Патент на изобретение №2373178

(54) СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕКАРБОНАТНОГО МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к способу переработки углекарбонатного минерального сырья, включающему обжиг известняка в реакторе с получением окиси кальция, производство карбида кальция реакцией части окиси кальция, полученной при обжиге известняка, с углеродом, контактирование части объема полученного карбида кальция с водой с получением ацетилена и едкого кальция, контактирование газообразных отходов процесса обжига известняка с водой для получения угольной кислоты, при этом для обжига известняка используют тепло, получаемое сжиганием части объема ацетилена, получаемого из части объема карбида кальция. При этом, по крайней мере, часть полученного ацетилена используют для синтеза этанола и/или дихлорэтана, и/или этиленгликоля, и/или ацетона, при этом в процессе синтеза этанола и/или дихлорэтана ацетилен вводят в реакцию с водородом в присутствии палладия в качестве катализатора, после чего, по меньшей мере, часть синтезированного материала C₂H₄ вводят в реакцию с парами воды с получением этанола и/или в реакцию с хлором с получением дихлорэтана, кроме того, по меньшей мере, часть полученного ацетилена подвергают гидролизу с получением этиленгликоля, кроме того, при синтезе ацетона часть полученного ацетилена вводят в реакцию с парами воды, причем водород, получаемый при этом, используют в упомянутых процессах синтеза этанола и/или дихлорэтана и/или сжигают в процессе обжига, при этом диоксид углерода, получаемый при синтезе ацетона, используют в процессе получения угольной кислоты. Изобретение направлено на расширение спектра получаемых товарных продуктов и исключение появления техногенных отходов. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способам переработки углекарбонатного минерального сырья и может быть использовано при его глубокой переработке с получением карбида кальция и/или ацетилена.

Известен способ переработки углекарбонатного минерального сырья, включающий обжиг известняка в реакторе с подачей в него и сжиганием высокотемпературного энергоносителя (SU 1449553, С04В 2/02, 1989).

Однако в этом техническом решении также невелик спектр получаемых товарных продуктов (только известь), низка экологичность производственного процесса, кроме того, осложнен процесс обеспечения производства высокотемпературным энергоносителем.

Известен также способ переработки углекарбонатного минерального сырья, включающий обжиг известняка в реакторе с получением окиси кальция, при использовании для обжига тепла, получаемого сжиганием части объема ацетилена, получаемого из части объема карбида кальция, как одного из продуктов процесса переработки, наряду с едким кальцием и угольной кислотой (RU 2256611, С01В 31/32, С04В 2/02, C01F 11/06, С07С 11/24, 2005).

Однако в этом техническом решении невелика глубина переработки исходного материала, в результате чего спектр получаемых товарных продуктов расширен за счет простейших материалов, не имеющих повышенного спроса на рынке.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является расширение спектра получаемых товарных продуктов и исключение загрязнения окружающей среды отходами производства.

Технический результат выражается в расширении спектра получаемых товарных продуктов глубокой переработки ацетилена, обладающих высоким коммерческим потенциалом (этанола, дихлорэтана, этиленгликоля, ацетона), при обеспечении высокого уровня диверсификации производства и исключении появления техногенных отходов.

Поставленная задача решается тем, что способ переработки углекарбонатного минерального сырья, включающий обжиг известняка в реакторе с получением окиси кальция, производство карбида кальция реакцией части окиси кальция, полученной при обжиге известняка, с углеродом, контактирование части объема полученного карбида кальция с водой с получением ацетилена и едкого кальция, контактирование газообразных отходов процесса обжига известняка с водой для получения угольной кислоты, при этом для обжига известняка используют тепло, получаемое сжиганием части объема ацетилена, получаемого из части объема карбида кальция, отличающийся тем, что, по крайней мере, часть полученного ацетилена используют для синтеза этанола и/или дихлорэтана, и/или этиленгликоля, и/или ацетона, при этом в процессе синтеза этанола и/или дихлорэтана ацетилен вводят в реакцию с водородом в присутствии палладия в качестве катализатора, после чего, по меньшей мере, часть синтезированного материала С₂Н₄ вводят в реакцию с парами воды с получением этанола и/или в реакцию с хлором с получением дихлорэтана, кроме того, по меньшей мере, часть полученного ацетилена подвергают гидролизу с получением этиленгликоля, кроме того, при синтезе ацетона часть полученного ацетилена вводят в реакцию с парами воды, причем водород, получаемый при этом, используют в упомянутых процессах синтеза этанола и/или дихлорэтана и/или сжигают в процессе обжига, при этом диоксид углерода, получаемый при синтезе ацетона, используют в процессе получения угольной кислоты. Кроме того, этанол синтезируют при давлении до 80 атм и температуре до 300°С в присутствии серной кислоты в качестве катализатора. Кроме того, дихлорэтан синтезируют в присутствии Fe и FeCl₂ в качестве катализатора. Кроме того, ацетон синтезируют в присутствии Fe и/или In в качестве катализатора при температуре до 460°С.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию”новизна”.

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.

Признаки «по крайней мере, часть полученного ацетилена используют для синтеза этанола и/или дихлорэтана, и/или этиленгликоля, и/или ацетона» обеспечивают возможность расширения спектра получаемых товарных продуктов глубокой переработки ацетилена, обладающих высоким коммерческим потенциалом (этанола, дихлорэтана, этиленгликоля, ацетона), при этом обеспечивается высокий уровень диверсификации производства.

Признаки «в процессе синтеза этанола и/или дихлорэтана ацетилен вводят в реакцию с водородом в присутствии палладия в качестве катализатора» обеспечивают получение промежуточного материала (этилена), используемого далее для получения этанола и/или дихлорэтана.

Признаки «по меньшей мере, часть синтезированного материала С₂Н₄ вводят в реакцию с парами воды с получением этанола» обеспечивают возможность получения этанола.

Признаки указывающие, что по меньшей мере часть синтезированного материала

С₂Н₄ вводят «в реакцию с хлором с получением дихлорэтана» обеспечивают возможность получения дихлорэтана.

Признаки «по меньшей мере, часть полученного ацетилена подвергают гидролизу с получением этиленгликоля» обеспечивают возможность получения этиленгликоля.

Признаки «при синтезе ацетона часть полученного ацетилен вводят в реакцию с парами воды» конкретизируют схему синтеза ацетона.

Признаки, указывающие, что «водород, получаемый при этом (при синтезе ацетона), используют в упомянутых процессах синтеза этанола и/или дихлорэтана и/или сжигают в процессе обжига» обеспечивают возможность утилизации отходов одного из этапов производства с их использованием либо в качестве реагента, либо в качестве энергоносителя.

Признаки «диоксид углерода, получаемый при синтезе ацетона, используют в процессе получения угольной кислоты» обеспечивают утилизацию газообразных отходов процесса синтеза ацетона с газообразными отходами процесса обжига известняка с превращением их в дополнительный продукт.

Признаки второго-четвертого пунктов формулы раскрывают возможную номенклатуру товарной продукции получаемой в заявленном способе.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показана принципиальная схема реализации способа.

Для реализации способа используют технологическую схему, включающую реакторы 1-4 схемы получения ацетилена, первый газоотборный блок 5, дозаторы 6 и 7, второй газоотборный блок 8, газораспределительные узлы 9 и 10, водоподающий узел 11, загрузочный узел 12, углезагрузочный узел 13, продуктопроводы 14, газопроводы 15, водопровод 16, паропровод 17, дополнительные реакторы 18-22, парогенератор 23, источник хлора 24, катализационные узлы 25-28, третий газоотборный блок 29, распределитель 30.

В качестве первого реактора 1 служит печь для обжига известняка известной конструкции, снабженная загрузочным узлом 12, обеспечивающим подачу известняка. Первый реактор 1 связан газопроводом 15 с первым газоотборным блоком 5 (в качестве которого используются известные комплекты газоочистного оборудования, обеспечивающие отбор СО₂) и продуктопроводом 14, например, выполненным в виде направляющего желоба с дозатором 6, обеспечивающим отбор из потока извести (СаО) получаемой при обжиге известняка части, предназначенной для передачи потребителю, понятно, что если такое не предусмотрено, этот узел используется только в качестве питателя второго реактора 2.

В качестве второго реактора 2 служит печь для производства карбида кальция, снабженная углезагрузочным узлом 13 известной конструкции и газоотборным блоком 8 (в качестве которого используются известные комплекты газоочистного оборудования, обеспечивающие отбор СО). Если на этом этапе производства предусмотрено использование ацетилена как высокотемпературного энергоносителя, то печь для производства карбида кальция должна иметь соответствующие теплообменные элементы (на чертеже не показаны), обеспечивающие утилизацию тепла, получаемого при сжигании ацетилена и его передачу материалам-реагентам (С и СаО).

Газоотборные блоки 5 и 8 посредством газопроводов 15 связаны с третьим реактором 3, подключенным также к водоподающему узлу 11 (выполненному в виде емкости с водой, снабженной насосным и дозирующим и контрольно-измерительным оборудованием известной конструкции, обеспечивающим по трубопроводу 16 подачу воды в реактор 3 для синтеза H₂CO₃ и к парогенератору 23). Выход третьего реактора 3 через продуктовод 14 связан с хранилищем углекислоты (на чертежах не показано), конструкция которого определяется формой поставки углекислоты потребителю, т.е. сжиженная или «сухой лед», и не отличается от известных конструкций.

Выход реактора 2 посредством продуктопровода 14, например, выполненного в виде направляющего желоба, связан с дозатором 7, обеспечивающим отбор из потока карбида кальция получаемого в реакторе, части продукции, предназначенной для передачи потребителю, понятно, что если такое не предусмотрено, этот узел используется только в качестве питателя второго реактора 4.

В качестве четвертого реактора 4 используют газогенератор, предназначенный для выработки ацетилена из карбида кальция. Реактор 4 связан с водоподающим узлом 11, а его «газовый» выход через газораспределительный узел 9 связан либо с газгольдером (на чертеже не показан, предназначен для хранения ацетилена перед отправкой его потребителю), либо с газораспределительным узлом 10, регулирующим подачу ацетилена в реакторы 1 и 2 (конструктивно эти узлы аналогичны известным газораспределительным устройствам и выбираются с учетом соответствия их рабочих параметров, расходу ацетилена и сечению газопроводов 15). Второй выход реактора 4 посредством соответствующего продуктопровода 14 связан с хранилищем гашеной извести (на чертеже не показано).

Реактор 18 является гидролизным реактором известной конструкции и выполнен с возможностью производства этиленгликоля. Вход реактора связан с соответствующим выходом газораспределительного узла 9 через газопровод 15, а выход с хранилищем этиленгликоля (на чертеже не показано), конструкция которого известна и определяется свойствами хранимого продукта. Реактор 19 является реактором известной конструкции, выполненным с возможностью синтеза этилена (C₂H₄), используемого в дальнейшем для производства этанола и/или производства дихлорэтана. Реактор содержит катализационный узел 25, содержащий Pd в качестве катализатора реакции ацетилена с водородом, при этом первый газовый вход реактора 19 связан с соответствующим выходом газораспределительного узла 9 через газопровод 15, а его второй газовый вход связан с первым газовым выходом реактора 20 через газоотборный блок 29 (в качестве которого используются известные комплекты газоочистного оборудования, обеспечивающие отбор Н₂). Выход реактора 19 (по этилену) через распределитель 30 связан с основными входами реактора 21 и 22.

Реактор 20 является реактором известной конструкции, выполненным с возможностью синтеза ацетона. Реактор содержит катализационный узел 26, содержащий Fe или In, в качестве катализатора реакции ацетилена с парами воды, снабжен известными средствами подвода тепла и рассчитан на температуры не менее 500°С, при этом первый газовый вход реактора 20 связан с соответствующим выходом газораспределительного узла 9 через газопровод 15, а его второй газовый вход связан паропроводом 17 с парогенератором 23. Выход реактора 20 связан с хранилищем ацетона (на чертежах не показано), конструкция которого известна и определяется свойствами хранимого продукта. Его первый газовый выход (по водороду) через газоотборный блок 29 связан со вторым газовым входом реактора 19, а его второй газовый выход (по диоксиду углерода) через первый газоотборный блок 5 связан с реактором 3.

Реактор 21 является реактором известной конструкции, выполненным с возможностью синтеза этанола. Реактор содержит катализационный узел 27, содержащий H₂SO₄ в качестве катализатора реакции этилена (C₂H₄) с парами воды, снабжен известными средствами подвода тепла (например, обеспечивающими утилизацию тепла, получаемого от сжигания части объема ацетилена, и рассчитан на температуры не менее 350-400°С, при этом вход реактора 21 через распределитель 30 связан с соответствующим выходом реактора 19, кроме того, реактор 21 связан паропроводом 17 с парогенератором 23. Выход реактора 21 связан с хранилищем этанола (на чертеже не показано), конструкция которого известна и определяется свойствами хранимого продукта.

Реактор 22 является реактором известной конструкции, выполненным с возможностью синтеза дихлорэтана. Реактор содержит катализационный узел 28, содержащий Fe и/или FeCl₂ в качестве катализатора реакции этилена (C₂H₄) с хлором, снабжен известными средствами подвода тепла (например, обеспечивающими утилизацию тепла, получаемого от сжигания части объема ацетилена, и рассчитан на температуры не менее 350-400°С, при этом вход реактора 22 через распределитель 30 связан с соответствующим выходом реактора 19, кроме того, реактор 22 связан с источником хлора 24. Выход реактора 21 связан с хранилищем дихлорэтана (на чертеже не показано), конструкция которого известна и определяется свойствами хранимого продукта. Конструкция остальных аппаратов и устройств, используемых при реализации способа, не отличается от аппаратов и устройств, предназначенных для решения сходных функциональных задач.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

Известняк вводят в реактор 1 и производят его обжиг, для чего используют тепло, получаемое сжиганием части объема ацетилена, получаемого из части объема карбида кальция, получаемого на следующей стадии процесса переработки углекарбонатного минерального сырья.

В процессе обжига известняк разлагается на известь и диоксид углерода по формуле

Готовую известь (СаО) удаляют продуктопроводом 14 к дозатору 6, обеспечивающему отбор из общего объема части извести, предназначенной для передачи потребителю, и части, предназначенной для дальнейшей переработки. Часть извести, предназначенная для дальнейшей переработки в карбид кальция, подается во второй реактор 2, где в присутствии углерода (в виде кокса или каменного угля крупностью 20-25 мм и содержанием серы менее 1%) перерабатывается в карбид кальция. Процесс производства карбида кальция «идет» по формуле

Готовый карбид кальция (СаС₂) удаляется продуктопроводом 14 к дозатору 7, обеспечивающему отбор из общего объема продукции части карбида кальция, предназначенной для передачи потребителю, и части, предназначенной для дальнейшей переработки. Часть карбида кальция, предназначенная для переработки в ацетилен, подается в четвертый реактор 4, где вводится в контакт с водой где и перерабатывается. Процесс производства ацетилена «идет» по формуле СаС₂+2Н₂О=C₂H₂+Са(ОН)₂.

Гашеная известь (Са(ОН)₂) передается потребителю для использования по назначению. Готовый ацетилен (C₂H₂) удаляется по газопроводу 15 и через газораспределительный узел 9 подается либо потребителю, либо только в первый реактор 1, либо и в первый и второй реактор 2, либо используется для синтеза этанола и/или дихлорэтана, и/или ацетона, и/или этиленгликоля. Подача ацетилена в соответствующие реакторы контролируются известной распределительной арматурой (на чертеже не показана), установленной на разветвлениях газопровода 15, связывающего газораспределительный узел 9 с реакторами 18, 19, 20 и 21.

При этом синтез этанола и/или дихлорэтана осуществляют по известной схеме – вначале синтезируют этилен, который затем используют в процессе синтеза целевых продуктов (этанола и дихлорэтана)

С₂Н₂+Н₂=С₂Н₄ С₂Н₄+Н₂О=C₂H₅OH

Причем если реакцию проводить при давлении до 23 атм и температуре до 75-80°С, выход этанола составит до 90%, а при давлении до 80 атм и температуре до 280-300°С выход этанола доходит до 95%.

При этом синтез дихлорэтана осуществляют по известной схеме с использованием этилена, вводя последний в контакт с хлором

С₂Н₄+Cl₂=CH₂Cl-CH₂Cl

При этом этиленгликоль получают гидролизом ацетилена.

При этом синтез ацетона осуществляется по известной схеме при температуре около 460°С

С₂Н₂+H₂O(пар)=СН₃СОСН₃+CO₂+Н₂

Ацетон передают потребителю, а газообразные продукты – отходы процесса – утилизуются на месте (CO₂ используют в производстве углекислоты, а водород – в процессе синтеза этанола и/или дихлорэтана). Конечно, возможно и сжигание водорода, т.е. использование в качестве энергоносителя в процессе обжига или синтеза ацетона, но это не самый целесообразный способ его использования.

Таким образом, в качестве основных продуктов переработки углекарбонатного минерального сырья получают карбид кальция, и/или окись кальция, и/или ацетилен, и/или этанол, и/или дихлорэтан, и/или ацетон, и/или этиленгликоль, а в качестве дополнительных продуктов получают углекислоту и гашеную известь. При этом, при наличии потребителей и соответствующих дополнительных компонентов, основные продукты переработки углекарбонатного минерального сырья могут использоваться для последующей переработки по известным схемам с получением, например, суперфосфата, карбамида, аммиака и т.п.

Режимные параметры реализации способа на всех его этапах не отличаются от известных.

Формула изобретения

1. Способ переработки углекарбонатного минерального сырья, включающий обжиг известняка в реакторе с получением окиси кальция, производство карбида кальция реакцией части окиси кальция, полученной при обжиге известняка, с углеродом, контактирование части объема полученного карбида кальция с водой с получением ацетилена и едкого кальция, контактирование газообразных отходов процесса обжига известняка с водой для получения угольной кислоты, при этом для обжига известняка используют тепло, получаемое сжиганием части объема ацетилена, получаемого из части объема карбида кальция, отличающийся тем, что, по крайней мере, часть полученного ацетилена, используют для синтеза этанола и/или дихлорэтана и/или этиленгликоля и/или ацетона, при этом в процессе синтеза этанола и/или дихлорэтана, ацетилен вводят в реакцию с водородом в присутствии палладия в качестве катализатора, после чего, по меньшей мере, часть синтезированного материала-C₂H₄ вводят в реакцию с парами воды с получением этанола и/или в реакцию с хлором с получением дихлорэтана, кроме того, по меньшей мере, часть полученного ацетилена подвергают гидролизу с получением этиленгликоля, кроме того, при синтезе ацетона, часть полученного ацетилена вводят в реакцию с парами воды, причем водород, получаемый при этом, используют в упомянутых процессах синтеза этанола и/или дихлорэтана и/или сжигают в процессе обжига, при этом диоксид углерода, получаемый при синтезе ацетона, используют в процессе получения угольной кислоты.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что этанол синтезируют при давлении до 80 атм и температуре до 300°С в присутствии серной кислоты в качестве катализатора.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дихлорэтан синтезируют в присутствии Fe и FeCl₂ в качестве катализатора.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что ацетон синтезируют в присутствии Fe и/или In в качестве катализатора при температуре до 460°С.

РИСУНКИ