RU2036716C1 - Bubbling reactor for direct chlorination of ethylene - Google Patents

Abstract

FIELD: chemical industry. SUBSTANCE: reactor has column partially filled with liquid dichloroethane to which chlorine, ethylene and returning dichloroethane are continuously supplied. Synthesized vaporous dichloroethane is discharged through upper union, and liquid dichloroethane containing harmful trichloroethane is discharged through lower union. Liquid phase dichloroethane overflows through upper end of circulation pipe installed along column axis, and through ports made in column middle part to lower part of circulation pipe through large and small circulation circuits. Vapor-gas phase rises to column upper part and passes through holes of perforated plates. Holes are localized on each plate in form of sections disposed on plates with displacement than extends path of gaseous components. EFFECT: higher efficiency. 4 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к конструкциям аппаратов, применяемых в химической промышленности для получения дихлорэтана путем прямого хлорирования этилена в среде кипящего дихлорэтана в присутствии катализатора. The invention relates to structures of devices used in the chemical industry for the production of dichloroethane by direct chlorination of ethylene in a boiling dichloroethane in the presence of a catalyst.

Известен барботажный реактор для проведения химических реакций в системе жидкость-газ, выполненный в виде вертикальной колонны со штуцерами ввода и вывода реагентов, снабженной циркуляцион- ной трубой и перфорированными ситчатыми тарелками провального типа с равномерно расположенными проходными отверстиями, имеющими живое сечение 1-20% [1]
Причины недостатков известного реактора заключаются в том, что перемешивание компонентов реакции в пространстве между тарелками происходит недостаточно интенсивно, так как общее направление их движения ориентировано вдоль оси колонны. При этом рабочая газожидкостная среда проходит через отверстия тарелок прямотоком, слабо диспергируется и имеет недостаточно развитую поверхность контакта фаз. По указанным причинам и процесс массообмена происходит недостаточно интенсивно, что приводит к перерасходу избыточного этилена.Known bubble reactor for conducting chemical reactions in a liquid-gas system, made in the form of a vertical column with fittings for input and output of reagents, equipped with a circulation pipe and perforated sieve plates of a failure type with evenly spaced openings having a live section of 1-20% [ 1]
The reasons for the disadvantages of the known reactor are that the mixing of the reaction components in the space between the plates is not intensive enough, since the general direction of their movement is oriented along the axis of the column. In this case, the working gas-liquid medium passes through the openings of the plates in direct flow, is poorly dispersed, and has a poorly developed phase contact surface. For these reasons, the process of mass transfer is not intensive enough, which leads to excessive consumption of excess ethylene.

Целью изобретения является уменьшение расхода избыточного этилена и снижение выхода трихлорэтана за счет понижения гидростатического давления и температуры в реакторе и более эффективного использования хлора. The aim of the invention is to reduce the consumption of excess ethylene and to reduce the yield of trichloroethane by lowering the hydrostatic pressure and temperature in the reactor and more efficient use of chlorine.

Это достигается тем, что в барботажном реакторе прямого хлорирования этилена, содержащем вертикальную колонну со штуцерами ввода хлора, этилена, возвратного дихлорэтана, вывода паров дихлорэтана и жидкого дихлорэтана с трихлорэтаном, центральную циркуляционную трубу, по высоте верхней части которой установлены секционирующие перфорированные тарелки, распределители возвратного дихлорэтана, хлора и этилена, расположенные в нижней части колонны по ее высоте, в средней части циркуляционной трубы под нижней тарелкой выполнены окна для перетока жидкого дихлорэтана в циркуляционную трубу, внутри которой над окнами установлена поперечная перегородка с центральным отверстием, к которому снизу присоединен сливной патрубок, отверстия каждой перфорированной тарелки локализованы на одном ее участке, составляющем менее половины всей площади тарелки, при этом каждый участок локализации отверстий вышележащей тарелки расположен таким образом, что его вертикальная проекция на нижележащую тарелку не совпадает с участком локализации отверстий на этой нижележащей тарелке. This is achieved by the fact that in a bubbler reactor for direct chlorination of ethylene containing a vertical column with fittings for the introduction of chlorine, ethylene, return dichloroethane, the outlet of vapors of dichloroethane and liquid dichloroethane with trichloroethane, a central circulation pipe with sectional perforated plates installed along the height of the upper part, return valves dichloroethane, chlorine and ethylene, located in the lower part of the column along its height, in the middle of the circulation pipe under the lower plate there are windows for the flow of liquid dichloroethane into a circulation pipe, inside which a transverse baffle with a central hole is installed above the windows, to which a drain pipe is attached from below, the holes of each perforated plate are localized in one section of it, which makes up less than half of the total area of the plate, and each section of the holes of the overlying plate located in such a way that its vertical projection on the underlying plate does not coincide with the area of the localization of the holes on this underlying plate.

Участки локализации отверстий на перфорированных тарелках могут быть выполнены в форме периферийно или центрально расположенного кольца, или в форме круговых сегментов, или в форме секторов круга. The locations of the holes on the perforated plates may be in the form of a peripheral or centrally located ring, or in the form of circular segments, or in the form of sectors of a circle.

Благодаря наличию окон в циркуляционной трубе происходит увеличение кратности циркуляции жидкой фазы в нижней части колонны и уменьшается объем циркулирующей жидкой фазы в верхней части колонны. Это обусловливает понижение гидростатического давления в целом в реакторе и повышение процентного содержания парогазовой фазы в его верхней части, секционированной тарелками. Уменьшение объема циркулирующей жидкой фазы в верхней секционированной тарелками части колонны обеспечивает возможность уменьшения живого сечения отверстий тарелки по сравнению с прототипом. Понижение гидростатического давления в реакторе, а следовательно, и снижение температуры кипения жидкого дихлорэтана и температуры в парогазовых пузырьках позволяет уменьшить расход хлора и избыточного этилена и снизить выход вредного трихлорэтана. Due to the presence of windows in the circulation pipe, the multiplicity of the circulation of the liquid phase in the lower part of the column increases and the volume of the circulating liquid phase in the upper part of the column decreases. This leads to a decrease in hydrostatic pressure in the reactor as a whole and an increase in the percentage of the vapor-gas phase in its upper part, which is sectioned by plates. The decrease in the volume of circulating liquid phase in the upper sectioned section of the plates of the column provides the ability to reduce the living section of the plate openings in comparison with the prototype. Lowering the hydrostatic pressure in the reactor, and consequently, lowering the boiling point of liquid dichloroethane and the temperature in the vapor-gas bubbles, reduces the consumption of chlorine and excess ethylene and reduces the yield of harmful trichloroethane.

Благодаря локализации отверстий на тарелках, расположению их на тарелках с образованием лабиринтного проходя для парогазовой фазы, а также уменьшению их суммарного живого сечения удлиняется путь парогазожидкостного потока и в том числе "быстрых" пузырей, резко изменяется направление его движения, а скорость его соответственно увеличивается. Это приводит к интенсификации процессов перемешивания в парогазовой фазе и между фазами, к уменьшению размеров парогазовых пузырей и, следовательно, к уменьшению температуры в их ядре и к снижению расхода избыточного этилена и выхода трихлорэтана. Due to the localization of the openings on the plates, their arrangement on the plates with the formation of a labyrinth passage for the vapor-gas phase, as well as a decrease in their total live section, the path of the vapor-liquid flow, including “fast” bubbles, is lengthened, its direction of movement changes sharply, and its speed increases accordingly. This leads to the intensification of mixing processes in the vapor – gas phase and between phases, to a decrease in the size of vapor – gas bubbles and, consequently, to a decrease in the temperature in their core and to a decrease in the consumption of excess ethylene and the yield of trichloroethane.

На фиг. 1 показан предлагаемый реактор, продольный разрез; на фиг. 2 то же, циркуляционная труба с окнами, поперечная перегородка и сливной патрубок; на фиг. 3, 4 и 5 расположение участков локализации отверстий на тарелках соответственно в форме колец, круговых сегментов и секторов круга. In FIG. 1 shows a proposed reactor, a longitudinal section; in FIG. 2 the same, a circulation pipe with windows, a transverse partition and a drain pipe; in FIG. 3, 4 and 5 the location of the areas of localization of the holes on the plates, respectively, in the form of rings, circular segments and sectors of the circle.

Предлагаемый реактор содержит вертикальную колонну 1 со штуцером 2 подвода газообразного этилена, штуцером 3 подвода газообразного хлора, штуцером 4 подвода жидкого возвратного дихлорэтана, расположенными в нижней части колонны 1. В верхней части колонны 1 расположен штуцер 5 для вывода парообразного дихлорэтана. В нижней части колонны 1 расположены также штуцер 6 для вывода жидкого дихлорэтана с находящимся в нем трихлорэтаном и штуцер 7, служащий для слива содержимого колонны 1. Внутри колонны 1 установлена центральная циркуляционная труба 8, сообщающая верхнюю и нижнюю части колонны 1. К штуцеру 4 присоединен распределитель возвратного дихлорэтана, выполненный в виде заглушенной трубы 9, имеющей продольные прорези для выхода дихлорэтана. Над трубой 9 расположен распределитель 10 газообразного хлора, а над ним распределитель 11 газообразного этилена. Распределители 10 и 11 выполнены в виде концентрически расположенных кольцевых трубок с отверстиями для выхода газа. Каждый распределитель 10 и 11 подключен параллельно к соответствующему штуцеру 3 и 2. The proposed reactor contains a vertical column 1 with a nozzle 2 for supplying ethylene gas, a nozzle 3 for supplying gaseous chlorine, a nozzle 4 for supplying liquid return dichloroethane located in the lower part of the column 1. At the top of the column 1 there is a nozzle 5 for outputting vaporous dichloroethane. At the bottom of column 1 are also a nozzle 6 for discharging liquid dichloroethane with trichloroethane located in it and a nozzle 7 used to drain the contents of column 1. Inside the column 1, a central circulation pipe 8 is installed that communicates the upper and lower parts of the column 1. Connected to the nozzle 4 a return dichloroethane distributor made in the form of a plugged pipe 9 having longitudinal slots for the exit of dichloroethane. Above the pipe 9, a chlorine gas distributor 10 is located, and above it a ethylene gas distributor 11. Distributors 10 and 11 are made in the form of concentrically arranged annular tubes with gas outlet openings. Each distributor 10 and 11 is connected in parallel to the corresponding fitting 3 and 2.

По высоте верхней части циркуляционной трубы 8 установлены секционирующие перфорированные тарелки 12, имеющие отверстия 13, которые локализованы на каждой тарелке 12 в виде одного участка 14, площадь которого составляет менее половины всей площади тарелки 12, при этом каждый участок 14 локализации отверстий 13 вышележащей тарелки 12 расположен таким образом, что его горизонтальная проекция на нижележащую тарелку 12 не совпадает с участком 14 локализации отверстий 13 на этой нижележащей тарелке 12. В средней части циркуляционной трубы 8 под нижней тарелкой 12 выполнены окна 15 для перетока жидкого дихлорэтана в циркуляционную трубу 8. Внутри циркуляционной трубы 8 над окнами 15 установлена поперечная перегородка 16, имеющая центральное отверстие 17, к которому снизу присоединен сливной патрубок 18. Нижний конец сливного патрубка 18 расположен ниже уровня размещения окон 15. Along the height of the upper part of the circulation pipe 8, sectional perforated plates 12 are installed, having holes 13, which are localized on each plate 12 in the form of one section 14, the area of which is less than half of the total area of the plate 12, with each section 14 of the localization of the openings 13 of the overlying plate 12 located in such a way that its horizontal projection on the underlying plate 12 does not coincide with the area 14 of the localization of holes 13 on this underlying plate 12. In the middle of the circulation pipe 8 under the bottom A window 12 is made for the overflow of liquid dichloroethane into the circulation pipe 8. The inside of the circulation pipe 8 is a transverse baffle 16 installed above the windows 15, having a central hole 17, to which a drain pipe 18 is attached from below. The lower end of the drain pipe 18 is located below the level of windows 15 .

Предлагаемый реактор работает следующим образом. The proposed reactor operates as follows.

В колонну 1, частично заполненную жидким дихлорэтаном, непрерывно через штуцер 3 и распределитель 10 подают газообразный хлор, а через штуцер 2 и распределитель 11 газообразный этилен. Хлор и этилен частично растворяются в жидком дихлорэтане, частично в количествах, которые не могут растворяться, остаются в газообразном виде. При встрече молекул хлора и этилена в жидкой и газовой фазах образуются молекулы дихлорэтана и выделяется тепло реакции. Тепло реакции снимается испарением жидкого дихлорэтана. Поскольку на один грамм-моль синтезированного дихлорэтана испаряется дополнительно пять грамм-молей возвратного дихлорэтана, в колонне 1 образуется значительное количество паров дихлорэтана (примерно в 3 раза больше, чем объем вводимых на реакцию газов), которые смешиваются с нерастворенными и непрореаги- ровавшими хлором и этиленом и затем реакция синтеза дихлорэтана идет как в жидкой, так и в паровой фазах. Образующаяся в колонне 1 парогазожидкостная смесь в виде вихрей перемещается вверх по колонне 1 и проходит секционирующие тарелки 12 через отверстия 13. При этом между тарелками 12 происходит изменение направления движения смеси от вертикального к наклонному за счет смещения участков 14 локализации отверстий 13 относительно друг друга. Жидкая фаза образует два циркуляционных контура: большой контур циркуляции жидкости, переливающейся в циркуляционную трубу 8 через ее верхний открытый конец и далее через отверстие 17 в перегородке 16, патрубок 18 до нижнего конца трубы 8, и внутренний малый контур циркуляции через окна 15 трубы 8, кольцевой зазор между внутренней стороной трубы 8 и наружной стороной сливного патрубка 18 и далее до нижнего конца трубы 8. Паровая фаза дихлорэтана с избыточным этиленом выводится из колонны 1 через штуцер 5. Количество испарившегося дихлорэтана восполняется за счет возвратного дихлорэтана, вводимого в реактор непрерывно через штуцер 4 и распределитель 9. В области расположения распределителей 10 и 11 интенсивно образуется парогазожидкостный поток с объемным газосодержанием, составляющим более 0,2. В этом потоке возникают, так называемые, "быстрые" пузыри, которые перемещаются в барботажном слое вверх со скоростью, значительно превышающей (на порядок и более) среднюю скорость подъема остальных, меньших по размеру парогазовых пузырей. Так как каждый участок 14 локализации отверстий 13 на смежных тарелках 12 расположен со смещением относительно друг друга и их горизонтальные проекции не совпадают, то парогазовые пузыри не могут двигаться вертикально, а вынуждены двигаться по зигзагообразной траектории, изменяя направление своего движения от одной тарелки 12 к другой. Благодаря этому их путь удлиняется, а скорость движения увеличивается, создаются условия для интенсивного перемешивания в парогазовой фазе и между фазами и для дробления крупных ("быстрых") пузырей и, следовательно, для снижения температуры в их ядре, что приводит к уменьшению разницы температур между парогазовой фазой и кипящим жидким дихлорэтаном. Указанные процессы позволяют снизить расход избыточного этилена и приводят к снижению интенсивности побочных реакций, т.е. к снижению выхода трихлорэтана. Образованный в средней части колонны 1 малый контур циркуляции жидкого дихлорэтана через окна 15 способствует увеличению кратности циркуляции жидкой фазы в нижней части колонны 1 и снижению кратности циркуляции жидкой фазы в верхней части колонны 1, что способствует повышению парогазосодержания в верхней секционированной тарелками части колонны 1, а это в свою очередь вызывает снижение гидростатического давления в колонне 1 и, следовательно, снижение температуры кипения дихлорэтана и температуры в парогазовых пузырях. В результате уменьшается расход хлора и избыточного этилена и снижается выход вредного трихлорэтана. Chlorine gas is fed continuously into the column 1, partially filled with liquid dichloroethane, continuously through the nozzle 3 and the distributor 10, and ethylene gas is supplied through the nozzle 2 and the distributor 11. Chlorine and ethylene partially dissolve in liquid dichloroethane, partially in quantities that cannot be dissolved, remain in gaseous form. When chlorine and ethylene molecules meet in the liquid and gas phases, dichloroethane molecules are formed and reaction heat is released. The heat of reaction is removed by evaporation of liquid dichloroethane. Since one gram mole of synthesized dichloroethane evaporates an additional five gram moles of return dichloroethane, a significant amount of dichloroethane vapor is formed in column 1 (approximately 3 times more than the amount of gas introduced into the reaction), which are mixed with undissolved and unreacted chlorine and ethylene and then the dichloroethane synthesis reaction proceeds both in the liquid and vapor phases. The vapor-gas-liquid mixture formed in column 1 in the form of vortices moves up the column 1 and passes the sectioning plates 12 through the openings 13. In this case, between the plates 12 the direction of the mixture moves from vertical to inclined due to the displacement of the localization sections 14 of the holes 13 relative to each other. The liquid phase forms two circulating circuits: a large circuit for circulating liquid overflowing into the circulation pipe 8 through its upper open end and then through an opening 17 in the partition 16, the pipe 18 to the lower end of the pipe 8, and an internal small circulation circuit through the windows 15 of the pipe 8, the annular gap between the inner side of the pipe 8 and the outer side of the drain pipe 18 and then to the lower end of the pipe 8. The vapor phase of dichloroethane with excess ethylene is discharged from the column 1 through the nozzle 5. The amount of evaporated dichloroethane is lnyaetsya due return dichloroethane, introduced continuously into the reactor through the nozzle 4 and the distributor 9. The valves 10 and 11 are formed intensively location area-vapor stream with a volumetric gas content of greater than 0.2. In this flow, so-called “fast” bubbles arise, which move up in the bubble layer at a speed significantly exceeding (by an order of magnitude or more) the average rate of rise of the remaining smaller vapor-gas bubbles. Since each section 14 of the localization of holes 13 on adjacent plates 12 is displaced relative to each other and their horizontal projections do not coincide, gas-vapor bubbles cannot move vertically, but are forced to move along a zigzag path, changing the direction of their movement from one plate 12 to another . Due to this, their path is lengthened, and the speed of movement increases, conditions are created for intensive mixing in the vapor-gas phase and between phases and for crushing large (“fast”) bubbles and, therefore, to reduce the temperature in their core, which leads to a decrease in the temperature difference between vapor-gas phase and boiling liquid dichloroethane. These processes can reduce the consumption of excess ethylene and lead to a decrease in the intensity of adverse reactions, i.e. to reduce the yield of trichloroethane. The small liquid dichloroethane circulation circuit formed in the middle part of column 1 through windows 15 helps to increase the liquid phase circulation rate in the lower part of column 1 and reduces the liquid phase circulation rate in the upper part of column 1, which increases the gas and vapor content in the upper sectioned section of column 1, and this in turn causes a decrease in hydrostatic pressure in column 1 and, consequently, a decrease in the boiling point of dichloroethane and the temperature in vapor-gas bubbles. As a result, the consumption of chlorine and excess ethylene is reduced and the yield of harmful trichloroethane is reduced.

Таким образом, предложенный реактор по сравнению с прототипом позволяет уменьшить расход избыточного этилена примерно на 20-40% и снизить выход вредного трихлорэтана на 20-30% При этом предлагаемый реактор обеспечивает быстрое и полное связывание хлора за счет повышения интенсивности процессов перемешивания и диспергирования газообразных реагентов в зоне размещения перфорированных тарелок, имеющих уменьшенное суммарное живое сечение проходных отверстий. Thus, the proposed reactor in comparison with the prototype can reduce the consumption of excess ethylene by about 20-40% and reduce the yield of harmful trichloroethane by 20-30%. Moreover, the proposed reactor provides fast and complete binding of chlorine by increasing the intensity of the processes of mixing and dispersion of gaseous reactants in the area of placement of perforated plates having a reduced total living section of the through holes.

Claims (4)

1. БАРБОТАЖНЫЙ РЕАКТОР ПРЯМОГО ХЛОРИРОВАНИЯ ЭТИЛЕНА, содержащий вертикальную колонну со штуцерами ввода хлора, этилена, возвратного дихлорэтана, вывода паров дихлорэтана и жидкого дихлорэтана с трихлорэтаном, центральную циркуляционную трубу, по высоте верхней части которой установлены секционирующие перфорированные тарелки, распределители возвратного дихлорэтана, хлора и этилена, расположенные в нижней части колонны по ее высоте, отличающийся тем, что в средней части циркуляционной трубы под нижней тарелкой выполнены окна для перетока жидкого дихлорэтана в циркуляционную трубу, снабженную установленной внутри над окнами поперечной перегородкой с центральным отверстием, к которому снизу присоединен сливной патрубок, отверстия каждой перфорированной тарелки локализованы на одном ее участке, площадь которого составляет менее половины всей площади тарелки, при этом каждый участок локализации отверстий вышележащей тарелки расположен со смещением относительно участка локализации отверстий нижележащей тарелки. 1. DIRECT DIRECT CHLORINATION REACTOR OF ETHYLENE, containing a vertical column with fittings for the introduction of chlorine, ethylene, return dichloroethane, the outlet of dichloroethane vapor and liquid dichloroethane with trichloroethane, a central circulation pipe with sectional perforated chlorine distribution plates installed along the height of the top, ethylene located in the lower part of the column by its height, characterized in that in the middle part of the circulation pipe under the lower plate there are made windows for grinding liquid dichloroethane into a circulation pipe equipped with a transverse baffle installed inside above the windows with a central hole, to which a drain pipe is attached from below, the holes of each perforated plate are localized on one section of it, the area of which is less than half of the total area of the plate, with each hole localization section the overlying plate is offset with respect to the area of localization of the openings of the underlying plate. 2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что участки локализации отверстий на перфорированных тарелках выполнены в форме периферийно или центрально расположенного кольца. 2. The reactor according to claim 1, characterized in that the areas of localization of the holes on the perforated plates are made in the form of a peripheral or centrally located ring. 3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что участки локализации отверстий на тарелках выполнены в виде круговых сегментов. 3. The reactor according to claim 1, characterized in that the areas of localization of the holes on the plates are made in the form of circular segments. 4. Реактор по п.1, отличающийся тем, что участки локализации отверстий на тарелках выполнены в виде секторов круга. 4. The reactor according to claim 1, characterized in that the areas of localization of the holes on the plates are made in the form of sectors of a circle.