Получение уксусной кислоты (стр. 8 из 9)
GN2= Gвозд·0,79=360,6·0,79=284,45 м³/час (12,698 кмоль/час; 355,54 кг/час)
кислорода:
GО2= Gвозд·0,21=360,6·0,21=75,61 м³/час (7,367 кмоль/час; 108,02 кг/час)
6. Кислород, расходуемый на химические реакции:
на реакцию (1):
G(1)О2= (ν О2/ ν CH3СНО ) ·G' CH3СНО=(1/2) ·1,479= 0,739 кмоль/час (23,65 кг/час)
на реакцию (2):
G(2)О2= (ν О2/ ν C2H4 ) ·GC2H4=(1\1) ·0,049=0,049 кмоль/час (1,57 кг/час)
на реакцию (3):
G(3)О2= (ν О2/ ν C2H4 ) ·GC2H4=(3\1) ·0,115=0,345 кмоль/час (11,04 кг/час)
Расход
1. Непрореагировавший кислород:
G'О2= GО2 – (GО2+ GО2+ GО2) = 108,03 – (23,65 – 1,57 – 11,04)=71,77 кг/час (2,243 кмоль/час)
2. Количество СН3СНО:
GCH3СООН = (ν CH3СООН/ ν C2H4 ) GC2H4= (1/1) ·0,049 кмоль/час (2,95 кг/час)
3. Количество СО2:
GCО2 = (ν CО2/ ν C2H4 ) GC2H4=(2/1) · 0,115= 0,230 кмоль/час (10,12 кг/час)
4. Количество Н2О:
GН2О = (ν Н2О/ ν C2H4 ) GC2H4=(2/1) · 0,115= 0,230 кмоль/час (4,14 кг/час)
Полученные данные сведём в таблицу материального баланса:
Приход:
| Состав сырья | Кг/час | %,масс | Кмоль/час | %, моль | м³/час | %, об. |
| С2Н4 | 50 | 9,7 | 1,786 | 10 | 40,0 | 10 |
| N2 | 355,54 | 69,2 | 12,698 | 71,1 | 284,45 | 71,1 |
| O2 | 108,03 | 21,1 | 3,376 | 18,9 | 285,61 | 18,9 |
| Итого | 513,57 | 100 | 17,86 | 100 | 400,06 | 100 |
Расход:
| Состав реакц. смеси | Кг/час | %,масс | Кмоль/час | %, моль | м³/час | %, об. |
| С2Н4 | 4,00 | 0,8 | 0,143 | 0,8 | 3,1 | 0,8 |
| N2 | 355,54 | 69,2 | 12,698 | 74,4 | 284,48 | 74,4 |
| O2 | 71,77 | 14,0 | 2,243 | 13,1 | 50,2 | 13,1 |
| СН3СНО | 57,90 | 11,2 | 1,316 | 7,7 | 29,5 | 7,7 |
| потери СН3СНО | 7,18 | 1,4 | 0,163 | 0,9 | 3,6 | 0,9 |
| СН3СООН | 2,93 | 0,6 | 0,049 | 0,3 | 1,1 | 0,3 |
| СО2 | 10,12 | 2,0 | 0,230 | 1,4 | 5,1 | 1,4 |
| Н2О | 4,14 | 0.8 | 0,230 | 1,4 | 5,1 | 1,4 |
| Итого | 513,58 | 100 | 17,072 | 100 | 382,15 | 100 |
Массовые потоки приходной и расходной части совпадают, следовательно материальный баланс составлен верно.
5.2 Расчет параметров реактора
Определим количество катализаторного раствора, необходимое для окисления 50 кг/час этилена. Согласно литературным данным катализаторный раствор содержит 0,3 – 0,5 % PdCl2. Примем содержание PdCl2 равным 0,5 %.
Согласно стехиометрии реакции:
CH2=CH2 +PdCl2 + H2O
CH3CHO + Pd + 2HCl;количество вещества PdCl2 равно:
GPdCl2 = GC2H4 = 1,786 кмоль/час
Тогда масса катализатора m
PdCl2 = GPdCl2 · MPdCl2 = 1,786 · 177 = 316,12 кг/час
Расход катализаторного раствора:
mр = 316,2 · 100/0,5 = 63224,4 кг/час
Плотность раствора 1281,6 кг/м³ [22, с. 106], тогда объёмный расход катализаторного раствора:
Gkt = mр/ρ = 63224,4/1281,6 = 49,33 м³/час
Коэффициент газонасыщения: k = GC2H4/ Gkt = 40/49,33 = 0,81 м³/м³
Пользуясь методикой для расчёта барботажных колонн [23, с. 265], рассчитаем параметры реактора.
Диаметр барботажной колонны:
D = 4Vг/πωг,
где ωг – приведённая скорость (ωг 0,1), примем ωг = 0,01
Vг – расход барботирущего газа, приведённый к рабочим условиям
Vг = Vг,0 TрP0/T0Рр = (40/3600) · (383/298) · (0,1/1,0) = 1,43 · 10-3 м³/с
D = 4 · 1,43 · 10-3/(3,14 · 0,01) = 0,43 м
Примем D = 0,5 м, действительная скорость газа в колонне составит:
ωг =4Vг/πD2 = 4 · 1,43 · 10-3/(3,14 · 0,52) = 0,007 м/с
Плотность этилена при рабочих условиях:
ρ C2H4 = ρ C2H4,0 T0Pр/TрР0 = 1,26 · (298/383) · (1,0/0,1) = 9,80 кг/м3
Объёмное газосодержание системы
φг = 0,4(ρг/ ρж) 0,15 [ωг Δρ/σg ] 0,68 =
0,4 · (9,8/ 1281,6) 0,15 [0,007 · 1272,8/58,6 · 10-3 · 9,8] 0,68 = 0,024
Высота газожидкостной смеси:
Hсм = (Vж – Vдн)4/[ πD2a(1 – φг)]
где Vж – объём жидкости в колонне
Vдн – объём днища
a – коэффициент, учитывающий заполнение колонны
Hсм = (1 – 0,1) · 4/[ 3,14 · 0,52 · 0,9(1 – 0,024)] = 5,2 м
Общая высота колонны:
Hк = Hсм + hц + Hсеп + 2hдн = 5,2 + 0,1 + 0,5 + 2 · 0,3 = 6,4 м
где hц – расстояние от барботёра до днища колонны,
Hсеп – высота сепарационной части колонны,
Hдн – высота крышки днища.
5.3 Определение тепловой нагрузки на реактор
Примем температуру реакции Tк =110°С, а температуру исходных веществ Tн = 30°С.
Для расчёта теплоёмкостей веществ при температуре реакции и начальной температуре веществ-участников реакции воспользуемся уравнениями вида сp=a + bT + cT² + c' T‾². Согласно справочным данным [19] соответствующие коэффициенты в уравнении для веществ будут равны:
| Вещество | a | b·10³ | c·10. | c´·10-5. |
| С2Н4 | 11,32 | 122,01 | –37,9 | – |
| O2 | 31,46 | 3,39 | – | –3,77 |
| СН3СНО | 13,00 | 153,5 | –53,7 | – |
| СН3СООН | 14,82 | 196,7 | –77,7 | – |
| СО2 | 44,14 | 9,04 | – | –8,54 |
| Н2О | 3,00 | 10,71 | – | 0,33 |
| N2 | 27,88 | 4,27 | – | – |
Рассчитаем теплоёмкости исходных веществ и продуктов реакции при заданных температурах:
cp( C2H4)=11,32 + 122,01·10-3·303 – 37,9·10-·3032 =44,81 кДж/кмоль
cp8( C2H4)=11,32 + 122,01·10-3·383 – 37,9·10-·3832 =52,49 кДж/кмоль
cp( О2)=31,46 + 3,39·10-3·303 – 3,77·105·303-2 =28,38 кДж/кмоль
cp8( О2)=31,46 + 3,39·10-3·383 – 3,77·105·383-2 =24,04 кДж/кмоль
cp8( CH3СНО)=13,00 + 153,5·10-3·383 – 53,7·10-·3832 =80,46 кДж/кмоль
cp8( CH3СООН)=14,82 + 196,7·10-3·383 – 77,7·10-·3832 =78,76 кДж/кмоль
cp8( СО2)=44,14 + 9,04·10-3·383 – 8,54·105·383-2 =41,78 кДж/кмоль
cp8( Н2О)=30,00 + 10,71·10-3·383 + 0,33·105·383-2 =34,36 кДж/кмоль
cp0( N2)=27,88 + 4,27·10-3·303 =29,17 кДж/кмоль
cp8( N2)=27,88 + 4,27·10-3·383 =29,51 кДж/кмоль
Приход тепла
1. Тепло, приходящее с исходными веществами:
Qисх. в-в = ΣGni · cpi · Tн = G C2H4· cp ( C2H4) · Tн + G О2· cp ( О2) · Tн + G N2 · cp 0( N2) · Tн =
=1,786 ·44,81· 303 + 3,376· 28,38· 303 + 12,698· 29,17· 303 = 165511,4 кДж/час
2. Тепло химических реакций:
Qр= Qобркон – Qобрисх
Теплота образования конечных веществ:
Qобркон = Σ(–ΔН°j) · Gnj
QобрC2H4 = –52,3 · 0,143 · 10 = –7478,9 кДж/час
QобрCH3СНО = 166,00 · (1,316 + 0,163) · 10 = 245 514 кДж/час
QобрCH3СООН = 434,84 · 0,049 · 10 = 21307,2 кДж/час
Qобр СО2 = 393,51 · 0,23 · 10 = 90507,3 кДж/час
Qобр Н2О = 241,81 · 0,23 · 10 = 55616,3 кДж/час
Теплота образования исходных веществ:
Qобркон = Σ(–ΔН°i) · Gni
QобрC2H4 = –52,3 · 1,786 · 10 = –93407,8 кДж/час
Qр=495465,9 – (– 93407,8 ) =498873,3 кДж/час
3. Тепло фазовых переходов.
В условиях реакции фазовых переходов продуктов реакции и реагентов не происходит.
4. Итого, приход тепла:
Qприх = Qисх. в-в + Qр = 165511,4 + 498873,7 = 664385,1 кДж/час
Расход тепла
1. Тепло, уносимое из реактора продуктами реакции и непрореагировавшими веществами:
Qпрод= ΣGnj· cpj · Tк = GC2H4· cp8( C2H4) · Tк + G О2 · cp8(О2) · Tк + GN2 · cp8( N2) · Tк + G СО2 · cp8( СО2) · Tк + G Н2О · cp8(Н2О) · Tк = (0,143·52,49 + 2,243·24,04+ 12,698·29,51 + 0,23·41,78 + 0,23·34,36)·383 = 173751,0 кДж/час
2. Тепло, затрачиваемое на подогрев исходных реагентов:
Qнагр = ΣGni· cpi · (Tк – Tн) = [GC2H4· cp(C2H4) + GN2 · cp0(N2) + G О2· cp( О2)]· (Tк – Tн) = (1,786·44,81 + 12,698·29,17 + 3,376·28,38) · (383 – 303) = 43699,4 кДж/час
3. Потери тепла:
Δ Q= 0,04·Qприх = 0,04·664385,1 = 26575,4 кДж/час
4. Тепловая нагрузка:
QF = Qприх – Qпрод – Qнагр – Δ Q = = 664385,1– 173751,0 – 43699,4 – 26575,4 = 420 359,3 кДж/час
Таблица теплового баланса:
| Приход тепла | кДж/час | % | Расход тепла, кДж/моль | кДж/час | % |
| Тепло, приходящее с исходными веществами Qисх.в-в | 165511,4 | 24,9 | Тепло, уносимое из реактора продуктами реакции Qпрод | 173751,0 | 26,1 |
| Тепло химических реакций Qр | 498873,7 | 75,1 | Тепло, затрачиваемое на подогрев исходных реагентов Qнагр | 43699,4 | 6,6 |
| Тепло фазовых переходов | – | – | потери Δ Q | 26575,4 | 4,0 |
| Тепловая нагрузка QF | 420 359,3 | 63,3 | |||
| Итого | 664385,1 | 100 | Итого | 664385,1 | 100 |
Поверхность реактора:
Примем разность температур реакционной массы и теплоносителя равной Δtср = 50 К, коэффициент теплопередачи k = 150 вт/м2·К , тогда площадь поверхности реактора составит
F = QF/(k· Δtср) = (420 359,3 · 1000)/(150 · 50 · 3600) = 15,57 м2
Список литературы
1. Соколов Р.С. Химическая технология в 2-х т.: Учебное пособие для вузов Т.2:Металлургические процессы. Переработкам химического топлива. Производство органических веществ и полимерных материалов. - М. «Владос», 2000 - 447 с.
2. Химическая энциклопедия: в 5 т., Т.1 под ред. Кнукянц И.Л., М: Советская энциклопедия, 1988 - 623 с.
3. Тимофеев В.С., Серафимов Л.А. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза: Учеб. Пособие для вузов - 2-е изд., перераб. - М.: Высш. шк., 2003. - 536 с.
4. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического синтеза. - М. Химия, 1988, 582 с.
5. Юкельсон И.И. Технология основного органического синтеза. - М. Химия, 1968 - 848 с.
6. Паушкин Я.Н., Адельсон С.В., Вишнякова Т.П. Технология нефтехимического синтеза. В 2-х ч. Ч.1 Углеводородное сырьё и продукты его окисления. - М.: «Химия», 1973 - 352 с
7. Реферативный журнал «Химия», 1999 №9 Патент 5679870 США МПК6 С07С45/00 TustinGeraldCharles, DepewLeslieSharon; EastmanChemicalCo. -- № 619385; Заявл 21.3.96.; Опубл. 21.10.97; НПК 568/489
8. Реферативный журнал «Химия», 2000 №13 Патент 23981 Украина МПК6 С07С47/06 Осiйський Едуард Йосипович, Гомонал Василь Iванович: Ужгород, держ. цн-т – № 961124485. Заявл. от 02.12.1996. Опубл. 31.08.1998 Бюл. №20