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.

 

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

cp ^8( 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

cp ^8( О2)=31,46 + 3,39·10^-3·383 – 3,77·10⁵·383^-2 =24,04 кДж/кмоль

cp ^8( CH3СНО)=13,00 + 153,5·10^-3·383 – 53,7·10^-·383² =80,46 кДж/кмоль

cp ^8( CH3СООН)=14,82 + 196,7·10^-3·383 – 77,7·10^-·383² =78,76 кДж/кмоль

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

cp ^8( Н2О)=30,00 + 10,71·10^-3·383 + 0,33·10⁵·383^-2 =34,36 кДж/кмоль

cp ^0( N2)=27,88 + 4,27·10^-3·303 =29,17 кДж/кмоль

cp ^8( 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= Q^обркон – Q^обрисх

 

Теплота образования конечных веществ:

 

Q^обркон = Σ(–ΔН°j) · Gnj

Q^обр C2H4 = –52,3 · 0,143 · 10^ = –7478,9 кДж/час

Q^обр CH3СНО = 166,00 · (1,316 + 0,163) · 10^ = 245 514 кДж/час

Q^обр CH3СООН = 434,84 · 0,049 · 10^ = 21307,2 кДж/час

Q^обр СО2 = 393,51 · 0,23 · 10^ = 90507,3 кДж/час

Q^обр Н2О = 241,81 · 0,23 · 10^ = 55616,3 кДж/час

 

Теплота образования исходных веществ:

 

Q^обркон = Σ(–ΔН°i) · Gni

Q^обр C2H4 = –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 = G C2H4· cp ^8( C2H4) · Tк + G О2 · cp ^8(О2) · Tк + G N2 · cp ^8( N2) · Tк + G СО2 · cp ^8( СО2) · Tк + G Н2О · cp ^8(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 ^(C2H4) + G N2 · cp ^0(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 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.