Определение необходимых количеств компонентов свежего сырья при обеспечении постоянства их соотношения в общей загрузке реактора Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

74

AZ9RBAYCAN KIMYA JURNALI № 1 2014

УДК 66-931.4;66.028

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМЫХ КОЛИЧЕСТВ КОМПОНЕНТОВ СВЕЖЕГО СЫРЬЯ ПРИ ОБЕСПЕЧЕНИИ ПОСТОЯНСТВА ИХ СООТНОШЕНИЯ В ОБЩЕЙ ЗАГРУЗКЕ РЕАКТОРА

А.Р.Сафаров, А.М.Гусейнова, О.А.Исмайлов, Х.А.Алиева

Институт химических проблем им. М.Ф.Нагиева Национальной АН Азербайджана

itpcht@itpcht. ab. az

Поступила в редакцию 09.11.2013

Для заданной максимальной производительности по этилацетату и найденного оптимального соотношения уксусной кислоты к этиловому спирту определены свежие загрузки реактора, а также выходы продуктов рециркуляционного процесса в его установившемся состоянии при соблюдении постоянства этого соотношения на входе в реактор.

Ключевые слова: этилацетат, рециркуляция, теория рециркуляции, свежее сырье, постоянство соотношения компонентов, общая загрузка реактора.

Среди сложных эфиров большого класса химических веществ ведущая роль в производстве и потреблении принадлежит ацетатным растворителям, в частности, этилацетату. Этилацетат как растворитель применяется в пищевой промышленности, в производстве химических реактивов и т.д.

В НАН Азербайджана предложена общая методика моделирования и оптимального проектирования комбинированной технологии получения уксусной кислоты и этилацетата на высокоактивных цеолитных катализаторах [1]. На основе этой методики и кинетической модели реакции этерификации уксусной кислоты этиловым спиртом была проведена теоретическая оптимизация данного процесса, в результате которой определено оптимальное мольное соотношение уксусной кислоты к этиловому спирту 9, соответствующее максимальной производительности по этилацетату [2].

Нашей задачей было определение количеств каждого компонента в отдельности, которые должны быть добавлены к рециркуляционным потокам для сохранения постоянства требуемого соотношения компонентов при их поступлении в реактор при установившемся состоянии.

Реакция этерификации уксусной кислоты этиловым спиртом описывается следующим стехиометрическим уравнением:

C2H5°H + CH3COOH->СИ3СООС2И5 + HO.

Для оптимальной производительности реактора по этилацетату (3520 кг/ч или 40 кмоль/ч), согласно стехиометрическому уравнению, в реактор необходимо подавать 40 кмоль/ч (или 1840 кг/ч) этилового спирта. Для найденного же оптимального мольного соотношения уксусной кислоты к этиловому спирту 9=2.5 количество подаваемой в систему уксусной кислоты должно быть 2.5 40=100 кмоль/ч=6000 кг/ч. Однако, согласно стехиометрии реакции, с 40 кмоль/ч этилового спирта могут взаимодействовать только 40 кмоль/ч уксусной кислоты, а оставшиеся 60 кмоль/ч ее будут рециркулировать в системе.

Общая схема рециркуляционного процесса этерификации уксусной кислоты этиловым спиртом представлена на рис. 1.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМЫХ КОЛИЧЕСТВ КОМПОНЕНТОВ

75

ЯСА, С2Н5ОН ^ PRa, Н2О ^

Ясв, СНэСООН^ Яп PRJ, СН3СООС2Н5 ^

aвgn, СН3СООН

Рис. 1. Общая схема рециркуляционного процесса этерифика-ции улусной кислоты этиловым спиртом.

На рисунке яп - общая загрузка реактора; яоа, яов - свежие загрузки соответственно этилового спирта и уксусной кислоты; аА, ав - массовые доли непрореагировавших частей этилового спирта и уксусной кислоты от общей загрузки реактора; рКа, ркъ - массовые доли отводимых из системы воды и этилацетата от свежей загрузки за весь процесс с рециркуляцией.

Определим выходы продуктов реакции для установившегося состояния при соблюдении постоянства нужного соотношения поступающих в реактор компонентов.

Количество свежего питания одного из компонентов, принятого за ключевой, считаем постоянным. Таким ключевым компонентом выбираем этиловый спирт, количество которого, соответствующее максимальной производительности, равной 3520 кг/ч, должно быть 1840 кг/ч, т.е. £Ьа=1840 кг/ч. Тогда, согласно сказанному выше, £ьв=1840 кг/ч.

Массовое соотношение уксусной кислоты к этиловому спирту в свежей загрузке составит:

6000

= 3.26. (1)

е оа 1840

Согласно М.Ф.Нагиеву [2], общая загрузка реактора gn при проведении процесса с рециркуляцией складывается из свежего сырья g0 и рециркулята gй. Поэтому для данной реакции должны были написать:

gn = goA + goв + а^ + авgn,

(2)

где а^п + ав^п = gR.

Но так как в данном случае аА=0, т.е. этиловый спирт обратно в систему не возвращается из-за его полного превращения, то:

gn = g0A + g0B + а^ (3)

В установившемся состоянии соотношение (1) будет соблюдаться и на входе в реактор (в общей загрузке реактора):

Е0В _ ёпВ _ Е0В + авЕп _ Е0В + авЕп

= 3.26

Е0А Епа Е0А + аАЕп Е0А

или goв + a^gn =3.26 g0A.

Решим систему с двумя неизвестными (яп, gOB):

goв + aвgn =3.26 g0A.

Из (4) имеем:

goв = 3.26 g0A - a^gn,

Подставляя (5) в (3), получим:

gn = g0A + 3.26 g0A - aвgn + a^gn,

(4)

(5)

76

А.Р.САФАРОВ и др.

gn =4.26 goA . (6)

Расчет реакции по математической модели дал значения выходов продуктов реакции (в мас. %), представленные в табл.1.

Таблица 1. Выходы продуктов за один пропуск сырья

Компоненты Выход, мас.%

вода 9.18

этилацетат 44.82

остаток (уксусная кислота) 46

всего 100

Пользуясь данными табл.1 и выражениями (5) и (6), получим значения общей загрузки реактора для данной задачи:

gn =4.261840=7838.4 кг/ч, а также абсолютное количество уксусной кислоты в свежем питании реактора:

gOB = 3.261840 - 0.46 7838.4=2392.72 кг/ч .

Для составления материального баланса процесса определим коэффициент рециркуляции:

8« _ 7912

- 1.869.

ВОА + вов 1840 + 2392.73 Коэффициент рециркуляции имеет одно замечательное свойство: при умножении его на выходы продуктов за один цикл (проход) при работе установки с рециркуляцией получаются пересчитанные значения выходов продуктов реакции на исходное сырье [3]. Тогда выходы отдельных продуктов (считая на свежее сырье) при работе с рециркуляцией будут иметь значения, приведенные в табл.2.

Таблица 2.Выходы продуктов для установившегося состояния

Компоненты Выход мас. % Выхад, = рк (goA+goв), кг/ч

вода Рраа ^„•9.18=17 §та 0.17-(1840+2392.73)=719.56

этилацетат PRb Квт -44.82=83 §„Ь 0.83 (1840+2392.73)=3513.16

всего 100 4232.72

При установившемся состоянии значения реактантов в питании реактора будут иметь следующие значения:

gAn = g0A =1840 кг/ч,

gBй = goв + =2392.73+0.46 7838.4 ^6000 кг/ч.

Здесь gna ,

- количества воды и этилацетата на выходе из реактора.

2392 73

Таким образом, несмотря на то, что goв = =1.3, в общем питании реактора

при установившемся состоянии с рециркуляцией сохраняется заданное соотношение реактан-

тов а именно gвn: gAn

6000 1840

=3.26.

Итоговый материальный баланс для установившегося состояния рециркуляционного процесса этерификации уксусной кислоты этиловым спиртом с целью получения заданного количества этилацетата (3520 кг/ч) при сохранении определенного соотношения реактантов в общей загрузке реактора (9=3.26) представлен на рис.2.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМЫХ КОЛИЧЕСТВ КОМПОНЕНТОВ 77

4332.72 кг/ч J (100%)

gOA , C2H5OH, 1840 кг/ч gna , H2O, 719.56 кг/ч

gOR , CH3COOH, 2392.72 кг/ч gn , 7838.4 кг/ч gnb , CH3COOC2H5, 3513.16

4332.72 кг/ч (100%)

ag , CH3COOH, 3605.66 кг/ч

Рис.2. Схематичный материальный баланс рециркуляционного процесса этерификации для установившегося состояния.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сафаров А.Р. //Автореф. ... канд. дис. технич. наук. Баку: Ин-т хим. проблем НАНА. 2006. 26 с.

2. Алиев А.М., Таиров А.З., Сафаров А.Р., Юсифов Р.Ю. //Азерб. хим. журн. 2005. № 2. С. 22-27

3. Нагиев М.Ф. Теоретические основы рециркуляционных процессов. М.: Изд-во АН СССР, 1962. 332 с.

T3Z3 XAMMALIN KOMPONENTL3R1n1N NlSB3TL3RlNlN sabIt SAXLAMAQLA ONLARIN REAKTORA UMUMl YUKL3NM3Sl ZAMANI MlQDARLARININ T3Y!n ED1LM3S!

A.R.Safarov, A.M.HOseynova, O.A.lsmaylov, X.3.3liyeva

Etilasetatin verilmi§ maksimum mahsuldarligina va muayyan olunmu§ etil spirtinin sirka tur§usuna gora optimal nisbatini nazara alaraq reaktora taza xammalin yuklanmasinin miqdari tayin edilib va ham^inin bu nisbati saxlamaq §artila resirkulyasiya prosesinin muntazam i§lamasi zamani mahsullarin ?iximlari hesablanib.

Agar sozfor: etilasetat, resirkulyasiya, resirkulyasiya nazariyyasi, taza xammal, komponentlarin nisbatlarinin sabitliyi, reaktorun umumi yuklanmasi.

DETERMINATION OF THE QUANTITY OF NECESSARY COMPONENTS OF FRESH RAW MATERIALS IN ENSURING THE PERMANENCE OF THEIR PROPORTIONS IN THE TOTAL REACTOR LOADING

A.R.Safarov, A.M.Guseynova, O.A.lsmaylov, X.A.Aliyeva

For the given maximum productivity of ethylacetate and the found optimum ratio of acetic acid to ethyl alcohol have been defined the fresh reactor feeds and also the yields of products of the recycle process in its steady state at respecting the constancy of this ratio at the reactor inlet.

Keywords: ethylacetate, recirculation, the theory of recirculation, fresh raw materials, the permanence of components proportions, total reactor loading.