Сторінка 1 з 9
Завдання на проектування
Виконати проект реакторного вузла для отримання 1,2 - дихлоретану оксіхлорірованіем етилену. У реактор з псевдозрідженим шаром каталізатора вбудовано теплообмінний пристрій у вигляді вертикального змійовика, в якому з киплячого під тиском 0,8 МПа конденсату утворюється водяна пара. У верхній частині реактора змонтовано циклон для відділення частинок каталізатора, захоплюємося висхідним потоком газової суміші. Продуктивність установки по готовому продукту становить G = 3,7 кг / с. Процес протікає при температурі t = 220С і тиску Р = 0,35МПа. Ступінь конверсії етилену досягає аС2Н4 = 97,0%, ступінь конверсії хлороводню - аНС1 = 98,7%, вихід 1,2 - дихлоретану в розрахунку на перетворений етилен становить в = 0,93%. Об'ємна швидкість газової суміші на вході в реактор V = 375 1 / год. Насипна щільність каталізатора 1050 кг / м3, щільність частинок каталізатора 1750 кг / м3, середній діаметр частинок каталізатора 150 мкм.
Розрахувати реактор оксіхлорірованія, площа поверхні теплообміну змійовика і циклон для відділення частинок каталізатора.
Уявити технологічну схему установки і виконати креслення реактора.
В даний час основним способом виробництва вінілхлориду-мономера з етилену є так званий «збалансований» процес з утилізацією хлороводню, що утворюється на стадії піролізу 1,2-дихлоретану. На стадії отримання 1,2-дихлоретан оксіхлорірованіем етилен, повітря і хлороводень подають в реактор з псевдозрідженим шаром каталізатора - Al2 O3 / 5,5% (CuCl2 + Cu2 Cl2), де протікає цільова реакція:
Процес ведуть при температурі 210-230 0 С, тиску 0,35-0,50МПа і молярному відношенні вихідних речовин CH2 = CH2: O2. HCl = 1. (0,75-0,80). (1,85-1,90). Теплоту екзотермічніреакцій відводять за допомогою вбудованого теплообмінника, в якому з киплячого під тиском конденсату утворюється водяна пара. В таких умовах ступінь конверсії етилену досягає 98,0-98,5%, хлороводню - 99,6-99,8%, вихід 1,2-дихлоретану в розрахунку на перетворений етилен становить 94,0%.
Основний спосіб проведення оксіхлорірованія - газофазний процес з використанням каталізаторів на носіях. В якості каталізаторів застосовують сполуки міді, лужних, рідкісноземельних та деяких інших металів на пористих носіях різного складу і будови.
Залежно від вихідного вуглеводневої сировини і температури процеси оксіхлорірованія можуть здійснюватися за різними механізмами, узагальнені схеми яких були запропоновані в НІФХІ ім.Л.Я.Карпова
Схема I. Сполучення реакції окислення хлористого водню
з реакцією замісного хлорування граничних вуглеводнів:
Схема II. Сполучення реакцій (1) і (2) схеми I з реакцією дегідрохлорування граничних хлорпроізводних вуглеводнів.
Схема III. Реакція присоединительного оксіхлорірованія ненасичених вуглеводнів.
Схема IV. Реакція замісного оксіхлорірованія ненасичених вуглеводнів.
З огляду на також побічні реакції глибокого окислення до моно- і діоксиду вуглецю, можна зробити висновок про те, що оксіхлорірованіе вуглеводнів є складним, багатомаршрутному процесом, умови якого повинні підбиратися в залежності від поставленого завдання.
Основою для процесу оксіхлорірованія послужила газофазних реакція окислення хлористого водню, відкрита Диконом в 1868р.
Окислення хлористого водню до хлору - оборотна реакція, що протікає зазвичай при температурі близько 400 0 С. Залежність константи рівноваги від температури має вигляд:
lg Kp = 6104,0 / T - 7,0994
Величини Kp і ступеня конверсії HCl і O2 помітно знижуються з підвищенням температури процесу. Збільшення надлишку кисню і підвищення тиску призводить до збільшення ступеня конверсії HCl і змісту Cl2 в реакційній суміші. Але в інтервалі температур 600-700К, коли швидкість процесу досить висока, рівноважна конверсія HCl не досягає 90%.
При спільному протіканні реакцій Дикона (1) і хлорування (2), (2 1) рівновага реакції зміщується за рахунок витрачання хлору, внаслідок чого може мати місце практично повне перетворення HCl. З цієї причини все реакції оксіхлорірованія алканів, алкенів, а також їх хлорпроізводних практично незворотні в робочому інтервалі температур [5].
Загальноприйнятою є точка зору, згідно з якою в умовах окислення HCl і високотемпературного оксіхлорірованія каталитически активні компоненти, як правило, суміші хлоридів міді, лужних і рідкоземельних елементів, знаходяться на поверхні носія в стані розплаву. Поява в процесі хлоридів одновалентних міді, як і введення в систему хлоридів лужних металів, призводить до зниження температур плавлення евтектики в використовуваних каталізаторах
На основі результатів кінетичних і адсорбційних досліджень була запропонована загальна схема реакції Дикона в присутності хлормедних каталізаторів [3, 6, 7]:
Цією схемою відповідає наступне кінетичне рівняння:
де К - константа рівноваги термічної дисоціації хлориду міді;
k - константа швидкості адсорбції кисню.