способ управления работой реактора оксихлорирования этилена в псевдоожиженном слое катализатора

Формула изобретения

Способ управления работой реактора оксихлорирования этилена в псевдоожиженном слое катализатора, включающий измерение и регулирование заданных значений расходов исходных газообразных компонентов - хлористого водорода, этилена и технологического воздуха или кислорода, измерение и поддержание заданного значения температуры реакционных газов в зоне реакции посредством измерения и регулирования давления хладагента и его равновесной температуры кипения в системе охлаждения, измерение давления реакционных газов на выходе из реактора, отличающийся тем, что поддержание заданного значения температуры реакционных газов дополнительно осуществляют с помощью по меньшей мере одного датчика, помещенного непосредственно в псевдоожиженный слой катализатора, посредством которого измеряют текущее значение коэффициента теплоотдачи, характеризующего степень интенсивности теплообмена между псевдоожиженным слоем катализатора и поверхностью теплообмена системы охлаждения, при этом с заданным шагом уменьшают или увеличивают давление реакционных газов в реакторе и методом последовательных приближенией находят наибольшее возможное значение коэффициента теплоотдачи и поддерживают его в области наибольших значений.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано для производства 1,2-дихлорэтана (далее - дихлорэтан) путем окислительного хлорирования этилена в газовой фазе в присутствии порошкового катализатора, который находится в псевдоожиженном состоянии.

Наиболее близким к заявленному является способ управления работой реактора оксихлорирования этилена в псевдоожиженном слое катализатора (см. "Расчеты по технологии органического синтеза", авт. С.П.Гутник, В.Е.Сосонко, В. Д. Гутман; Москва, изд. "Химия", 1988, стр. 86-104), который реализован в реакторе колонного типа. Реактор имеет распределительные устройства для перемешивания и распределения по сечению аппарата реагентов технологического воздуха, смеси этилена и хлористого водорода и порошкового катализатора. Для снятия избыточного тепла реактор имеет вертикальный теплообменник, в трубы которого подается циркулирующий (под давлением) и частично испаряющийся водяной конденсат. В верхнюю часть реактора вмонтирован трехступенчатый циклон для улавливания катализаторной пыли из газообразных продуктов реакции.

Известный способ управления работой реактора включает следующие операции: измерение и регулирование заданного значения расхода исходных газообразных компонентов - хлористого водорода, этилена и технологического воздуха; измерение и поддержание заданного значения температуры реакционных газов в зоне реакции и поддержание его с помощью измерения и регулирования давления хладагента (водяного конденсата), а следовательно, и его равновесной температуры кипения в системе охлаждения; измерение давления реакционных газов на выходе из реактора.

Известно, что для химических процессов, проходящих с выделением тепла в присутствии катализатора, находящегося в псевдоожиженном состоянии, эффективность теплообмена зависит от величины приведенной скорости реакционных газов, определяющей величину коэффициента теплоотдачи от псевдоожиженного слоя к стенке теплообменника. Зависимость коэффициента теплоотдачи от приведенной скорости реакционных газов имеет экстремальный характер и поэтому только при оптимальном значении приведенной скорости реакционных газов обеспечивается максимально возможное в данных условиях значение величины коэффициента теплоотдачи и наиболее эффективный теплообмен. Процессы тепло- и массообмена в газах в псевдоожиженных слоях твердых частиц аналогичны и взаимосвязаны, то есть оптимизация теплообмена ведет к оптимизации массообмена.

Недостатком известного способа управления работой реактора оксихлорирования этилена является то, что управление его работой осуществляют только путем регулирования давления и равновесной температуры водяного конденсата в теплообменнике. А так как при работе реактора истинное значение коэффициента теплоотдачи непрерывно изменяется по отношению к его максимальному значению из-за изменения условий процесса оксихлорирования, то при снижении значения коэффициента теплоотдачи относительно его максимума оптимальные условия теплообмена нарушаются и эффективность работы теплообменника соответственно снижается и в некоторых случаях теплообменник работает с перегрузкой, что приводит к его ускоренному износу. Кроме того, в случаях, когда теплообменник не справляется с тепловой нагрузкой на реактор, происходит повышение температуры в зоне реакции, увеличивается по этой причине выход побочных продуктов реакции и снижается выход целевого продукта. В целом же, когда процесс теплообмена происходит не в оптимальном режиме, процесс массообмена в зоне реакции также не может протекать в оптимальном режиме, что не позволяет получить от реактора максимально возможную производительность по целевому продукту.

Задачей предлагаемого изобретения является усовершенствование способа управления процессом получения дихлорэтана за счет поддержания оптимальных режимов теплообмена, адекватных для данного конкретного состояния катализатора и для данной конкретной нагрузки на реактор, а также расширение в верхнюю сторону допустимого диапазона по тепловой нагрузке, не приводящей к преждевременному износу теплообменника, то есть обеспечение повышения производительности реактора предлагаемым способом управления его работой по сравнению с известным способом.

Технический результат предлагаемого способа выражается в обеспечении возможности эффективной работы реактора даже в случае непредсказуемого изменения свойств катализатора в сторону их ухудшения за счет использования экстремального характера зависимости коэффициента теплоотдачи от приведенной скорости реакционных газов. Указанный результат достигается за счет нахождения и поддержания наибольшего возможного для заданной нагрузки на реактор и состояния псевдоожиженного катализатора значения коэффициента теплоотдачи к поверхности теплообменника, что позволяет минимизировать перепад (градиент) температур на поверхности теплообмена между псевдоожиженным слоем порошкового катализатора и стенками труб теплообменника системы охлаждения и при этом оптимизировать массообмен в зоне реакции.

Поставленная задача решается тем, что в способе управления работой реактора оксихлорирования этилена в псевдоожиженном слое катализатора, включающем измерение и регулирование заданных значений расходов исходных газообразных компонентов - хлористого водорода, этилена и технологического воздуха или кислорода, измерение и поддержание заданного значения температуры реакционных газов в зоне реакции посредством измерения и регулирования давления хладагента и его равновесной температуры кипения в системе охлаждения, измерение давления реакционных газов на выходе из реактора, согласно изобретению, поддержание заданного значения температуры реакционных газов дополнительно осуществляют с помощью по меньшей мере одного датчика, помещенного непосредственно в псевдоожиженный слой катализатора, посредством которого измеряют текущее значение коэффициента теплоотдачи, характеризующего степень интенсивности теплообмена между псевдоожиженным слоем катализатора и поверхностью теплообмена системы охлаждения, при этом с заданным шагом уменьшают или увеличивают давление реакционных газов в реакторе и методом последовательных приближений находят наибольшее возможное значение коэффициента теплоотдачи и поддерживают его в этой области.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где показан схематически реактор с функциональной схемой управления его работой.

Предлагаемый способ управления работой реактора реализован на базе реактора колонного типа. В нижнюю часть корпуса реактора через систему 1 подвода и распределения вводятся исходные газообразные компоненты - хлористый водород, этилен и технологический воздух или кислород. Под действием смеси газов в средней части реактора (в зоне реакции) формируется псевдоожиженный слой катализатора. По всей высоте зоны реакции размещается трубчатый секционированный многоходовой теплообменник 2. В верхней части реактора расположены встроенные циклоны 3 очистки реакционных газов от частиц катализатора и штуцер 4, сообщенный с циклоном 3 последней ступени очистки реакционных газов, для вывода реакционных газов из реактора.

На линии подачи хлористого водорода, присоединенной к системе 1 распределения, установлены измеритель 5 расхода, ручной задатчик 6, регулятор 7 расхода и регулирующий клапан 8. На линии подачи этилена, присоединенной к системе 1 распределения, установлены измеритель 9 расхода, ручной задатчик 10, регулятор 11 расхода и регулирующий клапан 12. На линии подачи технологического воздуха (кислорода), присоединенной к системе 1 распределения, установлены измеритель 13 расхода, ручной задатчик 14, регулятор 15 расхода и регулирующий клапан 16. Для измерения температуры реакционных газов в зоне реакции установлен датчик 17 температуры, измеритель 18 температуры и связанный с ним функциональный преобразователь 20 для регулирования температуры в зоне реакции. К прибору 20 подключен задатчик 19 для задания необходимой температуры в зоне реакции и регулятор 21 давления системы связанного регулирования. При изменении заданного значения температуры в зоне реакции функциональный преобразователь 20 вырабатывает регулирующий сигнал, который подается на регулятор 21 давления и далее на регулирующий клапан 22 давления водяного пара на выходе из секций теплообменника системы охлаждения. В зоне реакции установлен датчик 25 и измеритель 26 для определения значения коэффициента теплоотдачи. Для нахождения и поддержания наибольшего возможного значения коэффициента теплоотдачи, сигнал с измерителя 26 поступает к блоку 27 поиска максимума системы связанного регулирования, который вырабатывает сигнал для регулятора давления 28, подключенного к клапану 29 регулирования давления в реакторе.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

В реакторе, работающем на основе предлагаемого способа управления, производится оксихлорирование этилена в псевдоожиженном слое катализатора. Отвод образующегося в зоне реакции тепла происходит за счет нагрева и частичного испарения хладагента, циркулирующего в теплообменнике 2 системы охлаждения. В соответствии с технологическим регламентом задают необходимое значение расхода хлористого водорода с помощью задатчика 6, сигнал от которого сравнивается с сигналом измерителя 5 расхода в регуляторе 7 расхода. Далее регулятор 7 расхода вырабатывает управляющий сигнал, который поступает на регулирующий клапан 8. В соответствии с расходом хлористого водорода задают необходимое значение расхода этилена с помощью измерителя 9 расхода, задатчика 10, регулятора 11 расхода и регулирующего клапана 12, и необходимое значение расхода технологического воздуха (кислорода) с помощью измерителя 13 расхода, задатчика 14 регулятора 15 расхода и регулирующего клапана 16. Для ведения процесса при заданной температуре с помощью задатчика 19 задают температуру в зоне реакции и поддерживают ее следующим образом. При увеличении температуры в зоне реакции функциональный преобразователь 20, к которому подключен датчик 17 температуры и измеритель 18 температуры, вырабатывает регулирующий сигнал на регулятор 21 давления, который открывает регулирующий клапан 22, уменьшая, тем самым, давление хладагента в теплообменнике 2 системы охлаждения измеряемое прибором 23, на определенную величину. Таким образом, температура в зоне реакции снижается до заданного значения. При уменьшении температуры в зоне реакции, наоборот, функциональный преобразователь 20 вырабатывает управляющий сигнал на закрытие регулирующего клапана 22, то есть увеличению давления хладагента в теплообменнике 2, что соответственно увеличивает температуру в зоне реакции. Для оптимизации процесса теплоотбора тепла реакции от псевдоожиженного слоя к поверхности теплообменника 2 производится непрерывное измерение текущего значения коэффициента теплоотдачи датчиком 25 и измерителем 26 коэффициента теплоотдачи, сигнал с которого поступает к блоку 27 поиска максимума. Согласно программе, в которой заложен метод последовательных приближений, непрерывно с заданным шагом уменьшают или увеличивают давление реакционных газов в реакторе, измеряемое прибором 24. То есть прибор 27 вырабатывает управляющий сигнал для регулятора 28 давления, который регулирует давление в реакторе с помощью регулирующего клапана 29. Тем самым, уменьшается или увеличивается давление в реакторе, а следовательно приведенная скорость газов и паров, и изменяется коэффициент теплоотдачи от псевдоожиженного слоя катализатора к поверхности теплообменника, который измеряется измерителем 26.

Например, при уменьшении расхода исходных компонентов приведенная скорость реакционных газов и коэффициент теплоотдачи уменьшились. Для увеличения значения коэффициента теплоотдачи с целью его возврата к наибольшему значению блок 27 поиска максимума пошагово вырабатывает управляющий сигнал для регулятора 28 на соответствующее уменьшение давления в реакторе, увеличивая тем самым приведенную скорость реакционных газов и коэффициент теплоотдачи. Как только следующее значение коэффициента теплоотдачи уменьшится, блок 27 поиска максимума сработает на увеличение давления на один шаг с целью возврата значения коэффициента теплоотдачи к предыдущему значению, наибольшему.

Таким образом, при повышении тепловой нагрузки на реактор, например, вследствие увеличения объемного расхода исходных компонентов или в случае увеличения доли побочных реакций, увеличивается приведенная скорость реакционных газов выше оптимальной и, следовательно, уменьшается коэффициент теплоодачи и происходит увеличение температуры в зоне реакции. Система регулирования вначале изменяет, в данном случае увеличивает давление реакционных газов в реакторе, что приводит к снижению скорости газов и повышению коэффициента теплоотдачи до его наибольшего значения и соответственно некоторому уменьшению значения температуры в зоне реакции, а затем уже известным способом снижает давление парожидкости в теплообменнике и доводит температуру реакционных газов в зоне реакции до заданного значения.

Предложенный способ управления по сравнению с известным позволяет оптимизировать режимы теплообмена, адекватные для данного конкретного состояния катализатора и для данной конкретной нагрузки на реактор. Кроме того, благодаря проведению теплообмена в оптимальном режиме обеспечивается расширение в верхнюю сторону допустимого диапазона по тепловой нагрузке на реактор, не приводящей к преждевременному износу теплообменника при сохранении качественных показателей процесса. При этом за счет оптимизации массообменных процессов в зоне реакции обеспечивается повышение производительности по целевому продукту на 10-20% от максимально допустимой для действующих реакторов при существующем способе управления.