Аппаратурно-технологическая схема производства дихлорэтана

5. Аппаратурно-технологическая схема производства дихлорэтана

В промышленных условиях хлорирование этилена для получения дихлорэтана проводят в вертикальных цилиндрических хлораторах; тепло реакции отводится холодной водой, циркулирующей в змеевиках и рубашке аппарата. Хлоратор доверху заполнен дихлорэтаном, через который барботируют реагирующие газы — этилен и хлор. Газы должны быть предварительно тщательно осушены, так как влажный хлор, частично гидролизуясь, оказывает коррозионное действие на стальную аппаратуру. При достаточно полной осушке исходных газов всю реакционную аппаратуру и трубопроводы можно изготовлять из обычной углеродистой стали.

Этилен поступает с разделительных установок глубокого охлаждения достаточно осушенным, и дополнительной осушки его не требуется. Из этилена, выделяемого другими способами, например гиперсорбцией, влага должна быть удалена твердыми поглотителями или вымораживанием. Применять для осушки этилена серную кислоту не рекомендуется, так как в ее присутствии происходит осмоление и сульфирование непредельных углеводородов, содержащихся в этиленовой фракции. Для осушки хлора применяют концентрированную серную кислоту, но обычно хлор поступает с хлорного завода уже осушенным. При работе с недостаточно осушенными исходными газами требуется освинцовывать внутренние стенки хлоратора, охлаждающих змеевиков и мешалок.

Технологическая схема промышленного производства дихлорэтана показана, на рис. 1. В газовой смеси, поступающей в хлоратор 1, должен содержаться избыток этилена (5—10% от стехиометрического количества), необходимый для полного связывания хлора. Присутствие хлора в реакционных газах недопустимо, так как взаимодействие хлора с углеводородами в неохлаждаемом трубопроводе может привести к повышению температуры и воспламенению углеводородов. Хлор, подаваемый в хлоратор, разбавляют

Рис.1. Схема производства дихлорэтана из этилена и хлора:

1 – хлоратор; 2 – сборник дихлорэтана-сырца; 3 – конденсатор смешения; 4 – холо-дильник; 5 – промывной скруббер; 6 – нейтрализатор; 7, 13 – разделители; 8 – сборник щелочи; 9 – сборник нейтрализованного дихлорэтана; 10, 14 – ректификационные колонны; 11, 15 – кипятильники; 12, 16 – дефлегматоры; 17 – холодильник.

 

воздухом (8—10% от объема реагирующих газов); это дает возможность проводить хлорирование этилена при 20—30°С.

Для лучшего контакта между реагирующими газами и более полного растворения их в дихлорэтане в хлораторе установлена пропеллерная мешалка. Образующийся дихлорэтан-сырец из хлоратора самотеком непрерывно перетекает в сборник 2.

Отходящие из хлоратора газы (непрореагировавший этилен) газообразные примеси, содержащиеся в исходном этилене и хлоре, воздух) увлекают значительное количество паров дихлорэтана и часть хлористого водорода, образующегося в результате реакций замещения. Поэтому из отходящих газов выделяют дихлорэтан либо абсорбцией растворителями (керосин и др.), либо конденсацией, как показано на схеме. Отходящие газы поступают в насадочный конденсатор смешения 3, смонтированный над холодилышком 4. В верхнюю часть конденсатора смешения подают из холодильника 4 охлажденный до —20^о С дихлорэтан для орошения, насадки. Газы, поступающие в нижнюю часть конденсатора смешения, проходят насадку снизу вверх противотоком к дихлорэтану и охлаждаются до —15°С, благодаря чему почти все пары дихлорэтана конденсируются. Сконденсировавшийся дихлорэтан смешивается с дихлорэтаном, подаваемым на орошение, и поступает в холодильник 4, где вновь охлаждается до —20°С. Газы, отходящие из верхней части конденсатора смешения, отмываются водой в скруббере 5 от хлористого водорода и уходят в атмосферу.

Дихлорэтан-сырец из сборника 2 перекачивается в аппарат 6, где при перемешивании производится нейтрализация растворенного в дихлорэтане хлористого водорода 5—10%-ным раствором едкого натра. Нейтрализованный дихлорэтан отделяется в разделителе 7 от раствора щелочи и стекает в сборник 9, из которого поступает на осушку и ректификацию. Осушка дихлорэтана производится в ректификационной колонне 10, в нижней части которой поддерживается температура 75—85°С. Из колонны отгоняется азеотропная смесь дихлорэтана с водой, конденсирующаяся в дефлегматоре 12 и частично возвращаемая на орошение колонны 10. Дистиллят расслаивается в разделителе 13; вода направляется на очистную станцию и далее в канализацию, а дихлорэтан возвращается в сборник 9, Из кубовой части колонны 10 стекает обезвоженный дихлорэтан, поступающий далее в ректификационную колонну 14, где дихлорэтан-дистиллят отделяется от трихлорэтана и полихлоридов (кубовая жидкость).

6. Расчет материального баланса процесса хлорирования этилена

 

Данные для расчета:

На основании табл. 4.1 [1] определяем выходы продуктов реакции при температуре 255 К:

Рис. 2. Выход продуктов реакции.

На основании рис. 2 данные по выходу продуктов реакции сводим в табл. 1.

Таблица 1.

Выход продуктов реакции при Т=265К

Состав продуктов хлорирования, %(масс.)
Дихлорэтан	76,0
Трихлорэтан	13,9
Тетрахлорэтан	3,2
Высшие хлориды	3,2

Избыток этилена в % от стехиометрии 10

В дихлорэтане растворяется 50 % хлористого водорода

Давление в системе, МПа 0,89

Производительность установки, т/год дихлорэтана 10000.

Число рабочих дней в году 350

Таблица 2.

Состав хлора и этиленовой фракции

Состав хлора, %(об.)				Состав этиленовой фракции, %(об.)
Cl2	CO2	H2	N2	C2H4	C2H6	C3H6
98	1,2	0,3	0,5	92,0	6,0	2,0

Часовая производительность установки по дихлорэтану составляет:

.

При этом образуется:

Трихлорэтана ;

Тетрахлорэтана ;

Высших хлоридов ;

При взаимодействии хлора с этиленом протекают следующие реакции:

(1)

(2)

(3)

(4)

Исходя из этих реакций, определяем:

1. Расход этилена на образование ди-, три-, тетрахлорэтана и высших хлоридов:

или

.

С учетом 10 %-ного избытка этилена его расход составит:

1,1·318,1=349,9 м³/ч

или

349,9·1,250=437,4кг/ч.

2. Расход этиленовой фракции (с учетом 10 %-ного избытка этилена):

.

3. Расход хлора:

или

.

4. Расход технического хлора:

.

5. Количество образующегося хлористого водорода:

или

.

6. Количество отходящих газов:

Газы	Объем, м3/ч	Состав %(об.)	Количество, кг/ч
Этилен	380,3·0,92-318,1=31,8	30,77	(31,8:22,4)·28=39,8
Этан	380,3·0,06=22,8	22,08	(22,8:22,4)·30=30,6
Пропилен	380,3·0,02=7,6	7,36	(7,6:22,4)·42=14,3
Двуокись углерода	392,5·0,012=4,7	4,56	(4,7:22,4)·44=9,3
Азот	392,5∙0,005=2,0	1,91	(2,0:22,4)·28=2,5
Водород	392,5∙0,003=1,2	1,14	(1,2:22,4)·2=0,1
Хлористый водород	66,5·0,5=33,3	32,18	(33,3:22,4)·36,5=54,2
ИТОГО:	103,3	100,00	150,6

Отходящие газы насыщены парами дихлорэтана, количество которых можно рассчитать по формуле [2]:

,

где  - количество паров дихлорэтана, уносимых газами, кг/ч;

G_г – количество газов, пропускаемых через дихлорэтан, кг/ч;

φ – коэффициент насыщения (в данном случае φ=1 [2]);

р – давление пара над жидкостью (при Т=265 К р=0,0021 МПа рис. XIV [4]);

М_ж – молекулярная масса дихлорэтана;

М_г – средняя молекулярная масса газовой смеси;

Р – общее давление в системе, МПа.

Находим среднюю молекулярную массу газовой смеси:

М_г=0,3077·28+0,2208·30+0,0736·42+0,0456·44+0,0191∙28+0,0114∙2+0,2487·36,5=32,64.

Унос паров дихлорэтана составит:

.

Из реактора отводится жидкий дихлорэтан, количество которого составляет:

1190,5-1,1=1189,4 кг/ч.

Массовый расход сырья:

Масса газа при нормальных условиях равна его молярной массе, поделенной на объем, занимаемый одним молем, т.е. , где - плотность газа при нормальных условиях.

Этиленовая фракция:

;

;

;

Технический хлор:

;

;

;

Массовый расход сырья составит:

Этиленовая фракция:

;

;

;

Хлор технический:

;

;

.

Материальный баланс производства дихлорэтана сводим в таблицу 3:

Таблица 3

Материальный баланс производства дихлорэтана

№ п/п	Приход	кг/ч	№ п/п	Расход	кг/ч
1	Этиленовая фракция	482,3	1	Дихлорэтан-сырец	1561,5
	в том числе:			в том числе:
	Этилен	437,4		дихлорэтан	1189,4
	Этан	30,6		трихлорэтан	217,7
	Пропилен	14,3		тетрахлорэтан	50,1
				высшие хлориды	50,1
2	Хлор технический газообраный	1231,0		хлористый водород	54,2
	в том числе:		2	Отходящие газы	150,6
	хлор	1219,1		в том числе:
	двуокись углерода	9,3		этилен	39,8
	водород	0,1		этан	30,6
	азот	2,5		пропилен	14,3
				двуокись углерода	9,3
				хлористый водород	54,2
				дихлорэтан	1,1
				водород	0,1
				азот	2,5
	ИТОГО:	1713,3		ИТОГО:	1712,1

Расхождение баланса составляет:

, что вполне допустимо.

Конверсия исходного сырья.

Основным реагентом в сырье является этилен, поэтому конверсию рассчитываем по этилену, как отношение количества израсходованного этилена (G_н-G_к), где G_к – количество непрореагировавшего этилена, к общему его количеству в начале процесса G_н:

Селективность находим как отношение готового продукта G_п к прореагировавшему сырью G_c

Выход целевого продукта.

Если количество целевого (товарного) продукта G_п, то выход продукта Ф в расчете на сырье G_з составит

ЛИТЕРАТУРА

1.         Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г. Общая химическая технология. Учебник для технических ВУЗов. – М.: «Высшая школа», 1990. – 512 с.

2.         Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза: Учебник для вузов. – М. Химия, 1988. – 592 с.

3.         Общая химическая технология: Учеб. для химико-техн. спец. вузов. В 2-х т./под ред. проф. И.П.Мухленова. – М.: Высш. шк., 1984. – 263 с.

4.         Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.

5.         Паушкин Я.М., Адельсон С.В., Вишнякова Т.П. Технология нефтехимического синтеза, в двух частях. Ч. I. Углеводородное сырье и продукты его окисления. М.: «Химия», 1973. – 448 с.