Замкнутый способ и система для получения поливинилхлорида
Изобретение относится к замкнутому способу и системе производства поливинилхлорида ПВХ. Способ включает получение карбида кальция, обогащенного кислородом, и монооксида углерода CO в высокотемпературной плавильной печи, где вступают в реакцию известняк и углеродные материалы, как каменный уголь. Далее ацетилен и дихлорэтан получаются из карбида кальция и CO (с этиленом и пр. через метанол или этанол). Оба из конечных продуктов комбинируются с формированием замкнутого контура. Ацетилен и дихлорэтан вступают в реакцию с получением мономера винилхлорида, который полимеризуется с получением ПВХ. Система включает устройство измельчения и перемешивания и транспортировки твердых сырьевых материалов, плавильную печи карбида кальция, насыщаемую кислородом, нагнетатель, кожухотрубный термостатический реактор, трубный реактор с неподвижным слоем, реактор с псевдоожиженным слоем, ацетиленовый генератор с теплообменником, реактор с неподвижным слоем и полимеризатор. Технический результат – эффект защиты окружающей среды, сбережения энергии и высокой эффективности. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 8 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[001] Настоящее изобретение описывает способ производства поливинилхлорида и соответствующую ему систему (аппаратные средства). В частности, раскрыт экологически чистый метод синтеза ПВХ с замкнутым контуром производства, обладающий преимуществами бережного отношения к окружающей среде, энергоэффективности и высокой продуктивности, а так же затрагивающий такие смежные области техники, как углехимия, полимерные материалы и химическое машиностроение.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[002] Поливинилхлорид (здесь и далее как ПВХ) является одним из тех полимерных материалов, который достигает наибольших объемов производства и продажи, а так же находит широкое применение во многих областях, таких как: строительство, транспорт, авиация и космонавтика, национальная безопасность и военная промышленность. ПВХ играет важнейшую роль в национальной экономике и социальном развитии. Простой пример - строительные материалы, где ПВХ проявляет себя как более энергоэффективный компонент производства по сравнению с традиционным сырьем. Окна и двери, выполненные из ПВХ, получили широкое распространение в западных странах, и, вот, уже на протяжении многих лет, ПВХ считается рекомендованным химическим компонентом строительных материалов для применения в Китае. В настоящее время существует две основные технологии производства ПВХ: “этиленовый” и “ацетиленовый” методы. Технология, задействующая «этиленовый метод», реализуется в большинстве стран мира и, тем не менее, находит весьма ограниченное применение в Китае в связи с особенностями ресурсной структуры, испытывающей недостаток углеводородного сырья (нефть и газ), но вместе с тем обладающей большими запасами каменного угля. С другой стороны, “ацетиленовый метод (карбид кальция)”, так же известный как «метод производства с применением карбида кальция», выходит на ведущие позиции именно в Китае. Объем произведенного ПВХ составляет порядка 80% валовой продукции по стране. Преимущества и недостатки выше указанных традиционных технологических методов производства ПВХ коротко излагаются следующим образом:
[003] В качестве сырьевых материалов в ходе реализации технологического процесса производства ПВХ с применением метода карбида кальция используется каменный уголь, известняк и хлороводород. Кокс и известняк взаимодействуют с получением карбида кальция в состоянии высокой температуры плавления, а затем карбид кальция вступает в реакцию с водой и образует газообразный ацетилен. С помощью дополнительной реакции между полученным ацетиленом и хлороводородом образуется винилхлорид, который в конечном итоге полимеризуется с получением ПВХ, как это показано на карте технологического процесса (см. фиг. 1). Хорошо известно, что производство карбида кальция требует высоких энергозатрат. Тем временем, производство мономера винилхлорида с применением метода карбида кальция для получения ПВХ требует использования в качестве катализатора хлорида ртути (порядка 1,2 кг ртутного катализатора на тонну ПВХ). Соответственно, для получения 10 миллионов тонн ПВХ потребуется порядка 12 000 тонн катализатора, что требует ввода 1320 тонн хлорида ртути. Таким образом, технологический процесс одновременно ведет к возникновению двух проблем: высокого энергопотребления и значительной степени загрязнения окружающей среды.
[004] Технологический процесс производства ПВХ с помощью этиленового метода задействует применение этилена в качестве сырьевого материала и обыкновенно включает хлорид железа (III) в качестве катализатора. Этилен и хлор взаимодействуют в газообразной или жидкой фазе с получением дихлорэтана, который подвергается реакции пиролиза с получением винилхлорида и хлороводорода. Последний вновь запускается в реакцию с этиленом и кислородом, чтобы снова получить дихлорэтан. Винилхлорид полимеризуется с получением ПВХ. Такой метод, известный как оксихлорирование этилена, становится наиболее широко применяемым для производства ПВХ по всему миру, как это показано на технологической карте (см. фиг. 2). Этиленовый метод производства ПВХ обладает преимуществами низкого уровня загрязнений и относительно низких энергозатрат. Однако он зависит от наличия углеводородных ресурсов с соответствующими огромными инвестиционными затратами на оборудование и высокую стоимость самого производства.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[005] Задачей настоящего изобретения является создание способа производства ПВХ, обладающего преимуществами экологичности, энергоэффективности и высокой производительности. Производство не зависит от углеводородных ресурсов и опирается на богатые запасы каменного угля и известняка. Дополнительно, метод решает проблему загрязнения окружающей среды ртутью и снижает сопутствующие энергозатраты, связанные с применением распространенного в настоящее время методом производства ПВХ с применением карбида кальция. В результате, мы получаем «зеленое» производство для защиты окружающей среды и экономию энергии.
[006] Еще одной задачей настоящего изобретения является создание метода и системы (аппаратных средств) для получения ПВХ на основе каменного угля и известняка.
[007] С целью решения указанных задач настоящее изобретение представляет метод производства поливинилхлорида с замкнутым циклом (здесь и далее «замкнутый метод производства ПВХ»), см. технологическую схему на фиг. 3, где двойная стрелка обозначает основной технологический маршрут, представляющий замкнутую структуру, которая способна самостоятельно создавать полный цикл производства.
[008] Процесс производства ПВХ посредством замкнутого метода в соответствии с настоящим изобретением полностью отличается от технологии производства с открытым контуром (методами с применением карбида кальция или этилена). Фактическое производство начинается в высокотемпературной реакционной печи с образованием карбида кальция, обогащенного кислородом. Сырье, включающее в свой состав известняк + углеродный материал + газообразный кислород, взаимодействует в высокотемпературной реакционной печи с получением карбида кальция в качестве твердого продукта и синтез-газа CO. Последующий процесс разделен на два потока: первый (см. левую ветку на фиг. 3) получает ацетилен из карбида кальция; второй (см. правую ветку на фиг.3) - сначала получает метанол или этанол из синтез-газа CO, а затем дихлорэтан за счет хлорирования метанола или этанола. После чего оба потока (левая и правая ветки процесса) сливаются, замыкая систему. Ацетилен и дихлорэтан, как два конечных продукта, взаимодействуют с получением мономера винилхлорида, из которого возможно получить ПВХ с помощью существующих технологических методов.
[009] Технологический процесс замкнутого метода производства ПВХ в соответствии с настоящим изобретением включает несколько маршрутов, выполняемых для получения дихлорэтана из синтез-газа CO, что включает не только получение собственно дихлорэтана из этанола, но и получение такового за счет синтеза этилена с помощью метода превращения метанола в олефины (МТО). Ниже приведены несколько технологических маршрутов:
1) синтез-газ – этанол – этилен - дихлорэтан (напрямую посредством хлорирования или оксихлорирования);
2) синтез-газ – этанол (прямое хлорирование) - дихлорэтан;
3) синтез-газ – метанол - уксусная кислота - этанол - этилен с последующим прямым хлорированием или оксихлорированием до дихлорэтана;
4) синтез-газ – метанол - этилен (с помощью превращения метанола в олефины (МТО)) для последующего выделения дихлорэтана;
5) синтез-газ – метанол – хлорметан (с применением хлороводорода путем гидрогенизации) - дихлорэтан. Все выше описанные маршруты представляют собой испытанные и отработанные технологии.
[0010] В соответствии с технологическим процессом замкнутого метода производства ПВХ каждый блок процесса может дополняться желаемыми продуктами извне, либо обеспечивать выведение промежуточных продуктов для внешнего применения в соответствии с текущими требованиями.
[0011] Традиционный метод производства с применением карбида кальция в ходе реакции между ацетиленом и хлороводородом требует использования ртутного ускорителя (катализатора) для образования винилхлорида. Вместо этого замкнутый метод производства ПВХ согласно настоящему изобретению предлагает реакцию между ацетиленом и дихлорэтаном с применением безртутного катализатора (обычно хлорида бария), тем самым вполне решая экологическую проблему, связанную с ртутными загрязнениями в ПВХ промышленности в случае применения метода с карбидом кальция.
[0012] Настоящее изобретение также описывает аппаратную составляющую получения ПВХ посредством замкнутого метода. Система включает устройство измельчения (дробления) и перемешивания твердого сырья, конвейер твердых материалов, плавильную печь карбида кальция, обогащаемую кислородом, нагнетательное устройство, кожухотрубный термостатический реактор, трубный реактор с неподвижным слоем, реактор с псевдоожиженным слоем, ацетиленовый генератор с теплообменником, реактор с неподвижным слоем и полимеризатор. С помощью дробилки и специального конвейерного устройства гомогенная смесь известнякового и углеродного порошка подается в плавильную печь, насыщаемую кислородом. Начиная с печи, производственный процесс разделяется на два потока: в первом печь последовательно соединена с ацетиленовым генератором, содержащим теплообменник, и реактором с неподвижным слоем для получения ацетилена; во втором - печь последовательно соединена с кожухотрубным термостатическим реактором, трубным реактором с неподвижным слоем и реактором с псевдоожиженным слоем для получения дихлорэтана. После чего два потока соединяются в реакторе с неподвижным слоем для завершения производства винил хлоридного мономера. Реактор в свою очередь соединен с полимеризатором таким образом, что материалы внутри него вступают во взаимодействие с дальнейшим получением ПВХ.
[0013] В соответствии с технологическим процессом замкнутого метода производства ПВХ плавильная печь карбида кальция, обогащаемого кислородом, является шахтной. Гомогенная смесь известнякового и углеродного порошков загружается в печь в строгом соответствии с требованиями дозирования (т.е. в пропорции, желаемой для получения полной реакции). Порошковая смесь транспортируется с помощью дробилки-миксера и конвейера твердых сырьевых материалов. Печь оснащена плазменной системой поддержания горения и датчиком определения и контроля температуры, а также входом твердых материалов и подводом кислорода. Кислород подается в печь с помощью нагнетательного устройства. Твердые материалы вступают в стабильную реакцию при предопределенной температуре и условии участия кислорода. Оптимизированные технологические параметры выбираются, опираясь на опыт традиционных методов производства, учитывая соответствующую область технического применения. Шахтная печь оснащена первым отводом синтез-газа в верхней части и выходом твердых материалов в ее нижней части. Материалы, выходящие из печи, переходят на следующий этап производства в двух соответствующих направлениях. По той причине, что материалы, подаваемые в печь, являются не просто порошком угольного топлива, но гомогенной смесью известнякового и угольного порошков в строгой дозировке, загрузочное устройство разработано на основе аналогичной системы теплового котла и дополнено специальным дозатором под контролем компьютера, который составляет замкнутую систему обеспечения контроля качества продукта и оптимизации процесса в целом совместно с устройствами отслеживания критических параметров процесса (как температура в печи, выход и т. п). В конкретных примерах реализации соотношение количества известнякового и углеродного порошков может регулироваться в зависимости от содержания эффективных компонентов в сырьевых материалах. В соответствии с результатами общего анализа соотношение между известняком и углеродным материалом составляет 1:1-3. Чем выше содержание углеродного порошка, тем выше объем тепла и, соответственно, более эффективно известняк участвует в реакции. В случае применения электрической печи количество используемого углеродного порошка (материала) может быть соответственно уменьшено.
В соответствии с технологическим процессом замкнутого метода производства ПВХ карбид кальция получают в плавильной печи, насыщаемой кислородом. Ацетиленовый генератор с теплообменником оснащен первым входом материала, вторым подводом газа и первым выходом материала. Такой генератор последовательно соединен со шнековым конвейером, который может быть керамическим, а так же устройством дополнительной обработки. Карбид кальция поступает в ацетиленовый генератор через первый вход материала и вступает в реакцию с водой для получения ацетилена, который отводится через второй выход газа и служит исходным материалом для следующего этапа реакции. Тем временем, остаточное тепло экспортируется и находит дальнейшее применение. Карбидный шлак выводится через первый выход материала и используется для изготовления строительных материалов посредством указанного ранее шнекового конвейера и устройства дополнительной обработки. Таким образом, достигается уровень «зеленого» производства без «трех видов отходов” (отработанный газ, сточные воды, промышленные отходы).
[0014] В соответствии с технологическим процессом замкнутого метода производства ПВХ синтез-газ отводится посредством первого выхода газа в верхней части плавильной печи, и подается в кожухотрубный термостатический реактор с полной последующей реакцией при участии остаточного тепла для получения этанола. Этанол переходит в трубный реактор с неподвижным слоем для получения этилена (альтернативно, реакция запускается с этанола с получением этилена через этанольный маршрут). Этилен хлорируется посредством реактора с псевдоожиженным слоем для получения дихлорэтана в качестве исходного материала для следующего этапа реакции. Трубный реактор с псевдоожиженным слоем оснащен подводом этанола, выходом этилена, первым входом теплоносителя и первым выходом теплоносителя. Реактор с псевдоожиженным слоем оснащен подводом этилена, выходом дихлорэтана, вторым входом и выходом теплоносителя. Теплоноситель подается в трубный реактор и реактор через первый и второй вход теплоносителя соответственно, таким образом, чтобы обеспечить протекание реакции с необходимым количеством тепловой энергии. Далее теплоноситель выводится через первый и второй соответствующие выходы.
[0015] В соответствии с технологическим процессом замкнутого метода производства ПВХ реактор с псевдоожиженным слоем оснащен вторым и третьим входами, а также вторым выходом материала. Ацетилен, получаемый в ацетиленовом генераторе, подается в реактор с неподвижным слоем через второй подвод газа и второй вход материала. Дихлорэтан из реактора с псевдоожиженным слоем входит в реактор с неподвижным слоем через третий вход материала. Ацетилен и дихлорэтан вступают в реакцию с получением мономера винила хлорида под воздействием нового безртутного катализатора в реакторе с неподвижным слоем. Полученный мономер винилхлорида подается в полимеризатор через второй вход материала с получением взвешенных частиц ПВХ. Такие частицы могут быть обработаны через сепараторы и сушилки с получением уплотненных порошковых ПВХ продуктов. В альтернативном случае возможно получение в пресс-формах или без таковых ламинированных гранул из расплавов ПВХ посредством шнекового экструдера с приводом для наилучшего распределения материала и получения ПВХ продуктов с характеристиками высокой прочности, прозрачности и барьерных свойств с высокой добавленной стоимостью. Новый тип катализатора, применяемый в реакции, не содержит ртути. В качестве альтернативы предлагаются такие активные вещества, как хлориды бария, олова, редкоземельных элементов или иных благородных металлов.
[0016] Условия процесса настоящего изобретения, которые не были затронуты выше, могут быть представлены в соответствии с предыдущим уровнем техники, уместными для данной сферы применения.
[0017] Положительный эффект от системы и метода производства ПВХ посредством замкнутого контура настоящего изобретения может быть резюмирован следующим образом:
[0018] 1) в сравнении с традиционным методом «карбида кальция» замкнутый метод настоящего изобретения не только обладает преимуществом наличия обильных запасов сырья, но также не задействует ртутный катализатор, замененный новым безртутным катализатором, таким как хлорид бария. Таким образом, снимается вопрос экологической безопасности ввиду отсутствия ртутных загрязнений, с которыми сталкивается ПВХ промышленность.
[0019] 2) в сравнении с этиленовым методом замкнутый метод настоящего изобретения обладает не просто преимуществами большей экологической безопасности, но так же не зависит от углеводородных ресурсов. Более того, указанный метод сохраняет в себе самый простой блок из трех основных, включенных в этиленовый маршрут, а именно: хлорирование этилена для получения дихлорэтана, избавляясь, таким образом, от блока пиролиза дихлорэтана с применением высоких энергозатрат и блока оксихлорирования, требующего применения сложного оборудования. Тем самым значительно снижается не только инвестиционная составляющая на оборудование, но также оптимизируется производственный процесс в сторону энергоэффективности;
[0020] 3) Метод настоящего изобретения использует технологический процесс с замкнутым контуром. В нижней части плавильной печи (см. левую ветку на фиг. 3) образуется твердый карбидный шлак в результате получения ацетилена из карбида кальция, который может быть использован в производстве цемента. Синтез-газ CO из верхней части плавильной печи (см. правую ветку на фиг.3) в полной мере участвует в последующих реакциях. Таким образом, не только существенно снижается выброс CO, но так же сокращается сама процедура. Синтез-газ самостоятельно компенсирует парциальную энергию эндотермических и экзотермических реакций, значительно снижая, таким образом, потребление энергоресурсов во время производства, что составляет весомое преимущество в рамках защиты окружающей среды и энергоэффективности по сравнению с предыдущим уровнем развития техники;
[0021] 4) замкнутый метод настоящего изобретения является «зеленым» производственным процессом. Каждый производственный блок может быть дополнен извне желаемыми продуктами либо создавать промежуточные продукты в соответствии с текущими требованиями. Например, на этапе этанола допускается введение биоэтанола, получаемого из биосырья или CO посредством биохимических методов. На этапе ацетилена возможно получение эквивалента ацетиленового сырья посредством методов с применением сланцевого газа, природного газа или угля, газифицированного плазмой, для получения многофункциональной и мульти эффективной программы совместного производства;
[0022] 5) высокоэффективная плавильная печь карбида кальция, насыщаемого кислородом, с интеллектуальным управлением применяется в качестве генератора карбида кальция и CO, улучшая, таким образом, конверсию целевых продуктов и доступность сырьевых материалов;
[0023] 6) создана комплексная установка для использования остаточного тепла от ацетиленового генератора с функцией высокоэффективного теплообмена. Огромное количество тепловой энергии, заключенной в карбиде кальция, выходящей из шахтной печи и высвобождаемой в ходе реакции карбида кальция с водой для получения ацетилена, может быть включено в цикл производства, сберегая, тем самым, энергетические ресурсы и снижая стоимость производства;
[0024] 7) применение блока получения нано-ламинированных гранул может существенно улучшить эксплуатационные характеристики продуктов ПВХ и увеличить их добавленные стоимости;
[0025] 8) Процесс производства ПВХ посредством замкнутого метода способен чрезвычайно улучшить естественный баланс возможностей материалов, избежать проблему излишних промежуточных этапов и обладает преимуществами энергосбережения и высокой эффективности, тем самым снижая производственные издержки и обеспечивая защиту окружающей среды.
[0026] В соответствии с системой и замкнутым методом производства ПВХ самостоятельная компенсация парциальной энергии эндотермических и экзотермических реакций реализуется во время процесса химических реакций внутри всей системы. Усиленный тепло- и массообмен в ходе высоко эффективной реакции изобретательно достигается посредством внедрения системного оборудования. Ключевые аппаратные средства названной системы обеспечивают многостороннюю поддержку бережливого производства. Очистка и гомогенное смешение сырья формирует замкнутый цикл движения материалов, строго контролируя условия протекания реакций. Повторное использование остаточной тепловой энергии во время производства позволяет достигать комплексного эффекта защиты окружающей среды, сбережения энергии и высокой эффективности.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0027] Фиг. 1 схематическая диаграмма технологического процесса (открытый контур), соответствующего методу производства ПВХ на основе карбида кальция согласно предыдущему уровню техники.
[0028] Фиг. 2 схематическая диаграмма технологического процесса (открытый контур), соответствующего методу производства ПВХ на основе этилена согласно предыдущему уровню техники.
[0029] Фиг. 3 схематическая диаграмма технологического процесса (замкнутый контур), соответствующего замкнутому методу производства ПВХ согласно настоящему изобретению.
[0030] Фиг. 4 блок-схема технологического процесса производства ПВХ, соответствующая базовому замкнутому методу согласно одной конкретной реализации настоящего изобретения.
[0031] Фиг. 5 блок-схема технологического процесса производства ПВХ, соответствующая базовому замкнутому методу согласно одной дополнительной реализации настоящего изобретения.
[0032] Фиг. 6 блок-схема технологического процесса производства ПВХ, соответствующая базовому замкнутому методу согласно одной дополнительной реализации настоящего изобретения.
[0033] Фиг. 7 схематическая диаграмма системы производства ПВХ, соответствующая базовому замкнутому методу согласно замкнутой системе производства ПВХ настоящего изобретения.
[0034] Фиг. 8 схематическая диаграмма системы производства ПВХ, соответствующая расширенному замкнутому методу согласно замкнутой системе производства ПВХ настоящего изобретения.
[0035] Ссылки на чертежах:
| 11 – устройство измельчения и перемешивания твердого сырья, | 12 – конвейер твердых материалов, | |
| 13 – плавильная печь карбида кальция, обогащенного кислородом, | 14 – нагнетатель кислорода, | |
| 15 – вход твердых материалов, | 16 – выход твердого материала, | |
| 17 – подвод газа, | 18 – первый отвод газа, | |
| 21 – ацетиленовый генератор с теплообменником, | 22 – первый вход материала, | |
| 23 – второй отвод газа, | 24 – первый выход материала, | |
| 25 – керамический шнековый конвейер, | 26 – устройство дополнительной обработки, | |
| 31 - кожухотрубный термостатический реактор, | 32 – трубный реактор с неподвижным слоем, | |
| 33 – реактор с псевдоожиженным слоем, | 34 – первый вход теплоносителя, | |
| 35 – первый выход теплоносителя, | 36 – второй вход теплоносителя, | |
| 37 – второй выход теплоносителя, | 41 – реактор с неподвижным слоем, | |
| 42 - реактор, | 43 – второй вход материала, | |
| 44 – третий вход материала, | 45 – второй выход материала, | |
| 51 – шнековый экструдер, | 52 – гранулятор-смеситель, | |
| 53 - привод, | 27 – технологическое оборудование природного газа, | |
| 38 – технологическое оборудование биоэтанола. |
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ РЕАЛИЗАЦИИ
[0036] Технические решения настоящего изобретения детально проиллюстрированы с примерами и цифрами для более точного понимания технических характеристик, целей и результатов настоящего изобретения. В любом случае, само изобретение ни в коем случае не может ограничиваться только лишь представленным описанием.
[0037] Система производства ПВХ посредством базового замкнутого метода настоящего изобретения применяет технологический процесс с замкнутым контуром. Как видно на фиг. 6 и 7, система включает: устройство для дробления и перемешивания твердых материалов 11, конвейер твердых материалов 12, плавильная печь карбида кальция, обогащаемого кислородом 13, нагнетатель кислорода 14, кожухотрубный термостатический реактор 31, трубный реактор с неподвижным слоем 32, реактор с псевдоожиженным слоем 33, ацетиленовый генератор с теплообменником 21, реактор с неподвижным слоем 41 и реактор 42. Гомогенная смесь порошков известняка и углеродного материала подается устройством дробления и перемешивания твердых материалов 11 и конвейером твердых материалов 12 в плавильную печь 13. Начиная с плавильной печи 13, технологический процесс разделяется на два потока: в первом плавильная печь 13 последовательно соединена с ацетиленовым генератором с теплообменником 21 и реактором с неподвижным слоем 41 для получения ацетилена; во втором потоке плавильная печь 13 последовательно соединена с кожухотрубным термостатическим реактором 31, трубным реактором с неподвижным слоем 32 и реактором с псевдоожиженным слоем 33 для получения дихлорэтана. После этого два потока объединяются в реакторе с неподвижным слоем 41 для завершения получения мономера винилхлорида. Реактор с неподвижным слоем 41 соединен с полимеризатором 42 таким образом, что материалы внутри него вступают в реакцию с получением ПВХ. Изобретение проиллюстрировано примерами двух методов и двух систем производственного процесса.
[0038] Пример 1: процесс производства ПВХ с помощью базового замкнутого метода (этанол)
[0039] Настоящий пример относится к базовому замкнутому методу технологического процесса производства ПВХ по этанольному маршруту, как показано на фиг. 4. Особая реализация и оборудование проиллюстрированы следующим образом:
[0040] 1) Старт: шахтная печь использована в качестве плавильной печи карбида кальция, насыщаемого кислородом. Порошок известняка и углеродного материала подготовлены устройством дробления и перемешивания сырьевых материалов. Гомогенная смесь известняка и углеродного материала в строгой дозировке подается в печь и подвергается стабильной реакции с участием кислорода при определенных оптимизированных технологических параметрах. CO синтез-газ отводится из верхней части печи, а карбид кальция экспортируется из ее нижней части, как показано на фиг. 4. Оба материала переходят на следующий этап с правой и левой сторон, соответственно. Строгое следование требованиям дозировки соблюдается в отношении изначальных материалов, необходимых для получения полной реакции. Дозировка определяется специальным образом по результатам тестирования активных компонентов в изначальных материалах. Оптимизированные технологические параметры могут быть отобраны при любых возможных операциях из предыдущего уровня техники. Стабильная реакция с участием кислорода обычно осуществляется при условии 800°C - 1,200°C.
[0041] 2) Левая ветка: карбид кальция экспортируется из плавильной печи и вступает в реакцию с водой через высокоэффективный ацетиленовый генератор за счет применения остаточного тепла с образованием ацетилена в качестве стартового материала для следующего этапа реакции. Тем временем, остаточное тепло в полной мере нашло свое применение, а карбидный шлак конвертирован в строительные материалы с помощью соответствующего конвейера и устройства дополнительной обработки.
[0042] 3) Правая ветка: CO синтез-газ, отведенный из верхней части шахтной печи, вступает в реакцию с получением этанола при условии полного применения остаточного тепла. Далее этанол подвергается реакции дегидратации с получением этилена, который в последствие проходит хлорирование с получением дихлорэтана (этанол может быть так же хлорирован напрямую) в качестве стартового материала для следующего этапа реакции. Более конкретно, CO синтез-газ может вступать в реакцию с получением этанола под воздействием родиевого катализатора при температуре 200°C - 300°C, которая поддерживается остаточным теплом, высвобождаемым от теплообменника. Затем этанол подвергается дегидратации с получением этилена под действием AI2O3 катализатора при 300°C - 400°C. Далее этилен подвергается хлорированию или оксихлорированию с получением дихлорэтана (этанол может быть так же хлорирован напрямую) в качестве стартового материала для следующего этапа реакции.
[0043] 4) Объединение: ацетилен, полученный из левой ветки, и дихлорэтан из правой, вступают в реакцию с помощью известных существующих техник для производства мономеров винилхлорида. Материалы последовательно импортируются в полимеризатор с получением взвешенных частиц ПВХ. Такие частицы могут быть переработаны через сепарацию и сушку с получением порошковых продуктов ПВХ. В альтернативном случае возможно получение в пресс-формах или без таковых ламинированных гранул из расплавов ПВХ посредством шнекового экструдера с приводом для наилучшего распределения материала и получения ПВХ продуктов с характеристиками высокой прочности, прозрачности и барьерных свойств с высокой добавленной стоимостью.
[0044] Более конкретно: ацетилен, полученный из левой ветки, и дихлорэтан из правой, вступают в реакцию под действием безртутного катализатора (например, хлориды бария или олова) при 200°C - 300°C с получением мономера винилхлорида. Далее, в маршрут вступает полимеризатор, где с помощью таких инициаторов, как пероксид, получаются взвешенные твердые частицы ПВХ при 50°C - 70°C. Такие частицы могут быть переработаны посредством сепарации и сушки с получением порошковых продуктов ПВХ. В альтернативном случае возможно получение в пресс-формах или без таковых ламинированных гранул из расплавов ПВХ посредством шнекового экструдера с приводом для наилучшего распределения материала и получения ПВХ продуктов с характеристиками высокой прочности, прозрачности и барьерных свойств с высокой добавленной стоимостью.
[0045] В выше описанных процессах примера 1 безртутный катализатор, как хлорид олова, хлориды редкоземельных металлов или иных благородных металлов, могут быть применены в качестве катализатора. Тем самым, решается проблема загрязнения окружающей среды, вытекающая из применения ртутных катализаторов в традиционных производствах ПВХ.
[0046] Пример 2: процесс производства ПВХ посредством замкнутого метода (получение этанола из метанола)
[0047] Настоящий пример относится к базовому замкнутом методу технологического процесса производства ПВХ посредством метанольного маршрута. Переходный блок, связанный с получением этанола через метанол, добавлен процедуру, как показано на фиг.4. Специальная реализация процесса и оборудования иллюстрируются следующим образом:
[0048] 1) Старт: шахтная печь применялась в качестве плавильной печи карбида кальция, обогащаемого кислородом. Известняковый и углеродный порошки подготавливаются устройством измельчения и перемешивания сырьевых материалов. Гомогенная смесь таких порошков подается в печь в строгом соответствии с требованиями дозирования к стартовым материалам, желаемым для получения полной реакции в зависимости от результатов тестирования активных компонентов. Стабильная реакция протекает с участием кислорода при определенных температурных условиях от 1200°C до 2000°C. CO синтез-газ отводится из верхней части печи, а карбид кальция экспортируется из ее нижней части. Оба материала передаются на следующий этап реакции, как показано на фиг. 4.
[0049] 2) Левая ветка: карбид кальция экспортируется из плавильной печи и вступает в реакцию с водой через высокоэффективный ацетиленовый генератор за счет применения остаточного тепла с образованием ацетилена в качестве стартового материала для следующего этапа реакции. Тем временем, остаточное тепло в полной мере нашло свое применение, а карбидный шлак конвертирован в строительные материалы с помощью соответствующего конвейера и устройства дополнительной обработки.
[0050] 3) Правая ветка: CO синтез-газ отводится из верхней части шахтной печи и вступает в реакцию под давлением 9.8 мПа - 12 мПа и температуре 240°C - 270°C, поддерживаемой остаточным теплом, высвобожденным от теплообменника. В результате получается метанол, который последовательно вступает в реакцию в присутствии катализатора (третичный органофосфин гидрокарбонила кобальта) под давлением 9.8 мПа - 14.7 мПа при 200°C с получением этанола. Метанол может так же подвергаться реакции с получением уксусной кислоты в присутствии родиевого катализатора при условии 150°C - 220°C. Уксусная кислота далее вступает в реакцию в присутствии платинового или оловянного катализатора с получением этанола. Затем, этанол подвергается дегидратации с получением этилена под воздействием AI2O3 при 300°C - 400°C. Далее этилен подвергается хлорированию или оксихлорированию с получением дихлорэтана (этанол может быть так же хлорирован напрямую) в качестве стартового материала для следующего этапа реакции.
[0051] 4) Объединение: ацетилен, полученный в левой ветке, и дихлорэтан, полученный в правой, вступают в реакцию в присутствии безртутного катализатора (например, хлорид бария или олова) при температуре 200°C - 300°C с получением мономеров винилхлорида. Полученный материал последовательно импортируется в полимеризатор, подвергаясь соответствующей реакции с помощью инициаторов, таких как пероксид, при температуре 50°C - 70°C с получением взвешенных твердых частиц ПВХ. Такие частицы обрабатываются в сепараторе и сушилке с получением порошковых продуктов ПВХ. В альтернативном случае возможно получение в пресс-формах или без таковых ламинированных гранул из расплавов ПВХ посредством шнекового экструдера с приводом для наилучшего распределения материала и получения ПВХ продуктов с характеристиками высокой прочности, прозрачности и барьерных свойств с высокой добавленной стоимостью.
[0052] Пример 3: процесс производства ПВХ с помощью базового замкнутого метода (получение хлорида метана через метанол)
[0053] Настоящий пример относится к дополнительному варианту реализации базового замкнутого метода технологического процесса производства ПВХ по метанольному маршруту, как показано на фиг. 5. Правая ветка процесса, как показано на фиг. 4, переходит в маршрут изготовления метанола из синтез-газа CO, а затем следует от хлорида метана до дихлорэтана. Специальная реализация процесса и оборудования иллюстрируется следующим образом:
[0054] 1) Старт: шахтная печь используется в качестве плавильной печи карбида кальция, насыщаемого кислородом. Известняковый и угольный порошки подготавливаются устройством измельчения и перемешивания сырьевых материалов. Гомогенная смесь порошков подается в печь в строгом соответствии с требованиями дозирования стартовых материалов, желаемых для достижения полной реакции в зависимости от результатов тестирования активных компонентов. Стабильная реакция с участием кислорода протекает при определенных условиях 1,200°C - 2,000°C. Синтез-газ CO отводится из верхней части печи. Карбид кальция экспортируется из ее нижней части. Оба материала переходят на следующий этап процесса с левой и правой сторон, соответственно, как показано на фиг. 5.
[0055] 2) Левая ветка: карбид кальция экспортируется из шахтной печи и вступает во взаимодействие с водой посредством высокоэффективного ацетиленового генератора с теплообменником, задействуя остаточное тепло. В такой реакции образуется ацетилен, который в дальнейшем находит свое применение в качестве стартового материала для следующего этапа реакции. Тем временем, остаточное тепло в полной мере нашло свое применение, а карбидный шлак конвертирован в строительные материалы с помощью соответствующего конвейера и устройства дополнительной обработки.
[0056] 3) Правая ветка: синтез-газ CO, отведенный из верней части шахтной печи, вступает в реакцию под давлением 9.8 мПа - 12 мПа и температуре 240°C - 270°C, поддерживаемой остаточным теплом, высвобожденным от теплообменника. Полученный метанол служит стартовым материалом для получения хлорида метана с помощью метода газовой фазы (с добавлением газообразного хлора при 300°C - 350°C) или метода жидкой фазы (с добавлением соляной кислоты при 130°C - 150°C). Далее хлорид метана реагирует в присутствии катализатора (оксидов железа или сурьмы) при 400°C - 450°C с получением дихлорэтана в качестве стартового материала для следующего этапа реакции.
[0057] 4) Объединение: ацетилен, полученный в левой ветке, и дихлорэтан, полученный в правой, вступают в реакцию под воздействием безртутного катализатора (например, хлориды бария или олова) при температуре 200°C - 300°C с получением мономера винилхлорида. Полученный материал последовательно импортируется в полимеризатор, где обрабатывается с помощью инициаторов, как пероксид, при 50°C - 70°C с получением твердых взвешенных частиц ПВХ. Такие частицы проходят сепаратор и сушилку с получением порошковых продуктов ПВХ. В альтернативном случае возможно получение в пресс-формах или без таковых ламинированных гранул из расплавов ПВХ посредством шнекового экструдера с приводом для наилучшего распределения материала и получения ПВХ продуктов с характеристиками высокой прочности, прозрачности и барьерных свойств с высокой добавленной стоимостью.
[0058] Пример 4: процесс производства ПВХ посредством расширенного замкнутого метода (природный или сланцевый газ и исходные материалы биоэтанола)
[0059] Расширенный замкнутый контур производства ПВХ, согласно настоящему примеру, оставляет открытое окно в промежуточном этапе базового замкнутого маршрута с целью приобретения возможности введения дополнительных исходных материалов извне, чтобы внедрить диверсификацию ресурсных структур в различных странах и регионах. См. фиг. 6, где проиллюстрирована специальная реализация изобретения, описываемая следующим образом:
[0060] Как показано на фиг. 4, процесс получения ацетилена в левой ветке маршрута может быть удобно дополнен или заменен природным или сланцевым газом в зависимости от текущих ресурсных возможностей в различных регионах. Ацетилен может производиться с помощью общеизвестных техник, например, за счет частичного окисления природного газа (метана). Правая ветка может быть дополнена вспомогательным оборудованием для применения биоэтанола из природных источников.
[0061] Пример 5: система производства ПВХ на основе базового замкнутого метода
[0062] Настоящий пример представляет систему производства ПВХ на основе базового замкнутого метода и соответствующий технологический процесс, как показано на фиг. 7. Специальная реализация изобретения проиллюстрирована следующим образом:
[0063] 1) Старт: в качестве плавильной печи карбида кальция, обогащаемого кислородом, 13 использована шахтная печь, в которую подается гомогенная смесь известнякового и углеродного порошков при условии строго соответствия требованиям дозирования, достигаемого с помощью устройства измельчения и перемешивания твердых сырьевых материалов 11 и конвейера твердых материалов 12. Плавильная печь 13 оснащена входом твердых материалов 15 и подводом кислорода в газообразной форме 17, где кислород подается внутрь с помощью нагнетателя 14 через подвод 17. Таким образом, достигается стабильная реакция твердых материалов при условии определенных оптимизированных технологических параметров и участии кислорода. Шахтная печь 13 представлена с первым отводом 18 для синтез-газа в верхней части и выходом твердых материалов 16 для экспорта карбида кальция из ее нижней части. Материалы, получаемые из плавильной печи 13, переходят на следующий этап процесса в двух направлениях, соответственно. По той причине, что материалы, подаваемые в печь, являются не просто порошком угольного топлива, но гомогенной смесью известнякового и угольного порошков в строгой дозировке, загрузочное устройство разработано на основе аналогичной системы теплового котла и дополнено специальным дозатором под контролем компьютера, который составляет замкнутую систему обеспечения контроля качества продукта и оптимизации процесса в целом совместно с устройствами отслеживания критических параметров процесса (как температура в печи, выход и т.п).
[0064] 2) Левая ветка: карбид кальция подается через выход твердых материалов 16 плавильной печи 13. Ацетиленовый генератор с теплообменником 21 оснащен первым входом материала 22, вторым отводом газа 23 и первым выходом материала 24. Карбид кальция подается в ацетиленовый генератор через первый вход материала 22 и вступает в реакцию с водой для получения ацетилена. Ацетилен далее отводится через второй вход газа 23 в качестве исходного материала для следующего этапа реакции. Теплообменник, будучи трубчатым аппаратом с высокотемпературным теплоносителем, содержит специальную рабочую жидкость, выбранную в зависимости от температуры реакции, и способен в полной мере использовать огромное количество тепловой энергии, заключенной в карбиде кальция, получаемом из шахтной печи и высвобождаемой от реакции карбида кальция с водой для получения ацетилена. Тепловая энергия способна предварительно подогревать реагенты, подаваемые в плавильную печь 13 или газ, обогащенный кислородом (например, сам кислород), подаваемый нагнетателем 14. Тем временем остаточное тепло в полной мере используется, а карбидный шлак, выходящий из первого выхода материала 24, конвертируется в строительные материалы с помощью керамического шнекового конвейера 25 и устройства дополнительной обработки 26.
[0065] 3) Правая ветка: синтез-газ CO, отводимый из первого выхода газа 18 в верхней части плавильной части 13, подается в кожухотрубный термостатический реактор 31, где синтез-газ CO вступает в реакцию с получением этанола при условии полного использования остаточного тепла при 250°C - 300°C. Этанол подается в трубный реактор с неподвижным слоем 32, где из него получают этилен с его дальнейшим хлорированием через реактор с псевдоожиженным слоем 33 для получения дихлорэтана в качестве исходного материала для следующего этапа реакции. Трубный реактор с неподвижным слоем 32 снабжен входом для этанола, выходом для этилена, первым входом теплоносителя 34 и первым выхода теплоносителя 35. Реактор с псевдоожиженным слоем 33 снабжен входом для этилена, выходом дихлорэтана, вторым входом теплоносителя 36 и вторым выходом теплоносителя 37, где теплоноситель импортируется в трубный реактор с неподвижным слоем 32 и реактор с псевдоожиженным слоем 33 через первый вход теплоносителя 34 и второй вход теплоносителя 36, соответственно. Таким образом, тепловая энергия подается в достаточном для протекания реакции количестве и далее выходит через первый выход теплоносителя 35 и второй выход теплоносителя 37.
[0066] 4) Объединение: ацетилен, полученный в ацетиленовом генераторе 21 в левой ветке, подается в реактор с неподвижным слоем 41 через второй выход газа 23 и второй вход материала 43. Дихлорэтан, полученный в правой ветке, подается в реактор с неподвижным слоем 41 из реактора с псевдоожиженным слоем 33 через третий вход материала 44. Ацетилен и дихлорэтан взаимодействуют в реакторе с неподвижным слоем 41 с получением мономеров винилхлорида, которые импортируются в полимеризатор 42 через второй выход материала 45 с получением взвешенных твердых частиц ПВХ. Частицы ПВХ обрабатываются в сепараторе и сушилке для получения уплотненных порошкообразных продуктов ПВХ. В альтернативном случае возможно получение в пресс-формах или без таковых ламинированных гранул из расплавов ПВХ посредством шнекового экструдера 51 с приводом 53 и гранулятора 52 для наилучшего распределения материала и получения ПВХ продуктов с характеристиками высокой прочности, прозрачности и барьерных свойств с высокой добавленной стоимостью.
[0067] Пример 6: расширенная система производства на основе метода с замкнутым контуром
[0068] Настоящий пример представляет расширенную замкнутую систему производства ПВХ и соответствующий ей технологический процесс, которые были спроектированы с целью создать открытое окно на промежуточном этапе базового замкнутого маршрута. Данный подход позволяет добавлять промежуточные исходные материалы извне и расширить замкнутую производственную систему настоящего изобретения, делая ее адаптивной к многообразию ресурсных структур в различных странах и регионах. Согласно фиг. 7 и 8 специальная реализация в соответствии с расширенной замкнутой системой производства может быть проиллюстрирована следующим образом:
[0069] Как видно из фиг. 7, блоки использования остаточного тепла из ацетиленового генератора и дополнительной обработки карбидного шлака возможно дополнить технологическим оборудованием для переработки природного газа 27, смежного с ацетиленовым генератором с теплообменником 21, для получения ацетилена. Как показано на фиг.8, технологическое оборудование для переработки природного газа 27 взаимосвязано с ацетиленовым генератором с теплообменником 21 через первый вход материала 22 или напрямую. Соответственно, в блок получения дихлорэтана из синтез-газа добавлено оборудование для переработки биоэтанала 38, смежное с трубным реактором с неподвижным слоем 32, где этанол подвергается дегидратации с получением этилена. Технологическое оборудование для переработки биоэтанола 38 взаимосвязано с входом материала трубного реактора с неподвижным слоем 32. В случае, когда ацетилен может быть традиционно дополнен источником природного газа, ацетилен получаемый с помощью технологического оборудования переработки природного газа 27, подается в ацетиленовый генератор с теплообменником 21 либо реактор с неподвижным слоем 41. Чтобы соответствовать выше описанному, этанол, полученный из синтез-газа CO может быть дополнен биоэтанолом из природных ресурсов, где биоэтанол перерабатывается через специальное технологическое оборудование 38 с получением этанола, который затем подается в трубный реактор с неподвижным слоем 32 таким образом, достигая баланс материалов.
1. Замкнутый способ производства поливинилхлорида, включающий получение карбида кальция, обогащенного кислородом, в высокотемпературной реакционной печи, где известняк, углеродный материал и кислород в качестве основных исходных материалов реагируют между собой с образованием карбида кальция и синтез-газа монооксида углерода, этап производства ацетилена из карбида кальция и дихлорэтана из синтез-газа монооксида углерода, при этом комбинация конечных продуктов двух веток процесса формирует замкнутый контур, в котором ацетилен вступает в реакцию с дихлорэтаном для получения мономеров винилхлорида с их конечной полимеризацией и получением поливинилхлорида.
2. Замкнутый метод производства ПВХ согласно п.1, характеризующийся применением безртутного катализатора во время протекания реакционного процесса.
3. Замкнутый метод производства ПВХ в соответствии с п.1, характеризующийся получением дихлорэтана из синтез-газа путем последовательных реакций получения этанола из метанола и этилена из этанола либо получением дихлорэтана из синтез-газа монооксида углерода напрямую из метанола к олефинам (МТО).
4. Замкнутый метод производства ПВХ согласно п.1, характеризующийся тем, что карбидный шлак из нижней части плавильной печи, образуемый в качестве остатка в производстве ацетилена из твердого карбида кальция, используют в производстве цемента.
5. Замкнутый метод производства ПВХ согласно п.1, характеризующийся возможностью введения или дополнения каждого производственного блока желаемыми продуктами извне либо выведением промежуточных продуктов для внешнего применения.
6. Замкнутый метод производства ПВХ согласно п.5, характеризующийся тем, что ацетилен, применяемый в качестве дополнительного или замещенного исходного материала, получают путем частичного окисления природного или сланцевого газа, а этанол соответственно путем биологической ферментации биомассы или монооксида углерода в качестве исходных материалов.
7. Замкнутая система получения поливинилхлорида согласно пп. 1-6, включающая устройство измельчения и перемешивания твердых сырьевых материалов, устройство транспортировки гомогенной смеси порошков известняка и углеродного материала в плавильную печь обогащенного кислородом карбида кальция, оснащенную входом твердых материалов, подводом газа, устройством плазменного розжига и подержания горения, датчиком температуры, устройством управления, нагнетателем для подачи кислорода, отводом синтез-газа в верхней части печи и выходом твердых материалов в ее нижней части для экспорта карбида кальция и по одной ветке технологического процесса последовательно соединенную с ацетиленовым генератором, включающим теплообменник и оснащенным первым входом материала, вторым отводом газа и первым выходом материала и последовательно соединенным со шнековым конвейером и устройством дополнительной обработки, а по второй ветке для получения дихлорэтана - последовательно соединенную с кожухотрубным термостатическим реактором, трубным реактором с неподвижным слоем, оснащенным входом этанола, выходом этилена, первым входом теплоносителя и первым выходом теплоносителя, реактором с псевдоожиженным слоем, оснащенным входом этилена, выходом дихлорэтана, вторым входом теплоносителя и вторым выходом теплоносителя, кожухотрубный термостатический реактор, реактор с неподвижным слоем, оснащенный вторым входом материала, третьим входом материала и вторым выходом материала и полимеризатор.
8. Замкнутая система получения поливинилхлорида согласно п. 7, характеризующаяся последовательным соединением полимеризатора, сепаратора и сушилки, шнекового экструдера с приводом либо миксера-гранулятора с приводом для получения ламинированных гранул поливинилхлорида.
9. Замкнутая система получения поливинилхлорида согласно п.7, характеризующаяся дополнительным введением технологического оборудования для переработки природного газа, смежного с ацетиленовым генератором с теплообменником, взаимосвязанным через первый вход материала или напрямую.
10. Замкнутая система получения поливинилхлорида согласно п.7, характеризующаяся дополнительным введением технологического оборудования переработки биоэтанола, смежным с трубным реактором с неподвижным слоем и взаимосвязанным с входом материалов трубного реактора с неподвижным слоем.
