Теоретичні основи обраного методу

Етилен, хлористий водень і кисень при температурі 205−232⁰С і тиску 0,2−0,4 МПа (2−4 бар), реагують, в присутності каталізатора, між собою з утворенням 1,2-дихлоретану і води. Каталізатором служить хлорид міді нанесений на носій — мікросферичний порошок алюміній оксиду. Каталізатор діє вибірково на синтез ДХЕ і має властивості киплячого шару, стійкий до каталітичних ядів. Дрібні частинки каталізатора виносяться потоком з киплячого шару, потім відділяються в циклонах і повертаються в киплячий шар.

При роботі реактора з незначною кількістю циркуляційного газу каталізатор втрачає властивості киплячого шару, в результаті чого погіршується контакт між реакційними газами і утворюється зона із підвищеною температурою реакції.

Реакція окиснювального хлорування проходить в три стадії:

• 1. відновлення купрум (II) хлориду етиленом з утворенням 1,2-дихлоретану і купрум (I) хлориду:
• 2CuCl₂ + C₂H₄ > CH₂Cl — CH₂Cl + Cu₂Cl₂
• 2. окиснення купрум (I) хлориду до купрум (II) хлороксиду:

Сu₂Cl₂ + ½O₂ > CuO — CuCl₂

3. реакція купрум (II) хлор оксиду з гідроген хлоридом) хлористим воднем з утворенням купрум (II) хлориду і води:

CuO — CuCl₂ + 2HCl > 2CuCl₂ + H2O.

Тоді загальна реакція оксихлорування:

C2H4 + 2HCl + ½O2 > CH2Cl — CH2Cl + H2O.

Реакція екзотермічна проходить з виділенням тепла 239,19 кДж/моль.

Крім основної в умовах реакції проходить ще ряд побічних реакцій. Серед них горіння етилену:

• 1. C2H4 + 3O2 > 2CO2 + 2H2O
• 2. C2O4 + 2O2 > 2CO + 2H2O

А також реакції, при яких утворюються різні хлоровані вуглеводні, такі, як тетрахлорметан (CCl₄) трихлорметан (CH₃Cl), етилендихлорид (C₂H₅Cl), трихлоретан (С₂Н₃Cl₃) і т.д. Ці сполуки є небажаними і становлять менше 0,3% від одержаного дихлоретану.

Кисень, етилен, хлористий водень і циркуляційний газ перед подачею в реактор підігрівається для запобігання конденсації вологи в реакторах, що приводить до утворення соляної (хлоратної) кислоти і корозії апаратів і трубопроводів. Витримування співвідношення реагуючих етилену і хлороводню, кисню є важливими умовами правильного проведення процесу і повинна підтримуватись у співвідношенні О₂: С₂Н₄: НС? 0,8: 1,05: 2. Зміна вказаних співвідношень призводять до зниження ступеня конверсії і збільшення виходу побічних продуктів.

При пуску на новому каталізаторі температура становить 205−232⁰С і відповідно підвищується при старінні каталізатора. Температура реакції відповідає границі, коли молярне співвідношення етилену до суми карбон (ІІ) і карбон (IV) оксидів становить 1:2,4. При низькій температурі каталізатор втрачає активність.Зменшення температури може призвести до припинення реакції і утворення вибухонебезпечних концентрацій в системі, а при температурі більше 232 °C — підвищення корозії реактора і його елементів.

Поскільки основна реакція іде з зменшенням об'єму то зрушення її рівноваги вправо, сприяє збільшення тиску. Оптимальним тиском є 0,20- 0,40 МПа. Подальше збільшення тиску недоцільне, так як проходить ріст енергетичних затрат на введення в процес реагуючих компонентів і погіршення гідродинамічних умов киплячого шару. Зменшення тиску нижче 0,20 МПа сприяє збільшенню згорання етилену і виносу каталізатора з реактора.

Робочий тиск при 100% навантаженні становить 0,4 МПа при швидкості проходження газів через киплячий шар близько 0,3 м/с. При 50% навантаження тиск в реакторах повинен бути 0,2 МПа. [14, с. 122 ].

Процес оксихлорування може контролюватись шляхом регулювання вмісту карбон (ІІ) і карбон (IV) оксидів в абгазах колони гартування.

При нормальній роботі абгази містять 45−50% СО2 і 1−4% СО мол. При високому вмісту кисню необхідно зменшити, а при низькому збільшити кількість подачі О2. Високий вміст окису вуглецю вказує на подачу кисню, тому необхідно збільшити подачу етилену. При недостачі етилену вміст кисню в абгазах збільшується настільки повільно, що це стає помітно лише через кілька годин. Коли вміст окису вуглецю в абгазах збільшується, при нормальному вмісті кисню в абгазах, що призводить до закиснення каталізатора. Це свідчить про каналоутворення в каталізаторі і циркуляційний газ з хлористим воднем, етиленом і киснем, проходячи через реактор не вступають в реакцію. Тому зниження кисню в цьому випадку приведе до подальшого росту вмісту СО в абгазах.

При підвищенні температури вище заданого значення необхідно шукати причину порушення киплячого шару. Порушення киплячого шару в першу чергу помітно за коливанням питомої ваги киплячого шару Питома вага киплячого шару в робочому стані становить 0,54−0,67 г/см. Рівень киплячого шару по висоті повинен бути 14,2−18 м. Будь-яке відхилення від нормальної величини веде до зниження втрат при низькому рівні киплячого шару, труби другої і третьої ступені циклонів не занурені в киплячий шар і реакційні гази, попадаючи в зовнішню трубу, ідуть, обминаючи циклони.

При надто високому рівні киплячого шару збільшується кількість частинок каталізатора в опуклій трубі циклону, що призводить до порушення роботи циклону. [14, с. 121 ].

Хлористий водень що використовується в реакції, поступає із стадії ректифікації хлорвінілу і містить 0,25% об. ацетилену. Ацетилен реагує з хлористим воднем і киснем, утворюючи не бажані побічні продукти: хлораль, трихлоретилен, тетрахлоретилен та інші.

• 1. C2H₂ + 3HCl + 3/2O2 C2Cl3OH +2H2O
• 2. C2H2 + 3HCl + O2 C2HCl3 + 2H2O
• 3. C2H2 + 4HCl + ½O2 C2Cl4 + 3H2O

Для зменшення утворення побічних продуктів ацетилен гідрується з утворенням етану і етилену на нерухомому шарі каталізатора у реакторі гідрування. Каталізатором служить паладій оксид, нанесений в кількості 0,5% на алюміній оксид. Температура в реакторі 180⁰ С, а тиск 0,9 МПа.