ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ВИНИЛХЛОРИДА Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Х

И

М

И

Ч

Е

С

К

И

Е

НАУКИ

Ш.Л. Мухторов, Ю.Л. Зотов

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ВИНИЛХЛОРИДА

В статье авторы приводят технологические расчеты процесса получения винилхлорида и схему получения винилхлорида гидрохлорированием ацетилена включает в себя две стадии: синтез хлористого винила и его выделение.

Ключевые слова: винилхлорид, гидрохлорирование ацетилена, термодинамический анализ, реактор.

Процесс получения винилхлорида протекает по схеме:

НС=СН+НС1 Ац Си * Н2С=СНС1.

Побочная реакция - дальнейшее гидрохлорирование с образованием 1,1-дихлорэтана: Н2С=СНС1+ НС1-С1Н2С-СН2С1.

Процесс проводится при температуре 150°С и давлении 0,1-0,2 МПа; соотношение HCl: С2Н2 = 1,15:1. В таких условиях конверсия ацетилена составляет 99,7%, а селективность - 99,9%.

Нами был проведен термодинамический анализ процесса гидрохлорирования ацетилена в интервале температур 298-500 К, результаты термодинамического анализа представлены на рисунках [1, 2].

Изменение энтальпии имеет отрицательные значения в интервале температур 298-500 К. Это означает, что реакция является экзотермической и протекает с выделением тепла.

Отрицательные значения изменения энергии Гиббса в температурном интервале 298 - 600 говорят о том, что реакция протекает самопроизвольно в прямом направлении.

Значения ln Кр много больше единицы, что говорит о том, что реакция гидрохлорирования ацетилена в изучаемом интервале температур является необратимой. Однако при дальнейшем повышении температуры происходит уменьшение ln Кр, что говорит о возможности протекания обратной реакции.

© Ш.Л. Мухторов, Ю.Л. Зотов, 2023.

Рис. 1. Зависимость изменения энтальпии реакции от температуры

296

122,00

127,00

Л' 132,00

ч

О' § 137,00

> 142,00

147,00

оТ

< 152,00

157,00

162,00

346

396

446

T, K

496

>

Рис. 2. Зависимость изменения энтропии от температуры реакции

Рис. 3. Зависимость изменения энергии Гиббса от температуры реакции

Рис. 4. Зависимость lnKр = Д(Т)

Реакция гидрохлорирования ацетилена сильно экзотермическая, следовательно необходим отвод тепла из реакционной зоны. Наибольшей поверхностью теплообмена обладают трубчатые реакторы. Также использование таких реакторов обеспечивает лучшее регулирование температуры процесса разделением межтрубного пространства на секции, в которые подается теплоноситель с необходимой температурой. Также в отличие от полочного аппарата в трубчатом реакторе газовый поток равномерно распределяется по рабочему объему.

Таким образом, для данного процесса нами предлагается использовать трубчатый реактор, в трубках трубного пучка которого находятся катализатор и реагенты в газовом состоянии, а в межтрубное пространство подается хладагент (водяной конденсат) для отвода тепла. По тепловому режиму реактор изотермическим. По гидродинамическому режиму процесс в аппарате приближен к режиму идеального вытеснения [3, 4].

Реактор гидрохлорирования ацетилена представляет собой вертикальный кожухотрубчатый реактор, в трубках которого находится катализатор, а в межтрубное пространство подается теплоноситель (конденсат). Исходные вещества находятся в газовом состоянии [5,6].

Рассчитаем необходимый объем катализатора для обеспечения заданной производительности [7, 8,

9].

Реакционный объем катализатора рассчитывается по формуле:

т_ _ ^раб • ^ср • ^з

= '

Е

где Уз - коэффициент запаса, равный 1,1, принимаемый из-за неравномерной работы контактов поверхности;

Е - порозность слоя = 0,45; 1 - время реакции, 2,5 с;

Ураб - объемный расход смешанного газа в рабочих условиях из формулы:

Мр

V к = —р

V6 р

где где Мр - массовый расход смешанного газа, кг/ч; р - плотность газа при рабочих условиях, кг/м3.

44037,06 кг

Мр = = 12,23-

р 3600 сек

Ро = ¿Р; • ^

где Yi - объемные доли компонентов в газовой смеси р0 = (1,9 • 12 + 1,25 • 11,54 + 0,09 • 30,03 + 0,66 • 12,62 + 1,1 • 9,1 + 1,2 • • 9,1 + 1,5 • 2,25 + 1,8 • 0,78 + 1,49 • 10,92 + 0,97 • 1,65)/100 = 0,921 кг/м3

Таким образом рабочих условиях при давлении 1 кгс/м2 и температуре 160°С плотность газа равна:

1 • 273

р = 0,921 --= 0,58 кг/м3

И 1•433 '

Тогда объемный расход смешанного газа в рабочим условиях:

Мр 12,23 м3

Далее рассчитаем реакционный объем катализатора, необходимый для обеспечения заданной производительности:

1,1

7кат = 21,1 • 2,5--- = 116,1 м3

кат ' 0,45

Вычислим требующееся количество реакторов объемом 14 м3:

Икат _ 116,1

7р 14 *

Рассчитаем необходимое количество трубок. Для проведения расчета примем: диаметр трубки 80х4 мм, длина трубки 6 м.

Найдем объем одной трубки:

/0,08\2

7тр = 5 • I = п • г2 • I = 3,14 • 6 • НН = 0,0306 м3 Всего необходимо трубок:

14

п =-= 457,5 « 480 тр.

0,0306

Площадь поверхности всех трубок:

р = П- /- п = л:-^-/-п = 3,14 • 0,088 • 6 • 480 = 795,8 м2 Диаметр кожуха аппарата рассчитывается по формуле: Д = 1,3 • й • (Ь - 1) + й + 2^, где d - диаметр трубок, м;

k - кольцевой зазор между крайними трубками и корпусом, k ~ 0,006;

Ь - число трубок, расположенных по диагонали наибольшего шестиугольника.

Ъ = 2а — 1, где a - число трубок на стороне наибольшего шестиугольника.

z = 3а(а — 1) + 1, где z - общее число трубок.

480 = 3а2 — 3а + 1

a = 13,15; Ь = 25,3

Тогда диаметр кожуха:

0 = 1,3 • 0,08 • (25,3 — 1) + 0,08 + 2 • 0,006 = 2,62 м « 3 м Вычислим высоту крышки и днища аппарата по формуле [10, 11]:

йн = 0,25,0 = 0,25 • 3 = 0,75 м Следовательно, общая высота аппарата:

Н = 0,75 • 2 + 6 = 7,5 м Проведем конструктивно-технический расчет реактора. Расчетная толщина стенки:

_ Р - Д 5р = 2-С-<р —Р где Р - рабочее внутреннее давление, максимально 6 кгс/см2; D - внутренний диаметр обечайки, см; G - допускаемое напряжение материала, 1650 кгс/см2 [12, 13]; ф - коэффициент прочности продольного шва, 1.

6-3

= 2 • 1650 • 1 — 6 = 0,51 См = 5Д мм Принимаем стандартную толщину стенки равную 1,2 см при внутреннем диаметре кожуха 3 м. Рассчитаем допустимое внутреннее избыточное давление:

2 • С • р • (5 — С)

Ря

внутр Д + 5 — С где S - исполнительная толщина стенки, см; С - величина прибавки к толщине стенки, ~ 0,2 см.

2 • 1650 • 1 • (1,2 — 0,2) кгс

Р =----= 1096-

Рвнутр 300 + 1,2 — 0,2 см2

Схема получения винилхлорида гидрохлорированием ацетилена включает в себя две стадии: синтез хлористого винила и его выделение.

На стадии синтеза газы пиролиза УВС, очищенные от высших ацетиленов, влаги и ароматических углеводородов, поступают в каплеотбойник, а затем в смеситель, куда подается также хлористый водород.

После смешения реакционная масса подается в вертикальный кожухотрубчатый подогреватель. Подогретая до температуры 120-130°С смесь газов подается в нижнюю часть девяти кожухотрубчатых реакторов, где съем теплоты реакции осуществляется паровым конденсатом в межтрубном пространстве. После реакторов реакционная масса поступает в концевой холодильник, где охлаждается до 5°С.

На стадии выделения реакционный газ поступает на абсорбцию дихлорэтаном в колонну, а затем в теплообменники. После этого насыщенный винилхлоридом дихлорэтан подается в колонну стабилизации, где отгоняются абсорбированные в дихлорэтане инерты. Насыщенный винилхлоридом и стабилизированный дихлорэтан подается на 27, 25 или 29 тарелку колонны отгонки винилхлорида.

Газообразный винилхлорид поступает на щелочную промывку в колонну. В колонне щелочной промывки происходит отмывка ВХ раствором щелочи от остаточного хлористого водорода. Из нижней части колонны Реактор гидрохлорирования ацетилена представляет собой вертикальный кожухотрубчатый реактор, в трубках которого находится катализатор, а в межтрубное пространство подается теплоноситель (конденсат). Исходные вещества находятся в газовом состоянии.

Рассчитаем необходимый объем катализатора для обеспечения заданной производительности.

Промытый ВХ-сырец поступает в сепаратор СО-3, где отбивается унесенная из колонны щелочь.

Винилхлорид из сепаратора поступает в конденсаторы, охлаждаемые оборотной водой. Сконденсировавшийся ВХ поступает в сборник ВХ-сырца.

После конденсации винилхлорид поступает на ректификацию, где отделяется от дихлорэтана, ацетилена и ацетальдегида.

Рис. 3. Структурная схема синтеза винилхлорида

На рисунке 3 изображена структурная схема получения винилхлорида. В структуре технологической схемы можно выделить 2 стадии:

I - стадия синтеза винилхлорида (очистка, смешение, подогрев, охлаждение, отделение);

II - стадия выделения винилхлорида (абсорбция, стабилизация, промывка и ректификация). Обе стадии характеризуются последовательным типом связей.

Библиографический список:

1.Равдель, А.А. Краткий справочник физико-химических величин / А.А. Равдель ; под ред. К.П. Мищенко. -Ленинград : Химия, 1974. - 200 с.

2.Бахтина, Г. Д. Краткий курс физической химии: учебно-методическое посо- бие / Г. Д. Бахтина, Ж. Н. Малышева, Г. П. Духанин; ВолгГТУ. - Волгоград, 2017. - 252 с.

3.Лебедев, Н.Н. Теория химических процессов органического и нефтехимического синтеза / Н.Н.Лебедев, М.Н.Манаков, В.Ф.Швец. 2-е изд. перераб. - М.:Химия, 1984. - 376с.

4.Попов, Ю.В. Инженерная химия: учебн. пособие /Ю.В. Попов, Б.И.Но; ВолгГТУ. - Волгоград : РПК «Политехник», 2003. - 208 с.

5.Макаров, Ю. И. Технологическое оборудование химических и нефтегазоперерабатывающих заводов : учеб. для вузов / Ю. И. Макаров, А. Э. Генкин. - Москва : Машиностроение, 1976. - 368 с.

6.Kinetics of Acetylene Hydrochlorination over Bimetallic Au-Cu/C Catalyst / Shengjie Wang [и др.] // Springer Science. - 2009. - № 100. - С. 23-31.

7.ГОСТ 6533-78. Днища эллиптические отбортованные стальные для сосудов, аппаратов и котлов. Основные размеры. - Взамен ГОСТ 6533-68 ; введ. 26.10.78. - Москва : Госстандарт, 1978. - 26. (Государственный стандарт).

8.Стали: допускаемые напряжения и механические свойства материалов [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://razvitie-pu.ru/?page_id=4121

9.Холодильная техника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ : справ. / С. Н. Богданов [и др.] ; под ред. С. Н. Богданова. - 4-е изд., перераб. и доп. — Санкт-Петербург : СПбГАХПТ, 1999. - 320 с.

10.Г0СТ 1050-2013. Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей. Общие технические условия. - Москва : ГосСтандарт, 2015. - 32. (Государственный стандарт).

11.Романков, П. Г. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи) : учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., испр. - Санкт-Петербург : ХИМИЗДАТ, 2009. - 544 с.

12.Основные процессы и аппараты химической технологии: учеб. пособие для вузов / Г. С. Борисов [и др.] ; под ред. Ю. И. Дытнерского. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва : Химия, 1991. - 496 с.

13.Щетинин, В. С. Абсорбция, экстрагирование. Расчет, примеры, задачи : учеб. пособие / В. С. Щетинин. -Комсомольск-на Амуре : ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», 2013. - 87 с.

МУХТОРОВ ШУКУРУЛЛО ЛУТФУЛЛО УГЛИ - магистрант, Волгоградский государственный технический университет, Россия.

ЗОТОВ ЮРИЙ ЛЬВОВИЧ - доктор химических наук, профессор, Волгоградский государственный технический университет, Россия.