CC BY
46
УДК 66.011 Новицкий Евгений Александрович,
заведующий лабораторией процессов и аппаратов ОАО «ИркутскНИИхиммаш», e-mail: [email protected]
Самсонов Валерий Викторович, к. т. н., генеральный директор ООО «Сибменеджмент», e-mail: [email protected]
Кузнецов Кирилл Анатольевич,
к. т. н., первый заместитель генерального директора ОАО «ИркутскНИИхиммаш», e-mail: [email protected]
ВЫСОКОСЕЛЕКТИВНЫЙ ГАЗЛИФТНЫЙ РЕАКТОР СИНТЕЗА 1,2-ДИХЛОРЭТАНА ПРЯМЫМ ХЛОРИРОВАНИЕМ ЭТИЛЕНА
E. A. Novitsky, V. V. Samsonov, K. A. Kuznetsov
GAS-LIFT REACTOR FOR 1,2-DICHLOROETHANE HIGH SELECTIVE SYNTHESIS BY DIRECT ETHYLENE CHLORINATION
Аннотация. Приведено сравнение двух основных типов современных реакторов синтеза 1,2-дихлорхэтана прямым хлорированием этилена: реактора с принудительной циркуляцией и газ-лифтного реактора. Газлифтные реакторы отличаются простотой конструкции, эффективностью отвода тепла экзотермической реакции и относительно низкими капитальными и эксплуатационными расходами. Их недостатком является относительно невысокая селективность синтеза 1,2-дихлорэтана - 98,0^99,0 %. Представлена конструкция нового высокоселективного газ-лифтного реактора.
Ключевые слова: 1,2-дихлорэтан, реактор, прямое хлорирование этилена, селективность.
Abstract. Comparison of two basic types of modern reactors of synthesis 1,2-dichloroethane by direct chlorination (a reactor with compulsory circulation and a gas-lift reactor) is given. Gas-lift reactors are notable for simplicity of a design, efficiency of heat removal of exothermal reaction both low-capital and working costs. Their lack is rather low selectivity of synthesis 1,2-dichloroethane: 98,0^99,0 %. The design of a new gas-lift reactor for high selective synthesis ethylene dichloride is submitted.
Keywords: 1,2-dichloroethane, reactor, direct ethylene chlorination, selectivity.
В промышленном производстве при хлорировании этилена получают 1,2-дихлорэтан (ДХЭ), который является исходным продуктом для получения поливинилхлорида (ПВХ). Изделия из ПВХ находят широкое применение в различных областях производства: изготовление трубопроводов, деталей для строительства, транспорта, электро-
техники и радиоэлектроники, тары и упаковки, одежды, обуви и прочего.
Метод прямого хлорирования этилена в жидкофазной среде продуктов реакции при температуре, близкой к кипению реакционной среды получил широкое распространение в промышленности [1-7] и в настоящее время является основным. Преимущества этого метода в том, что тепло экзотермической реакции используется в технологическом процессе.
Эксплуатируемые в настоящее время промышленные реакторы прямого жидкофазного высокотемпературного хлорирования этилена можно разделить на два типа (рис. 1): газлифтный реактор и реактор с принудительной циркуляцией реакционной среды.
В реакторах с принудительной циркуляцией, которая осуществляется за счет насосов через внешний циркуляционный контур (рис. 1, а), исключается кипение реакционной среды в реакторе за счет поддержания в нем повышенного давления. После отделения абгазов циркулирующий в реакторе ДХЭ подается в ёмкость с пониженным давлением, в которой осуществляется частичное испарение ДХЭ в количестве, равном синтезируемому. Таким образом отводится часть тепла реакции (около 1/6 от общего количества). Основное же количество тепла снимается с помощью теплообменников колонн ректификации [1, 2].
Реакторы с принудительной циркуляцией обеспечивают высокие показатели качества процесса. Селективность по основному продукту в этих реакторах достигает 99,7 % [3, 4].
Недостаток реакторов с принудительной циркуляцией реакционной среды - высокие капитальные и эксплуатационные расходы, связанные
Системный анализ. Математика. Механика и машиностроение
ш
Рис. 1. Принципиальные схемы реакторов прямого хлорирования этилена: а - реактор с принудительной циркуляцией; б - газлифтный реактор
с наличием циркуляционного контура и повышенным рабочим давлением. Этого недостатка лишены реакторы с газлифтной циркуляцией.
Газлифтные реакторы (рис. 1, б), характеризуются простотой конструкции, эффективностью отвода тепла экзотермической реакции и относительно низкими капитальными и эксплуатационными расходами. Основным недостатком существующих газлифтных реакторов высокотемпературного прямого хлорирования этилена является относительно невысокая селективность синтеза ДХЭ - 98,0-99,0 % [6, 7].
Газлифтные реакторы [8], эксплуатируемые в Российской Федерации (рис. 2), представляют собой вертикальную цилиндрическую колонну 1 с внутренней циркуляционной трубой 2, имеющую штуцер ввода возвратного ДХЭ 3, штуцер вывода паров ДХЭ 4, коллекторы ввода хлора и этилена 5. Циркуляционная труба отделяет реакционную (газлифтную) зону, находящуюся в кольцевом пространстве между корпусом реактора и стенкой циркуляционной трубы, и циркуляционную зону с нисходящим потоком ДХЭ в циркуляционной трубе. В верхней части реактора, выше циркуляционной трубы, находится сепа-рационное пространство 6 разделения паровой и жидкой фаз ДХЭ. Распределители хлора и этилена, представляющие собой несколько концентрических трубчатых колец с барботажными отверстиями, установлены в нижней части реактора. Выше распределителей хлора и этилена установлено несколько перфорированных тарелок 7.
Основным недостатком конструкции эксплуатируемых газлифтных реакторов, снижающим селективность процесса синтеза ДХЭ, является большой объем зоны реакции. Это объясняется следующим.
Рис. 2. Газлифтный барботажный реактор синтеза ДХЭ: 1 - корпус; 2 - циркуляционная труба;
3 - штуцер ввода возвратного жидкого ДХЭ;
4 - штуцер вывода паров ДХЭ;
5 - коллекторы хлора и этилена;
6 - сепарационное пространство;
7 - перфорированные тарелки
Возникающая в процессе эксплуатации неравномерность распределения хлора и этилена по сечению реактора усиливается наличием в реакционной зоне нестационарных турбулентных вихрей, имеющих масштабы, соразмерные с геометрическими параметрами реакционной зоны. Это приводит к образованию активных локальных зон с раствором хлора в ДХЭ, возникновению градиентов температур, локальному перегреву и вскипанию ДХЭ в зоне протекания реакции и частичному протеканию реакции в газовой фазе, что от-
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
рицательно влияет на селективность процесса. Снижение нагрузки от проектной дополнительно может усилить неоднородность гидродинамической обстановки в реакторе и, соответственно, отрицательно повлиять на селективность процесса.
На основе анализа недостатков конструкции газлифтных реакторов, а также результатов теоретических и экспериментальных исследований [9] с использованием математической модели реактора [10] разработана новая конструкция промышленного реактора высокотемпературного хлорирования этилена, способная обеспечить высокую селективность процесса получения ДХЭ. Конструкция нового реактора с номинальной производительностью 6000 м /ч по перерабатываемому хлору (26,5 т/ч синтезируемого ДХЭ) представлена на рис. 3.
Рис. 3. Новая конструкция промышленного газлифтного реактора синтеза ДХЭ: 1 - корпус реактора; 2 - штуцер ввода возвратного жидкого ДХЭ; 3 - штуцер вывода паров ДХЭ;
4 - реакционные секции; 5 - перфорированные тарелки;
6 - коллекторы ввода хлора и этилена; 7 - опорные балки; 8 - сепарационное пространство
Реактор представляет собой вертикальную цилиндрическую колонну 1 диаметром 3,6 м и высотой около 22 м с эллиптическими днищем и крышкой. В нижней части корпуса реактора находится штуцер 2 подачи возвратного ДХЭ. На крышке расположен штуцер 3 для отвода из реактора паров ДХЭ.
Высокая селективность в реакторе достигается за счет разделения реакционной газлифтной
зоны на три сообщающихся между собой секции 4. Каждая реакционная секция снабжена перфорированными тарелками 5, коллекторами ввода газообразных реагентов 6 и устройствами эжекцион-ного диспергирования хлора и этилена. Площадь поперечного сечения реакционных секций небольшая, что позволяет равномерно распределять и диспергировать исходные реагенты, исключает образование активных застойных зон с раствором хлора, обеспечивает оптимальные условия протекания процессов тепло- и массообмена.
Дополнительным технико-экономическим результатом деления реакционной зоны является возможность изменения общей нагрузки (производительности) реактора в широком диапазоне без ощутимых изменений оптимальных условий проведения процесса за счет включения (отключения) подачи реагентов в отдельные секции.
На конструкцию нового газлифтного реактора получен патент РФ на изобретение [11]. Ожидаемая селективность процесса по ДХЭ в разработанном реакторе не менее 99,6 %.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Patent US6204419. Process and apparatus for preparing 1,2-Dichloroethane by direct chlorination C07C 1702 Electronic Resources [Electronic Resources] / Jurgen Eichler, Reinhard Krumbock, Wenzel Kuhn, Peter Schwarzmaier, Thomas Wild, Rudolf Spielmannleitner, Manfred Stoger, Ingolf Mielke ; Vinnolit Technologie GmbH & Co. KG. 7.06.1995 ; publ. 20.03.2001 URLhttp://www.google.com.br/patents/US620441 9?hl=pt-BR (11.03.2013).
2. Патент США № 4672142 C07C 1702. The disclosure relates to a process for making 1,2-dichloroethane by reacting ethylene and chlorine in a reaction zone having a liquid medium containing chlorinated C.sub.2 -hydrocarbons circulated therein [Electronic Resources] / Joachim Hundeck, Harald Scholz, Hans Hennen, Bernhard Kuxdorf, Herbert Pusche. Hoechst Aktiengesellschaft. № 4672142 ; 16.09.82 ; publ. 09.06.87. URL http://www.google.ru/patents/US4672142? hl=ru (11.03.2013).
3. Patent DE3445896 (C1) 1986-04-10. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von 1.2-Dichlorethan Patent US3445896 [Electronic Resources] / Piotrowski Bernhard, Schildhauer Roland, Deselaers Kurt, Merkel Wolfgang. № DE19843445896 19841215 URL http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails /biblio ?FT=D&date=19860410&DB=EPODOC&l ocale=ru_ru&CC=DE&NR=3445896C1&KC=C1 &ND=4. (15.03.2013).
4. Способ получения 1,2-дихлорэтана и установка для получения 1,2-дихлорэтана : пат. 2015955
Системный анализ. Математика. Механика и машиностроение
ш
C1 Российская Федерация, 5001303/04 № МПК 5 C07C19/045, C07C17/02 / Герхард Рех-майер № 5001303/04 ; заявл. 19.08.91 ; опубл. 15.07.94.
5. Промышленное освоение совмещенного с колонной ректификации реактора прямого хлорирования этилена / М.Г. Аветьян, Э.В. Сонин, О.А. Зайдман, В.И. Емельянов и др. // Химическая промышленность. 1991. № 6. С. 3-6. Абдрашитов Я. М. Развитие производства ви-нилхлорида в Стерлитамакском АО «Каустик». Основные технические решения // Химическая промышленность. 1996. № 5. С. 320-324. Мубараков Р.Г. Гидравлика и массообмен в барботажном реакторе хлорирования этилена : дисс. ... канд. техн. наук. Ангарск, 1998. 132 с. Реактор прямого хлорирования этилена : пат. Российская Федерация, № 2075344, МКИ С 1 B01J19/00 / Самсонов В.В., Шишкин З.А., Харитонов В.И., Мубараков Р.Г., Кузнецов А.М.
опубл.
6.
7.
№ 93046786/26 ; заявл. 27.09.93 20.03.97
9. Новицкий Е.А., Самсонов В.В., Кузнецов К.А., Шишкин З.А. Хлорирование этилена в газ-лифтном реакторе с эжекционным диспергированием реагентов // Известия высш. учеб. заведений. Химия и химическая технология. 2008. Т. 51, № 2. С. 96-98.
10. Новицкий Е.А., Шишкин З. А., Кузнецов К.А. Моделирование газлифтного реактора высокотемпературного хлорирования этилена // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2008. № 3 (19). С. 19-25.
11. Реактор прямого хлорирования этилена : пат. 2209111 Российская Федерация, МПК 7 С1 / Шишкин З.А., Самсонов В.В., Кузнецов А.М., Медведев Ю.И., Новицкий Е.А. № 2002109341/12 ; заявл. 10.04.02 ; опубл. 27.07.03.
УДК 621.01:534 Кузнецов Николай Константинович,
д. т. н., профессор, зав. кафедрой «Конструирование и стандартизация в машиностроении», НИИрГТУ,
тел. 405434, e-mail: [email protected] Нгуен Мань Дык,
аспирант кафедры «Конструирование и стандартизация в машиностроении», НИ ИрГТУ,
тел. +7(924)6098189, e-mail: [email protected].
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАСЧЕТА САМОНАСТРАИВАЮЩИХСЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ДЕМПФИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ
N. K. Kuznetsov, Nguyen Manh Duc
DEVELOPMENT OF ALGORITHMS AND PROGRAMS OF THE AUTOMATED CALCULATION OF SELF-ADJUSTING
HYDRAULIC DAMPERS
Аннотация. Рассмотрены методический расчет и выбор оптимальных конструктивных параметров самонастраивающихся гидравлических демпфирующих устройств, обладающих свойством самонастройки при изменениях масс и скоростей движения исполнительных механизмов. Излагаются алгоритм и программа автоматизированного расчета с помощью программного вычислительного комплекса MATLAB. Также проведена проверка на прочность с использованием программного вычислительного комплекса ANSYS версии 13.
Ключевые слова: демпфирующее устройство, гидравлический демпфер, самонастройка, автоматизация расчета, алгоритм расчета.
Abstract. Methodical calculation and selection
of optimal design parameters of self-adjusting hydraulic damping devices having the property of self-tuning when the change of the masses and velocities of the actuators are considered. An algorithm and a program of automated calculation using a software computer system MATLAB are given. A test of strength with use of computational software ANSYS (version 13) is conducted.
Keywords: damper, hydraulic shock absorber, self-tuning, automation calculation, algorithms calculation, program calculation.
Актуальной проблемой создания мехатрон-ных систем является обеспечение высокого быстродействия и точности позиционирования исполнительных механизмов в условиях изменений масс
