Физические свойства: акролеин - бесцветная жидкость с острым запахом. Температура кипения = С, а температура плавления = С. Плотность акролеина составляет 0,841 г/см. Акролеин частично растворим в воде. Так же он токсичен (пары его сильно раздражают слизистые оболочки глаз и дыхательных путей), но опасность отравления им сравнительно невелика вследствие легкости его обнаружения.

Акролеин является сырьем для промышленного синтеза аллилового спирта, акрилонитрила и его производных. Значительное количество акролеина расходуется на производство метионина (аминокислота, добавка которой в корм домашней птицы ускоряет ее рост). Акролеин и его производные применяются в синтезе полиуретанов, полиэфиров, различных пластификаторов и химикатов для текстильной промышленности. Из способов получения акролеина практическое значение имеют два:

1) конденсация формальдегида с ацетальдегидом

HCOH + CH3--CHO > CH2=CH--CHO

2) прямое окисление пропилена.

Метод прямого окисления пропилена является более перспективным ввиду большей доступности и дешевизны сырья. Формально кинетическую схему этого процесса можно представить следующим образом:

Технологическая схема одностадийного окисления пропилена в реакторе с восходящим потоком катализатора представлена на рисунке 1. Реактор 2 изготовлен в виде трубы (высота 25 м, диаметр 0,75 м), соединенной непосредственно с дозатором 1, где находится катализатор -- молибдат висмута на силикагеле. Температура в дозаторе около 420 °С, в реакторе 435 °С; давление 0,7--3 МПа. Температуру регулируют, охлаждая стенки реактора испаряющейся водой и подавая воду с паром в дозатор 1. Кислород подают в нижнюю часть реактора и дополнительно в несколько точек по его высоте. Пропилен вместе с рециркулирующим газом тоже поступает в нижнюю часть реактора 2 и проходит снизу вверх вместе с паром, кислородом и суспензированным катализатором. Реакционная смесь, поступающая в реактор, имеет следующий состав [в % (мол.)]: кислорода--7,5, пропилена -- 21,5, водяного пара -- 38; остальное -- азот и незначительное количество оксидов углерода. Скорость движения смеси в реакторе составляет 6,1--7,6 м/с.

Парогазовый поток из реактора поступает в сепаратор 3 циклонного типа, куда подают воду для "закалки" продуктов реакции (их температура снижается до 290 °С). Катализатор в сепараторе 3 отделяют от продуктов реакции и в горячем состоянии возвращают в дозатор 1. Часть пара, образующегося за счет отвода выделяющегося тепла, по мере необходимости подают из паросборника 4 в сепаратор 3, а основное количество пара вводят в нижнюю часть дозатора 1. Газовый поток из сепаратора 3 после охлаждения в холодильнике (на схеме не показан) поступает в сепаратор 5, где отделяются сконденсировавшиеся вода и высококипящие продукты, а также катализатор, возвращаемый на окисление. Несконденсировавшиеся продукты реакции из сепаратора 5 после холодильника 6 поступают в газосепаратор 7, из которого парогазовый поток направляется в орошаемый водой абсорбер 8. Газ из абсорбера возвращают на окисление (часть его периодически сбрасывают в атмосферу во избежание накопления инертных примесей). Жидкие продукты из сепаратора 7 и раствор из абсорбера 8 смешивают и подают в отпарную колонну 9, с верха которой отбирают акролеин-сырец, направляемый на ректификацию, а снизу -- воду, подаваемую в дозатор 1 или сбрасываемую из системы.

Выход акролеина составляет 71% в расчете на пропилен, при 50%-ной степени конверсии пропилена и 91%-ной степени конверсии кислорода.

При двухстадийном окислении пропилена выход акролеина составляет 69--70%; степень превращения пропилена -- 95%.

Рисунок 1. Технологическая схема одностадийного окисления пропилена:

1 --дозатор;

2 -- реактор;

3, 5 -- сепараторы циклонного типа;

4-- паросборник;

6 -- холодильник;

7 -- газосепаратор;

9 -- абсорбер;

9 -- отпарная колонна.

2. Материальный баланс сложной параллельной необратимой реакции

Задача:

Исходные данные:

1. Производительность установки 80 т/сутки.

2. Состав безводной реакционной смеси (% мольных):

Акролеин 80

Ацетон 15

Масляный альдегид 5

3. Молярное соотношение "" 5:1

4. Концентрация в смеси "" (% об) 4,8

5. Потери пропилена % масс. От производительности установки 1,0

6. Концентрация технического (% об.) 100

7. Концентрация технического (%об.) (примесь-азот) 95

8. Конверсия пропилена (%) 100

Решение:

Материальный баланс:

	приход	расход
	кг/ч	кмоль/ч	кг/ч	кмоль/ч
C3H6 CH2CНСОН (СН3)2СО СН3СН2СНО О2 N2 Н2О	2507,4 - - - 1702,24 26115,32 -	59,7 - - - 53,195 932,69 -	25,07 2647,66 514,33 171,33 - 26115,32 851,04	0,6 47,28 8,87 2,95 - 932,69 47,28
	?1=30324,96	?2 = 30324,75

Молярные массы веществ:

Mr(C3H6)=12*3+1*6=42 кг/кмоль

Mr(CH2СНСОН)=12*3=1*4+16=56 кг/кмоль

Mr((CH3)2СО)=12*3+1*6+16=58кг/кмоль

Mr(CH3СН2СОН)=12*3+1*6+16 = 58кг/кмоль

Mr(О2)=16*2 = 32 кг/кмоль

Mr(N2) = 14*2 = 28 кг/кмоль

m(смеси) = 80 *100/24= 3333,33 кг/ч

Состав безводной реакционной смеси:

CH2СНСОН - 80 % моль Mr(CH2СНСОН) = 56 кг/моль

(CH3)2СО - 15 % моль Mr((CH3)2СО) = 58 кг/моль

CH3СН2СОН - 5 % моль Mr(CH3СН2СОН) = 58 кг/моль

Найдем массовый процентный состав

wмас (CH2СНСОН) = 4480/5640 * 100% = 79,43 %

wмас((CH3)2СО) = 870/5640 * 100% = 15,43 %

wмас (С2Н5СОН) = 290/5640 * 100% = 5,14 %

Состав 3333,33 реакционной смеси

CH2СНСОН - 79,43 % масс m1(CH2СНСОН) = 2647,66 кг/ч

CH3СН2СОН - 15,43 % масс m2 (CH3СН2СОН) = 514,33 кг/ч

С2Н5СОН - 5,14 % масс m3(С2Н5СОН) = 171,33 кг/ч

?(CH2СНСОН) = 2647,66/56 = 47,28 кмоль/ч

?(CH3СН2СОН) = 514,33/58 = 8,87 кмоль/ч

?(С2Н5СОН) = 171,33/58 = 2,95 кмоль/ч

1 реакция

?1(C3Н6) = ?(CH2СНСОН) = 47,28 кмоль/ч

?1(O2) = ?1(C3Н6) = 47,28 кмоль/ч

?1(H2O) = ?1(C3Н6) = 47,28 кмоль/ч

m(H2O) = 4747,28 * 18 = 851,04 кг/ч

2 реакция

?2(C3Н6) = ?(CH3СН2СОН) = 8,87 кмоль/ч

?2(O2) = 1/2 ?2(C3Н6) = 4,44 кмоль/ч

3 реакция

?3(C3Н6) = ?(С2Н5СОН) = 2,95 кмоль/ч

?3(O2) = 1/2 ?(С2Н5СОН) = 1,475 кмоль/ч

Общее количество затраченного кислорода

?0(O2) = ?1+?2+?3 = 53,195 кмоль/ч

m0 (O2) =53,1995* 32 = 1702,24 кг/ч

Общее количество прореагировавшего пропилена

?0(C3Н6) = 59,1 кмоль/ч m0 (C3Н6) = 59,1*42 = 2482,2 кг/ч

Конверсия пропилена 100 % поэтому весь пропилен реагирует и его не остается. Количество пропилена с учетом потерь 1 % масс

m0 (C3Н6) - (100-1)%

m (C3Н6) - 100 %

m (C3Н6) = 2482,2 * 100/99 = 2507,27кг/ч

?(C3Н6) = m/Mr = 2507,27/42 59,7 кмоль/ч

Потери пропилена

m (C3Н6) = 2507,27 - 2482,2 = 25,07 кг/ч

?(C3Н6) = 25,07/43 = 0,6 кмоль/ч

Концентрация кислорода в смеси C3Н6+О2+N2 = 4.8 %

V(O2) = ?0(O2)/22.4 = 1191.56 м3/ч

1191.56 - 4.8 %

V(C3Н6) - х %

V(C3Н6) = ? (C3Н6) * 22.4 = 1337,28 м3/ч

х = 1337,28 * 4.8/1191.56 = 5,38 %

Концентрация C3Н6 в смеси C3Н6+О2+N2 = 5,38 %

отсюда концентрация N2 = 100 - 5,38 - 4,8 = 89,82 %

Объем азота в смеси всего:

191,56 - 4,8 %

х - 89,82 %

х = V1( N2) = 1191,56 * 89,82/4,8 = 22297,06 м3/ч

w1( N2) = V1( N2)/22,4 = 995,4 кмоль/ч

Количество азота который поступает с техническим кислородом:

V(O2) - 95 %

V2( N2) - 5 %

V2( N2) = 1191/56 * 5/95 = 62,71 м3/ч

?2( N2) = V2( N2)/22,4 = 62,71 кмоль/ч

Всего технического азота:

?( N2) = ?1( N2) - ?2( N2) = 932,69 кмоль/ч

m( N2) = 932,69 * 28= 26115,32 кг/ч

Технологические и технико-экономические показатели процесса

1. Пропускная способность установки: 30324,96 кг/час.

2. Конверсия или степень превращения пропилена: 100%.

3. Теоретические расходные коэффициенты:

по С3Н6:

тС3Н6 = Mr(C3H6) / Mr(CH2CНСОН) = 42 / 56 = 0,75 кг/кг;

по О2:

тО2 = Mr(О2) / Mr(CH2CНСОН) = 32 / 56 = 0,57 кг/кг.

4. Фактические расходные коэффициенты:

по С3Н6:

фС3Н6 = m(C3H6) / m(CH2CНСОН) = 2507,4 / 2647,66 = 0,95 кг/кг;

по О2:

фО2 = m(О2техн) /m(CH2CНСОН) = 1702,24+26115,32 / 2647,66 = 0,065 кг/кг.

Выход на поданное сырье:

1) Фактический выход CH2CНСОН:

QФ = m (CH2CНСОН) = 2647,66 кг;

2) Теоретический выход CH2CНСОН:

Mr(С3Н6) Mr(CH2CНСОН), 42 56,

m(С3Н6) QТ; 2507,4 QТ ;

QТ = (2507,4 * 56) / 42 = 3343,2 кг;

Выход CH2CНСОН по пропилену:

С3Н6 = QФ / QТ * 100% = 2647,66 / 3343,2 * 100% = 79 %

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. Изд. 2-е, пер. М., "Химия", 2005, 736 с.

2. Юкельсон И.И. Технология основного органического синтеза. М.: "Химия", 2008, 846 с.

3. Общая химическая технология /Под ред. А.Г.Амелина. М.: "Химия", 2007, 400 с.

4. Расчеты химико-технологических процессов /Под ред. И.П.Мухленова. Л.:Химия, 2006, 300 с.