конструктивный расчет ректификационной колоны

Это объясняется тем, что реакция восстановления перечисленных соединений дает карбонильные соединения. В таком случае, необходимо заведомо определить концентрацию соответствующих пероксидов, для того чтобы рассчитать содержание карбонильных продуктов. Следует отметить, что суммарная погрешность определения карбонильных соединений, естественно, возрастает; при определении 1,2-циклогександиона в окисленном 2- гидроксициклогексанонеsr составляет 0,08–0,11 (n=8, P=0,95).Как уже упоминалось ранее, главной проблемой при идентификации карбоновых кислот, сложных эфиров и лактонов в составе продуктов окисления методом ГЖХ, является реакция распада пероксидов, в результате которой образуются дополнительные компоненты. Еще одним методом устранения влияния данного аспекта, является переход кислот в их производные, такие как метиловые эфиры и др. Это решение достигается путем процесса этерификации аналитовдиазометаном (или другими диазоалканами) при 20°. Далее осуществляется разрушение избытка реагента путем введения отсутствующей в аналите кислоты. В результате такой операции метиловые эфиры кислот не образуются из α-ацилоксигидропероксида.Пероксикислотыв результате воздействия на нихдиазометан теряют активный кислород и преобразуются в метиловые эфиры карбоновых кислот. Отсюда следует, чтопероксикислоты определяются совместно с соответствующими карбоновыми кислотами и это обстоятельство необходимо учитывать при расчете содержания последних, например, в окисленных дибензилкетоне, циклогексаноне, бензилбензоате, каприловом и бензойном альдегидах.2 Технологическая часть2.1 Характеристика сырья и готовой продукцииВ процессе гидрирование бензола образуется циклогексан, который выпускается по ГОСТ 14198-78. Циклогексан – представляет собой бесцветную легковоспламеняющуюся жидкость с характерным запахом, похожим на моющее средство, напоминающим моющие средства (в которых он иногда используется).Таблица 2 - Характеристика циклогексанаНаименование регламентируемогопоказателяНормаПлотность (t=20 ºС)778,5 кг/м3Tкип.+80,7 ºСTпл.6,2-6,6 ºСМолекулярная масса84,16Растворимостьвпри 58 ºС0,035%Растворимостьв при 19ºС0,01%Азеотропнаясмесь(91%+9%)Tкип. = 68,95 ºС.Циклогексанола являетсяорганическимсоединениемсформулойHOCH (CH2)5.Молекула связана с циклогексановымкольцом путем замены одного атома водорода на гидроксильную группу. Это соединение существует в виде распущенного бесцветного твердого вещества с камфороподобным запахом, которое, будучи очень чистым, плавится при комнатной температуре.Таблица 3 - Характеристика циклогексанолаНаименование регламентируемого показателяНормаПлотность (t=25 ºС)947 кг/м3Tкип.162,3 ºСTпл.+26 ºСTвсп.+65 ºСМолекулярная масса100,16Растворимость в при 11ºС5,65%Растворимость в при 11ºС11,27%Азеотропнаясмесь(29,6%+70,4%)Tкип. = 97,8 ºС.Циклогексанон представляет собойорганическое соединениес формулой(CH2)5CO.Молекула состоит из шестиуглероднойциклической молекулыскетоннойфункциональной группой. Это бесцветное соединение которое имеет запах, напоминающий запах ацетона. Со временем образцы циклогексанона приобретают желтый цвет. Циклогексанон мало растворим в воде и смешивается с обычными органическими растворителями.Таблица 4 - Характеристика циклогексанонНаименование регламентируемогопоказателяНормаПлотность (t=20 ºС)945,5 кг/м3Tкип.+153,8 ºСTпл.41,1 ºСМолекулярная масса98,14Tсамовоспламенения495 ºСПДК30,0 мг/м32.2 Описание технологическойсхемыЦиклогексанонсинтезируют из циклогексанола путемокислительного дегидрирования или каталитическим дегидрированием. Помимо целевой реакции происходит дегидратация циклогексанола в циклогексен, разложение циклогексанола на углерод, водород и воду.Схема синтеза циклогексанона путем окислительного дегидрирования представлена на рисунке 1.Циклогексанол-ректификат (99,9% -ный) под давлением азота 0,01-0,015 МПа нагнетается через фильтр 3 в подогреватель 4 типа "труба в трубе", где нагревается до 100-110°С. Далее в испарительно-подогревательной системе, состоящей из трубчатых аппаратов 5, 6 и 7, происходит испарение циклогексанола и перегрев его паров до 430-450°С. Перегретые пары поступают в трубы контактного аппарата 8, заполненные цинк-железным катализатором. Содержание в катализаторе 8-11% железа позволяет достичь максимальную степень конверсии цпклогексанола, равную 82-93%. Процесс протекает при 410-420 °С и объемной скорости подачи спирта 0,5-1ч.По выходе из контактного аппарата продукты реакции поступают в конденсатор 11 и далее в сепаратор 12, где конденсат (циклогексанон-сырец) отделяется от водорода. Примерный состав циклогексанона-сырца (в%):Циклогексанол80-81Продукты уплотнения 1 - 1,1Циклогексанол17--18Циклогексен0,5-0,6Вода 0,2-0,3Циклогексанол-сырец подвергают ректификации, а водород после очистки используют для гидрирования фенола в циклогексанол.Для обогрева контактной системы в нижней части топки 9 сжигают топливный газ (метан). Для поддержания температуры топочного газа, равной 500-550 °С, его смешивают с возвратным топочным газом из борова. Газ, имеющий такую температуру, проходит в межтрубном пространстве контактного аппарата прямотоком к парам циклогексанола, движущимся по трубкам с катализатором. Топочные газы, выходящие из контактного аппарата при 430-480°С, используются для обогрева испарительно-перегревательной системы (аппараты 5, 6 и 7). Далее часть топочных газов, имеющих температуру 340-300°С, выпускают в атмосферу, а остальной газ с помощью ротационной газодувки1 подают на смешение с продуктами сгорания топливного газа в верхнюю часть топки 9.Рисунок 1. Технологическая схема процесса получения циклогексанона дегидрированием циклогексанола:1 - ротационная газодувка;2 - насос;3 - фильтр;4 - подогреватель;5, 6 - испарители;7 - перегреватель;8 - контактный аппарат;9 - топка;10 - воздуходувка;11 - конденсатор;12 - сепаратор.3 РАССЧЕТНАЯЧАСТЬ3.1 Материальный потокРисунок 1 – Схема материальных потоковДля расчета материального баланса принимает три реактора, как один общий. Три принимаемых аппарата дегидрирования для синтеза циклогексанона работают по последовательной схеме.3.2 Расчет материального балансаИсходные данные:Подается циклогексанола – ректификата 5707,76 кг/ч Степень превращения: 75%Выход циклогексанона: 96% Целевая реакция:Побочные реакции:Состав циклогексанона, %масс.–циклогексанон 98;–примеси 2;(4)(5)(6)Найдем массу прореагировавшего циклогексанола:5707,76 х 0,75 = 4280,82 кг/чНа образование циклогексанона пошло количество циклогексанола:4280,82 х 0,98 = 4195,2036 кг/чМолярные массы веществ:n()=100 кг/кмоль n() = 98кг/кмольn() = 82 кг/кмольn() =94кг/кмольn()=2 кг/кмольn(циклогексанола)=4195,2036 х 100 = 41,95 кмоль/чВ стехеометрическомуравнении реакции количество всех реагентов равны между собой, тогда n(циклогексанола)=n(циклогексанона)=n(водорода) Масса образовавшегосяциклогексанона:41,95 x 98 = 4111,1 кг/чМасса образовавшегося водорода:41,95 х 2 = 83,9 кг/чМассациклогексанола,котороепошлонаобразованиепобочных продуктов:4280,82 - 4195,2036 = 85,6164 кг/чМолярная масса всех побочных продуктов = 200 кг/кмольНаходим массу образовавшегося фенола:85,6164 – 200Х – 94Х = 40,24 кгМасса образовавшегося циклогексена: 85,6164 - 200Х – 82 Х=35,10 кг Масса образовавшейся воды:85,6164 – 200Х – 18 Х=7,71 кгМасса образовавшегося водорода:85,6164 – 200Х – 6Х=2,57 кгМасса непрореагировшегоциклогексанола:5707,76 - 4280,82 = 1426,94 кг/чТаблица 5 –Таблица материального балансаПриходРасходВеществокг/чВеществокг/чЦиклогексанол5707,76Циклогесанол1426,94Циклогексанон4195,2 Фенол40,24Циклогексен35,10Вода7,71Водород2,57Итого:5707,76Итого:5707,763.3 Расчет теплового(энергетического) балансаВ таблице 7 представлены термодинамические величины веществ, участвующих вреакции дегидрирования.Таблица 7 – Термодинамические величины. [24]ВеществоΔH°298,кДж/мольS°298,Дж/моль*градТеплоемкость, Дж/моль* градКоэффициенты уравненияС°р=(Т)a-230,1330,527,32227,86--25,4-241,81188,7230,0010,7710,33--294,21-13,26721,9--408,90103,627,283,260,502-Температура на входе 200°С = 473КТеплоемкость при постоянном давлении рассчитывается по формуле:- для неорганическихвеществ- для органическихвеществПоток Q1––Уравнение теплового баланса выглядит следующим образом:Где–,–,котороенеобходимо подвести,–;Физическое тепло реагентов рассчитывается по формуле:Поток Циклогексен и фенол не учитываем в расчете, так как их содержание составляет менее 1%.Процесс дегидрирования проходит в интервале температур 237-250°С. Температуру в зоне реакции примем 240°С (513К).Тепловой эффект реакции при стандартных условиях вычисляем по формуле:При более высоких температурах:–)Количество тепла, которое выделяется или поглощается в результате химической реакции:–––Тепловой эффект реакции при 240°С на 53,06 кмольПредполагая,чтотемпературавзонереакции240°С,находим соответствующиетеплоемкости––Физическое тепло продуктов рассчитывается по формуле:–Полученные значения запишем в таблицу 8. Таблица 8 - Таблица теплового баланса в кВтПриходРасходПотоккВтПотоккВт(циклогексанол)2188,44(реакционные газы)2682,91Qподвод494,47Общее2682,91Общее2682,913.4 Конструктивный расчетРассчитаем диаметры основных штуцеров, через которые проходят известные по величине материальные потоки, а именно: штуцер подачи исходной смеси, штуцеры выхода паров из колонны, штуцер выхода кубового остатка.Независимо от назначения штуцера его диаметр рассчитывают из уравнения расхода:, (2.1)где V – объёмный расход среды через штуцер, м3/с;  – скорость движения среды в штуцере, м/с; ; Штуцер подачи исходной смеси(2.2),при ;,.Принимая XF=1,5м/с, получим:.Стандартный размер трубы для изготовления штуцера по ГОСТ 9941-62, 70x3 (внутренний диаметр dвн=70-3·2=64мм).Скорость движения питательной смеси в штуцере: , (2.3).Штуцер подачи флегмы: , (2.4)При .Принимаем XR=1,0м/с,Тогда Стандартный размер трубы для изготовления штуцера по ГОСТ 9941-62, 70x3 (внутренний диаметр dвн=70-3·2=64мм).Скорость движения флегмы в штуцере:(2.5)Штуцер выхода кубового остатка:, (2.6)При плотность воды ..Принимаем XW=0,5м/с,Тогда .Стандартный размер трубы для изготовления штуцера по ГОСТ 9941-62, 95x4 (внутренний диаметр dвн=95-4·2=87мм=0,087м)Скорость движения кубового остатка в штуцере:.Штуцер выхода паров из колонны:, (2.7).Определяем среднюю плотность пара для верхней и нижней части колонны:, (2.8).Принимаем у=25 м/с..Выбираем стальную электросварную прямошовную ГОСТ10704-81 630х16, внутренний диаметр которой равен dвн=630-16·2=598 мм. Следовательно, скорость паров в штуцере:, (2.9)Для всех штуцеров выбираем стандартные фланцы тип 1[9]. Для штуцера подачи исходной смеси и флегмы выбираем фланец (ГОСТ 1235-54) с основными размерами dв=72мм, D1=130мм, D=160мм, b=11мм, D2=110мм, h=3мм, d=12мм, n=8шт. Фланец штуцера кубового остатка dв=97мм, D1=160мм, D=195мм, b=22мм, D2=138мм, h=4мм, d=16мм, n=8шт. Фланец штуцера для выхода паров из колонны dв=634мм, D1=740мм, D=770мм, b=11мм, d=24мм, n=20шт, (ГОСТ1255-54). Уплотнительный материал принимаем паронит марки ПОН (ГОСТ481-80).ЗАКЛЮЧЕНИЕВ курсовой работе был рассмотрен процесс получения циклогексанона путем дегидрирования циклогексанола. Рассмотрены все химические реакции, используемые катализаторы, характеристики всех соединений участвующие в процессе.Рассчитан материальный и тепловой баланс реакционного узла. Список используемой литературыMichael T. Musser "Cyclohexanol and Cyclohexanone" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, 2005.Valsamma Varghese, ManasiSaha, Kenneth M. Nicholas (1989). "Alkylations Using Hexacarbonyl(Propargylium)dicobalt Salts: 2-(1-methyl-2-propynyl)cyclohexanone". Org. Synth. 67: 141.Shulgin, A. T.; MacLean, D. E. (25 September 2008). "Illicit Synthesis of Phencyclidine (PCP) and Several of Its Analogs". ClinicalToxicology. 9 (4): 553–560Michael Tuttle Musser "Cyclohexanol and Cyclohexanone" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, 2005.Ernesto Simón, Juana María Rosas, Aurora Santos, Arturo Romero. Study of the deactivation of copper-based catalysts for dehydrogenation of cyclohexanol to cyclohexanone. CatalysisToday 2012, 187 M. Manuela A. Pereira, Pedro Paulo Santos. Rearrangements of Hydroxylamines, Oximes and Hydroxamic Acids. 2010V. Siva Kumar, S. Sreevardhan Reddy, A.H. Padmasri, B. David Raju, I. Ajitkumar Reddy, K.S. Rama Rao. Role of CO/CO2 co-feeding in the dehydrogenation of cyclohexanol to cyclohexanone over Cu–ZnO based catalysts. CatalysisCommunications 2007, 8 (6) , 899-905.Xingchu GONG, Yangcheng LÜ, Guangsheng LUO. Distribution Coefficient of Caprolactam and Methyl Caprolactam Using Benzene or Toluene as Extractants: Experiments and Prediction. ChineseJournalofChemicalEngineering 2007, 15 (4) , 463-467.David Lorenzo, Aurora Santos, Ernesto Simón, and Arturo Romero . Kinetics of Alkali-Catalyzed Condensation of Impurities in the Cyclohexanone Purification Process. Industrial & EngineeringChemistryResearch 2013, 52 (45)Jeon, G. S. and Chung, J. S., “Preparation and Characterization of Silica-supported Copper Catalysts for the Dehydrogenation of Cyclohexanol to Cyclohexanone”,Appl. Catal. A: General,115, 29 (1994).Sivaraj, C., Reddy, B. M. and Rao, P. K.,“Selective Dehydrogenation of Cyclohexanol to Cyclohexanone on Cu-ZnO-A12O3 Catalysts”,Appl. Catal,45, L11 (1988).Cubberley, A. H. and Mueller, M. B., “Equilibrium Studies on the Dehydrogenation of Primary and Secondary Alcohols. II. Cyclohexanol”,J. Am. Chem. Soc, June, 1535 (1947).