СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ РЕАКЦИИ, ПОЛУЧАЕМОЙ В ПРОЦЕССЕ ПРОИЗВОДСТВА 1,2-ДИХЛОРЭТАНА ИЗ ЭТИЛЕНА В РЕАКТОРЕ С ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ

Изобретение относится к способу использования теплоты реакции, возникающей в процессе производства 1,2-дихлорэтана (EDC) из этилена посредством реакции обмена с кислородом и хлористым водородом (оксихлорирование) в реакторе с псевдоожиженным слоем, с отводом этой теплоты реакции через находящийся внутри реактора, расположенный в псевдоожиженном слое пучок охлаждающих труб.

Реакторы с псевдоожиженным слоем для оксихлорирования этилена охлаждают посредством погруженного в псевдоожиженный слой пучка охлаждающих труб (DE 19718871 A). В этих пучках охлаждающих труб направляемая в контуре питательная вода для котла испаряется. Этот пар отдается либо к границе установки, либо используется в системе установок процесса производства 1,2-дихлорэтана/винилхлоридного мономера (EDC/VCM-процесса) для обогрева колонн или нагревателей. При этом стремятся вырабатывать как можно более высококачественный, то есть горячий, пар, так как он необходим в различных местах EDC/VCM-процесса в целях обогрева (например, обогрев VCM-колонны). Реактор с неподвижным слоем с протеканием в радиальном направлении для осуществления гетерогенных каталитических реакций, то есть реактор другого типа, известен из DE 4131446 A1.

Габаритный размер реактора оксихлорирования обусловлен, с одной стороны, необходимой поверхностью охлаждения для отвода теплоты реакции и, с другой стороны, необходимым для определенного количества EDC-продукции количеством катализатора, и тем что объем определяет псевдоожиженный слой в псевдоожиженом состоянии. Обусловленное необходимым по конструктивным причинам габаритным размером пучка охлаждающих труб фактическое количество катализатора в реакторе всегда больше, чем требовалось бы для определенного желаемого количества готовой продукции, или же фактически достигаемый с помощью катализатора выход продукта с единицы объема в единицу времени не реализуется по конструктивным причинам.

Для уменьшения реактора или же повышения количества произведенной продукции при данном объеме реактора, то есть также для лучшего использования катализатора (интенсификация процесса), принципиально могут использоваться два пути:

1) Повышение температуры реакции

Повышение температуры реакции приводит, с одной стороны, к повышению количества произведенной продукции (выход продукта с единицы объема в единицу времени) и, с другой стороны (вследствие повышения эффективной разницы температур для теплопередачи от псевдоожиженного слоя к пучку охлаждающих труб), к улучшенному отводу тепла.

При этом недостатком является то, что при повышении температуры реакции также сильно возрастают производственные потери вследствие побочной реакции, такой как образование сильно хлорированных побочных продуктов или окисление этилена в CO и CO₂ (специалист говорит о выгорании этилена), и рентабельность способа ухудшается.

2) Повышение эффективной разницы температур

Посредством повышения эффективной разницы температур можно существенно уменьшить необходимую поверхность охлаждения и тем самым габаритный размер пучка охлаждающих труб, что ведет к уменьшению реактора. Повышение разницы температур можно достичь посредством понижения давления выработанного пара. Однако это приводит к тому, что вырабатывается большое количество низкокачественного пара, что, в свою очередь, ухудшает рентабельность способа.

Таким же образом можно повысить эффективную разницу температур, переохлаждая воду для питания котла перед входом в пучок охлаждающих труб.

Коэффициент теплоотдачи α, _{наружный} (теплоотдача от псевдоожиженного слоя к наружной стенке охлаждающей трубы) существенно ниже, чем коэффициент теплоотдачи α, _{внутренний} (теплоотдача от внутренней стенки охлаждающей трубы к охлаждающей воде), а именно как при чисто конвективной теплоотдаче, так и при испарении на внутренней стороне охлаждающей трубы. Поэтому общий коэффициент теплоотдачи К очень мало изменяется при частичной или полной отдаче от испарения к конвективному охлаждению. Значительно большим является влияние эффективной разницы температур на передаваемое на единицу площади количество тепла.

Переохлаждение питательной воды для котла может происходить различными способами. Так, переохлаждение может происходить в теплообменнике с помощью воздушного или водяного охлаждения. Однако этот вариант является неэкономичным, так как тепло невозможно больше использовать.

Другой вариант представляет собой охлаждение питательной воды для котла посредством промежуточного понижения давления. Здесь уменьшается давление питательной воды для котла в (дополнительном) испарительном резервуаре, при этом возникает установленное количество пара с соответствующей температурой. Этот способ также экономически неэффективен, так как производится низкокачественный пар. Помимо этого требуется дополнительное оборудование и возрастает энергопотребление насоса питательной воды для котла, так как давление питательной воды для котла после понижения давления должно снова возвращаться к исходному давлению.

Для решения вышеуказанных проблем задача изобретения состоит в том, чтобы улучшить использование тепла при одновременном уменьшении соответствующих элементов установки.

С помощью способа обозначенного выше типа эта задача согласно изобретению решена посредством того, что часть теплоты реакции отводится посредством нагрева питательной воды для котла, при этом нагретая питательная вода для котла используется для обогрева теплоотводов в процессе производства EDC, VCM, PVC или других теплоотводах.

Преимущество способа согласно изобретению состоит в том, что теплоотводы в системе установок EDC/VCM/PVC (поливинилхлорида) больше не отапливаются паром, как это было раньше, а непосредственно нагретой питательной водой для котла.

Таким образом, охлаждается питательная вода для котла и затем может снова быть подана в пучок охлаждающих труб реактора оксихлорирования для повторного нагрева. Благодаря этому далее используется теплота реакции оксихлорирования и поддерживается рентабельность способа. При этом возможно отводить теплоту реакции полностью посредством нагрева питательной воды для котла или частично посредством испарения питательной воды для котла.

Особое преимущество состоит в том, что износ на стороне охлаждающей воды при соответственно уменьшенном количестве пара с уменьшенной скоростью потока значительно уменьшается.

Примерами для подходящих теплоотводов в системе установок в изготовлении EDC/VCM/PVC являются:

Однако изобретение не ограничено этими примерами.

Дальнейшие варианты, признаки и преимущества вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения. При этом может быть предусмотрено, что посредством нагретой с помощью теплоты реакции питательной воды для котла обогреваются дистилляционные колонны в системе установок производства 1,2-дихлорэтана/винилхлорида.

Другая возможность согласно изобретению состоит в том, что посредством нагретой питательной водой для котла обогревается теплообменник для нагрева технологических потоков в системе установок производства 1,2-дихлорэтана/винилхлорида, при этом согласно изобретению также может быть предусмотрено, что посредством нагретой питательной воды для котла обогревается осушительное устройство поливинилхлорида.

Как уже было упомянуто выше, соответствующим образом могут также нагреваться и другие теплоотводы.

Примеры:

В реакторе оксихлорирования должна переноситься тепловая мощность 19221 кВт. Теплопередача происходит с помощью погруженных в псевдоожиженный слой пучка охлаждающих труб из 12 труб по 11,5 м каждая с наружным диаметром 88,9 мм. (При расчете площади принимают во внимание только прямую длину труб, соединительными коленами труб можно пренебречь.)

1. Теплопередача посредством испарения

Питательная вода для котла испаряется с температурой 186°C (абсолютное давление пара примерно 11,5 бар). В качестве общего коэффициента теплопередачи было принято 400 Вт/м² К. Температура реакции (температура псевдоожиженного слоя) составляет 215°C. С помощью этих данных из необходимой передаваемой мощности 19221 кВт можно рассчитать необходимую поверхность теплообмена 1657 м², что примерно соответствует 43 пучкам охлаждающих труб. При этом на каждый пучок охлаждающих труб переносится тепловая мощность примерно 447 кВт. При энтальпии испарения питательной воды для котла 1992 кДж/кг вырабатывается примерно 34,7 т пара/час. Из этого при скорости испарения 8% получают количество циркулирующей среды примерно 434 т/ч питательной воды для котла.

2. Теплопередача посредством выработки горячей воды

Тепловая мощность 19221 кВт/м² должна переноситься преимущественно посредством нагрева питательной воды для котла. В качестве общего коэффициента теплопередачи было принято 395 Вт/м² К. С помощью цифрового метода расчетов итеративно определяют необходимое количество циркулирующей среды, которое нагревается до 186°C на имеющейся в распоряжении длине трубы. С помощью такого же метода определяют перенесенную тепловую мощность на каждый пучок охлаждающих труб. Получают количество питательной воды для котла в размере 10,093 т/ч на пучок охлаждающих труб. Посредством нагрева питательной воды для котла переносят тепловую мощность в размере 320 кВт на пучок охлаждающих труб. В качестве необходимой длины трубы для нагрева питательной воды для котла получают значение примерно 70 м. В распоряжении остаются еще 138-70=68 м, которые соответствуют поверхности теплообмена 19 м².

С помощью коэффициентов теплопередачи 400 Вт/м² и разницы температур 29°C (215-186) можно рассчитать тепловую мощность 220 кВт, перенесенную посредством испарения. Итого можно переносить 320+220=540 кВт, что соответствует увеличению на 20%. Если температура на входе питательной воды для котла падает до 150°C, таким же образом может быть определено увеличение мощности на 44%. Достигнутые таким образом увеличения мощности можно использовать при новой планировке установок, расчете более экономичных реакторов или обновлении существующих установок.

Далее изобретение более подробно объясняется с помощью чертежа. На чертеже в упрощенном виде в схеме функциональных соединений показана установка, использующая способ согласно изобретению.

В обозначенным ссылочной позицией 1 реакторе оксихлорирования находится псевдоожиженный слой 2, из которого с помощью циклона 3 реактора или же соответствующего отделения катализатора продукт подается на отделение 4 продукта.

Ссылочным обозначением 5 обозначен компрессор циркулирующего газа, который отводит циркулирующий газ обратно в реактор оксихлорирования, при этом в этот реактор таким же образом подаются соответствующие исходные материалы.

Важным для изобретения является загрузка обозначенного ссылочной позицией 6 пучка охлаждающих труб охлажденной питательной водой для котла из испарительного резервуара 7, при этом питательная вода для котла циркулирует посредством насоса 8.

На изображенном примере, который не ограничивает изобретение, питательная вода для котла отдает свое тепло на циркуляционный выпарной аппарат 9 дистилляционной колонны 10 и тем самым охлаждается посредством способа согласно изобретению. Ссылочной позицией 11 обозначена подпитка питательной водой для котла.

Как уже было упомянуто выше, изобретение не ограничено данным примером. С помощью питательной воды для котла могут обогреваться и другие элементы установки.