Определим количество катализаторного раствора, необходимое для окисления 50 кг/час этилена. Согласно литературным данным катализаторный раствор содержит 0,3 – 0,5 % PdCl2. Примем содержание PdCl2 равным 0,5 %.

Согласно стехиометрии реакции:

CH2=CH2 +PdCl2 + H2O CH3CHO + Pd + 2HCl;

количество вещества PdCl2 равно:

G PdCl2 = G C2H4 = 1,786 кмоль/час

Тогда масса катализатора m

PdCl2 = G PdCl2 · M PdCl2 = 1,786 · 177 = 316,12 кг/час

Расход катализаторного раствора:

mр = 316,2 · 100/0,5 = 63224,4 кг/час

Плотность раствора 1281,6 кг/м³ [22, с. 106], тогда объёмный расход катализаторного раствора:

Gkt = mр/ρ = 63224,4/1281,6 = 49,33 м³/час

Коэффициент газонасыщения: k = GC2H4/ Gkt = 40/49,33 = 0,81 м³/м³

Пользуясь методикой для расчёта барботажных колонн [23, с. 265], рассчитаем параметры реактора.

Диаметр барботажной колонны:

D = 4Vг/πωг,

где ωг – приведённая скорость (ωг 0,1), примем ωг = 0,01

Vг – расход барботирущего газа, приведённый к рабочим условиям

Vг = Vг,0 TрP0/T0Рр = (40/3600) · (383/298) · (0,1/1,0) = 1,43 · 10-3 м³/с

D = 4 · 1,43 · 10-3/(3,14 · 0,01) = 0,43 м

Примем D = 0,5 м, действительная скорость газа в колонне составит:

ωг =4Vг/πD2 = 4 · 1,43 · 10-3/(3,14 · 0,52) = 0,007 м/с

Плотность этилена при рабочих условиях:

ρ C2H4 = ρ C2H4,0 T0Pр/TрР0 = 1,26 · (298/383) · (1,0/0,1) = 9,80 кг/м3

Объёмное газосодержание системы

φг = 0,4(ρг/ ρж) 0,15 [ωг Δρ/σg ] 0,68 =

0,4 · (9,8/ 1281,6) 0,15 [0,007 · 1272,8/58,6 · 10-3 · 9,8] 0,68 = 0,024

Высота газожидкостной смеси:

Hсм = (Vж – Vдн)4/[ πD2a(1 – φг)]

где Vж – объём жидкости в колонне

Vдн – объём днища

a – коэффициент, учитывающий заполнение колонны

Hсм = (1 – 0,1) · 4/[ 3,14 · 0,52 · 0,9(1 – 0,024)] = 5,2 м

Общая высота колонны:

Hк = Hсм + hц + Hсеп + 2hдн = 5,2 + 0,1 + 0,5 + 2 · 0,3 = 6,4 м

где hц – расстояние от барботёра до днища колонны,

Hсеп – высота сепарационной части колонны,

Hдн – высота крышки днища.