В статье рассматривается процесс синтеза 3-метилтиопропаналя (МТП) из акролеина и метилмеркаптана. В статье показана методика расчета высоты, объема, диаметра реактора МТП и поверхности теплообмена кожухотрубного теплообменника.
Ключевые слова: метилтиопропионовый альдегид (МТП), метилмеркаптопропионовый альдегид, 3-метилтиопропаналь, акролеин, метилмеркаптан, метионин, проточно-циркуляционная установка.
В настоящее время в промышленных масштабах получают многотоннажный D, L-метионин химическим методом путем взаимодействия метилмеркаптана с акролеином в присутствии катализатора в среде метилмеркаптопропионового альдегида по схеме [1]:
Наиболее перспективным способом, на наш взгляд, является способ, описанный в патенте SU505357 [2]. Для реализации этого способа в промышленности можно воспользоваться проточно-циркуляционной установкой, которая представлена на рис. 1. Процесс получения метилмеркаптопропионового альдегида в проточно-циркуляционной установке проводят при температуре 45–55°С, давлении 1,021–1,051 атм, катализатор — уротропин. Данные условия позволяют достичь высокие технико-экономические показатели процесса: селективность и выход по основному продукту 99,8 %, степень конверсия по акролеину 100 %.
В процессе выполнения выпускной квалификационной работы магистра, был рассчитан материальный и тепловой баланс процесса получения МТП, и определены данные для конструктивно-технологического расчета проточно-циркуляционной установки (табл. 1).
Рис. 1. Проточно-циркуляционная установка: 1 — реактор; 2 — смеситель; 3 — крышка; 4 — днище; 5 — устройство для равномерного распределения реакционной массы по сечению аппарата; 6 — внешний теплообменник
Таблица 1
Исходные данные для расчета проточно-циркуляционной установки
|
Объемный расход реакционной смеси в реакторе,
|
13,0002 м 3 /ч |
|
Линейная скорость движения реакционной смеси в реакторе,
|
26,53 м/ч |
|
Время пребывания реакционной смеси в реакторе за один проход, τ |
0,17 ч |
|
Тепловая нагрузка,
|
432 626,9 Вт |
Для определения объема проточно-реакционной установки воспользуемся формулой (1) [3]:
где Y V — объемный расход реакционной смеси в реакторе, м 3 /ч; τ — время пребывания реакционной смеси в реакторе, ч.
Диаметр аппарата рассчитываем, опираясь на значение объемного расхода смеси, по уравнению (2):
Площадь поперечного сечения находим по уравнению (3):
Высоту реакционной зоны проточно-циркуляционной установки рассчитываем по формуле (4):
Для смешения акролеина, метилмеркаптана, циркуляционного МТП и катализатора над реакционной зоной установили смеситель со следующими характеристиками: объем V 2 = 0,44 м 3 , высота Н 2 = 1,56 м и диаметр D 2 = 0,6 м.
Общую высоту проточно-циркуляционной установки находим по формуле (5):
где Н 1 — высота реакционной зоны, м; Н 2 — высота смесителя, м; h с — высота крышки смесителя, м: h д — высота днища проточно-циркуляционной установки, м
Определим высоту крышки смесителя h с :
Находим высоту днища проточно-циркуляционной установки h д :
Тогда общая высота аппарата составит:
Для расчета поверхности теплообмена выносного кожухотрубного теплообменника F p воспользуемся основным уравнением теплопередачи (6):
где К — расчетное значение коэффициента теплопередачи, К = 567,37 Вт/м
2
∙К;
Таким образом, для получения метилтиопропионового альдегида используют проточно-циркуляционную установку с диаметром — 0,8 м, общей высотой — 6,66 м и объемом — 2,2 м 3 . Для поддержания необходимой температуры реакции в реакторе 45–55°С был подобран горизонтальный одноходовой кожухотрубный теплообменный аппарат с характеристиками: внутренний диаметр кожуха D вн. кож = 383 мм, общее число труб n = 70, число ходов z = 1, площадь поверхности теплообмена F = 22 м 2 , диаметр трубок d = 25х2 мм, длина трубок L = 4 м.
Литература:
- Пат. 691086 СССР, МПК С 07 С 149/14. Способ получения бета-метилмеркаптопропионового альдегида / Жорж Биола, Ив Комори, Эрик Лимони; заявитель и патентообладатель Ронк-Пуленк Эндрюстри — № 23700202/23–04; заявл. 15.06.76; опубл. 05.10.79, Бюл. № 37
- Пат. 505357 СССР, МПК С 07 С 149/14. Способ получения 3-метилмеркаптопропионового альдегида / Эдгар Коберштайн, Клаус Мюллер, Фердинанд Файссен; заявитель и патентообладатель Фирма «Дегусса». — № 1996514/23–4; заявл. 18.02.74; опубл. 28.02.79, Бюл. № 8
- Попов, Ю. В. Химические реакторы (теория химических процессов и расчет реакторов): учеб. пособие / Ю. В. Попов, Т. К. Корчагина, В. А. Панчехин; ВолгГТУ. — Волгоград: ВолгГТУ, 2013. — 240 с.
