Органический синтез

 

2. Анализ технологической схемы производства-аналога на соответствие требованиям целевой функции

1. Цех как система. Подсистемы цеха и их взаимосвязи. Выбор подсистемы (стадии), отвечающей за основную функцию

Цех по производству винилхлорида представляет сложную систему, включающую различные стадии производства:

1. Стадия пиролиза нафты
2. Стадия компремирования крекинг-газа
3. Стадия очистки крекинг-газа
4. Стадия гидрохлорирования ацетилена
5. Стадия выделения винилхлорида-сырца
6. Стадия хлорирования этилена
7. Стадия крекинга дихлорэтана
8. Стадия выделения готового продукта (ректификация ВХ)

Блок-схема входящих и выходящих потоков

Рис. 3.1

2. Анализ основной стадии

Цель анализа: выявление соответствия требований, предъявляемых новым способом к структуре стадии синтеза производства-аналога.

Стадия синтеза производства аналога состоит из трех параллельно работающих узлов синтеза, каждый узел обеспечивает производство винлхлорида из смешанного газа при соотношении C2H2 : HCl – 1 : 0,98 со следующими показателями:

Конверсия    ³ 95 %

Селективность   100 %

Выход     н/м 95 %

Температура процесса  100 – 180 0С

Хладагент    конденсат

Структура стадии синтеза винилхлорида на производстве-аналоге

Рис. 3.2

Таблица 3.2 Анализ функций стадии синтеза винилхлорида

№ п/п	Узел	Функция	Результаты функционирования
			Положительные	Отрицательные
1.	Узел синтеза винилхлорида	Обеспечение химического превращения на гетерогенном катализаторе (HgCl2 на активированном угле) с целью получения винилхлорида н/м 95%	Получение винил-хлорида с задан-ными технологи-ческими парамет-рами. Работа стадии синтеза – непрерыв-ная	Сложность организации (обеспечения) изотермиче-ского режима в реакторе.
2.	Параллельность и непрерыв-ность связей	Обеспечение подвода смешан-ного газа и конденсата к трем параллельно работающим узлам синтеза	Увеличение мощ-ности производства винилхлорида. Обеспечение непрерывности работы ХТС в случае остановки одного из узлов синтеза	Затраты на создание этих связей и усложнение организации работы трех узлов

Исходя из проведенного анализа, стадия синтеза производства-аналога винилхлорида состоит из трех параллельно работающих узлов синтеза, выполняющих одинаковые функции, и соответствует требованиям нового способа.

Проектное решение заключается в применении улучшенного катализатора и способа его загрузки. В соответствии с авторскими свидетельствами №-№ 203763, 364586 предлагается использовать катализатор, состоящий из активированного угля пропитанного 10% раствором сулемы и 5 – 15% раствором ванадиевокислого аммония. Загрузка ведется следующим образом: в первую зону реакции загружают 60% (масс.) катализатора, представляющего собой механическую смесь активированного угля без какой либо пропитки и угля, пропитанного 10% раствором сулемы, в соотношении 1 : 3, а во вторую зону помещают 40% (масс.) катализатора состоящего из угля пропитанного 10% раствором сулемы и 8% раствором ванадиевокислого аммония.

Стадия синтеза по новому способу также будет состоять из трех параллельно работающих узлов синтеза с одинаковыми функциями.

С учетом последнего для дальнейшего анализа стадии синтеза рассмотрим один из узлов синтеза винилхлорида.

Анализ узла синтеза

Цель анализа: состоит в выявлении требований предъявляемых новым способом к технологической схеме узла синтеза производства-аналога.

Требования нового способа на уровне узла синтеза:

1. Обеспечить химическое превращение на гетерогенном катализаторе с получением винилхлорида с выходом н/м 95% при температуре 100 – 2000С.
2. производительность по смешанному газу увеличить с 5000нм3 до 5500нм3 в час.
3. Обеспечить подачу и выхода хладагента с температурой 100 – 1800С.

Узел синтеза

Рис. 3.3

Рассмотрим структуру узла синтеза производства-аналога. Смешанный газ поступает в реактор по трубопроводу из подогревателя поз. Т-1/1-2. Трубопровод снабжен первичными датчиками температуры и давления для контроля этих параметров, на выходе датчика давления стоит отсечной вентиль для отглушения приборов от трубопровода в случае выхода их из строя и замены.

Данный трубопровод обеспечивает расход смешанного газа 5500нм3 в час с температурой 80 – 1300С.

Смешанный газ поступает в нижнюю часть реактора заполненного катализатором HgCl2  на минеральном носителе, на котором происходит химическое превращение с образованием винилхлорида с температурой 100 – 2000С.

В реакторе по высоте слоя катализатора установлено 60 термопар для контроля температуры.

Катализат выходит из верхней части реактора по трубопроводу, обеспечивающему расход по катализату 5500нм3 в час.

Объем несколько уменьшается, так как реакция с уменьшением числа молей. Выходной трубопровод также снабжен первичными датчиками температуры и давления.

Конденсат подается снизу, а пар выводится сверху реактора с помощью трубопроводов. Трубопровод на линии пара снабжен датчиком давления связанным с регулирующим клапаном на линии охлаждающей воды, подаваемой в холодильник – конденсатор. 

Таблица 3.3 Анализ элементов узла синтеза винилхлорида

№ п/п	Наименование элементов	Функция	Результаты функционирования
			Положительные	Отрицательные
1.	Реактор синтеза винилхлорида	Обеспечивает химическое превращение на катализаторе HgCl2 на минеральном носителе с получением винилхлорида н/м 98	Производство винилхлорида с заданными параметрами	Сложность обеспечения постоянства температур в зоне реакции
2.	Трубопровод подачи смешанного газа с первичными датчиками температуры и давления	Обеспечивает подачу смешанного газа с расходом 5500нм3 в час, температуру 80 – 1300С и давление 0,6 – 0,7Мпа	Подача парогазовой смеси в реактор	Возможные тепловые и материальные потери
3.	Трубопровод вывода контактного газа	Обеспечивает вывод контактного газа из реактора с температурой 100 – 1800С, давлением 0,6 – 0,7Мпа	Вывод контактного газа из зоны реакции
4.	Трубопровод подвода и отвода хладагента	Обеспечивает подачу конденсата на охлаждение и отвод пара из реактора с температурой 100 – 1800С, давлением 1 – 8атм, с регулированием подачи воды в холодильник-конденсатор	Обеспечивает температурный режим в зоне реакции (в катализаторных трубках)	Возможные тепловые и материальные потери. Необходимость утилизации тепла

 

 

3. Анализ стадии подготовки сырья

Очистка крекинг-газа от нежелательных примесей проводится следующим образом.

Вымораживание влаги и ароматики

Газы крекинга, компремированные после блока пиролиза нафты с температурой 36 – 450С, проходя по трубному пространству теплообменников, охлаждаются до температуры 200С.

Конденсат из нижней части теплообменников сливается в емкость. Затем газы крекинга охлаждаются в холодильнике до 50С, так как температура замерзания бензола, входящего в состав ароматики, приблизительно 5,50С, то происходит подмерзание бензола на трубках  теплообменников. Охлаждение газа в холодильнике происходит рассолом минус 50С.

Оставшиеся в крекинг-газе влага и ароматические углеводороды вымерзают в трубках холодильников, охлаждаемых рассолом минус 150С и теплообменников, охлаждаемых рассолом минус 350С, в результате намерзания на трубках теплообменников приводят к возрастанию сопротивления проходящему газу. Степень забивки холодильников контролируется на щите. Через 8 часов холодильники дистанционно переключаются на резервные.

Отключенные холодильники размораживаются теплым рассолом. Цикл размораживания длятся 4 – 5 часов.

Крекинг-газ, через ловушку-сепаратор, направляется на промывку керосином.

Промывка крекинг-газа керосином

Основными причинами выбора керосина в качестве сорбента являются:

• ацетилен и этилен мало растворимы в керосине в отличие от других углеводородов;
• относительно низкий унос керосина в связи с малым парциальным давлением паров, не должно оказывать отрицательного влияния на другие системы процесса;
• является доступным материалом с гарантированным сбытом отработанного керосина в качестве топлива.

При минусовых температурах абсорбционные свойства сорбента увеличиваются, благодаря чему происходит более полное извлечение из пирогаза высших ацетиленов: пропилена, пропандиена, метилацетилена, дивинила, винилацетилена.

Высшие ацетилены, абсорбированные керосином, выделяются из него в десорбционной колонне отходящими газами, действующими как газ-носитель.

Десорбция ускоряется за счет нагрева до110 – 1200С. при температурах ниже 1100С десорбция замедляется, а при температурах выше 1200С быстро ускоряет процесс полимеризации высших ацетиленов и осмоления ароматических углеводородов, что ведет к ускоренной забивке оборудования. К ускорению полимеризации приводит присутствие в керосине кислот и солей.

В трубопровод крекинг-газа для предотвращения попадания ароматических углеводородов в колонну абсорбции, при необходимости впрыскивают холодный керосин. Далее крекинг-газ в сепараторе освобождается от керосина и поступает в колонну абсорбции, где из него удаляются почти все диолефины и олефины С4 и выше, а также большая часть пропилена, пропандиена и метилацетилена.

Промытый керосином газ с температурой минус 7 – 200С выходит из средней части абсорбционной колонны и через сепаратор-улавливатель направляется в теплообменник, где происходит подогрев газов крекинга, поступающих на очистку. Далее крекинг-газ через межтрубное пространство теплообменника поступает на сернокислотную промывку в колонну.

Керосин из нижней части абсорбционной колонны выводится в стабилизационную колонну для регенерации ацетилена и этилена. В результате понижения давления и повышения температуры в стабилизационной колонне из керосина выделяются ацетилен и этилен. Керосин из стабилизационной колонны подается в подогреватель и далее в десорбционную колонну. В верхней части колонны установлен конденсатор, под которым находится тарелка для сбора и вывода конденсата.

Для лучшего выделения высших ацетиленов, абсорбированных в керосине, в нижнюю часть колонны подается газ-носитель (горючий газ). Из газа-носителя в конденсаторе конденсируется керосин и влага. Затем газ-носитель проходит сепаратор и направляется на факельную установку.

Промывка крекинг-газа серной кислотой

Промывка концентрированной серной кислотой осуществляется для более полного удаления высших ацетиленов из пирогаза, так как они являются каталитическими ядами на стадии гидрохлорирования ацетилена.

Удаление олефинов и ацетиленов происходит в результате взаимодействия с серной кислотой (концентрация более 80%) в колонне сернокислотной очистки. Промытый крекинг-газ из верхней части колонны через сепаратор поступает на стадию гидрохлорирования с температурой не более 400С.

4. Анализ стадии выделения целевого продукта

Выделение винилхлорида

Принцип работы системы выделения винилхлорида основан на селективном поглощении винилхлорида захоложенным  ДХЭ и последующей температурной десорбции винилхлорида из смеси ВХ+ДХЭ.

Крекинг-газ, содержащий винилхлорид, после стадии синтеза ВХ поступает в нижнюю часть колонны абсорбции. Колонна  насадочного типа имеет два наружных холодильника, охлаждаемых рассолом минус 150С, для съема тепла абсорбции. Орошение осуществляется ДХЭ, циркулирующим в системе.