Производство ацетальдегида

 

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:

G PdCl2 = G C2H4 = 1,786 кмоль/час

Тогда масса катализатора m

 

PdCl2 = G PdCl2 · M PdCl2 = 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·106.	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 ³⁰³( C2H4)=11,32 + 122,01·10^-3·303 – 37,9·10^-6·303² =44,81 кДж/кмоль

cp ³⁸³( C2H4)=11,32 + 122,01·10^-3·383 – 37,9·10^-6·383² =52,49 кДж/кмоль

cp ³⁰³( О2)=31,46 + 3,39·10^-3·303 – 3,77·10⁵·303^-2 =28,38 кДж/кмоль

cp ³⁸³( О2)=31,46 + 3,39·10^-3·383 – 3,77·10⁵·383^-2 =24,04 кДж/кмоль

cp ³⁸³( CH3СНО)=13,00 + 153,5·10^-3·383 – 53,7·10^-6·383² =80,46 кДж/кмоль

cp ³⁸³( CH3СООН)=14,82 + 196,7·10^-3·383 – 77,7·10^-6·383² =78,76 кДж/кмоль

cp ³⁸³( СО2)=44,14 + 9,04·10^-3·383 – 8,54·10⁵·383^-2 =41,78 кДж/кмоль

cp ³⁸³( Н2О)=30,00 + 10,71·10^-3·383 + 0,33·10⁵·383^-2 =34,36 кДж/кмоль

cp ³⁰³( N2)=27,88 + 4,27·10^-3·303 =29,17 кДж/кмоль

cp ³⁸³( 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 ³⁰³( C2H4) · Tн + G О2· cp ³⁰³( О2) · Tн + G N2 · cp ³⁰³( 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= Q^обркон – Q^обрисх

 

Теплота образования  конечных веществ:

 

Q^обркон = Σ(–ΔН°j) · Gnj

Q^обр C2H4 = –52,3 · 0,143 · 10³ = –7478,9 кДж/час

Q^обр CH3СНО = 166,00 · (1,316 + 0,163) · 10³ = 245 514 кДж/час

Q^обр CH3СООН = 434,84 · 0,049 · 10³ = 21307,2 кДж/час

Q^обр СО2 = 393,51 · 0,23 · 10³ = 90507,3 кДж/час

Q^обр Н2О = 241,81 · 0,23 · 10³ = 55616,3 кДж/час

 

Теплота образования  исходных веществ:

 

Q^обркон = Σ(–ΔН°i) · Gni

Q^обр C2H4 = –52,3 · 1,786 · 10³ = –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 = G C2H4· cp ³⁸³( C2H4) · Tк + G О2 · cp ³⁸³(О2) · Tк + G N2 · cp ³⁸³( N2) · Tк + G СО2 · cp ³⁸³( СО2) · Tк + G Н2О · cp ³⁸³(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) = [G C2H4· cp ³⁰³(C2H4) + G N2 · cp ³⁰³(N2) + G О2· cp ³⁰³( 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 Tustin Gerald Charles, Depew Leslie Sharon; Eastman Chemical Co. -- № 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
9. Реферативный журнал «Химия», 2003 №24. Превращение этиленгликоля до ацетальдегида – дегидратация или согласованный механизм. Ethyleneglycol to acetaldehyde – dehydration or a concered mechanism. Smith William B. (Department of Chemistry, Texas) Texas Christian University, Fort Worth, TX, 76129 USA Tetrahedron, 2002, 58 №11, с. 2091-2094
10. Реферативный журнал «Химия», 2003 №19 Селективное гидрирование уксусной кислоты в ацетальдегид на нанесённых на SBA-15 оксидах железа. Zhang Xue-Zheng, Yue Ying-Hong, Gao Zi Gaodeng xuexiao huahxun xuebao= Chem J. Chin. Univ. 2003 24, № 1, с 121-124
11. Реферативный журнал «Химия», 1998 №7 Влияние концентрации кислорода на выход ацетальдегида при окислении этанола в присутствии оксидов кальция и алюминия. Oxidation of concentration on acetaldehyde yield/Karafyllis J. Phillipponlos C. Grigoroponlon H.//Chem and Biochem – Eng., Quart – 1997 – 11, №3 – с. 121-125
12. Реферативный журнал «Химия», 2002 №2 Different mechanism for the formation of acetaldehyde and ethanol on the Rh-based catalysts. Wang Xi, Luo Hongyuan, Liang Dongbai, Bao Xinhe J Catal, 2000. 190 №1 с.46-55
13. Реферативный журнал «Химия», 2002 №6 Оптимизация процесса производства ацетальдегида. Wu Xuan-chun Nanjing huegong daxue xuebao= J. Nanjing Univ. Chem Technol. 2001 23, №4, с. 47-49
14. О. К. Бабакова, Ю.А. Писаренко, В.С. Тимофеев, А.С. Шувалов Разработка узла гидролиза производства ацетальдегида косвенной гидратацией ацетилена. 2002 Химическая промышленность с. 16-20
15. Краткий справочник по химии под ред. А. Т. Пилипенко, Киев: «Наукова думка», 1987
16. Петров А.А. , Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия: Учебник для ВУЗов.//Под ред. Стадничука М.Д. - 5-е изд., перераб. и доп. - СПб.: «Иван Фёдоров», 2002. - 624 с., ил.
17. Ахметов Н.С. Неорганическая химия. Учебное пособие для вузов. М., «Высшая школа», 1975
18. Физер Л., Физер М.Органическая химия. Углубленный курс. В 2-х т., Т.1/ Пер с англ. Под ред. Вульфсона - М. «Химия», 1966. - 680 с.
19. Краткий справочник физико-химических величин. Под ред. Равделя А.А., Пономарёвой А. М., - Спб.: «Иван Федоров», 1999
20. Попов Ю.В., Но Б.И. Инженерная химия: Учебное пособие / Волгоградский Государственный Технический Университет, Волгоград, 2003.
21. Хенреце-Оливе Г., Оливе С. Координация и катализ. М., «Мир», 1980
22. Краткий справочник физико-химических величин под ред. К.П. Мищенко и А.А. Равделя, Л.: Химия, 1974 г. – 200 стр.
23. Машины и аппараты химических производств: Примеры и задачи. Учеб. пособие для студентов втузов, обучающихся по специальности «Машины и аппараты химических производств» под ред. В.Н. Соколова – Л.: Машиностроение ,1982.