Жидкофазное окисление парафиновых углеводородов до синтетических кислот

Реактор представляет собой  прямоточный колонный аппарат, снабженный электрообогревателем и штуцерами  для загрузки сырья и выгрузки продукта (оксидата), Подачи воздуха  и отбора проб. По способу организации  процесса реактор полупериодического действия (по загрузке сырья). Воздухораспределительное устройство (барботер, ситчатая тарелка, диффузор) расположено в нижней части  реактора. Гидродинамический режим: по жидкой фазе - смешение, по газовой  фазе - вытеснение.

Воздух на установку подается компрессором. Отработанный воздух (абгаз), содержащий пары низкомолекулярных  продуктов окисления, воды и СО₂, а также азот и непревращенный кислород, проходит через холодильник-конденсатор и сбрасывается в атмосферу после водяной и щелочной промывок в скрубберах для удаления части несконденсировавшихся продуктов окисления. Водно-масляный конденсат собирается в сборнике 2 и после окончания окисления взвешивается и присоединяется к оксидату.

2.3 Аналитическая часть

За ходом процесса следят по изменению состава газовой  и жидкой фаз. В газовой фазе определяют остаточное содержание О₂ (% об.) хроматографически, в жидкой фазе - содержание свободных кислот (кислотное число, мг КОН/г).

1. Анализ кислотного числа

Кислотное число определяется количеством мг КОН, затраченным  на нейтрализацию кислот в 1 г оксидата.

Для определения кислотного числа (КЧ) в киническую колбу объемом 150 мл, взвешивают ~ 1 г оксидата, наливают 20 мл 96% - ного спирта и нагревают до кипения на водяной бане с обратным холодильником для растворения навески. Горячий раствор титруют 0,1 н раствором КОН в присутствии 1-3 капель фенолфталеина до получения устойчивой окраски.

Кислотное число рассчитывают по формуле:

КЧ = , мг КОН/г,

где – количество 0,1 н КОН, пошедшее на титрование навески оксидата в мл;

 – титр раствора  КОН, мг КОН/мл;

- навеска пробы оксидата,г.

2. Анализ на кислород

Кислород определяется поглощением  щелочным раствором пирогаллола (1,2,3-триоксибензола). При смешивании растворов пирогаллола  и едкого калия образуется пирогаллят калия:

С₆Н₃(ОН)₃+3КОН=С₆Н₃(ОК)₃ +3Н₂О

Пирогаллят окисляется кислородом в гексаоксидифенолят калия:

2С₆Н₃(ОК)₃ + 1/2О₂=(КО)₃С₆Н₂-С₆Н₂(ОК)₃

Реакция протекает при  температуре не ниже 15⁰С.

2.4 Пример расчета

Условия: температура t = 110 ^oC; количество катализатора [MnSt₂] = 1 г.; расход воздуха V_г = 3,5 л/мин.

1. Определение и расчет кислотного числа

 

 

 

 

 

 

2. Концентрацию жирных кислот в оксидате определяют на основе кислотного числа, используя уравнение нейтрализации, имея ввиду, что на моль кислоты расходуется моль КОН:

 

Тогда молярная концентрация кислоты:

 

где 56-молекулярная масса  КОН;

 – плотность  оксидата, которую можно вычислить  из эмпирической зависимости:

 

где t – температура процесса, 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Скорость образования кислот в единице объем жидкой фазы рассчитывают по формуле:

 

где – приращение концентрации кислот за время τ, моль/л.

τ=25 мин.

 

 

 

 

4. Скорость поглощения (массопередачи) оценивается количеством кислорода, поглощенным в единицу времени единицей объема жидкой фазы:

,

где - объем парафина, загруженного в реактор, г;

=32-молекулярная масса кислорода;

-масса парафина, взятого на окисление, г;

-масса кислорода,  вступившего в реакцию, г;

- содержание  в воздухе и абгазе,

=21- объемная доля  кислорода в воздухе,

 рассчитывается  по формуле:

 

где – количество кислорода, пошедшего на окисление 1 г. парафина на единицу кислотного числа при температуре t ;

 -расход воздуха, л/мин;

-последующее и предыдущее кислотные числа, мг КОН/г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Удельную поверхность межфазного обмена, создаваемого 1 жидкости, рассчитывают по формуле:

 

г – средний диаметр пузырьков;

 

где - высота газожидкостного слоя в цилиндрической части реактора, замеряется в ходе эксперимента во время отбора проб.

Высоту исходного слоя парафина в реакторе вычисляют по формуле:

 

где D- внутренний диаметр реактора;

D=0.037 м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Из уравнения скорости массопередачи  можно рассчитать коэффициент массопередачи , предварительно определив удельную поверхность межфазного обмена  и движущую силу процесса .

Средняя движущая сила массообменного процесса рассчитывается по уравнениям:

1. При  ;
2. При

 

 

 

 

 

 

 

 

7. По полученным данным рассчитываем коэффициент массопередачи:

 

 

 

 

 

8. Вычисление температурного коэффициента Вант-Гоффа

γ_100-110 = = 0,875

γ_110-120 = = 2

 

 

 

 

2.5 Таблицы и графики

Таблица 1. Результаты эксперимента и расчетные данные

Условия: температура t = 100 ^oC; количество катализатора [MnSt₂] = 1 г.; расход воздуха V_г = 3,5 л/мин.

Время окисления, мин.	Определение кислотного числа			[RCOOH], моль/ л	rRCOOH ⋅105, моль/ л ⋅ с	Высота пены H, м
	Навеска парафина, г	Расход КОН, мл	КЧ, мг КОН/г
14:41	0,55	0,3	6,1	0,087		0,27
25	0,38	0,25	7,4	0,105	1,2	0,32
50	0,40	0,3	8,4	0,120	1,0	0,33
75	0,42	0,4	10,66	0,152	2,1	0,34
100	0,65	0,7	12,1	0,17	1,2	0,33

 

Кратность вспенивания,	Удельная поверхность  f,  м2/м3	Движущая сила Сср ⋅103, моль/л	Коэффициент массопередачи Кm ⋅105, м/с	Скорость массопередачи rO2 ⋅103, моль/л ⋅ с
1,42	840
1,68	1360	9,3	0,23	0,29
1,74	1480	9,3	0,11	0,15
1,79	1580	9,3	0,30	0,44
1,74	1480	9,3	0,21	0,29

Таблица 2.   Материальный баланс процесса окисления

Приход			Расход
№	Наименование	г	№	Наименование	г
1	Парафин	150	1	Окисленный парафин	140
2	Катализатор	1	2	Водомасляный конденсат	0,2
3	Воздух: а) кислород б)азот	495,07 104,96 390,12	3	Абгаз: а) кислород б) азот	494,08 103,96 390,12
			4	Оксидат взятый на пробы	2,4
			5	Потери	9,4
	Итого:	646,08			646,08

 

Таблица 3. Результаты эксперимента и расчетные данные

Условия: температура t = 110 ^oC; количество катализатора [MnSt₂] = 1 г.; расход воздуха V_г = 3,5 л/мин.

Время окисления, мин.	Определение кислотного числа			[RCOOH], моль/ л	rRCOOH ⋅105, моль/ л ⋅ с	Высота пены H, м
	Навеска парафина, г	Расход КОН, мл	КЧ, мг КОН/г
14:43	1,53	0,5	6,7	0,095		0,24
25	1,67	0,6	7,58	0,108	0,87	0,27
50	0,9	0,35	7,92	0,113	0,32	0,27
75	1,13	0,4	8,86	0,126	0,87	0,27
100	1,06	0,5	9,95	0,142	1,05	0,26

 

Кратность вспенивания,	Удельная поверхность  f,  м2/м3	Движущая сила Сср ⋅103, моль/л	Коэффициент массопередачи Кm ⋅105, м/с	Скорость массопередачи rO2 ⋅104, моль/л ⋅ с
1,26	520
1,42	840	9,3	0,38	0,28
1,42	840	9,3	0,17	0,14
1,42	840	9,3	0,38	0,28
1,37	736,8	9,3	0,44	0,28

Таблица 4.   Материальный баланс процесса окисления

Приход			Расход
№	Наименование	г	№	Наименование	г
1	Парафин	150	1	Окисленный парафин	140
2	Катализатор	1	2	Водомасляный конденсат	0,47
3	Воздух: а) кислород б)азот	495,07 104,96 390,12	3	Абгаз: а) кислород б) азот	494,08 103,96 390,12
			4	Оксидат взятый на пробы	5,35
			5	Потери	6,18
	Итого:	646,08			646,08

 

 

 

Таблица 5. Результаты эксперимента и расчетные данные

Условия: температура t = 120 ^oC; количество катализатора [MnSt₂] = 1 г.; расход воздуха V_г = 3,5 л/мин.