Химико-технологические расчеты синтеза этиламина производительностью 6000 тонн в год и разработка технологической схемы производства

5.2.3 Определение постоянной Аррениуса

Из уравнения

выражаем А, постоянную Аррениуса:

А = 60,61

5.2.4 Механизм реакции

Основная реакция:

CH3-COH + NH3 + Н2 = СН3СH2NH2 + H2O

А В C E

Побочная реакция:

CH3-COH +NH3 + Н2 = (СН3-СН2)3N + 3H2O

A' B' С' F E'

Механизм реакции в присутствии гидрирующего катализатора заключается в конденсации альдегида с аммиаком и гидрировании образующегося имина в амин:

O- OH

CH3-COH + NH3 - CH3-CH-NH3+ >[CH3-CH-NH2] > CH3-CH=NH + H2O

альдегидаммиак альдимин

CH3-CH=NH + H2 - CH3-CH-NH + H H - CH3-CH-NH + H - CH3-CH2-NH2

H

У ацетальдегида имеется двойная связь с кислородом. Вследствие разной электроотрицательности атомов углерода и кислорода она носит полярный характер. При этом р-связь поляризована сильнее, чем у-связь, следовательно атом углерода в карбонильной группе, непосредственно связанный с атомом кислорода, несет частичный положительный заряд и может легко атаковываться нуклеофильными агентами.

При присоединении молекулы аммиака карбонильной группе ацетальдегида сначала разрывается р-связь между атомом углерода и кислорода, так как она более доступна для атаки. Атом кислорода становится отрицательно заряженным, а атом азота - положительно (эта стадия является лимитирующей). Затем т. к. атом кислорода оттягивает на себя электронную плотность, протон водорода отрывается от атома азота и присоединяется к кислороду, образуя неустойчивый альдегидаммиак, который сразу же отщепляет воду. В результате получается очень неустойчивое соединение - альдимин, которое тримеризуется при стоянии.

Далее за счет р-электронов альдимин фиксируется на поверхности никелевого катализатора (хемосорбция). Также под действием хемосорбции активируется водород, постадийно переносимый к имину. После полного восстановления имина образуется целевой продукт - первичный амин (этиламин). Т. к. Ni более слабый катализатор, чем Pt или Pd, реакцию проводят при повышенной температуре. А для более высокой селективности процесса повышают и давление (параллельно с основной реакцией может идти также побочная - образование триэтиламина, что нежелательно; для снижения количества побочного продукта берут большой избыток аммиака).

5.2.5 Составление кинетической модели

По рассчитанным значениям порядка реакции, энергии активации и предэкспоненциального множителя запишем общее кинетическое уравнение:

,

где Ао - предэкспоненциальный множитель;

Eакт - энергия активации;

n - порядок реакции.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вывод: В ходе проведенных расчетов было получено общее кинетическое уравнение,

Размещено на http://www.allbest.ru/

описывающее скорость протекания процесса. Установлено, что реакция получения этиламина протекает по уравнению первого порядка, что подтверждается проведенными расчетами аналитическим и графическим методами т.к. концентрация одного из реагентов находится в постоянном избытке по отношению к другому. Энергия активации для данного процесса составляет порядка 47914,86 Дж/моль.

6. Схема основного аппарата и его описание

Выбор основного аппарата зависит от многих факторов. Например, от агрегатного состояния исходных веществ и продуктов реакции, условий ее проведения и т. д.

Для осуществления процесса восстановительного аминирования используется полочный каталитический реактор.

Рисунок 12 - Реактор для газофазного каталитического гидрирования.

Большинство реакций газофазного гидрирования проводится со стационарным катализатором (в данном случае используем «никель скелетный» - черный порошок или гранулы неправильной формы с металлическим блеском; состав - Ni, Al; удельная поверхность - Sуд=80-100•103 м2/кг). Мелкодиспергированный контакт используют только для процесса с псевдосжиженным катализатором.

В трубчатых аппаратах катализатор помещают в трубах диаметром 25 - 50 мм. Смесь водорода и органического реагента подают сверху, и реакция протекает на зернах контакта. В межтрубном пространстве циркулирует хладагент. Продукты реакции выходят через штуцер в дне реактора.

Однако для процесса восстановительного аминирования удобней пользоваться полочным реактором. Парофазную смесь водорода, ацетальдегида и аммиака подают снизу и пропускают через несколько дырчатых полок со сплошным слоем катализатора, помещенного в несколько слоев. Выделяющееся тепло снимается хладагентом (обычно кипящий водный конденсат), циркулирующим в холодильниках, находящихся в пространстве между полками, или холодным водородом.

Во втором случае в кольцевое пространство между корпусом реактора и полками подают холодный водород для отвода тепла и предохранения корпуса от действия высоких температур. При проходе парогазовой смеси через сплошной слой катализатора температура несколько повышается, поэтому высоту полок подбирают таким образом, чтобы не происходило перегрева и температура находилась в допустимых оптимальных пределах.

Важным методом регулирования температуры является применение большого избытка водорода по сравнению с теоретически необходимым. Избыточный водород аккумулирует выделяющееся тепло, предотвращая чрезмерный перегрев реакционной массы.

7. Технологическая схема получения целевого продукта и ее описание

Рисунок 13 - Технологическая схема процесса производства этиламинов: 1 -- испаритель; 7 -- водородный компрессор; 2 -- теплообменник; 8 -- аппарат отгонки аммиака; 3 -- перегреватель; 9 -- колонна выделения этиламина; 4 -- каталитический реактор; 10 -- колонна выделения диэтиламина; 5 -- холодильник; 11 -- отстойник-сепаратор; 6 -- газожидкостный сепаратор; 12 -- колонна выделения триэтиламинов;

Безводный аммиак, альдегид или кетон, циркулирующий жидкий поток, циркулирующий и свежий водород непрерывно подают в испаритель 1, теплообменник 2 и перегреватель 3. Перегретый пар при температуре реакции поступает с катализатором в реактор 4, где при заданных параметрах осуществляется реакция образования аминов. Часть теплоты экзотермической реакции используют для нагрева сырьевой смеси в теплообменнике 2, образующаяся реакционная смесь конденсируется в холодильнике 5 и поступает в сепаратор 6, где от жидких продуктов реакции отделяется водородо-аммиачная смесь, направляемая циркуляционным компрессором 7 в рецикл. С нижней части сепаратора 6 отводят жидкие продукты реакции. Для разделения реакционной смеси используют реакционный блок из четырех колонн: 8, 9, 10, 12 и отстойника-сепаратора 11.

В колонне 8 проводят отгонку аммиака, который направляют в рецикл. Этиламин отбирают с верха колонны 9 в качестве товарного продукта или возвращают в реактор 6 в качестве циркулирующего потока. Из колонн 10 и 12 отбирают соответственно ди- и триэтиламины. Для разделения аминов используют технологию азеотропной перегонки с использованием отстойника-сепаратора 11 для отделения воды; при этом азеотропные смеси аминов с водой возвращают в реактор.

Выводы

В рассмотренном технологическом процессе синтеза этиламина (производительность 6000 т/год) используются легкодоступные вещества, относящиеся к III и IV классу опасности, что немного затрудняет транспортировку, закупку и соблюдение экологической безопасности.

По результатам практического материального баланса для получения этиламина в количестве 714,15 кг/ч необходимо взять 698,28 кг/ч технического CH3-CОH, 269,79 кг/ч технического NH3 и 31,74 кг/ч технического H2.

Процесс получения этиламина эндотермичен, количество подаваемой теплоты составляет 14074898 кДж/ч. Поверхность теплообмена при этом составляет - 178,87 м2. Энергия Гиббса увеличивается с повышением температуры, и константа равновесия так же увеличивается и при высоких температурах. Процесс оптимально проводить при температуре 40-150 оС. Скорость протекания реакции можно увеличить за счет повышения температуры, увеличения давления в зоне реакции или избытка одного из реагирующих веществ. Порядок реакции равен 1.

В качестве катализатора используют никель. Реакция идет по нуклеофильному механизму (нуклеофильное присоединение или конденсация) с образованием неустойчивого соединения (имина).

Для проведения основного процесса используется реактор полочного типа с неподвижным слоем катализатора. Технологическая схема включает в себя 12 наименований узлов. Значительное место в процессе занимает очистка полученного продукта, которая осуществляется за счет сепараторов высокого и низкого давления.

Список литературы

1. Краткий справочник физико-химических величин/ Под ред. Н. П. Мищенко, А. А. Равдель. Изд. "Химия" 1967 г.-184 с.

2. Справочник химика, том 1. Никольский Б. П. 2-е изд. перераб. и доп.-М.:1966.

3. Органическая химия. Петров А. А., Бальян Х. В., Трощенко А. Т. Учебник для вузов/ Под ред. Петрова А. А.-4-е изд. перераб. и доп. -М.: Высшая школа, 1981.-592 с., ил.

4. Сборник задач к практическим заданиям по курсу "Основы инженерной химии". Учеб. пособие: Г. М. Бутов, Т. К. Корчагина, К. Ф. Красильникова и др. - ВолгГТУ, Волгоград, 2000 - 117 с.

5. Общая химическая технология. А. М. Кутепов, Т. И. Бондарева, М. Г. Беренгартен. Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1985. - 448., ил.

6. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. Лебедев Н.Н. Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. - М. Химия, 1988. - 592 с.: ил.

7. Технология основного органического синтеза. Юкельсон И. И. - М. Химия, 1968. - 848с.: ил.

Размещено на Allbest.ru