Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Разработка технологии гетерогенной реакции в системе газ-жидкость. Учебное пособие к лабораторному практикуму по общей химической технологии
.pdf
31
Рис.3.1. Схема установки окисления парафина кислородом воздуха до СЖК
1 – эл.двигатель; 2 – компрессор; 3 – ресивер; 4 – редуктор; 5 – реометр; 6 –
предохранительная склянка; 7 – понижающий трансформатор; 8 – термопара; 9 –
измеритель-регулятор; 10 – кран для отбора пробы газа; 11 – холодильник-конденсатор
(сборник масляного конденсата); 12 – реактор; 13 – кран для отбора масляного конденсата.
Главным элементом экспериментальной установки является реактор.
Реактор 12 представляет собой прямоточный колонный аппарат (D=40 мм, L=600-650
мм), снабженный электронагревом 13 и штуцерами для загрузки сырья и катализатора и
выгрузки продукта (оксидата), подачи воздуха и отбора проб. Пробоотборный кран 14
расположен на отметке 120 мм от низа реактора. Материал реактора – стекло – «пирекс», низ
выполнен из нержавеющей стали.
Распределение воздуха по сечению реактора обеспечивает нижняя часть аппарата,
выполненная в форме диффузора
3
. На высоте 70 мм имеется карман для установки
термопары 8. Изоляция низа колонны выполнена с помощью асбестовых нитей, между
3
Установка газораспределителя (барботера, ситчатой тарелки) нецелесообразна из-за малого диаметра колонны.
32
которыми проложена нихромовая проволока, подключенная с помощью понижающего
трансформатора 7 к сети. Воздух на установку подается компрессором 2 (двигатель 1) через
ресивер 3.
Для измерения расхода воздуха используется реометр 5, градуированный в л/мин.
После реометра во избежание выброса запорной жидкости (подкисленная серной кислотой
вода и подкрашенная метилоранжем) установлена предохранительная склянка 6.
Измерение и регулирование температуры в реакторе осуществляется с помощью
термопары (датчик) 8 и измеритель-регулятор 9.
Отработанный воздух (абгаз), содержащий пары летучих продуктов окисления, воды,
СО
, О2 и N2, проходит через холодильник-конденсатор 11 и сбрасывается в атмосферу
2
после водяной и щелочной промывок в скрубберах для удаления части
несконденсировавшихся продуктов окисления. Масляный конденсат накапливается в нижней
части 11.
3.3.2. Контроль параметров технологического режима
Данные по контролю и управлению технологическим процессом окисления
приведены в табл.3.5.
Таблица 3.5 - Контроль и управление технологическим процессом
Наименование стадии процесса,
место измерения параметров или
отбора проб
Стадия окисления
средняя секция реактора
на линии подачи воздуха
на линии абгаза реактора
пробный кран реактора
реактор
Стадия подготовки сырья
емкость для приготовления
сырьевой смеси
емкость для приготовления
катализатора
Контролируемый
параметр
Температура, оС
Объемная скорость
подачи воздуха, л/мин
Концентрация О
2
в
абгазе, % об.
Концентрация кислот
(кислотное число)
Высота пены, м
Массовое соотношение
свежий парафин :
возвратный парафин
(оксидат)
Концентрация катализатора, % мас. металла
катализатора в сырьевой
смеси
Методы испытания и
средства контроля и
управления
Электрический, термометр
сопротивления с реле или
термопара с регулятором
ЭРА-М
Газометрический, реометр
Селективная абсорбция
(газоанализатор ГХ-1),
хроматографический
(хроматограф ЛХМ-8МД)
или любой другой
Волюмометрический,
ГОСТ 23239-78
Метрический, мерная
шкала реактора
Весовой, технические весы
РН 3Ц13У
Весовой, аналитические
весы ВЛТЭ 150
33
окончание таблицы
емкость для приготовления
сокатализатора
Концентрация сокатализатора, % мас. металла
Весовой, аналитические
весы ВЛТЭ 150
сокатализатора в сырьевой смеси
3.3. 3. Аналитический контроль
Аналитический контроль за ходом процесса осуществляется по изменению состава
газовой и жидкой фаз. В газовой фазе определяют остаточное содержание О
и СО2 (% об.) с
2
помощью химического газоанализатора ГХ-1 или хроматографически, в жидкой фазе –
содержание свободных кислот (кислотное число, мг КОН/г). Методика анализа приведена в
ГОСТ 239-78
.3.4. Методика эксперимента (производственная инструкция)
3
• Проверить правильность сборки установки, закрыть пробоотборный кран,
краны на линиях выгрузки оксидата и масляного конденсата из скруббера и
открыть краны на линии абгаза;
• взять навеску парафина 150 г в фарфоровый или стеклянный стакан и
поставить плавиться на водяную баню;
• взять навеску катализатора в чашку Петри или кювету;
• включить электрообогрев реактора (температура 70-75оС). Установить на
термореле заданную температуру;
• при достижении 100оС включить подачу воздуха и установить с помощью
вентиля на линии воздуха по реометру заданный расход воздуха;
• при работающем компрессоре загрузить через верхний штуцер реактора
расплавленный парафин и окончательно скорректировать величину расхода
воздуха в соответствии с планом эксперимента;
• по достижении заданной температуры загрузить через верхний штуцер
реактора катализатор и считать этот момент началом реакции;
• через каждые 0,5 часа отбирать пробы оксидата и абгаза для определения
кислотного числа и концентрации О2 в абгазе. Перед отбором пробы замерить
высоту газо-жидкостного слоя на тарелке для расчета массообменных
характеристик реактора. Экспериментальные и расчетные данные занести в
таблицу;
• после окончания опыта открыть краны на линии выгрузки оксидата и
масляного конденсата и, взяв навески оксидата и масляного конденсата в 100
мл колбы, слить окисленный парафин и масляный конденсат во взвешенные
стакан и колбу емк. 100 мл, охладить стаканы с продуктами и взвесить их.
Проанализировать оксидат и слить его в эксикатор. Вымыть посуду и убрать
рабочее место;
• выключить электрообогрев и закрыть кран на линии воздуха.
ВНИМАНИЕ! Отработанный спирт после определения кислотного числа слить в
специальный сосуд. Посуду мыть горячей водой с содой или с
моющим средством. Воду после мытья слить в бутыль во избежание
засорения канализации застывающим парафином.
Экспериментальные и расчетные данные сводят в табл.3.6.
34
Таблица 3.6 - Экспериментальные и расчетные данные
Время
ления,
расход
пены
Н
щая сила
фициент
передачи
с
л
⋅
Определение
окис-
мин
кислотного числа
навес-
ка
окси-
дата, г
КОН,
мл
кислот-
число,
мгКОН
ное
л
, моль
RCOOH
[RCOOH], моль
r
г
0
30
60
…
3.3.4.1. Расчет навески катализатора
В качестве катализатора используют различные соединения марганца: KМnO
Mn-соли жирных или нафтеновых кислот.
Величину загрузки катализатора принято рассчитывать, исходя из концентрации
металла, считая на парафин.
Пример 1.
Загрузка парафина 150 г.
Катализатор KМnO
, 98%-ный.
4
Концентрация Mn в парафине 0,05%.
1. Количество Mn в парафине:
1,5.0,05=0,075 г
2. Массовая доля Mn в KМnO4:
55:(39+55+4
.
16)=0,348.
Здесь выражение в скобках молекулярная масса KМnO
3. Загрузка 98%-ного KМnO4:
0,075: (0,348.0,98)=0,31 г.
Пример 2.
Катализатор – соль Mn на основе кислот оксидата парафина.
Концентрация Mn в катализаторе, % 4.
1. Загрузка катализатора:
0,075:0,04=1,875 г.
л.с
Вы-
сота
Н, м
Кратность
Удель-
ная
повер-
хность
вспенивания,
2/м3
м
f,
4
).
Движу-
С
,
ср.
моль/л
Коэф-
массо-
К
,
м
м/с
Ско-
рость
массопе-
редачи
WО2,
моль
, MnO2,
4
На основании экспериментальных данных необходимо выполнить следующие
расчеты:
составить материальный баланс и рассчитать выход оксидата по парафину, а также
величину расходных коэффициентов по сырью (парафину и воздуху);
• рассчитать кислотное число оксидата и на его основе вычислить концентрацию
свободных жирных кислот [RCOOH];
• рассчитать скорость реакции образования кислот, rRCOOH;
• рассчитать скорость процесса массопередачи rО2 и некоторые массообменные
характеристики (Км, f, ∆С);
• получить математическую модель процесса в форме уравнения регрессии и
выполнить ее статистический анализ;
• выполнить оптимизацию модели с целью получения значений параметров
технологического режима (Т, Vо, Ск).
•
35
3.3.4.2. Материальный баланс процесса окисления парафина (табл.3.7)
⋅
⋅
⋅
Материальный баланс рассчитывают на основе схемы материальных потоков
реактора:
катализатор абгаз
парафин оксидат
воздух
масляный конденсат
Поскольку реактор окисления является проточным по воздуху, то концентрация
кислорода на входе
С
О
и на выходе
2
вх
С
О
из аппарата рассчитывают на основе
2
вых
показаний реометра и газоанализатора (прибора ГХ-1) или хроматографически.
Количество азота N
на входе и выходе не изменяется и составляет:
2
79,0
V
G
N
в
=
2
4,22
, г (30)
28
⋅
Количество кислорода на входе рассчитывается по уравнению:
21,0
G
Vв
=
O
2
вх
4,22
, г (31)
32
⋅
Количество кислорода в абгазе рассчитывается аналогично:
СVв
О
2
вых
, г (32)
32
⋅
4,22
Здесь V
– объем воздуха, пропущенный через реактор за время τок, л/мин; 0,79 –
в
G
=
O
2
вых
массовая доля азота в воздухе на входе в реактор; 28, 32 – молекулярная масса азота и
кислорода соответственно; СО
определяется экспериментально с помощью прибора
2вых.
ОРСа (ГХ-1) или хроматографически.
Результаты расчета материального баланса табулируют. Разница между статьями
прихода и расхода дает величину потерь.
Таблица 3.7 - Материальный баланс процесса окисления парафина
АСХОД
г
№№
п/п
1.
2.
3.
ПРИХОД Р
Наименование сырья Масса, г №№
Парафин
Катализатор
Воздух, в том числе:
кислород
азот
п/п
1.
2.
3.
4.
Наименование сырья Масса,
Окисленный парафин
Водномасляный конденсат
Абгаз, в том числе:
кислород
азот
Потери
ИТОГО: ИТОГО:
Выход оксидата η
исходного парафина G
рассчитывают из соотношения массы оксидата Gок к массе
ок
:
п
G
η
ок
ок
G
п
.
,%100⋅=
Для определения расходных коэффициентов по сырью (расход каждого виды сырья на
получение единицы массы продукта (КГ/КГ), необходимо найти массу полученных кислот
Gк. Значение Gк можно получить аналитически либо рассчитать из кислотного числа
36
оксидата. Поскольку при окислении парафина образуется смесь кислот различной
197
+
в
56
60
τ
⋅
∆
молекулярной массы, то количество кислот можно найти в пересчете на любую кислоту,
например, стеариновую, С17Н35СООН, по формуле:
оксидатачк
G
..
⋅=
гG
,
окк
.
Здесь 197 – число нейтрализации 1 г стеариновой кислоты. Тогда расходные
коэффициенты по парафину
ф
γ
п
и
ф
γ
будут равны соответственно
в
G
пф
ф
и
=
γ
п
G
к
=
γ
в
GG
G
к
вхNвхO
22
.
КГКГ
/,
Здесь индекс «ф» означает фактический расходный коэффициент.
3.3.4.3. Расчет кислотного числа оксидата
Кислотное число определяется количеством мг КОН, затраченным на нейтрализацию
кислот, содержащихся в 1 г оксидата.
Для определения кислотного числа (КЧ) в коническую колбу объемом 150 мл,
снабженную обратным холодильником, наливают 20 мл 96%-ного спирта и нагревают его до
кипения на водяной бане, нейтрализуют спирт 1-3 каплями 0,1 N спиртового раствора КОН
до слабо-розовой окраски по фенолфталеину. Нейтрализованный спирт затем переливают в
колбу с навеской оксидата (0,8-1 г) и снова нагревают колбу с обратным холодильником для
растворения навески. Горячий раствор титруют 0,1 N раствором КОН до получения
устойчивой розовой окраски. Кислотное число рассчитывают по формуле:
Та
КЧ /,
=
103⋅⋅
,
гмгКОН
где а – количество 0,1 N КОН, пошедшее на титрование навески оксидата в мл; Т – титр
раствора КОН, КОН/мл, в – навеска оксидата, г.
Концентрацию жирных кислот в оксидате определяют на основе кислотного числа,
используя уравнение нейтрализации; в этом случае на моль кислоты расходуется моль КОН:
RCOOH + KOH → RCOOK + H
O.
2
Тогда молярная концентрация кислоты:
RCOOH
КЧ
][
=
Здесь 56 – молекулярная масса КОН, ρ
ρ
ок
3−
10
⋅⋅
ок
.
лмоль
/,
– плотность оксидата, которую можно
вычислить из эмпирической зависимости:
ρок= 800+0,117 КЧ – 0,06(t-60), г/л,
где t – температура процесса, оС.
Скорость образования кислот в единице объема жидкой фазы рассчитывают по
формуле:
][
,./,
слмоль
где ∆[RCOOH]=[RCOOH
r
RCOOH
-RCOOH
кон
RCOOH
=
] – приращение концентрации кислот за время
нач
τ, моль/л.
Скорость поглощения кислорода оценивается количеством кислорода, поглощенным
в единицу времени единицей объема жидкой фазы:
G
O
r
=
О
2
2
60
МV
⋅⋅
τ
Ож
2
,./;
слмоль
37
Vρ=
=
−⋅=
τ
ρ
∆
=
ρ
к
ρ
ж
G
- объем парафина, загруженного в реактор, л;
п
п
– масса парафина, взятого на окисление, г;
п
где
масса кислорода; G
масса кислорода, вступившего в реакцию, г; ρ
воздухе и абгазе (об.доли).
Из уравнения скорости массопередачи
массопередачи К
движущую силу процесса ∆С
, предварительно определив удельную поверхность межфазного обмена f и
м
.
ср.
Средняя движущая сила массообменного процесса рассчитывается по уравнениям:
а) при
б) при
С
н
2<
С
=∆
С
к
С
н
2>
С
к
ср
С
=∆
ср
СС
+
2
СС
−
C
lg3,2
О
кн
2
;
⋅
М
О
2
, моль/л.
О
кн
2
⋅
М
н
О
2
С
Удельную поверхность межфазного обмена, создаваемую 1 м
рассчитывают по формуле:
Н
ц
-
Н
=
h
0
кратность вспенивания парафина; Н
цилиндрической части реактора; Н
слоя парафина в реакторе
где
D –
внутренний диаметр реактора
h0
6
f
d
ср
=0,023+
где
dср =0,003 м –
),1(
−= Н
Н
–
ц
вычисляют по формуле
V
ж
h
=
0
785,0
, D =0,037 м.
Полученные значения используют для расчета коэффициента массопередачи
К
=
м
- молекулярная
М
=1,427 кг/м3; Сн, Ск – содержание О2 в
О2
можно рассчитать коэффициент
CfКr
2
срмО
32
О
2
22
3
жидкости,
СCVG
средний диаметр пузырьков
–
ц
высота газожидкостного слоя в
общая высота пены, м. Высоту исходного
:
3
−
10
⋅
⋅
,
м
,
2
D
:
r
О
2
Cf
∆
cр
.
см
/,
-
)(
кнiОгО
;
3.4. Техника безопасности при выполнении работы
Лабораторный практикум в учебной лаборатории связан с применением горючих
материалов, химических реактивов, вызывающих отравления и ожоги. Многие работы
представляют электроопасность, поэтому студенты, находящиеся в лаборатории, должны
строго выполнять следующие правила работы
-
при
всех работах соблюдать осторожность, внимательность и аккуратность, помня
:
что несоблюдение правил техники безопасности может повлечь за собой
несчастный случай
-
лабораторные
прописями после инструктажа, полученного от преподавателя
-
все
работы с веществами, выделяющими вредные пары и газы, проводить только в
вытяжном шкафу
-
на
рабочем месте должны быть только необходимые для данной работы реактивы
и посуда
-
работающую
;
находиться только лица, работающие на ней
;
работы следует проводить только в соответствии с руководствами и
;
;
установку не оставлять без наблюдения. Около установки должны
;
,
38
-
запрещается
загрязненные парафином, сливать их в специально предназначенные для слива
емкости
-
по
окончании работы убрать со стола все вещества и посуду, закрыть воду
выключить газ, все приборы и сдать рабочее место лаборанту
-
при
-
в
-
работающие
-
при
-
при
-
при
-
при
-
при
-
при
-
термические
-
при
аварийном состоянии оборудования прекратить его эксплуатацию и поставить
немедленно в известность преподавателя и лаборанта
случае возникновения пожара отключить электрообогрев аппарата. Тушение
производить песком, асбестовым одеялом или углекислотным огнетушителем
работе на установке
что парафин
при загрузке парафина в колонку, избегать разлива по стенке колонки
Расплавлять парафин только на водяной бане. При загорании колонки отключить
ее обогрев и подачу воздуха. Колонку закрыть асбестовым одеялом. Загоревшийся
парафин тушить песком. Особую осторожность соблюдать при отборе проб
оксидата, так как горячий оксидат вызывает сильные термические ожоги
анализе газов на приборе ОРСа необходимо учесть, что поглотителями
являются концентрированные растворы едкой щелочи
попадании на кожу оксидата смыть их водой с мылом или другим моющим
средством
попадании кислоты на кожу быстро промыть пораженный участок большим
количеством проточной воды, а затем обработать
соды
;
попадании щелочи на кожу промыть пораженный участок большим
количеством проточной воды, а затем обработать
кислоты
попадании кислот и щелочей в глаза быстро промыть их проточной водой и
обратиться к врачу
и ссадины обработать
легком отравлении газом или парами нефтепродуктов вывести пострадавшего
на свежий воздух и дать молоко. В более тяжелых случаях применить
искусственное дыхание
выливать в раковину кислоты, щелочи, нефтепродукты и воды
;
;
;
у
установок должны быть в халатах
«
Окисление парафинов до СЖК» необходимо помнить
–
горючий продукт, поэтому необходимо соблюдать осторожность
;
;
;
2%-
ным раствором питьевой
5%-
ным раствором борной
;
;
ожоги обрабатывать
5%-
ным раствором йода с наложением повязки
5%-
ным раствором перманганата калия, порезы
.
;
;
,
,
;
,
.
БИБЛИОГРАФИЯ
1.
Иванов В.Г
технология. Введение в теорию химико-технологических систем. Ч
КГТУ
2.
проектированию
Ю.И.Дытнерского
3.К.
технологических процессов. М
4.
, 2011.-464 с.
Основные процессы и аппараты химической технологии
Хартман, Э.Лецкой, В.Шефер. Планирование эксперимента в исследовании
Митропольский А.К
.,
Кузнецова И.М
/Г.С.
Борисов, В.П.Брыков, Ю.И.Дытнерский и др. Под ред
. 3-е
изд.стереотипное. М
.
Техника статистических вычислений. М
.,
Харлампиди Х.Э. и др. Общая химическая
.:
Пособие по
.:
.:
Мир
ОООИД «Альянс
, 1977.
», 2007. – 496 с.
. :
Наука
576 с.
.I,
Казань
, 1971.-
.
.
39
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ПОРЯДОК ОФОРМЛЕНИЯ ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ
Отчет о проделанной работе оформляется в соответствии с ГОСТ
Структурные элементы отчета
Структурными элементами отчета о УИР являются
Отчет должен содержать
-
титульный
-
список
-
реферат
-
содержание
нормативные
-
-
определения
-
обозначения
-
введение
-
основная
-
заключение
-
список
-
приложения
лист
;
исполнителей
;
;
ссылки
;
и
сокращения
;
часть
;
;
использованных источников
.
:
:
;
;
;
;
7.32-2001.
Обязательные структурные элементы выделяются полужирным шрифтом
.
40
Пример оформления титульного листа
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«
КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
»
О Т Ч Е Т
об учебно-исследовательской работе
по теме:
«МОДЕРНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА СИНТЕТИЧЕСКИХ ЖИРНЫХ
КИСЛОТ»
Руководитель темы _______________
(подпись, дата)
ЗАНЬ 2011
КА
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]