Реактор для переработки хлорорганических соединений

 

Изобретение относится к химии, в частности устройствам для переработки хлорорганических соединений, и может быть использовано при производстве поливинилхлорида. Реактор для переработки хлорорганических соединений содержит вертикальную камеру с устройством для ввода продуктов переработки, выполненным в виде, по крайней мере, одной форсунки, штуцерами ввода катализатора, окислителя и инертного материала, теплообменник и циклоны, соединенные с внутренним объемом камеры и со штуцером ввода катализатора и воздуха, причем циклоны соединены с внутренним объемом камеры патрубком отвода продуктов реакции и опускной трубой для возврата катализатора в зону реакции и снабжены эжекторными побудителями расхода воздуха и катализатора для прокачки их через опускные трубы, а форсунка снабжена средством защиты зоны формирования факелов распыленных компонентов переработки. Эжекторные побудители расхода воздуха и катализатора для прокачки через опускные трубы выполнены в виде блока-формирователя, состоящего из конфузора, камеры смешения и диффузора и установленного в верхней части опускной трубы, соединенной с циклоном, и сопла, установленного на выходе патрубка, соединенного со штуцером ввода катализатора и воздуха и расположенного со стороны конфузора блока-формирователя. Изобретение позволяет обеспечить требуемую степень конверсии хлорорганических соединений. 8 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области химии, в частности к устройствам для переработки соединений в присутствии жидкостей или газа и псевдоожиженных частиц, например, к реакторам для переработки хлорорганических соединений.

Поливинилхлорид является одним из наиболее распространенных и многотоннажных продуктов органического синтеза. Поэтому проблема переработки хлорорганических соединений, в том числе отходов, при его производстве актуальна.

Известен реактор с псевдоожиженным слоем катализатора и инертного материала, в который непрерывно вводят сверху или снизу и выводят снизу или сверху инертный материал или катализатор, а исходные вещества подают в жидком или газообразном состоянии (см. А. С. СССР 1715392, B 01 J 8/18, 1992).

И катализатор, и инертный материал вводят в зону реакции в сухом виде, для чего требуется сложная система дозирования и значительные расходы на пневмотранспорт катализатора.

Известен реактор глубокого аэрозольного каталитического окисления, описанный в изобретении "Способ осуществления газофазных химических процессов" (см. патент РФ 2095133).

В этом патенте описан проточный реактор колонного типа с отношением высоты к диаметру от 6 до 22, заполненный твердыми частицами инертного материала, например шариками диаметром 0,7-1,0 мм. Псевдоожижающим агентом, содержащим окислительный кислород, является воздух, который подается в нижнюю часть реактора с расходом, обеспечивающим требуемую степень ожижения (порозности) слоя инертного материала и необходимое количество кислорода для химических реакций.

Катализатор вводят в псевдоожиженный слой также в нижней части зоны реакции в твердой или жидкой фазе. Ввод катализатора в твердой фазе может осуществляться как с потоком жидкости, размешанным с хлорорганическими соединениями, вводимым и распыляемым вместе с ними, так и с газовым потоком - частью ожиженного агента.

Недостатком известных реакторов является то, что отдельные конструктивные решения их элементов не могут быть использованы для реализации в реакторах промышленного объема ввиду снижения показателей их работы при увеличении мощности.

Так, вследствие небольшого объема и соответственно нагрузки на эти реакторы, количества тепла, выделяемого при проведении аэрозольного каталитического окисления, недостаточно для поддержания температуры реакции, и в конструкции реактора предусмотрены наружные электронагреватели. При переходе к реакторам промышленных размеров и промышленным нагрузкам количество выделяемого тепла в 15-20 раз превышает возможные теплопотери в окружающую среду, вследствие чего в конструкции реактора необходимо предусматривать мощные теплообменники для съема избытка тепла.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является реактор для переработки хлорорганических соединений, описанный в патенте RU 2159734, кл. С 01 В 7/01, 27.11.2000.

В указанном изобретении реактор содержит вертикальную камеру с устройством для ввода продуктов переработки, выполненным в виде, по крайней мере, одной форсунки, штуцерами ввода катализатора, окислителя и инертного материала, теплообменник и циклоны, соединенные с внутренним объемом камеры и со штуцером ввода катализатора и воздуха.

Жидкие хлорсодержащие отходы насосом диспергируют при помощи форсунок непосредственно в псевдоожиженный слой инертного материала и катализатора. Окисление хлорсодержащих компонентов отходов осуществляют кислородом воздуха в присутствии катализатора - оксида металла переменной валентности.

Инертный материал - стеклянные шарики размером 1-2 мм.

В верхней части реактора расположены циклоны, служащие для отделения частиц катализатора, выносимых из псевдоожиженного слоя потоком паров продуктов реакции, азота и избыточного воздуха и соответственно для очистки парогазовой смеси, выходящей из реактора, от основной части пылевидного катализатора.

При работе реактора выделяется тепло реакции и поднимается температура псевдоожиженного слоя в реакторе. Чтобы удержать температуру на заданном уровне, оптимальном для работы конкретной партии катализатора, излишнее тепло реакции снимается с помощью хладоагента - пароводяной смеси, циркулирующей по трубам теплообменника.

Переработанные исходные компоненты выходят из псевдоожиженного слоя в виде смеси паров продуктов реакции и газов, проходят через циклоны, где от потоков смеси отделяются вынесенные потоком твердые частицы катализатора. Реакционные газы выводятся из реактора.

Недостатками описанного промышленного реактора является недостаточная эффективность отделения пыли катализатора в циклоне, что приводит к необходимости проведения более глубокой очистки в фильтре, недостаточный отвод тепла с помощью теплообменника, пассивность и ненадежность процесса продвижения отсепарированных частиц катализатора от циклонов в зону реакции. Все это приводит к снижению требуемой степени конверсии, то есть требуемой полноты прохождения реакции аэрозольного каталитического окисления исходных компонентов переработки.

Задачей предлагаемого изобретения является усовершенствование конструкции описанного реактора таким образом, чтобы обеспечить требуемую степень конверсии, то есть требуемую полноту прохождения аэрозольного каталитического окисления хлорорганических соединений в зоне реакции.

Технический результат предлагаемой конструкции выражается в обеспечении мелкодисперсного распыления потока жидких хлорорганических соединений и возможно более равномерном распределении их в поперечном сечении реактора, в определении оптимальной высоты зоны реакции за счет выбора оптимального расстояния между уровнем ввода хлорорганических соединений и уровнем трубчатого теплообменника, необходимой и достаточной для полного окисления хлорорганических соединений, в обеспечении более надежного принудительного перемещения отсепарированных в циклонах частиц катализатора по опускным трубам в псевдоожиженный слой в режиме пневмотранспорта.

Поставленная задача решается тем, что в реакторе для переработки хлорорганических соединений, содержащем вертикальную камеру с устройством для ввода исходных продуктов переработки, выполненным в виде по крайней мере одной форсунки, со штуцерами ввода катализатора, окислителя и инертного материала, теплообменник и циклоны, соединенные с внутренним объемом камеры и со штуцером ввода катализатора и воздуха, циклоны соединены с внутренним объемом камеры патрубком отвода продуктов реакции и опускной трубой для возврата катализатора в зону реакции и снабжены эжекторными побудителями расхода воздуха и катализатора для прокачки их через опускные трубы, а форсунка снабжена средством защиты зоны формирования факелов распыленных компонентов переработки.

Задача решается также тем, что эжекторные победители расхода воздуха и катализатора для прокачки через опускные трубы выполнены в виде блока-формирователя, состоящего из конфузора, камеры смешения и диффузора, установленного в верхней части опускной трубы, соединенной с циклоном, и сопла, установленного на выходе патрубка, соединенного со штуцером ввода катализатора и воздуха и расположенного со стороны конфузора блока- формирователя.

При этом теплообменник располагается над форсунками на расстоянии, которое определяется по зависимости H₂>W_ei_x, м, где W_e - приведенная скорость ожиженных твердых частиц, соответствующая допустимому по взрывоопасности значению порозности псевдоожиженного слоя твердых частиц, м/с; i_x - среднее по приведенной скорости и порозности время пребывания реакционной смеси на участке реакции Н₂, необходимое для проведения процесса аэрозольного каталитического окисления исходных компонентов переработки до требуемой (заданной) степени конверсии х, де 0,7<х<1, с.

Задача решается и тем, что опускные трубы на выходе снабжены воздухораспределителями.

Форсунки снабжены штуцерами для подвода воздуха и керосина.

Форсунки установлены по периметру камеры на одном или нескольких уровнях.

Средства защиты для форсунок могут быть выполнены в виде цилиндрических или конических диффузоров.

Циклоны размещаются внутри или за пределами камеры.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема реактора с расположением циклонов внутри корпуса реактора и с расположением форсунок на одном уровне; на фиг.2 - схема реактора с расположением циклонов снаружи корпуса реактора и с расположением форсунок на двух уровнях; на фиг. 3 - продольный разрез форсунки с вариантом выполнения средств защиты в виде цилиндрического диффузора; на фиг.4 - продольный разрез эжекторного побудителя расхода воздуха и катализатора.

Реактор состоит из вертикально расположенного цилиндрического корпуса 1, крышки 2 и днища 3, имеющих эллиптическую форму. В нижней части корпуса 1 расположена газораспределительная тарелка 4, образующая с днищем 3 газовую напорную камеру 5. В днище 3 вварен штуцер 6 с патрубком 7 для ввода воздуха-окислителя в реактор и дренажный штуцер 8. Над газораспределительной тарелкой 4 установлено устройство для ввода исходных компонентов переработки, которое выполнено в виде нескольких форсунок 9, установленных на одном или на нескольких уровнях, расположенных по высоте зоны реакции.

Каждая форсунка 9 заканчивается защитным цилиндрическим диффузором 10, который может быть выполнен и коническим (на чертеже не показан). Расстояние до ближайшего к тарелке 4 уровня размещения форсунок 9 составляет 100-500 мм. Над форсунками 9 располагаются секции многоходового трубчатого теплообменника 11. Место расположения теплообменника 11 по высоте реакционного пространства в корпусе 1 лимитировано минимальным расстоянием Н₂ между ближайшим к теплообменнику 11 уровнем размещения форсунок 9 и нижним краем теплообменника 11, которое определяется по зависимости Н₂>W_ei_x, м, где W_e - приведенная скорость ожиженных твердых частиц, соответствующая допустимому по взрывоопасности значению порозности псевдоожиженного слоя твердых частиц, м/с; i_x - среднее по приведенной скорости и порозности время пребывания реакционной смеси на участке реакции Н₂, необходимое для проведения процесса аэрозольного каталитического окисления исходных компонентов переработки до требуемой степени конверсии Х(0,7<Х<1), с.

Каждая секция теплообменника 11 подсоединена одним концом к входному коллектору 12, другим - к выходному коллектору 13. Во внутреннее пространство реактора через штуцер 14 загружают твердые частицы в виде шариков инертного материала диаметром 1-3 мм. Количество засыпаемых шариков инертного материала подбирают таким образом, чтобы в режиме псевдоожижения они перекрывали верхние концы труб (калачи) теплообменника 11. Для удаления частиц инертного материала из реактора служит штуцер 15, расположенный над газораспределительной тарелкой 4. В верхней части реактора под крышкой 2 расположены циклоны 16. От каждого циклона 16 вниз к распределительной тарелке 4 отходят опускные трубы 17, на нижних концах которых установлены воздухораспределители 18. На верхней крышке 2 расположен штуцер 19 для отвода продуктов реакции и штуцер 20 для ввода воздуха в циклоны 16. В штуцер 20 осуществляется также загрузка исходного количества пылевидного катализатора (на чертежах не показано). В варианте реактора (фиг.2) с наружным расположением циклонов 16 на крышке 2 закреплен патрубок 21 для отвода продуктов реакции на циклоны 16, установленные на крышке 2 и присоединенные к опускным трубам 17. К штуцеру 20 присоединена трубка 22, снабженная соплом 23, а в опускную трубу 17 встроен блок-формирователь 24, содержащий конфузор 25, камеру смешения 26 и диффузор 27. Сопло 23 и блок-формирователь 24 образуют эжекторный побудитель расхода сгущенной газовзвеси твердых частиц катализатора и воздуха для принудительной прокачки этой газовзвеси через опускные трубы 17.

Форсунки 9 снабжены следующими технологическими штуцерами: штуцером 28 - подвода хлорорганических соединений, штуцером 29 - подвода керосина и штуцером 30 - подвода воздуха к форсунке 9.

На корпусе 1 реактора имеются штуцеры для ввода датчиков-измерителей температуры и штуцеры для измерения давления в напорной газовой камере 5 и давления в верхней части реактора, для измерения уровня и плотности (порозности) псевдоожиженного слоя частиц инертного материала (эти штуцеры на чертежах не показаны).

Реактор для переработки хлорорганических соединений работает следующим образом. В реактор через штуцер 14 загружают необходимое количество псевдоожижаемых твердых частиц в виде шариков инертного материала в таком количестве, чтобы в состоянии псевдоожижения слой частиц инертного материала полностью закрывал верхние калачи труб теплообменника 11. Через штуцер 6 и патрубок 7 в напорную газовую камеру 5 реактора подается воздух вначале с температурой 160-170^oС. Пройдя через газораспределительную тарелку 4, воздух ожижает слой твердых частиц инертного материала и через циклоны 16 выводится из реактора.

После разогрева всей конструкции до температуры 160-170^oС в реактор через штуцер 20, трубки 22 и сопла 23 загружают исходное количество катализатора, который прокачивается воздухом по опускным трубам 17, вводится в псевдоожиженный слой инертного материала через распределители 18 и равномерно смешивается с потоком сжижающего воздуха. Частички катализатора дополнительно измельчаются в псевдоожиженном слое твердых шариков инертного материала, вместе с ожижающим воздухом поднимаются вверх через вверх через псевдоожиженный слой инертного материала, частично агломерируют и затем вместе с воздухом через патрубки 21 входят в циклоны 16.

В циклонах 16 основная масса частиц катализатора отделяется от воздуха, собирается в нижней конической части циклов 16, из которых с помощью струй воздуха, выходящего из сопел 23 через блок-формирователь 24, нагнетается в опускные трубы 17 и через распределитель 18 вновь вводится в псевдоожиженный слой и смешивается с ожижающим воздухом.

Таким образом, в реакторе осуществляется непрерывная циркуляция основной массы частиц катализатора за счет его пневмотранспорта снизу вверх через реактор и псевдоожиженный слой инертного материала в смеси с ожижающим воздухом, и после отделения в циклонах 16 от основной массы сжижающего газа (воздуха) - вниз по опускным трубам 17 на нижний уровень псевдоожиженного слоя за счет пневмотранспорта с помощью эжекторных побудителей расхода, образуемых соплами 23 и блоками-формирователями 24.

Потери небольшой массы наиболее мелких частиц катализатора, уносимых воздухом (а затем реакционными газами) из выходного патрубка 20 хвостового циклона 16, восполняются за счет непрерывной или периодической подпитки катализатором через штуцеры 20 и трубки 22 подвода воздуха и сопла 23, через которые осуществляется ввод основной массы катализатора в реактор.

Для того чтобы можно было начать ввод хлорорганических соединений в реактор, необходимо разогреть псевдоожиженный слой в зоне реакции на участках H₁ и Н₂ до температуры, превышающей температуру начала реакции аэрозольного каталитического окисления. Для достижения требуемой температуры с помощью стартового генератора тепла поднимают температуру псевдоожижающего воздуха, и через часть форсунок 9 подают в реактор через штуцеры 29 керосин, который окисляется кислородом воздуха, подаваемого в форсунки 9 через штуцеры 30 в присутствии катализатора, что позволяет поднять температуру в зоне реакции на участках Н₁ и Н₂ до 550-600^oС.

По достижении температуры псевдоожижаемого слоя в зоне реакции до 500-550^oС в нее через часть форсунок 9 и их штуцеры 28 начинают подавать исходные компоненты переработки. При этом подачу керосина в форсунки уменьшают по мере увеличения подачи хлорорганических соединений.

Поток хлорорганических соединений с температурой окружающей среды поступает на форсунки 9, где распыляется потоком воздуха, подаваемого в штуцеры 30, до мелкодисперсного состояния. Факел мелкодисперсных капелек выходит из сопла форсунки 9 в газовую полость, образуемую за счет установки цилиндрических или конических защитных диффузоров 10, и расширяется в ней, будучи защищенными от "срезания" вихрями твердых частиц инертного материала псевдоожиженного слоя. На выходном срезе диффузора 10 факел мелкодисперсных частиц хлорорганических соединений контактирует с разогретыми до температуры 600-650^oС частицами инертного материала, движущимися в составе турбулентных вихрей различного масштаба и направления, формирующихся в псевдоожиженном слое инертного материала. При этом количество вводимых через одну форсунку исходных компонентов и степень их диспергирования подбирают таким образом, чтобы после их распыления преимущественно выдерживались два условия: на одну частицу инертного материала, перемещающуюся в вихре в области выхода факела за срез диффузора 10, падало не более 1-3 капель хлорорганических соединений, количества тепла, содержащегося в одной частице инертного материала при снижении ее температуры от максимальной 650^oС до минимальной 550^oС, хватало бы на полный нагрев до температуры кипения, испарение жидких фракций, деструкцию и высушивание смолистых и твердых фракций капелек хлорорганических соединений, упавших на эту частицу.

Испаренные фракции хлорорганических соединений смешиваются с потоком воздуха и окисляются на поверхности частиц аэрозольного катализатора, взвешенных в потоке сжижающего воздуха, а затем и продуктов реакции. Отложившиеся на поверхность частиц инертного материала смолистые и твердые фракции хлорорганических соединений измельчаются шариками псевдоожиженного инертного материала до аэрозольных размеров и в твердом виде окисляются в присутствии катализатора аналогично испаренным составляющим хлорорганических соединений.

Все перечисленные выше процессы: нагрев и охлаждение частиц инертного материала, нагрев жидких капелек хлорорганических соединений до температуры кипения, их испарение и окисление на поверхности частиц инертного материала, высушивание смолообразующих фракций, измельчение высушенных смолистых и твердых составляющих, а также процессы окисления всех фракций хлорорганических соединений проходят во времени и, поскольку все эти процессы происходят в движущемся псевдоожиженном слое, в пространстве.

Поэтому зона реакции условно разделена на 3 участка по виду преимущественно протекающих в них процессов.

На участке H₁ от распределительной тарелки 4 в пределах уровней размещения форсунок 9 преобладают физические процессы разогрева сжижающего воздуха, нагрева и испарения жидких составляющих хлорорганических соединений, высушивания смолообразующих составляющих хлорорганических соединений, частичного измельчения высушенных и твердых фракций хлорорганических соединений. Поэтому этот участок назван участком физических превращений, хотя в его пределах частично начинается реакция испаренных жидких фракций.

Участок Н₂ от уровня ввода хлорорганических соединений, то есть от ближайшего к теплообменнику 11 уровня разделения форсунок 9, до нижнего края (нижних калачей) труб теплообменника 11 - это собственно участок реакции. В его пределах продолжается окисление испаренных фракций хлорорганических соединений, происходит измельчение сухих смолистых и твердых составляющих хлорорганических соединений и их окисление. Поэтому рассчитанная высота этого участка и время пребывания среды на этом участке должны обеспечить окисление хлорорганических соединений до необходимой (заданной) степени полноты - степени конверсии X. Для реактора конкретных размеров (диаметра D_p), определенного размера - эквивалентного диаметра d_экв частиц инерта и оптимального гидродинамического режима, который при заданных D_p и d_экв определяется коэффициент псевдоожижения К= W_e/W_o, где W_o - приведенная скорость начала псевдоожижения, W_e - рабочая приведенная скорость, обеспечивающая оптимальные условия всех перечисленных выше процессов, а следовательно, и минимальное время их протекания, называемое временем пребывания i_x, по прошествии которого в псевдоожиженном слое инертного материала при обеспечении требуемого интервала температур и достигается необходимая степень конверсии X.

Значения W_e и i_x определяются экспериментально на опытных аппаратах и задаются при проектировании новых.

По мере "зажигания" - запуска реакции аэрозольного каталитического окисления хлорорганических соединений, характеризующейся подъемом температуры до 600-650^oС, постепенно уменьшают подачу керосина через форсунки 9 на сжигание и увеличивают подачу хлорорганических соединений.

Избыточное тепло реакции снимают за счет нагрева и частичного испарения воды и парожидкостного потока, циркулирующих через трубы теплообменника 11.

Избыточное тепло реакции из участка Н₂ реакции передается к наружным поверхностям труб теплообменника 11, расположенных в пределах участка Н₃ теплосъема, в основном псевдожиженными частицами инертного материала.

Таким образом, предлагаемые изменения и дополнения конструкции позволяют создать реактор для проведения процессов глубокой и полной переработки хлорорганических соединений, который позволяет вести переработку отходов производства поливинилхлорида.

Формула изобретения

1. Реактор для переработки хлорорганических соединений, содержащий вертикальную камеру с устройством для ввода продуктов переработки, выполненным в виде, по крайней мере, одной форсунки, штуцерами ввода катализатора, окислителя и инертного материала, теплообменник и циклоны, соединенные с внутренним объемом камеры и со штуцером ввода катализатора и воздуха, отличающийся тем, что циклоны соединены с внутренним объемом камеры патрубком отвода продуктов реакции и опускной трубой для возврата катализатора в зону реакции и снабжены эжекторными побудителями расхода воздуха и катализатора для прокачки их через опускные трубы, а форсунка снабжена средством защиты зоны формирования факелов распыленных компонентов переработки.

2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что эжекторные побудители расхода воздуха и катализатора для прокачки через опускные трубы выполнены в виде блока -формирователя, состоящего из конфузора потока, камеры смешения и диффузора, установленного в верхней части опускной трубы, соединенной с циклоном, и сопла, установленного на выходе патрубка, соединенного со штуцером ввода катализатора и воздуха и расположенного со стороны конфузора блока-формирователя.

3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что теплообменник располагается над форсунками на расстоянии, которое определяется по зависимости Н₂>W_ei_x, м, где W_е - приведенная скорость ожиженных твердых частиц, соответствующая допустимому по взрывоопасности значению порозности псевдоожиженного слоя твердых частиц, м/с; i_х - среднее по приведенной скорости и порозности время пребывания реакционной смеси на участке реакции-Н₂, необходимое для проведения процесса аэрозольного каталитического окисления исходных компонентов переработки до требуемой степени конверсии Х, где 0,7<х<1, с.

4. Реактор по п.1, отличающийся тем, что опускные трубы снабжены на выходе воздухораспределителями.

5. Реактор по п.1, отличающийся тем, что форсунки установлены по периметру камеры на одном или нескольких уровнях.

6. Реактор по п.1 или 5, отличающийся тем, что форсунка снабжена штуцерами для подвода воздуха и керосина.

7. Реактор по п.1, или 5, или 6, отличающийся тем, что средства защиты выполнены в виде цилиндрических диффузоров.

8. Реактор по п.1, или 5, или 6, отличающийся тем, что средства защиты выполнены в виде конических диффузоров.

9. Реактор по п.1, отличающийся тем, что циклоны размещены внутри или за пределами камеры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4