Производство капролактама - Бадриан А.С.
Скачать (прямая ссылка):
И
47
следовательно, константа скорости реакции Кр равна
Кр [02] = Kr>S (Рро2-[02]) .
где Kd—коэффициент массопередачи.
Отсюда
Kd?>Po2
[°а] = KP+KDS
При KdS~^>Kp скорость диффузии больше скорости химической реакции, тогда
[OJ = РРо* и ш = Кр [02] = Кр$Ро2
В этом случае скорость процесса определяется только скоростью химической реакции. При KdS<^Kv скорость реакции больше скорости диффузии
KdS$Po„
i°*J=—к;—
и скорость не зависит от кинетических факторов и определяется скоростью диффузии:
w = [02] = KDSf,po2
Принято считать, что процесс протекает в кинетической области, когда скорость реакции описывается кинетическими уравнениями, в которые входит константа скорости реакции и не входят факторы массообмена. "Процесс протекает в диффузионной области, когда скорость реакции описывается уравнением, в которое входят диффузионные параметры и не входит константа скорости реакции. Существует также некоторая переходная область, в которой концентрация кислорода определяется уравнением [Ог] =РРо2, т. е. скорость реакции зависит и от кинетических и от диффузионных факторов.
Реакторы для окисления циклогексана, конструируются по принципу абсорбционных аппаратов, они. имеют значительный объем, но относительно просты и легки в эксплуатации. Как правило, это реакторы непрерывного действия.
Для определения размеров реактора необходимо знать величину поверхности контакта между двумя взаимодействующими фазами: газовой и жидкой. Эта поверхность должна обеспечивать переход требуемых количеств кислорода из газовой фазы в жидкую в единицу времени. Скорость реакции удобнее отнести не к единице рабочего объема реактора, а к единице межфазовой поверх: ности.
Объем газа, проходящий через массу жидкости в единицу времени, называют скоростью барботажа. При барботаже создается большая поверхность контакта фаз, особенно если пузырьки газа
48
достаточно малы. В реакторах с барботажем жидкая фаза находится продолжительное время, поэтому такие реакторы используются, в основном, для проведения реакций с небольшой или умеренной скоростью. Поверхность контакта фаз при барботаже можно считать равной суммарной поверхности пузырьков и пропорциональной скорости барботажа и высоте слоя жидкости.
Установлено, что если количество кислорода, подаваемого в реактор, и интенсивность перемешивания достаточны для обеспечения в каждом микрообъеме реакционной жидкости не менее 1 • 10-4 моль/л Ог, реакция в любой момент времени будет идти в кинетической области. При снижении концентрации кислорода падает интенсивность процесса, в результате увеличения продолжительности окисления повысится смолообразование. Таким образом, при идеальном перемешивании предпочтительно работать с нагрузками на реактор по циклогексану и воздуху, близкими к предельным.
При недостаточном перемешивании концентрация кислорода в разных точках жидкости в каждый момент времени различна. В этом случае вблизи поверхности пузыря реакция будет идти в кинетической области, а в глубине жидкости в диффузионной, т. е. окисление фактически будет проходить не во всем объеме жидкости. В результате при заданной степени конверсии циклогексан только частично будет окисляться глубоко, что приведет к уменьшению выхода полезных продуктов. Правда, это возможно не только при плохом перемешивании жидкой фазы, но еще и при неравномерном распределении пузырей газа по поперечному сечению аппарата.
В барботажных аппаратах наблюдается интенсивная циркуляция жидкости по объему. Коэффициент продольного перемешивания жидкости и объемный коэффициент массопередачи возрастает с увеличением диаметра аппарата. Барботажный аппарат с соотношением Hid от 1 до 6 работает в режиме развитого барботажа как аппарат идеального смешения. На выход целевых продуктов, в тех случаях, когда они способны к дальнейшим превращениям, влияют не только температура процесса, концентрация компонентов, продолжительность реакции, но и степень смешения начальных и конечных продуктов.
Селективность процесса в реактсре идеального вытеснения несколько выше, нежели в реакторе идеального смешения. При увеличении числа ступеней окисления повышается выход циклогексанона и циклогексанола.
Для двух последовательных реакций первого порядка
k k'
А—уВ—*С выход промежуточного продукта G в реакторе идеального смешения рассчитывается по формуле
1 — а k'/ka
4—1808
49
а в реакторе идеального вытеснения
„ (1-сс)*7*-(!-«)
а (1 — k'/k)
где а — степень конверсии продукта А.
При любых значениях а и k'/k в реакторе идеального вытеснения достигается наибольший выход целевого продукта. Однако, реактор идеального вытеснения можно осуществить на практике лишь с большей или меньшей степенью приближения в виде каскада из нескольких аппаратрв идеального смешения, т. е. как многоступенчатый аппарат. Как расчетом, так и экспериментально установлено, что 4-х и 5-ти ступенчатый аппараты по эффективности уже мало отличаются от аппарата идеального вытеснения.
Основные факторы, влияющие на процесс
жидкофазного окисления циклогексана
Температура и продолжительность реакции (время пребывания циклогексана в реакторе) относятся к основным факторам, определяющим технико-экономические показатели процесса. Влияние
