Проектирование реактора этерификации

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В представленной курсовой работе был произведен подбор и расчет аппарата – реактора смешения для производства 2,4-Д-2-этилгексилового эфира – гербицида, широко применяемого в сельском хозяйстве.
Рассчитан реактор этерификации периодического действия, производительностью 4,2 т эфира за одну загрузку, проведены необходимые материальные и тепловые расчеты.
Химически чистый 2,4-Д (2-этилгексиловый эфир) - бесцветная вязкая жидкость, растворимая в органических растворителях, в водных растворах быстро подвергающуюся гидролизу до кислоты. Получают 2,4-Д-2-этилгексиловый эфир по реакции этерификации в избытке спирта.
Этерификация при неглубоком вакууме Рост 0,09-0,08 МПа в избытке спирта при нагревании реакционной смеси до 100–110 ºС и перемешиванием посредством барботирования азотом ...

СОДЕРЖАНИЕ
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ 3
ВВЕДЕНИЕ 4
1 АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 5
1.1 Получение сложных эфиров 5
1.2 Характеристика целевого продукта 9
1.2 Характеристика исходных веществ 13
1.2.1 2,4-Дихлорфеноксиуксуная кислота 13
1.2.2 2-этилгексиловый спирт 15
2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ 17
2.1 Расчет материального баланса 17
2.2 Выбор основного агрегата 18
2.3 Тепловой расчет 24
3 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ 32
3.1 Определение гидравлического сопротивления аппарата 32
3.2 Подбор стандартного привода мешалки 34
4 МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ 36
4.1 Выбор конструкционного материала и способа изготовления 36
4.2 Выбор и обоснование конструкции аппарата и его деталей 38
4.2.1 Общая характеристика оборудования 38
4.2.2 Расчет штуцеров 39
4.3 Прочностные расчеты основных элементов аппарата 41
4.3.1 Расчет толщины обечайки 41
4.3.2 Расчет толщины днища 43
4.3.3 Расчет толщины трубы змеевика 45
4.2 Расчет опоры реактора 46
4.3.2 Расчет фланцевых соединений 47
4.3.3 Расчет диаметра неукрепляемого отверстия 49
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 53
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 54

ВВЕДЕНИЕ
Для заводов основного органического синтеза (ООС) характерны крупнотоннажные производства широко используемых органических веществ: мономеров для получения на их основе высокомолекулярных соединений; органических полупродуктов, а также растворителей, антифризов, теплоносителей, смазочных веществ, моторных топлив и т.д.
Главная стадия химико-технологического процесса, определяющая его назначение и место в химическом производстве, реализуется в основном аппарате химико-технологической схемы, в котором протекает химический процесс - химическом реакторе. В технологической схеме химический реактор сопряжен с аппаратами подготовки сырья и аппаратами разделения реакционной смеси и очистки целевого продукта. Конструкция и режим работы химического реактора определяет эффективность и эконом ичность всего химико-технологического процесса. Выбор конструкции и размеров химического реактора определяется скоростями протекающих в них процессов массо- и теплообмена и химических реакций. При этом задаются производительность установки, элементом которой является химический реактор, и степень превращения сырья.
Цель контрольной работы – проектирование реактора в соответствии с заданием и подбор соответствующего технологического процесса.
Основные задачи, решаемые в рамках данной работы, заключаются в следующем:
рассмотрение физико-химических свойств исходных веществ и продуктов реакции;
обоснование выбора типа и конструкции реактора,
проведение материальных и тепловых расчетов;
проведение гидравлических и механических расчетов.

Применяется в составе различных препаратов против двудольных сорняков.Физические характеристикиМолекулярная масса 333,3 г/моль;Температура плавления < -37°С;Температура кипения > 300°C;Плотность (при 20°С) 1,15;Давление паров (при 25°С) 47,9 мПа;Растворимость в воде (при 25°С) 0,086 мг/дм3.[7][6]В целом, 2,4-Д (2-этилгексиловый эфир) подавляет однолетние и ряд многолетних двудольных сорняков, вредящих зерновым культурам. Эфиры действующего вещества, в том числе, 2-этилгексиловый эфир, являются более сильными гербицидами, чем 2,4-Д диметиламинная соль. Средства на их основе легко и за короткое время проникают в ткани сорняков. Кроме того, они действуют против однолетних двудольных растений, устойчивых к 2,4-Д кислоте. Как и другие производные 2,4-Д, вещество тормозит процесс фотосинтеза. Происходит гидролитический распад белков, инулина и крахмала. Резко снижается поступление в растение калия, фосфора и азота. Водный обмен нарушается, теряется состояние тургора, растение увядает. Согласно данным производителя препарата Дротик на основе описываемого соединения, специфичность воздействия препарата следующая.К подавляемым сорным видам относятся аистник цикутовый, вика сорнополевая, бодяк полевой, марь белая, мак самосейка, подсолнечник сорно-полевой, щавель курчавый, вьюнок полевой, пастушья сумка, галинсога мелкоцветковая, полевая незабудка, полевая незабудка, полевой осот, чсурепка обыкновенный, гулявник лекарственный, обыкновенная, дурнишник ярутка полевая, канадский мелколепестник, дескурения Софьи, татарский молокан, редька дикая, молочай лозный, коммелина и пр. Умеренно чувствительными видами являются лопух, нивяник обыкновенный (поповник), амброзия полыннолистная, южная солянка (курай), ясколка , василек синий, щирица , вероника , конопля сорнополевая, клоповник , крапива , лапчатка ,канатник Теофраста, чистец однолетний, короставник полевой, лебеда раскидистая, подмаренник цепкий, обыкновенная мать-и-мачеха, одуванчик, липучка, яснотка, черный пасленчистец однолетний, льнянка обыкновенная и др. Устойчивыми сорными видами являются смолевка обыкновенная, горец, полынь обыкновенная, фиалка полевая, гречишка вьюнковая, средняя звездчатка, дымянка лекарственная, крестовник весенний, ромашка (виды), пупавка полевая, пикульник (виды) и др. Согласно инструкции производителя, 2-этилгексиловый эфир 2,4-Д широко применяется при изготовлении комбинированных препаратов или для баковых смесей. Такие комбинации позволяют уменьшать нормы расхода компонентов (каждого) почти на 30-50%, получая при этом широчайший спектр действия и значительную биологическую эффективность. Некоторые комбинированные препараты обладают синергическими свойствами (синергизм).[8]Зарегистрированные препараты на основе2,4-Д (2-этилгексиловый эфир) применяются в борьбе противоднолетних, а также ряда многолетних двудольных растений в посевах райграса высокого, ржи, ежи сборной, ячменя, лисохвоста лугового, кукурузы, тимофеевки луговой, овсяницы луговой, пшеницы озимой, яровой, костреца безостого;2,4-Д (2-этилгексиловый эфир) и хлорсульфурона (диэтилэтаноламинная соль) противоднолетних, в том числе, и устойчивых к 2,4-Д, и ряда многолетних двудольных сорняков на пшенице озимой и яровой, ячмене;2,4-Д (сложный 2-этилгексиловый эфир) противоднолетнихи частично многолетних двудольных (бодяк полевой) в пшенице (и озимой, и яровой), посевах ржи, кукурузы (на масло и зерно), ячменя, проса; противодно-и многолетних (в т.ч. виды бодяка и осота, ложный молочай, латук татарский и др.) двудольных сорняков в посевах ячменя озимого и ярового, пшеницы озимой и яровой, ржи; против однолетних и многолетних (в т.ч. виды осота и бодяка, татарский латук и др.) двудольных сорняков в кукурузе;2,4-Д (сложный 2-этилгексиловый эфир) и карфентразон-этила против1-летних двудольных, в том числе, устойчивых к 2М-4Х и 2,4-Д (подмаренник цепкий и др.), и ряда многолетних двудольных корнеотпрысковых сорняков в посевах ярового ячменя, пшеницы озимой, кукурузы, пшеницы яровой;2,4-Д (сложный 2-этилгексиловый эфир) и метсульфурон-метила против 1-летних двудольных, включая виды, устойчивые к 2,4-Д, и частично многолетних двудольных в посевах пшеницы яровой, пшеницы озимой и ячменя;2,4-Д (сложный 2-этилгексиловый эфир) и флорасулама против 1-летних двудольных (включая устойчивые виды к 2,4-Д и 2М-4Х) и некоторых многолетних двудольных в посевах кукурузы, пшеницы яровой, пшеницы озимой, проса, ржи, сорго, ярового ячменя.Токсикологические данныеДСД (мг/кг массы тела человека)0,005ПДК в почве (мг/кг)0,1ОДК в почве (мг/кг)(тр.)ПДК в воде водоемов (мг/дм3)0,0002ОДУ в воде водоемов (мг/дм3)(с.-т.)ПДК в воздухе рабочей зоны (мг/м3)0,5ОБУВ в воздухе рабочей зоны (мг/м3)0,0001МДУ в продукции (мг/кг):в зерне хлебных злаков0,05в крупе - по сырью0,01в кукурузе (зерно)0,05в кукурузе (масло)0,1в молоке0,04в муке0,01в мясе0,08в просе0,05в рыбе пресноводной0,01в сливочном масле0,1МДУ в импортной продукции (мг/кг):в цитрусовых1,0Токсикологические свойства и характеристикиПолезные виды и энтомофаги. Гербицид, как и другие производные 2,4-Д, малотоксичен для пчел и птиц.[5]Теплокровные. ЛД50 для крыс составляет 720 мг/кг.[6]Классы опасности. Препараты на основе 2,4-Д (2-этилгексиловый эфир) относятся ко 2 классу опасности для человека и 3 классу опасности для пчел.[4]Рабочая жидкость готовится традиционным способом. Оптимальная норма расхода рабочего раствора, при котором наиболее полно проявляется благотворная роль ПАВ, составляет 50-150 л/га. Для достижения оптимальной плотности покрытия обрабатываемой поверхности (20-40 капель на 1 см2) рабочим раствором при заданных нормах расхода необходимо использовать форсунки, обеспечивающие выброс капель со средним размером 250-400 мкм. Наземное штанговое опрыскивание проводят в ясную погоду в утренние или вечерние часы при отсутствии ветра (не более 5 м/сек.) и при температуре воздуха не выше 25°С. Осадки, выпавшие спустя 1 час после опрыскивания, мало влияют на эффективность октапона-экстра (для луварама более 2-х часов). В зависимости от чувствительности сорняков начало гербицидного действия наблюдается на 2-5 день, полная гибель на 5-10 день.Сроки выхода людей на обработанные участки при механизированных работах - 3 суток, ручных - на зерновых культурах не регламентируется, на кукурузе - 20 дней, сроки ожидания - не регламентируются.Препарат можно смешивать в процессе приготовления рабочего раствора в пропорциях из расчета применения 0,6-0,7 л/га октапон-экстра в сочетании с лонтрелом (биклоном) - 0,2-0,3 л/га, или банвелом (0,1- 0,15 л/га) при массовом засорении корнеотпрысковыми сорняками и видами ромашки, для усиления действия ковбоя (0,15 л/га), линтура (0,13 л/га), производных сульфонилмочевины, что необходимо при преобладании корнеотпрысковых сорняков, особенно в районах с резко выраженной континентальностью климата.Период защитного действия - 30-40 дней. В дальнейшем при хорошем травостое культуры вторая волна засорения не представляет опасности.Достоинства и преимущества октапона-экстра в сравнении с диметиламинной солью 2,4-Д:Низкие нормы расхода: 0,6-0,9 л/га.Более эффективное действие на трудноискореняемые корнеотпрысковые сорняки: виды осота, молокан татарский, вьюнок полевой и др.Более высокая скорость проникновения действующего вещества через кутикулярные мембраны листьев.Надежная результативность независимо от температуры и относительной влажности воздуха. Осадки, выпавшие спустя 1 час после опрыскивания, не влияют на эффективность гербицидного действия.Нагрузка на единицу площади по 2,4-Д кислоте в 2-3 раза ниже.2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ 2.1 Расчет материального балансаРассчитаем постадийный материальный баланс производства, исходя из производительности реактора периодического действия на одну загрузку. Процесс получения 2,4-Д-2-этилгексилового эфира протекает по реакции этерификации в избытке спирта. Реакция этерификации идет при неглубоком вакууме Рост = 0,09-0,08 МПа в избытке спирта при нагревании реакционной смеси до 100 – 110 ºС. Отгон избыточного спирта осуществляется при вакууме Рост. = 0,02-0,01 МПа и температуре 150-160 0С.2,4-Дихлорфеноксиуксуная 2-этилгексиловый 2,4-Д-2-этилгексиловыйкислота спирт эфирТаблица 1 – Получение 2,4-Д-2-этилгексилового эфираПриходРасходКомпоненткг%Компоненткг%2,4-Д кислота 97 %ная2705,2353,922,4-Д-2-этилгексиловый эфир 94 %-ный4200,0083,712-этилгексиловый спирт2311,9046,08Избыток 2-этилгексилового спирта599,6711,95Вода213,414,25Пыль 2,4-Д кислоты4,050,08Итого:5017,131005017,13100Таким образом, суточная производительность препарата с учетом потерь на всех стадиях: MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (0.1)где - производительность реактора при одной загрузке, кг.кг/суткиКоличество производственных циклов в год: MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (0.2)где 350 – число рабочих дней в году. загрузокГодовая производительность препарата: MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (0.3) где 350 – число рабочих дней в году. кг/год = 713,09 т/годВ соответствии с данными материального баланса на одну загрузку реактора и количеством производственных циклов с помощью MS Excel произведем пересчет материального баланса на годовую производительность. Результаты расчетов сведем в таблицу 7.2.2 Выбор основного агрегатаПроизведем выбор типа аппарата на основе данных о физико-химических свойствах перерабатываемых веществ, а также исходя из механизма и кинетики процесса, а также определение объема реакционной зоны (ОРЗ), необходимого для достижения заданной степени превращения при выбранных параметрах процесса.Реактор полного смешения может работать как в непрерывном, так и в периодическом режимах, в зависимости от установленной производительности и необходимой степени смешения реагентов. В дальнейшем реакционная масса поступает в реактор вытеснения, где протекает завершающая стадия химической реакции, а также добавление реагентов (обычно – азотной кислоты, находящейся в избытке). Примем к установке колоночный реактор, эскизное изображение которого представлено на рис. 8. Он представляет собой выполненный из стали вертикальный аппарат, через который под давлением от одной до нескольких десятков атмосфер пропускаются реагенты данной химической реакции (окисления циклогексанола азотной кислотой).Рис.1. Принципиальная схема основного аппаратаРис.2. Эскиз реактора полного смешенияРеакторами идеального (полного) смешения называются реакторы непрерывного действия, в которых осуществляется турбулентный гидродинамический режим. В них потоки реагентов смешиваются друг с другом и с продуктами химического превращения. В РИС-Н движущая сила процесса и скорость процесса постоянны по объему реактора (то есть во времени). Отклонение средней движущей силы от постоянного значения равно нулю.При различных порядках основной и побочной реакции в гомофазном процессе (с соответствии с рассматриваемом в данном случае процессом, протекающем в жидкой фазе) влияние концентрации исходных реагентов по-разному сказывается на относительной скорости отдельных реакций. Следовательно, в реакторе смешения, концентрация в котором меняется иначе, чем в в реакторе вытеснения, может быть достигнут как более высокий, так и более низкий выход целевого продукта в зависимости от условий проведения реакции. Пусть скорости Rx, RY двух параллельных реакций пропорциональны функциям концентрации реагирующих веществ. Тогда Rx = f(kx,a,b,x); RY = f(k2,a,b,y) и их отношение будет равно: MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (1.1)где а,b,х,у - концентрация веществ А, В, X, и Y, соответственно.Отсюда следует, что условия проведения реакции должны выбираться с таким расчетом, чтобы это отношение было всегда максимальным. При более высоком порядке основной реакции, по сравнению с побочной, повышение концентрации реагента будет способствовать росту выхода. И наоборот, если основная реакция имеет более низкий порядок, то выход растет с понижением этой концентрации. Протекание и селективность реакции можно регулировать, осуществляя процесс непрерывно в каскаде реакторов полного вытеснения и смешения при последовательном добавлении, к примеру, реагента А (также возможно одновременное добавление обоих реагентов) ко второму реагенту В. Важно отметить, что при таком режиме протекания реакции, добавляемый в реакционную смесь реагент А также является и хладоносителем, поглощающим тепло, выделяющееся в ходе протекающей в каскаде аппаратов реакции. В соответствии с вариантом задания на контрольную работу, мы остановимся именно на указанном режиме движения реакционной массы. Такой режим удобен еще и тем, что снижается, либо вовсе отпадает (в зависимости от термодинамических характеристик химического процесса) необходимость в дополнительном охлаждении реакционной массы с помощью внешних и внутренних теплообменных устройств. Однако в данном случае необходимо строгое соблюдение режима дозирования реагентов во избежание перегрева реакционной смеси и, как следствие, разрушения аппарата. 2.3 Тепловые расчетыРассматриваемый процесс растворения камфоры в растительном масле, согласно технологическому регламенту предприятия, протекает при температуре 40 оС. Основным тепловым устройством для данного процесса согласно таблице 12 является рубашка реактора со встроенным теплообменником [5, 11].В рассматриваемой технологической схеме протекают следующие физическо-химические процессы, сопровождающиеся тепловыми эффектами:1. Эндотермический нагревания подсолнечного масла с 20 до 40 оС;2. Эндотермический процесс растворения камфоры в подсолнечном масле;3. Экзотермический процесс остывания реактора до 20оС.Камфора легко растворяется в растительном масле. Определим теплоту, затраченную на нагревание подсолнечного масла и камфоры.