → ClR₁R₂Cl + Н₂О(4)

Схема IV. Реакция заместительного оксихлорирования непредельных углеводородов.

R₁=R₂Н + HCl + ½ O₂ → R₁=R₂Cl + Н₂О(5)

Учитывая также побочные реакции глубокого окисления до моно- и диоксида углерода, можно сделать вывод о том, что оксихлорирование углеводородов является сложным, многомаршрутным процессом, условия которого должны подбираться в зависимости от поставленной задачи.

Основой для процесса оксихлорирования послужила газофазная реакция окисления хлористого водорода, открытая Диконом в 1868г.

Окисление хлористого водорода до хлора – обратимая реакция, протекающая обычно при температуре около 400 ⁰С. Зависимость константы равновесия от температуры имеет вид :

lg K_p = 6104,0 / T - 7,0994

Величины K_p и степени конверсии HCl и O₂ заметно снижаются с повышением температуры процесса. Увеличение избытка кислорода и повышение давления приводит к увеличению степени конверсии HCl и содержания Cl₂ в реакционной смеси. Но в интервале температур 600-700К, когда скорость процесса достаточно высока, равновесная конверсия HCl не достигает 90%.

При совместном протекании реакций Дикона (1) и хлорирования (2), (2¹) равновесие реакции сдвигается за счет расходования хлора, вследствие чего может иметь место практически полное превращение HCl. По этой причине все реакции оксихлорирования алканов, алкенов, а также их хлорпроизводных практически необратимы в рабочем интервале температур [5].

Общепринятой является точка зрения, согласно которой в условиях окисления HCl и высокотемпературного оксихлорирования каталитически активные компоненты, как правило, смеси хлоридов меди, щелочных и редкоземельных элементов, находятся на поверхности носителя в состоянии расплава. Появление в процессе хлоридов одновалентной меди, как и введение в систему хлоридов щелочных металлов, приводит к снижению температур плавления эвтектик в используемых катализаторах

На основе результатов кинетических и адсорбционных исследований была предложена общая схема реакции Дикона в присутствии хлормедных катализаторов [3, 6, 7]:

быстро 2CuCl₂→← 2CuCl + Cl₂ медленно2CuCl + O₂ →←Cu₂O₂Cl₂ быстроCu₂O₂Cl₂ + 4HCl→← 2CuCl₂ + Cl₂ +2H₂O

Этой схеме соответствует следующее кинетическое уравнение:

r = 4 k K [CuCl₂]² P_O2 / P_Cl2 = k¹ P_O2 / P_Cl2

где К – константа равновесия термической диссоциации хлорида меди;
k – константа скорости адсорбции кислорода.