Раствор катализатора приготовляется с использованием соляной кислоты, поэтому он обладает сильными коррозионными свойствами. В условиях такой агрессивной среды для изготовления корпуса аппарата пригоден не любой материал, а лишь обладающий кислотоупорными свойствами. Таким материалом может быть, например, титан. В случае необходимости применения насадки, при её выборе также следует учесть коррозионную устойчивость её материала. Например, в качестве насадки могут быть выбраны керамические кольца.

Синтез идёт при избыточном давлении 0,8-1,3 МПа, поэтому должно выполняться условие герметичности аппарата. Аппарат должен быть спроектирован таким образом, чтобы выдерживать это давление, особое внимание следует уделять прочности сварных швов.

Процесс ведётся при 100–120°С, в этих условиях, как показывает термодинамический анализ, тепловой эффект реакции синтеза ацетальдегида будет равен –218,6 - –218,68 кДж/моль. То есть реакция идёт со значительным выделением тепла. Величина теплового эффекта влияет на поверхность теплообмена реактора. С другой стороны тепло реакции расходуется на нагрев реагентов и свежих порций катализаторного раствора. В условия проведения реакции катализаторный раствор кипеть не будет, поэтому для отвода избыточного количества тепла необходимо оборудовать реактор рубашкой.

Побочные реакции последовательны, то есть для большей селективности процесса следует как можно быстрее выводить продукт основной реакции из реактора. Реактор следует выбрать из той группы аппаратов, где процесс по гидродинамическому режиму приближен к реактору идеального вытеснения.

Проведению процесса синтеза ацетальдегида окислением этилена кислородом с учётом всех этих особенностей наиболее полно удовлетворяют аппараты барботажного типа. В них создаются оптимальные условия для перехода этилена в раствор катализатора. Гидродинамический режим аппаратов этого типа по газовой фазе приближен к РИВ, по жидкой – к РИС. Как было показано выше, корпус аппарата должен быть выполнен из титана.

5. Расчёт реактора

5.1 Материальный баланс

Проведём расчёт материальных потоков процесса получения ацетальдегида окислением этилена кислородом воздуха.

Основная реакция:

СН2=СН2 + 0,5О2 СН3СНО (1);

Побочные:

СН2=СН2 + О2 СН3СООН (2);

СН2=СН2 + 3О2 2СО2 + 2Н2О (3).

Производительность реактора по этилену 50 кг/час.

Число дней работы реактора в году n=340.

Технологический выход продукта 89%;

Степень превращения этилена 92%.

Селективность (1) – 90%, (2) – 3%, (3) – 7%.

Состав этилено-воздушной смеси: этилен – 10%, об.; воздух – 90%, об.

Состав воздуха: О2 – 21%, об., N2 и др. инертные примеси – 79%, об.

Приход

1. Производительность реактора по этилену в кмоль/час:

GC2H4= GC2H4/М C2H4=50/28=1,786 кмоль/час

2. Производительность по этаналю согласно стехиометрии реакции:

G'''CH3СНО= GC2H4=1,786 кмоль/час (78,58 кг/час)

С учётом степени превращения этилена:

G''CH3СНО= G'''CH3СНО ·X C2H4= 1,786 · 0,92=1,643 кмоль/час (72,29 кг/час)

С учётом селективности реакции:

G'CH3СНО= G''CH3СНО · Ф CH3СНО= 1,643· 0,9=1,479 кмоль/час (65,08 кг/час)

С учётом технологического выхода:

GCH3СНО= G'CH3СНО ·f CH3СНО=1,479·0,89=1,316 кмоль/час (57,90 кг/час)

Технологические потери ацетальдегида:

Gпотерь = G'CH3СНО – GCH3СНО= 65,08 – 57,90= 7,18 кг/час

3. Этилен, идущий на побочные реакции (согласно стехиометрии):

GC2H4= G''CH3СНО – G'CH3СНО=1,643 – 1,479=0,164 кмоль/час

В том числе на реакцию (2):

GC2H4= [Ф(2)/(Ф(2)+Ф(3))] · GC2H4=[3/10] ·0,164=0,049 кмоль/час

GC2H4= [Ф(3)/(Ф(2)+Ф(3))] · GC2H4=[7/10] ·0,164=0,115 кмоль/час

4. Количество непрореагировавшего этилена (согласно стехиометрии реакции (1)):

G0ст.C2H4= G'''CH3СНО – G''CH3СНО=1,786 – 1,643=0,143 кмоль/час (4,00 кг/час)

5. Количество воздуха:

Gвозд= (G'''CH3СНО·90)/10=(1,786·22,4·90)/10=360,06 м³/час

В том числе азота:

GN2= Gвозд·0,79=360,6·0,79=284,45 м³/час (12,698 кмоль/час; 355,54 кг/час)

кислорода:

GО2= Gвозд·0,21=360,6·0,21=75,61 м³/час (7,367 кмоль/час; 108,02 кг/час)

6. Кислород, расходуемый на химические реакции:

на реакцию (1):

G(1)О2= (ν О2/ ν CH3СНО ) ·G' CH3СНО=(1/2) ·1,479= 0,739 кмоль/час (23,65 кг/час)

на реакцию (2):

G(2)О2= (ν О2/ ν C2H4 ) ·GC2H4=(1\1) ·0,049=0,049 кмоль/час (1,57 кг/час)

на реакцию (3):

G(3)О2= (ν О2/ ν C2H4 ) ·GC2H4=(3\1) ·0,115=0,345 кмоль/час (11,04 кг/час)

Расход

1. Непрореагировавший кислород:

G'О2= GО2 – (GО2+ GО2+ GО2) = 108,03 – (23,65 – 1,57 – 11,04)=71,77 кг/час (2,243 кмоль/час)

2. Количество СН3СНО:

GCH3СООН = (ν CH3СООН/ ν C2H4 ) GC2H4= (1/1) ·0,049 кмоль/час (2,95 кг/час)

3. Количество СО2:

GCО2 = (ν CО2/ ν C2H4 ) GC2H4=(2/1) · 0,115= 0,230 кмоль/час (10,12 кг/час)

4. Количество Н2О:

GН2О = (ν Н2О/ ν C2H4 ) GC2H4=(2/1) · 0,115= 0,230 кмоль/час (4,14 кг/час)

Полученные данные сведём в таблицу материального баланса:

Приход: