Реактор и способ осуществления реакции по меньшей мере двух газов в присутствии жидкой фазы

011397 Настоящее изобретение касается реактора для протекания реакции по меньшей мере двух газов в присутствии жидкой фазы и способа для осуществления реакции в данном реакторе. Более конкретно оно касается реактора и способа для получения 1,2-дихлорэтана (ДХЭ) прямым хлорированием этилена. В реакциях между газами, которые протекают в присутствии жидкой фазы, качество смешения газов в жидкой фазе является критическим для получения высокой скорости превращения и селективности. Такие реакции включают реакцию получения ДХЭ прямым хлорированием этилена и реакцию получения 1,1,2-трихлорэтана (Т 112) прямым хлорированием винилхлорида. В конкретном случае реакции получения ДХЭ прямым хлорированием этилена жидкая фаза содержит ДХЭ, и применяемые газы (хлор и этилен) обычно подаются в реактор в виде предварительной смеси с жидким ДХЭ, который выводится из реактора, циркулирует снаружи и возвращается в реактор. Так, в патентной заявке DE 4039960 описан способ и реактор прямого хлорирования этилена, где хлор и этилен подаются в реактор через единственный инжектор, который также смешивает их перед подачей в реактор в части циркулирующего снаружи ДХЭ. Такая система не оптимальна с точки зрения смешивания газов в жидкой фазе, важного параметра для получения высокой скорости превращения и селективности, а также не оптимальна с точки зрения безопасности. Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить реактор (и способ) для осуществления реакции по меньшей мере двух газов в присутствии жидкой фазы, обеспечивающий существенное улучшение качества смешения газов в жидкой фазе и, следовательно, улучшение скорости превращения и селективности, и который также увеличивает безопасность способа, особенно в случае высоко реакционно-способных газов. Для достижения поставленной задачи в настоящем изобретении обеспечивается реактор для протекания реакции по меньшей мере двух газов в присутствии жидкой фазы, содержащий замкнутую камеру,снабженную устройством наружной циркуляции жидкой фазы, и содержащий по меньшей мере один инжектор для впрыскивания газов и циркулирующей снаружи жидкой фазы, причем инжектор выполнен таким образом, что смешение газов между собой и с циркулирующей снаружи водной фазой только начинается у выхода инжектора. Реактор согласно настоящему изобретению включает замкнутую камеру, содержащую жидкую фазу, в которой могут протекать (обычно химические) реакции, и которая снабжена устройствами для подачи исходных реагирующих газов, для удаления продукта или продуктов реакции и для циркуляции по меньшей мере части жидкой фазы внутри и/или снаружи. Согласно изобретению реактор содержит по меньшей мере один инжектор. В зависимости от размера реактора предпочтительно иметь более одного инжектора, предпочтительно по меньшей мере 2 и особенно предпочтительно по меньшей мере 3; это делает возможным, между прочим, выключать один или больше инжекторов в низких условиях работы реактора, тем самым поддерживая достаточную скорость газов даже при низких условиях, обеспечивая надлежащее смешение. Максимальное число инжекторов будет диктоваться ограничениями геометрического размера контура и стоимостью сооружения данного оборудования. Преимущественно, максимальное число инжекторов не больше, чем 8, предпочтительно он не больше чем 5. Особенно предпочтительно для реактора согласно изобретению содержать 4 инжектора. Чтобы гарантировать наилучшую возможную гомогенизацию газов в жидкой фазе, в случае множества газов инжекторы обычно равномерно распределяются на дне реактора и/или сбоку. Предпочтительно инжектор или инжекторы располагаются на дне реактора. Термин инжектор, используемый ниже в единственном числе, означает и единственное, и множественное число. Инжектор, используемый в ректоре согласно изобретению, представляет собой устройство и для оптимизации смешения газов друг с другом и с жидкой фазой, и для циркуляции части жидкой фазы. Он выполнен таким, что смешение газов друг с другом и с циркулирующей снаружи жидкой фазой только начинается у выхода данного инжектора; таким образом, реакция между газами протекает только в самом реакторе, где ее легче регулировать. Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения инжектор содержит по меньшей мере три сопла для отдельного впрыскивания циркулирующей снаружи жидкой фазы и газов. Сопла инжектора могут быть любой формы. Предпочтительно они являются концентрическими. Таким образом, согласно особенно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения инжектор содержит по меньшей мере три концентрических сопла, то есть по меньшей мере одно центральное сопло и по меньшей мере два сопла, соответственно промежуточное и внешнее, причем каждое содержит боковое отверстие. Согласно еще более предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения инжектор содержит по меньшей мере три концентрических сопла, то есть по меньшей мере одно центральное сопло для подачи циркулирующей снаружи жидкой фазы и по меньшей мере два сопла, соответственно промежуточное и внешнее, причем каждое содержит боковое отверстие для исходного газа. Размер этих сопел (и, в частности, их сечение) является подходящим для скоростей потока жидко-1 011397 сти и газа, которые необходимо обеспечить. Таким образом, внешнее сопло преимущественно имеет диаметр больше или равный 200 мм, предпочтительно больше или равный 250 мм. Внешнее сопло преимущественно имеет диаметр меньше или равный 500 мм, предпочтительно меньше или равный 400 мм. Центральное сопло (то есть сопло, через которое в инжектор входит часть циркулирующей снаружи жидкой фазы) преимущественно имеет диаметр от 40 до 60%, предпочтительно равный 50% диаметра внешнего сопла. Промежуточное сопло преимущественно имеет диаметр от 70 до 90%, предпочтительно равный 80% диаметра внешнего сопла. Что касается отверстий подачи газа, они обычно в основном предпочтительно цилиндрические с сечением по меньшей мере равным сечению соответствующего сопла в его самой широкой части. В особенно преимущественном варианте сопла подачи газа имеют сужение их полезного сечения у выхода инжекторов. Это сужение полезного сечения (доступного для потока газа) увеличивает скорость газов в той точке, где они втекают в реактор и где их потоки смешиваются с потоком циркулирующей снаружи жидкой фазы, тем самым обеспечивая смешение более эффективным и облегчая его равномерное распределение в жидкую фазу, присутствующую в реакторе, возможно во внутренней циркуляции. В конкретных случаях прямого хлорирования этилена и прямого хлорирования винилхлорида, что касается сопла подачи этилена или винилхлорида, данное сужение полезного сечения преимущественно выполнено таким, что скорость этилена или винилхлорида составляет от 10 до 50 м/с, предпочтительно от 12 до 36 м/с, в особенно предпочтительном случае она равна 24 м/с. Что касается сопла подачи хлора, данное сужение полезного сечения преимущественно выполнено таким, что скорость хлора составляет от 15 до 45 м/с, предпочтительно равна 30 м/с. Сужение полезного сечения может достигаться с помощью любого подходящего способа. Предпочтительно, оно достигается путем постепенного уменьшения диаметра трубы. Реактор согласно изобретению может быть любой формы, в частности предпочтительно сферической или цилиндрической, причем цилиндрические реакторы наиболее распространены. Жидкая фаза может циркулировать снаружи посредством применения любого известного устройства для данной цели,например, с помощью насоса. Однако предпочтительно устройство внешней циркуляции жидкой фазы основано на механизме естественной циркуляции. В данном изобретении естественная циркуляция означает самопроизвольное движение, вызываемое разностью плотности фаз. Данная разность может иметь различные причины, например, термосифонный эффект или введение газа в жидкую фазу. Реактор согласно изобретению обычно содержит устройства регулирования давления, температуры,потока и т.д., а также может содержать одно или несколько перемешивающих устройств (механических или иных). Предпочтительно, реактор содержит устройство для внутренней циркуляции жидкой фазы. Для этой цели реактор предпочтительно содержит одну или несколько внутренних стенок (то есть пластин любой формы и ориентации, полностью расположенных внутри камеры), которые способствуют гомогенизации реакционной жидкой фазы благодаря различным механизмам: турбулентности, термосифонного эффекта. В особенно предпочтительном варианте реактор согласно изобретению по меньшей мере вдоль части его высоты, содержит внутреннюю стенку, существенно параллельную камере, и в которую разряжается инжектор. Тем самым, данная стенка служит для применения механизма естественной циркуляции. Предпочтительно, инжектор соответствующим образом крепится так, что его выходной конец выступает выше, чем самая нижняя часть внутренней стенки, соответствует уровню этой стенки или ниже ее. Предпочтительно он крепится так, что этот конец достигает уровня самой нижней части внутренней стенки или ниже ее. В особенно предпочтительном варианте он крепится так, что данный конец достигает уровня самой нижней части внутренней стенки. Когда реактор является цилиндрическим, диаметр внутреннего пространства, ограничиваемого внутренней стенкой, предпочтительно по меньшей мере равняется 50% диаметра реактора. Когда реактор является цилиндрическим, диаметр внутреннего пространства, ограничиваемого внутренней стенкой,предпочтительно не превышает 90% диаметра реактора. Предпочтительно диаметр внутреннего пространства, ограничиваемого внутренней стенкой, равняется 70% диаметра реактора. Когда реактор является цилиндрическим, расстояние между самой нижней частью внутренней стенки и дном реактора в его самой нижней части предпочтительно по меньшей мере равняется 15% и не превышает 20% диаметра реактора. Может быть предпочтительно иметь реактор, содержащий по меньшей мере два инжектора. Фактически такой реактор имеет преимущество предоставления более легкой подстройки во время изменения рабочих условий, в частности, преимущество демонстрировать большую эффективность при низких рабочих условиях, например, путем выключения одного или нескольких инжекторов в низких условиях работы реактора, тем самым поддерживая достаточную скорость газов для обеспечения надлежащего смешения даже в низких рабочих условиях. Это является причиной, почему согласно предпочтительному варианту настоящее изобретение предлагает реактор (1) для реакции по меньшей мере двух газов в присутствии жидкой фазы, содержащий замкнутую камеру, снабженную устройством (8) наружной циркуляции жидкой фазы и содержащую-2 011397 по меньшей мере два инжектора (4) для впрыскивания газов (9-10) и циркулирующей снаружи жидкой фазы (8). Используемые инжекторы представляют собой устройства для оптимизации смешения газов между собой и с жидкой фазой и для циркуляции части жидкой фазы. Эти инжекторы могут либо вызывать смешение газов между собой внутри инжектора, либо начинать данное смешение у их выхода. Последняя альтернатива является предпочтительной по причинам безопасности в случае высоко реакционноспособных газов, так как тем самым их реакция происходит только в самом реакторе, где ее легче регулировать. В особенно предпочтительном варианте газовая смесь входит в контакт с жидкой фазой и смешивается с ней только после выхода из инжекторов. Инжекторы предпочтительно имеют определенные выше параметры. Реактор согласно изобретению может применяться во многих технических областях, включая способы, в которых по меньшей мере один этап состоит из реакции между по меньшей мере двумя газами в присутствии жидкой фазы. Согласно настоящему изобретению соответственно также обеспечивается способ осуществления реакции по меньшей мере двух газов в присутствии жидкой фазы с использованием вышеописанного реактора. Более конкретно обеспечивается способ, в котором продукт реакции является жидким и кипит при температуре реакции и в котором он по меньшей мере частично составляет жидкую фазу, в которой происходит реакция. В этом случае наружная циркуляция жидкой фазы по существу служит, чтобы обеспечить присутствие достаточного количества жидкой фазы в реакторе, так как продукт реакции обычно непрерывно удаляется из реактора. Два конкретных варианта такого способа представляют собой прямое хлорирование этилена, то есть реакцию между хлором и этиленом с образованием ДХЭ, и прямое хлорирование винилхлорида, то есть реакцию между хлором и винилхлоридом с образованием Т 112. В первом предпочтительном варианте газы представляют собой хлор и этилен, а жидкая фаза содержит ДХЭ. Во втором предпочтительном варианте газы представляют собой хлор и винилхлорид, а жидкая фаза содержит Т 112. В настоящем изобретении этилен означает чистый этилен, а также любую смесь, содержащую существенное его количество. То же самое относится к хлору и винилхлориду. Винилхлорид может, в частности, представлять собой винилхлорид, возвращаемый после полимеризации. Существуют две технологии получения ДХЭ или Т 112, в которых можно применять способ согласно данному изобретению: технологии, называемые технологиями кипения (при таком давлении и температуре, когда жидкая фаза кипит), и технологии, называемые технологиями недогрева (при температуре,поддерживаемой ниже точки кипения жидкой фазы, соответствующей рабочим условиям). Технологии кипения дают хорошие результаты, в частности, для получения ДХЭ. Они имеют преимущество выхода чистого ДХЭ, так как он получается из паров, выделяемых при кипении ДХЭ, который просто конденсируется с помощью любого известного устройства. Они также предпочтительны, так как обеспечивают возврат тепла реакции с применимым уровнем. В случае технологий недогрева, напротив, так как ДХЭ или Т 112 получаются путем выделения из жидкой фазы, они содержат катализатор, который необходимо удалять, и это обычно делается с помощью последовательности этапов, которые снижают экономичность данного способа. Примеры известных катализаторов для хлорирования этилена и винилхлорида включают FeCl3 и его комплексы с другими хлоридами щелочных металлов, особенно тетрахлорферрат лития (как описано в патентной заявке NL 6901398). Когда способ согласно данному изобретению используется с технологиями недогрева, он дает хорошие результаты, когда работает при температуре выше или равной 50 С, предпочтительно выше или равной 60 С, но ниже или равной 80 С, предпочтительно ниже или равной 70 С, и при давлении газовой фазы выше или равном 0,5, предпочтительно выше или равном 1 абсолютному бару, но ниже или равном 10, предпочтительно ниже или равном 3 абсолютным барам. В способе согласно данному изобретению реакция предпочтительно осуществляется согласно технологии хлорирования кипения, в которой естественная циркуляция может применяться для наружной циркуляции жидкой фазы в реактор. В частности, способ согласно изобретению дает хорошие результаты, когда функционирует при температуре выше или равной 60 С, предпочтительно 90 С, особенно предпочтительно 95 С, но предпочтительно ниже или равной 150 С, предпочтительно 135 С, и при давлении газовой фазы предпочтительно выше или равном 0,2, предпочтительно 0,5, особенно предпочтительно 1,2, еще более предпочтительно 1,5 абсолютных бар, но предпочтительно ниже или равном 10,предпочтительно 6 абсолютных бар. В конкретном случае, когда газы подают со дна реактора, особенно предпочтительно, чтобы их давление (и, следовательно, их скорость) было достаточным для преодоления давления столба жидкости,перепадов давления и любого дополнительного давления, присутствующего в газовой фазе над жидкой фазой в реакторе. Давление газа у выхода инжектора преимущественно по меньшей мере на 0,1, предпочтительно по меньшей мере на 0,2 бар выше, чем давление газовой фазы над жидкой фазой в реакторе,и преимущественно не больше, чем на 1,2, предпочтительно не больше, чем на 0,8 бар выше, чем давление газовой фазы над жидкой фазой в реакторе. Что касается входных давлений для заданной конструкции инжектора, они меняются согласно желаемому выходному давлению и концентрациям. Таким обра-3 011397 зом, в случае хлора, этилена и винилхлорида, они предпочтительно подаются в инжекторы при давлениях на от 0,1 до 10, предпочтительно на от 0,1 до 3 бар выше, чем давление выхода инжектора. В особенно предпочтительном варианте в случае технологий кипения, применяемых к получению ДХЭ, функционирование происходит при температуре от 95 до 135 С при абсолютном давлении газовой фазы от 1,5 до 6 бар и путем подачи хлора и этилена с давлениями, подходящими для получения давления от 1,7 до 6,8 бар на выходе инжектора. В особенно предпочтительном варианте в случае технологий кипения, применяемых к получению Т 112, функционирование происходит при температуре от 95 до 135 С при абсолютном давлении газовой фазы от 0,2 до 6 бар и путем подачи хлора и винилхлорида с давлениями, подходящими для получения давления от 0,4 до 6,8 бар на выходе инжектора. В особенно предпочтительном варианте способ согласно данному изобретению представляет собой прямое хлорирование этилена. Реактор и способ согласно настоящему изобретению проиллюстрированы не ограничивающим образом с помощью фиг. 1 (общий вид такого реактора) и 2 (чертеж одного из инжекторов, присутствующих в данном реакторе). На фиг. 1 показан реактор, состоящий, в основном, предпочтительно из цилиндрической внешней камеры (1) и содержащий цилиндрическую внутреннюю стенку (2), удерживаемую опорами (3). Благодаря присутствию данной цилиндрической стенки (2) реакционная жидкая фаза (ДХЭ) циркулирует внутри по механизму естественной циркуляции (смотри стрелки для движения жидкости). Ряд (четыре) инжекторов (4) оканчиваются во внутренней области данной стенки на уровне с ее самой нижней частью. Жидкая фаза, которая достигает уровня (5), кипит, и пары ДХЭ удаляются через трубу (6), которая переносит их в систему (7) конденсации, где они превращаются в жидкий ДХЭ (продукт реакции), который частично возвращается в реактор по трубе (12), а частично выводится по трубе (11). Труба (8) наружной циркуляции обеспечивает перелив жидкости, наполняя нижнюю часть инжекторов (4), в которые также сбоку подаются этилен и хлор, соответственно через трубы (9) и (10). Эти инжекторы, соответственно подают в реактор реагирующие газы (этилен и хлор) и циркулирующую снаружи жидкую фазу(ДХЭ). Они избегают смешения хлора и этилена в отсутствие жидкой фазы. На фиг. 2 схематично показан один из инжекторов (4), которые снабжены центральным соплом (41) для подачи циркулирующей снаружи жидкой фазы через трубу (8) (не показана на этой фигуре), причем центральное сопло (41) содержит фитинг (42) для трубы (8) и фитинг (43) для промежуточного сопла (44) подачи хлора. Последнее содержит боковое отверстие (45) для подачи хлора, фитинг (46) для центрального сопла (41) и фитинг (47) для внешнего сопла (48) подачи этилена. Последнее также содержит боковое отверстие (49) для подачи этилена и два фитинга: один фитинг (411) для промежуточного сопла (44) и один фитинг (412) для установки инжектора в камере (1). Сопла (44) и (48) подачи газа имеют сужение сечения на выходном конце инжектора. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Реактор (1) для протекания реакции по меньшей мере двух газов в присутствии жидкой фазы, содержащий замкнутую камеру, снабженную устройством (8) наружной циркуляции жидкой фазы и содержащую по меньшей мере один инжектор (4) для впрыскивания газов (9-10) и циркулирующей снаружи жидкой фазы (8), причем инжектор (4) выполнен так, что смешение газов между собой и с циркулирующей снаружи жидкой фазой начинается только на выходе инжектора. 2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что инжектор (4) содержит по меньшей мере три сопла для отдельного впрыскивания циркулирующей снаружи жидкой фазы и газов. 3. Реактор по п.1 или 2, отличающийся тем, что инжектор (4) содержит по меньшей мере три концентрических сопла, то есть по меньшей мере одно центральное сопло (41) и по меньшей мере два, соответственно промежуточное (44) и внешнее (48), сопла, содержащих боковые отверстия (45), (49). 4. Реактор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что инжектор (4) содержит по меньшей мере три концентрических сопла, то есть по меньшей мере одно центральное сопло (41) для подачи циркулирующей снаружи жидкой фазы (8) и по меньшей мере два, соответственно промежуточное (44) и внешнее (48), сопла, причем каждое содержит боковое отверстие (45), (49) для подачи газа (9-10). 5. Реактор по п.4, отличающийся тем, что сопла (44), (48) подачи газа имеют сужение их полезного сечения на выходе инжектора (4). 6. Реактор по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что устройство (8) наружной циркуляции жидкой фазы основано на механизме естественной циркуляции. 7. Реактор по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что он содержит устройство для внутренней циркуляции жидкой фазы. 8. Реактор (1) по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере два инжектора (4) для каждого впрыскивания газов (9-10) и циркулирующей снаружи жидкой фазы (8). 9. Способ осуществления реакции по меньшей мере двух газов в присутствии жидкой фазы, в котором используют реактор согласно любому из предыдущих пунктов.-4 011397 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что газы представляют собой хлор и этилен, а жидкая фаза содержит 1,2-дихлорэтан (ДХЭ). 11. Способ по п.9, отличающийся тем, что газы представляют собой хлор и винилхлорид, а жидкая фаза содержит 1,1,2-трихлорэтан (Т 112).