二氯乙烷多步连串氯化的不同工况反应精馏过程优化与中试验证

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氟氯烃作为破坏臭氧层的元凶,是当今影响人类生存环境的全球性问题之一,氟氯烃的淘汰和新型替代物的开发使得制冷行业迎来了新的机遇和挑战。环保型制冷剂——氢氟烃作为一种重要的氟氯烃替代物,其市场需求越来越大。四氯乙烷和五氯乙烷作为生产氢氟烃的重要中间体,产品需求量也随之扩大。  以1,2-二氯乙烷为原料生产四/五氯乙烷是一种最直接的生产方法,然而1,2-二氯乙烷氯化反应是一个复杂的多步连串反应过程,反应产物多、组成分布范围宽,现有工艺很难从1,2-二氯乙烷高转化率、高选择性地得到目标产物。由于氯化反应体系中反应产物组成复杂、沸点差别大,氯化反应和产物分离的温度、压力等工况条件存在显著差异,传统塔内耦合的反应精馏方式并不适用以1,2-二氯乙烷为原料的四/五氯乙烷的生产。为此,本文采用侧反应器与精馏塔在外部耦合的新型反应精馏集成方式,构建了1,2-二氯乙烷氯化反应生产四/五氯乙烷的常压反应-减压精馏集成过程。本文采用流程模拟软件Aspen Plus对1,2-二氯乙烷氯化的不同工况反应精馏集成过程进行优化,获得了最佳工艺条件,并对四/五氯乙烷产品比例可调的柔性生产工艺进行了研究,最后通过中试研究验证模拟结果。  论文首先利用Aspen Plus建立了带侧反应器的不同工况反应精馏模拟过程模型,采用基于独立反应量的设计方法对侧反应器的氯气分配量进行优化。分别以高纯度的四氯乙烷和五氯乙烷为目标产品,优化了精馏塔的塔板数、侧反应器台数、间隔塔板数等过程配置参数,以及再沸比、侧线采出流率等操作参数,得到了最佳的不同工况反应精馏集成方案。以四氯乙烷为目标产品时,四氯乙烷的摩尔分数可达到0.955,所需精馏塔再沸比15,提馏段塔板数13,侧反应器台数3,由上到下氯气分配比为0.65、0.2、0.15;以五氯乙烷为目标产品时,五氯乙烷的摩尔分数可达到0.934,所需精馏塔再沸比15,提馏段塔板数18,侧反应器台数3,由上到下氯气分配比为0.67、0.21、0.12。  论文在比较分别生产四氯乙烷与五氯乙烷的反应精馏集成工艺基础上,研究了生产不同比例的四氯乙烷/五氯乙烷混合产品的柔性生产工艺。研究结果表明,在精馏塔板数为19块、侧反应器台数为3台的结构下,通过改变氯气总流率、氯气分配比和再沸比,产品中四氯乙烷与五氯乙烷的摩尔比例可在0.9∶0.1~0.1∶0.9的范围内任意调节。实现了在相同生产装置下,四氯乙烷和五氯乙烷的柔性生产。  最后,论文根据优化模拟的结果设计并建设了千吨级1,2-二氯乙烷氯化生产四/五氯乙烷的不同工况反应精馏中试装置。中试装置的精馏塔真空度为0.07MPa、反应器在常压下操作。中试装置试运行了两种产品比例的生产工艺,一种是四氯乙烷摩尔分数0.487、五氯乙烷摩尔量分数0.497;另一种是生产四氯乙烷摩尔分数为0.861,五氯乙烷摩尔分数0.138。这两种工艺中试结果与模拟预测结果吻合较好,表明了模拟优化方法是可靠的,可用于1,2-二氯乙烷氯化生产四/五氯乙烷的大规模工业化装置的设计。
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