СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ ХИМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА, КОТОРЫЙ ПРЕДПОЛАГАЕТ БЕЗОПАСНОСТЬ ХИМИЧЕСКОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
METHOD OF OPTIMISING CHEMICAL PROCESS INVOLVING SAFETY OF CHEMICAL PROCESSING EQUIPMENT

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение
В общем, изобретение относится к оптимизации химического процесса. Более конкретно, изобретение имеет отношение к оптимизации химического процесса с учетом безопасности химического технологического оборудования.
Описание предшествующего уровня техники
Как правило, много химических веществ для промышленных нужд производится в больших объемах (т.е. тысячи тонн ежегодно), при использовании химического технологического оборудования. Химическое технологическое оборудование может быть использовано для производства органических химических веществ (таких как нефтепродукты), а также неорганических химических веществ. В большинстве случаев химическое технологическое оборудование может быть использовано для производства химических веществ как в режиме периодической обработки (т.е. периодическая обработка с использованием периодического химического реактора), так и, в качестве альтернативы, в режиме непрерывного процесса (т.е. непрерывная обработка с использованием непрерывного химического реактора).
Как правило, в целом, при производстве химических веществ и, более конкретно, при производстве органических химических веществ, обычно в области химической обработки химический материал реагента взаимодействует в условиях повышенной температуры и давления, чтобы способствовать эффективному химическому превращению химического материала реагента в требуемый химический материал продукта. Во многих химических реакциях, по крайней мере, один из химических материалов реагента и получающегося химического материала продукта может быть химически неустойчивым (то есть легко подвергаться химической реакции). Наличие хотя бы одного химически неустойчивого материала реагента и химически неустойчивого материала продукта в пределах химического реактора может привести к соображениям безопасности химического технологического оборудования, в пределах которого химический материал реагента взаимодействует с получением химического материала продукта. В качестве неограничивающего примера, реакции окисления олефинов (то есть реакции эпоксидирования олефинов), такие как реакция этилена и кислорода с получением оксида этилена, особенно восприимчивы к воспламеняемости из-за присутствия органического химического материала реагента, склонного к окислению (то есть олефина) в присутствии окислителя (то есть кислорода).
В качестве уровня техники, в области химического процесса известны различные аспекты аварийных ситуаций производства оксида этилена для реакции этилена и кислорода при повышенной температуре и повышенном давлении в пределах химического технологического оборудования.
Например, Evans и др. в патенте US №6,372,925, в международной публикации WO/2004/092148 и опубликованной заявке на патент US №2004/0236124 раскрывает химический процесс производства оксида этилена, путем реакции этилена и кислорода, с учетом эффекта старения селективного серебряного катализатора который используется в химическом процессе. В результате эффекта, старения селективного серебряного катализатора химический процесс обеспечивает использование различных температур реакции и различных концентраций химического реактанта оксида этилена до и после старения селективного серебряного катализатора, который используется в химическом процессе.
Кроме того, Gary и др. в патенте US №7,153,985 раскрывает химический процесс производства оксида этилена путем взаимодействия этилена и кислорода, избегая при этом условия поствоспламенения в химическом технологическом оборудовании, в рамках которого осуществляется химический процесс. Условия поствоспламенения в пределах химического технологического оборудования избегают частично, контролируя концентрацию углеводородов, имеющих, по крайней мере, четыре атома углерода в пределах химического технологического оборудования в качестве признака восприимчивости химического технологического оборудования к условию поствоспламенения.
Безопасность химического технологического оборудования, вероятно, продолжит иметь немаловажное значение в рамках реализации новых и существующих химических процессов в пределах химического технологического оборудования. Для этого желательны общие методы, которые могут быть использованы для обеспечения безопасности оборудования химического процесса при внедрении новых или существующих химических процессов на химическом технологическом оборудовании.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
Изобретение относится к способу безопасной эксплуатации химического технологического оборудования (т.е., как правило, включает химический реактор) при осуществлении химического процесса в рамках химического технологического оборудования (т.е., как правило, в частности, осуществлении химического процесса в химическом реакторе). Способ основан на измерении скорости прироста давления внутри защитной оболочки реактора после преднамеренного воспламенения внутри защитной оболочки реактора, по крайней мере, одного вещества, а именно, используемого в химическом процессе. Совокупность вышеизложенных измерений скорости прироста давления внутри защитной оболочки реактора проводится для множества наборов предложенных условий химических процессов. Преднамеренное воспламенение для большинства из множеств предложенных условий химических процессов, как правило (но необязательно), проводят на лабораторном оборудовании - защитной оболочки реактора - отделенного от химического технологического оборудования. Изобретение предполагает, что при осуществлении конкретного химического процесса на конкретном химическом технологическом оборудовании выбирают один из множества наборов предложенных условий химических процессов для обеспечения безопасной эксплуатации химического технологического оборудования, основанных на измерении скорости прироста давления внутри защитной оболочки реактора, что обеспечивает безопасную эксплуатацию химического технологического оборудования.
Частный способ безопасной эксплуатации химического технологического оборудования, в соответствии с изобретением, включает в себя измерение для каждого из множества наборов предложенных условий процесса для конкретного химического процесса в рамках конкретного химического технологического оборудования скорости прироста давления после преднамеренного ограниченного воспламенения, по крайней мере, одного вещества в рамках конкретного химического процесса. Таким образом, вышеупомянутые измерения обеспечивают множество скоростей прироста давления, которые соответствуют множеству наборов предлагаемых условий процесса. Этот конкретный способ также включает выбор из множеств скоростей прироста давлений конкретной скорости прироста давления, позволяющей безопасную эксплуатацию конкретного химического процесса в рамках конкретного химического технологического оборудования. Этот конкретный способ также включает реализацию конкретного химического процесса в рамках конкретного химического технологического оборудования с использованием конкретного набора условий процесса из множества наборов условий процесса, которые соответствуют конкретной скорости прироста давления из множества скоростей прироста давления.
Другой частный способ безопасной эксплуатации химического технологического оборудования в соответствии с изобретением также включает измерение для каждого из множества наборов предложенных условий процесса для конкретного химического процесса в пределах конкретного химического технологического оборудования скорости прироста давления после преднамеренного ограниченного воспламенения, по крайней мере, одного вещества в рамках конкретного химического процесса. Таким образом, вышеизложенное измерение также обеспечивает множество скоростей прироста давления, которое соответствует множеству наборов предложенных условий процесса. Этот частный способ также включает отбор из множества скоростей прироста давления подмножество скоростей прироста давления, которое учитывает безопасную эксплуатацию конкретного химического процесса в пределах конкретного химического технологического оборудования. Этот частный способ также включает определение для каждой скорости прироста давления из подмножества скоростей прироста давления значение вспомогательного параметра для конкретного химического процесса. Таким образом, вышеизложенное определение обеспечивает подмножество значений вспомогательного параметра для конкретного химического процесса, которые соответствуют подмножеству скоростей прироста давления. Данный частный способ также включает осуществление конкретного химического процесса в пределах конкретного химического технологического оборудования, используя конкретный набор условий процесса из множества наборов предложенных условий процесса, которое соответствует конкретной скорости прироста давления из подмножества скоростей прироста давления, которое оптимизировано относительно значения вспомогательного параметра, отобранного из подмножества значений вспомогательного параметра.
Частный способ для безопасной эксплуатации химического технологического оборудования для окисления олефина в соответствии с изобретением включает измерение для каждого из множества наборов предложенных условий процесса для процесса химического окисления олефина в пределах конкретного химического технологического оборудования скорости прироста давления после преднамеренного ограниченного воспламенения, по крайней мере, одного вещества в пределах химического процесса окисления олефина. Таким образом, вышеупомянутые измерения обеспечивают множество скоростей прироста давления, которые соответствуют множеству наборов предлагаемых условий процесса. Этот конкретный способ также включает выбор из множеств скоростей прироста давлений конкретной скорости прироста давления, обеспечивающей безопасную эксплуатацию химического процесса окисления олефина в рамках конкретного химического технологического оборудования. Данный конкретный способ также включает реализацию способа химического окисления олефинов в рамках конкретного химического технологического оборудования с использованием конкретного набора условий способа из множества наборов условий способа, которые соответствуют конкретной скорости прироста давления из множества скоростей прироста давления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Цели, отличительные признаки и преимущества изобретения понимаются в рамках контекста описания предпочтительных вариантов изобретения, как указано ниже. Описание предпочтительных вариантов изобретения понимается в рамках контекста прилагаемых чертежей, которые образуют существенную часть данной сущности изобретения, где:
Фиг.1 показывает схематический чертеж технологического оборудования для процесса химического окисления, в рамках которого может быть осуществлена, в частности, реакция окисления этилена в соответствии с воплощением изобретения.
Фиг.2 показывает схематический чертеж испытательного аппарата, который может быть использован для генерирования и сбора данных испытаний в соответствии со способом изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА
Изобретение, которое включает способ безопасной эксплуатации химического технологического оборудования, при осуществлении химических процессов на химическом технологическом оборудовании понимается в контексте описания, которое следует далее. Описание, которое следует далее, понимают в контексте чертежей, описанных выше. Чертежи, описанные выше, предназначены в иллюстративных целях, и, таким образом, чертежи, описанные выше, не обязательно вычерчены в масштабе.
Фиг.1 показывает схематический чертеж конкретного химического технологического оборудования, безопасная эксплуатация которого обеспечивается в способе изобретения. Конкретное химическое технологическое оборудование, которое проиллюстрировано на схематическом чертеже на Фиг.1, предназначено для процесса химического окисления, которое применимо, но необязательно ограничивается, химическим процессом окисления олефинов. Более предпочтительно, химический процесс окисления олефинов может также включать, но не ограничиваться, химическим процессом окисления этилена, который дает оксид этилена (т.е. эпоксид этилена) - химический продукт из оксида этилена в качестве исходного вещества и окислителя, такого как, но не ограничивающийся, кислород.
Несмотря на то, что Фиг.1 иллюстрирует химическое технологическое оборудование (включающее химический реактор), безопасность которого может быть обеспечена при осуществлении в нем процесса химического окисления, такого как процесс окисления олефина, и более конкретно процесс окисления этилена, ни текущее воплощение, ни настоящее изобретение, безусловно, таким образом, не ограничивается. Предпочтительно, данное воплощение и изобретение также предназначены, как заявлено, при условиях, где нежелательный случай прироста скорости давления или непреднамеренное воспламенение, по крайней мере, одного вещества в рамках конкретно химического процесса, требуемых для реализации в рамках конкретного химического технологического оборудования (включающее конкретный реактор), может быть поводом для другой опасной эксплуатации конкретного химического технологического оборудования.
Таким образом, в целом, данное воплощение и изобретение применяются для обеспечения безопасности на химическом технологическом оборудовании, включающем, но не ограничивающимся, периодическим химическим технологическим оборудованием и непрерывным химическим технологическим оборудованием, в рамках которых могут быть реализованы химические процессы, включающие, но не ограничивающиеся, неорганическими химическими процессами, органическими химическими процессами и смешанными (например, неорганическими и органическими) химическими процессами. В контексте органического химического процесса, данное воплощение и изобретение предпочтительно может быть применено в контексте процесса химического окисления и, более конкретно, в контексте процесса окисления олефина такого, как, в частности, процесса окисления этилена.
Химическое технологическое оборудование, которое проиллюстрировано на схематическом чертеже на Фиг.1, в первом случае показывает: (1) окисляемый газ 13а, который заполняет линию подачи окисляемого газа 13b; (2) балластный газ 14а, который заполняет линию подачи балластного газа 14b; и (3) окисляющий газ 15а, который заполняет линию подачи окисляющего газа 15b. Каждая из линии подачи окисляемого газа 13b, линии подачи балластного газа 14b и линии подачи окисляющего газа 15b, в свою очередь, присоединены и питают распределительный трубопровод 16. В соответствии с дальнейшим обсуждением ниже, также присоединена линия подачи циркулирующего газа 12 и также питает распределительный трубопровод 16.
В соответствии с данным воплощением, окисляемый газ 13а обычно включает олефин, такой как, в частности, этилен. Однако, как отмечалось выше, ни данное воплощение, ни изобретение не ограничивается процессом окисления олефина в целом, или же, более конкретно, процессом окисления этилена. Предпочтительно, данное воплощение и изобретение применяют, в более широком плане: (1) процесс окисления, который может включать процесс окисления олефина, включающий процесс окисления этилена; также процесс окисления (2), который может включать процесс окисления олефина, отличный от процесса окисления этилена; и процесс окисления (3), отличный от процесса окисления олефина, где в любом из вышеуказанных процессов окисления используется окисляемый газ.
Балластный газ 14а может включать, не ограничиваться, любым из нескольких балластных газов, являющимися общепринятым в конкретном химическом процессе, который может быть реализован в рамках конкретного химического технологического оборудования, схематический чертеж которого проиллюстрирован на Фиг.1. Подобные балластные газы зачастую являются, но необязательно предназначены, в качестве инертных газов в отношении конкретного химического процесса, в рамках которого они используются. Таким образом, в общем, балластные газы могут включать в себя газообразные гелий, неон, аргон, криптон и ксенон. В рамках контекста реакции окисления олефина, любой из азотосодержащего балластного газа и метансодержащего балластного газа представляет собой широко распространенный балластный газ.
Окисляющий газ 13а может включать любой из нескольких окисляющих газов, которые, в общем, являются общепринятыми для конкретного процесса химического окисления, требуемого для реализации в рамках конкретного химического технологического оборудования, схематический чертеж которого проиллюстрирован на Фиг.1. Окисляющий газ включает в себя, в частности, кислород, озон, оксид азота и окись азота. Наиболее конкретно, в рамках реакции окисления олефинов общепринятым окисляющим газом является кислород для окисления олефина такого, как этилен.
Как показано на Фиг.1, распределительный трубопровод 16, который соединен с линией подачи циркулирующего газа 12, линией подачи окисляемого газа 13b, линией подачи балластного газа 14b и линией подачи окисляющего газа 15b, а также наполняет их, также соединен с газ-газ теплообменником 5. В общем, распределительный трубопровод 16, так же как соответственно прикрепленные линии подачи газов 12/13b/14b/15b, присоединенные к нему, предназначен для задания соответствующим образом требуемой производительности химического технологического оборудования, схематический чертеж которого проиллюстрирован на Фиг.1. В свою очередь, газ-газ теплообменником 5 также сходным образом задается требуемая производительность химического технологического оборудования, схематический чертеж которого проиллюстрирован на Фиг.1.
Конструкционные материалы коллектора 16, линий подачи газов 12/13а/14а/15а, газ-газ теплообменник 5 и другие компоненты, которые содержит химическое технологическое оборудование, которые рассматриваются более подробно ниже, также предназначены, чтобы быть соответствующими для определенного химического процесса, который осуществлен в пределах химического технологического оборудования, схематический чертеж которого проиллюстрирован на Фиг.1. Такие конструкционные материалы могут включать, но не обязательно ограничиваться ими, любой из ряда металлов и их сплавов. Например, и также без ограничения, особенно распространены сплавы нержавеющей стали.
После прохождения операции теплообмена в газ-газ теплообменнике 5 смесь газа подачи, как правило, включающая, по крайней мере, окисляемый газ 13а, балластный газ 14а и окислительный газ 15а, подается через нагнетательный трубопровод подачи газа 1 для доставки в реактор и газовый холодильник 3. Наверху реактора и газового холодильника 3 находится реакторный разрывной диск 2а, который связан с воздушным клапаном 2b.
Реактор и газовый холодильник 3 будут, как правило, определять местонахождение в нем материала катализатора на носителе, такой как, в частности, микропористый материал катализатора, который позволяет смешивание и взаимодействие окисляемого газа 13а и окисляющего газа 15а, в то время как балластный газ 14а служит, прежде всего, для того, чтобы избежать нежелательной локальной высокой концентрации окисляемого газа 13а и окисляющего газа 15а в присутствии такого катализатора. В рамках данного воплощения в следующих случаях, если: (1) окисляющийся газ 13а составляет либо состоит из олефинов, таких как этилен, и (2) окисляющий газ 15а состоит или содержит окислитель, такой как кислород, определенный материал катализатора окисления, иное конкретно не показано на Фиг.1, может часто содержать, но необязательно содержать, селективный серебряный материал катализатора или селективный серебряный материал катализатора на носителе.
Реакторный разрывной диск 2а, воздушный клапан 2b предназначены для стравливания (т.е., как правило, в атмосферу) избыточного давления из реактора и газового холодильника 3. Конкретные условия сброса давления для реакторного разрывного диска 2а основаны на фактах оценки сдерживания давления или оценки расчетного давления для реактора и газового холодильника 3. Как правило, такие условия сброса давления варьируются в диапазоне от приблизительно 325 до приблизительно 450 фунтов на квадратный дюйм, хотя такие особенные условия сброса давления для реакторного разрывного диска 2а не ограничивают воплощение или изобретение.
После реакции внутри реактора и газового холодильника 3 прореагировавший поток газа выходит из реактора и газового холодильника 3 через газопровод прореагировавшего газа 4, закрепленного к основанию реактора и газового холодильника 3. В свою очередь, газопровод прореагировавшего газа 4 соединен с газ-газ теплообменником 5 для охлаждения прореагировавшего газового потока внутри газопровода прореагировавшего газа 4. В контексте данного воплощения, когда окисляемый газ 13а включает, в частности, этилен и окисляющий газ 15а включает, в частности, кислород, прореагировавшая газовая смесь внутри газопровода прореагировавшего газа 4 включает оксид этилена в качестве желательного продукта реакции. Кроме того, прореагировавшая газовая смесь включает в себя: (1) возможно, некоторый непрореагировавший реактант газ этилен и некоторый непрореагировавший газ кислород; (2) некоторый непрореагировавший азот или некоторый непрореагировавший метан; (3) нежелательный побочный продукт диоксид углерода и (4) газ аргон.
Охлажденная прореагировавшая газовая смесь выходит из газ-газ теплообменника 5 через газопровод охлажденного прореагировавшего газа 6, который, в свою очередь, поступает в промывную колонну 7. Внутри промывной колонны 7 желаемый продукт реакции - этилен оксид удаляется из охлажденной прореагировавшей газовой смеси благодаря повышенной растворимости раствора оксида этилена в воде по сравнению с растворимостью, по крайней мере, некоторых других охлажденных прореагировавших компонентов газовой смеси в воде. В результате водный раствор оксида этилена удаляется из промывной колонны 7 через отвод 17.
Водный раствор оксида этилена затем может быть продистилирован или гидролизирован для обеспечения очищенного безводного продукта реакции - оксида этилена или этиленгликоля. Оставшиеся газы в охлажденной газовой смеси реактантов, которые входят в промывную колонну 7 через газопровод охлажденного прореагировавшего газа 6, выходят из промывной колонны 7 через порт отходящих газов, который, в свою очередь, связан с газопроводом рециркулирующего газа 8. Определенная часть оставшихся газов в газопроводе рециркулирующих газов 8 может быть удалена из газопровода рециркулирующих газов 8 через продувочный клапан 9b, который связан с продувочным отверстием 9а, которое, в свою очередь, подключено к линии газопровода рециркулирующего газа 8. Неудаленные части оставшихся газов внутри газопровода рециркулирующего газа 8 сохраняются в дополнительном газопроводе рециркулирующего газа 10, который подается в компрессор рециркулирующего газа 11. В компрессоре рециркулирующего газа 11 неудаленные части оставшихся газов, в свою очередь, повторно сжимаются до соответствующего давления и подаются через линию подачи рециркулирующего газа 12 (который кратко описан выше) в распределительный трубопровод 16, который описан выше. Эти повторно сжатые оставшиеся газы смешиваются с окисляемым газом 13а, балластным газом 14а и окисляющим газом 15а в распределительном трубопроводе 16 для дальнейшей обработки в пределах замкнутого контура (то есть непрерывного химического процесса) химического технологического оборудования, чей схематический чертеж проиллюстрирован на Фиг.1.
Как может понять специалист в данной области техники, после прохождения через газ-газ теплообменник 5, нагретые рециркулирующие газы, наряду с нагретым окисляемым газом 13а, нагретым балластным газом 14а и нагретым окисляющим газом 15а внутри нагнетательного трубопровода подачи газа 1, могут быть подвержены нежелательной реакции, которая может привести к воспламенению, горению, мгновенному сгоранию, детонации или взрыву вышеупомянутой смеси подаваемого сырьевого газа либо внутри нагнетательного трубопровода подачи газа 1, либо в газовом холодильнике 3. С этой целью реакторный разрывной диск 2а используется с целью ослабления или уменьшения нежелательного прироста давления в реакторе и газовом холодильнике 3. Дополнительные разрывные диски могут также использоваться в пределах нагнетательного трубопровода подачи газа 1 или в альтернативных дополнительных местоположениях в пределах химического технологического оборудования, схематический чертеж которого проиллюстрирован на Фиг.1, с целью ослабления или уменьшения нежелательного увеличения давления.
В рамках контекста воплощения и данного изобретения желательно обеспечить безопасную эксплуатацию химического технологического оборудования, схематический чертеж которого проиллюстрирован на Фиг.1, так же как безопасную эксплуатацию других химических технологических оборудований, как связанных, так и не связанных с химическим технологическим оборудованием, схематический чертеж которого проиллюстрирован на Фиг.1. В частности, «безопасная эксплуатация» должно означать, что химический процесс может быть реализован в рамках химического технологического оборудования, такого как химическое технологическое оборудование, схематический чертеж которого проиллюстрирован на Фиг.1, при отсутствии травм персонала или повреждений химического технологического оборудования из-за нежелательного повышения давления в пределах любого из компонентов, которые включает химическое технологическое оборудование, схематический чертеж которого проиллюстрирован на Фиг.1.
В целях обеспечения безопасной эксплуатации вышеизложенного химического технологического оборудования, схематический чертеж которого проиллюстрирован на Фиг.1, или любого связанного химического технологического оборудования, воплощение в первом случае предполагает, но не обязательно требует, использование испытательного аппарата. Такой испытательный аппарат предназначен для определения скорости прироста давления на основании ограниченного воспламенения, по крайне мере, одного вещества, используемого в рамках химического технологического оборудования, схематический чертеж которого приведен на Фиг.1.
Частный случай испытательного аппарата, который может быть использован в испытательных целях, в соответствии с заявленным воплощением, показан на Фиг.2.
2
4
2
2
2
4
Фиг.2 показывает защитную оболочку реактора 20, прикрепленную к газопроводу прореагировавшего газа 21, который, в свою очередь, прикреплен к вакуумному насосу, который может быть использован для опорожнения защитной оболочки реактора. Кроме того, прикрепленный к защитной оболочке реактора 20, заполняющийся распределительный трубопровод 23, с которым соединен окисляемый газ этилен (т.е. СН), окисляющий газ кислород (т.е. O), газ побочного продукта диоксид углерода (т.е. СO), примесный газ аргон (т.е. Аr), балластный газ азот (т.е. N) и балластный газ метан (т.е. СН). Фиг.2 также показывает запальное устройство 24 (т.е. источник воспламенения) и измерительный датчик давления 25, каждый из которых частично проникает внутрь защитной оболочки реактора 20. В конечном итоге запальное устройство 24 и датчик давления 25 соединены с компьютером 26 для синхронизации и сбора данных. В частности, компьютер 26 контролирует запальное устройство 24, когда происходит воспламенение вышеизложенных веществ внутри защитной оболочки реактора 20. Компьютер также следит за повышением давления внутри защитной оболочки реактора 20, в зависимости от времени после воспламенения, по крайней мере, одного из вышеуказанных веществ. В конечном итоге компьютер 26 также рассчитывает максимальную скорость прироста давления после воспламенения определенной газовой смеси внутри защитной оболочки реактора 20, несмотря на то, что изобретение не исключает альтернативные способы измерения максимальной скорости прироста давления после воспламенения определенной газовой смеси.
Эксплуатация испытательного аппарата, схематический чертеж которого приведен на Фиг.2, предусматривает одно первое заполнение защитной оболочки реактора 20 смесью реагирующих газов побочными газами, газообразными примесями и балластными газами в концентрации определенного уровня, необходимой для исследования. После достижения определенной температуры и давления внутри заполненной защитной оболочки реактора 20, затем: (1) зажигание, по крайней мере, одного из: реагирующий газ, побочный газ, газообразные примеси и смесь балластного газа внутри заполненной защитной оболочки реактора 20, при использовании запального устройства 24; а затем (2) измерение путем применения датчика давления 25 скорости прироста давления (т.е. скорости, при которой давление внутри защитной оболочки реактора 20 увеличивается в зависимости от времени воспламенения). Конкретная скорость прироста давления может быть, в большинстве случаев, измерена в единицах давления фунт на квадратный дюйм как функция единиц времени, как правило, в миллисекундах.
В пределах воплощения и в пределах данного изобретения, скорость прироста давления (то есть по сравнению с абсолютным давлением или пиком давления) считают параметром интереса, поскольку очень быстрые увеличения давления (то есть более высокие скорости прироста давления), которые не могут быть легко уменьшены, более вероятно, будут часто приводить к отказу компонента химического технологического оборудования и возможным травмам, так как такие очень высокие скорости прироста давления не могут быть легко выровнены по всему химическому технологическому оборудованию. Напротив, более медленные скорости прироста давления в пределах испытательного аппарата, даже при определенных обстоятельствах, где такие более низкие нормы повышения давления, в конечном счете, приводят к более высоким абсолютным давлениям, могут при определенных обстоятельствах привести к уменьшению повреждения оборудования при эксплуатации химического технологического оборудования, такого как химическое технологическое оборудование, схематический чертеж которого проиллюстрирован на Фиг.1, так как взрывное повреждение может более вероятно быть следствием очень быстрой скорости прироста давления в пределах химического технологического оборудования.
В рамках эксплуатации испытательного аппарата, схематический чертеж которого проиллюстрирован на Фиг.2, данное воплощение сначала предусматривает получение множества скоростей прироста давления на основании ограниченного воспламенения, по крайней мере, одного вещества для соответствующего множества наборов предложенных условий процессов, при которых может быть желательно выполнять конкретный химический процесс в пределах химического технологического оборудования, схематический чертеж которого проиллюстрирован на Фиг.1. Из полученного множества скоростей прироста давления, которые соответствуют множеству наборов предложенных условий процессов, можно выбрать подмножество скоростей прироста давления, которые численно меньше, чем произвольно найденный или технически разработанный максимум безопасной эксплуатации скорости прироста давления конкретного химического технологического оборудования, в рамках которого предполагается реализовать определенный химический процесс, для которого множество скоростей прироста давления было измерено в первом случае. Наконец, определив подмножество из множеств условий процесса, которые могли бы безопасно использоваться для конкретного химического процесса в пределах конкретного химического технологического оборудования, можно было бы тогда выбрать из предшествующего подмножества предложенных условий процесса безопасной эксплуатации для конкретного химического процесса в пределах конкретного химического технологического оборудования один конкретный набор условий процесса безопасной эксплуатации, который во втором случае приводит к оптимальному значению, по крайней мере, одного вспомогательного параметра. Такой вспомогательный параметр мог бы, например, включать выход продукта, или альтернативно использование исходного вещества, или альтернативно какой-то другой желательный эксплуатационный параметр для конкретного химического процесса в рамках конкретного химического технологического оборудования.
Конкретный пример эксплуатации вышеописанного испытательного аппарата, который проиллюстрирован на Фиг.2, более конкретно в рамках контекста реакции этилена и кислорода с получением оксида этилена, обеспечивается, как указано далее, в рамках контекста данных, проиллюстрированных в Таблице 1.
Таблица 1
Измерения скоростей прироста давления (при 250°С и 330 фунтов на кв.дюйм)
Номер экспериментального примера
Первоначальная концентрация, мол.%
Балластный газ
Максимальная скорость прироста давления, фунтов на кв.дюйм/с
С<sub>2</sub>Н<sub>4</sub>
O<sub>2</sub>
СO<sub>2</sub>
AR
1
20
7,2
7
10
N<sub>2</sub>
1636
2
20
7,2
7
10
N<sub>2</sub>
2023
3
25
8,4
1
10
СН<sub>4</sub>
380
4
25
8,4
7
10
CH<sub>4</sub>
401
5
25
9
7
10
CH<sub>4</sub>
795
6
25
9,5
7
10
CH<sub>4</sub>
1136
7
25
8,4
15
10
CH<sub>4</sub>
446
8
30
6,5
1
10
CH<sub>4</sub>
249
9
30
7
1
10
CH<sub>4</sub>
451
10
30
8,4
7
10
CH<sub>4</sub>
534
11
35
7
1
10
CH<sub>4</sub>
200
12
35
8
7
10
CH<sub>4</sub>
604
13
40
7,5
1
10
CH<sub>4</sub>
666
14
40
8
7
10
CH<sub>4</sub>
568
15
40
8,4
7
10
CH<sub>4</sub>
1124
16
45
7,5
1
10
CH<sub>4</sub>
706
17
45
8
1
10
CH<sub>4</sub>
909
18
45
8,4
1
10
CH<sub>4</sub>
767
19
45
7,5
7
10
CH<sub>4</sub>
648
20
45
8
7
10
CH<sub>4</sub>
1281
21
45
8,4
7
10
CH<sub>4</sub>
1701
22
50
6,5
1
10
CH<sub>4</sub>
399
23
50
7
1
10
CH<sub>4</sub>
551
24
50
7
1
10
CH<sub>4</sub>
506
25
50
7,5
1
10
CH<sub>4</sub>
980
26
50
8
1
10
CH<sub>4</sub>
1195
27
50
8,4
1
10
CH<sub>4</sub>
1005
28
50
7
7
10
CH<sub>4</sub>
1516
29
50
7,5
7
10
CH<sub>4</sub>
2332
30
50
8
7
10
CH<sub>4</sub>
2504
31
50
8,4
7
10
CH<sub>4</sub>
2925
Таблица 1 иллюстрирует максимальную скорость прироста давления для тридцати одной серии экспериментальных примеров, которые были выбраны для вероятных и предложенных условий химического процесса для вышеописанной реакции получения оксида этилена, которая прежде всего включает реакцию химического окисления этилена кислородом. Конкретные условия процесса включают разные концентрации (т.е. измеряются в молярных процентах) реагирующего газа этилена, окисляющего газа кислорода, побочного продукта - диоксида углерода и газообразной примеси - аргона. В экспериментальном примере 1 и экспериментальном примере 2 балластный газ - азот был использован в качестве балласта для обеспечения 100 молярного процента тестируемой смеси. В экспериментальных примерах с 3 по 31 балластный газ - метан был использован в качестве балласта для обеспечения 100 молярного процента тестируемой смеси.
Другие постоянные параметры в серии из тридцати одного экспериментального примера до воспламенения включают: защитную оболочку реактора 20 (и содержащий реагирующие вещества) температура 250 градусов по Цельсию и защитную оболочку реактора 20 (и содержащий реагирующие вещества) общее давление на приблизительно 330 фунтов на квадратный дюйм выше атмосферного. Воспламенение каждой из предложенных смесей экспериментальных примеров в рамках каждого из экспериментальных примеров 1-31 было проведено с использованием в качестве источника искры запального устройства. Повышения давления были измерены в пределах интервала времени приблизительно от 2 до 3 секунд при использовании датчика давления 25. Максимальная скорость прироста давления для каждого из экспериментальных примеров 1-31 была определена как математическая асимптота.
Как свидетельствуют данные в таблице, использование азота в качестве балластного газа для реакции получения оксида этилена, по-видимому, в общем, приводит к более высоким скоростям прироста давления по сравнению с альтернативным видом использования метана в качестве балластного газа. Молекулярные основы для понимания данного наблюдения не известны, и по этой причине предположения по поводу первопричины такого наблюдения не предполагаются. Иначе, максимальные данные скорости прироста давления, которые иллюстрированы на Фиг.1, также, кажется, иллюстрируют зависимость максимальной скорости прироста давления от концентрации этилена, кислорода и углекислого газа, с особенно сильной зависимостью от концентрации кислорода.
Основываясь на вышеизложенных наблюдениях, можно было бы ожидать, что процесс производства оксида этилена, который безопасно осуществляется в рамках химического технологического оборудования, такого как химическое технологическое оборудование, которое проиллюстрировано на Фиг.1, может в целом соответствовать испытательному примеру 27, где высокая концентрация этилена и высокая концентрация кислорода, как можно ожидать, обеспечат высокий выход оксида этилена, а низкая концентрация побочного продукта углекислого газа обеспечивает сравнительно низкую максимальную скорость прироста давления.
Предпочтительное воплощение и экспериментальные примеры изобретения иллюстрируют изобретение, а не ограничивают изобретение. Изменения и модификации могут быть сделаны для конкретного химического технологического оборудования и конкретных химических процессов, которые должны в нем осуществляться, все еще обеспечивая способ безопасной эксплуатации химического технологического оборудования в соответствии с изобретением, кроме того, в соответствии с сопровождающей формулой изобретения.