Реферат: Теория химических процессов органического синтеза

Федеральноеагентство по образованию.

Государственноеобразовательное учреждение высшего профессионального

образования.

Самарскийгосударственный технический университет.

Кафедра: «Технологияорганического и нефтехимического синтеза»

Курсовая работапо курсу:

«Теория химических процессоворганического синтеза»

Самара

2006 г.

Задание №1

При взаимодействиимезитилена со спиртом получена реакционная масса следующего состава (% масс.):- мезитилен – 10,39, АО-40 – 62,25, м-ксилол – 2,23, тетраметилбензол – 14,15, исходныйспирт – 7,98. Вычислить степень конверсии реагентов, селективность процесса покаждому из продуктов реакции в расчете на каждый реагент и выход на пропущенноесырье каждого из продуктов реакции в расчете на один реагент.

Решение: наиболее вероятная схемапревращений:

/>

/>

Составим таблицураспределения мол. долей исх. вещества:

Компонент

% масс.

М

G

Кол-во мол. исх. в-ва

мезитилен

спирт

мезитилен

10,39

120

0,0866

b1= 0.0866

4-гидроси

7,98

235

0,0340

b2=0

d1=0,0340

АО-40

62,25

771

0,0807

b3 =0.0807

d2=0,2422

м-ксилол

2,23

109

0,0205

b4 =0.0205

ТМБ

14,15

134

0,1056

b5 =0.1056

Степень конверсии мезитиленаопределяется по формуле:

/>

Степень конверсии спирта:

/>.

Селективность продуктов врасчете на мезитилен рассчитывается по формуле: />,по спирту:  />. Результаты расчетовприведены в табл. 1.

Таблица 1

Компонент

Селективность

по мезитилену

по спирту

АО-40

0,3904

1

м-ксилол

0,0989

 

ТМБ

0,5106

 

Проверка: />, />.

Выход продуктов напропущенное сырье в расчете на пропилен рассчитывается по формуле: />, в расчете на спирт: />. Результаты представлены втабл. 2:

 

Таблица 2

Продукт/Пропущенное сырье

мезитилен

спирт

АО-40

0,2752

0,8770

м-ксилол

0,0697

ТМБ

0,3599

Задание № 2

 

Решение: Схема реакции представлена на рис. 1:

 

/>

Рис. 1. Дегидрирование н-бутана.

Схема реакторапредставлена на рис. 2.

/>

Рис. 2. Схема тепловогобаланса реактора.

Тепло, входящее вреактор, определяется по формуле:

/>,  (1) здесь:

/>,

/>,

/> - определено для Т = 800К излогарифмического полиномиального уравнения, полученного по табличным данным;

/> определено для Твхиз логарифмического полиномиального уравнения для Ср н-пентанас помощью функции «Поиск решения» программы «Microsoft Excel»;

/> - для 1000К определено по табличнымданным;

/> - определено для Твхиз полиномиального уравнения для Ср воды с помощью функции «Поискрешения» программы «Microsoft Excel»;

/>,  />,

/>

С помощью функции «Поискрешения» программы «Microsoft Excel»методом наименьших квадратов определено значение Твх =966К.

/>

Энтальпия реакции приданной Твх:

/>

Теплота реакцииопределяется величиной энтальпии реакции, массового расхода реагента, степеньюконверсии реагента.

Рассмотрим, когда степеньконверсии />.

/>,

Согласно уравнениютеплового баланса:

/>

/>.

Здесь: />,

/> - определено для Твыхиз логарифмического полиномиального уравнения с помощью функции «Поискрешения» программы «Microsoft Excel»;

/>,

/> - определено для Твыхиз логарифмического полиномиального уравнения для Ср н-бутанас помощью функции «Поиск решения» программы «Microsoft Excel»;

/>,

/> - определено для Твыхиз логарифмического полиномиального уравнения для Ср бутена спомощью функции «Поиск решения» программы «Microsoft Excel»;

/> - определено для Твыхиз логарифмического полиномиального уравнения с помощью функции «Поискрешения» программы «Microsoft Excel»;

/>,

С помощью функции «Поискрешения» программы «Microsoft Excel»методом наименьших квадратов определено значение Твых =931К.

Аналогично определяемзначения Твых для различных значений степени конверсии.Полученные значения представлены в таблице 3.

Таблица 3

α

Твых

0,1

34

0,2

45

0,4

66

0,6

88

Графическая зависимостьперепада температур на входе и выходе от степени конверсии представлена нарисунке 3.

/>

Рис. 3. Зависимостьадиабатического перепада температур от степени конверсии.

 

Выводы

Как видно, характернойособенностью процесса является линейное увеличение адиабатического перепадатемператур в зоне реактора при увеличении степени конверсии исходноговещества.  Это обуславливает некоторые технологические особенностипромышленного процесса дегидрирования н-бутана.

Реактор процессадегидрирования представляет собой колонну, снабженную провальными тарелками.Реакционная смесь подается вниз колонны и пары поднимаются через тарелки,проходя слой катализатора. При этом, как ясно видно из результатов расчетов,реакционная смесь охлаждается, и процесс дегидрирования замедляется. Воизбежание подобного вверх колонны подается подогретый катализатор,регенерированный в регенераторе. Более горячий катализатор контактирует счастично прореагировавшей смесью, и наоборот, чем достигается выравниваниескоростей реакции по всему объему.  На регенерацию закоксованный катализаторпоступает, стекая по десорберу, где его отдувают от углеводородов азотом.

Таким образом, за счетдополнительного подогрева регенерированного катализатора и подачи его вверхколонны реактора достигается выравнивание температуры процесса.

Задание №3

Выполнить полныйколичественный анализ процесса пиролиза изопентана с образованием метана иизобутилена.

Дать анализ зависимостейравновесной степени конверсии изопентана  и состава равновесной смеси отварьируемых параметров.

Аргументироватьтехнологические особенности промышленных процессов пиролиза углеводородов иконструктивные особенности реакторов пиролиза.

 

Решение:

Проведем предварительныйрасчет процесса. Для этого необходимо ввести допущение, что побочных реакций непротекает, селективность процесса по целевому продукту 100%, то есть упрощеннаясхема реакции имеет вид:

/>

Для определенияпараметров процесса необходимо определить термодинамические данные веществ,участвующих в реакции:

Для изопентана:

Т, К

∆Н, кДж/моль

S, Дж/моль*К

298

-154,47

343,59

300

-154,68

344,34

400

-163,64

383,34

500

-171,00

420,74

600

-176,86

456,39

700

-181,33

490,28

800

-184,64

522,37

900

-186,82

552,79

1000

-188,03

581,62

Для изобутилена:

Т, К

∆Н, кДж/моль

S, Дж/моль*К

298

-16,90

293,59

300

-17,03

294,18

400

-22,72

322,92

500

-27,61

349,87

600

-31,71

375,26

700

-35,02

399,15

800

-37,66

421,66

900

-39,62

442,96

1000

-40,96

463,13

Для метана:

Т, К

∆Н, кДж/моль

S, Дж/моль*К

298

-74,85

186,27

300

-74,89

186,52

400

-77,95

197,44

500

-80,75

207,15

600

-83,26

216,15

700

-85,35

224,68

800

-87,11

232,80

900

-88,49

240,58

1000

-89,54

248,03

Для воды, которая служитинертным разбавителем в данном процессе:

Т, К

∆Н, кДж/моль

S, Дж/моль*К

298

-241,84

188,74

300

-241,84

188,95

400

-242,84

198,70

500

-243,84

206,48

600

-244,76

212,97

700

-245,64

218,66

800

-246,48

223,76

900

-247,19

228,36

1000

-247,86

232,67

На основании полученныхрезультатов определяем для температурного диапазона термодинамические параметрыпроцесса, константу равновесия и степень конверсии реагентов:

/>

/>

/>,

/>

Т, К

/>, Дж/моль

/>,Дж/К моль

Кр0

Кр, кПа

298

62718,16

136,27

0,0001

0,01

300

62760,00

136,36

0,0002

0,02

400

62969,20

137,03

0,0860

8,71

500

62634,48

136,27

3,7567

380,65

600

61881,36

135,02

46,2817

4689,49

700

60960,88

133,55

267,4475

27099,12

800

59873,04

132,09

978,1709

99113,17

900

58701,52

130,75

2647,6177

268269,87

1000

57530,00

129,54

5772,6704

584915,83

Для данного процессастепень конверсии рассчитывается по формуле:

/>

Рассчитаем равновеснуюстепень конверсии при давлении 1 атм, отсутствии инертных разбавителей.Результаты расчетов приведены в таблице:

Т, К

х

298

0,01

300

0,01

400

0,28

Продолжение таблицы

500

0,89

600

0,99

700

1,00

800

1,00

900

1,00

1000

1,00

График зависимостипредставлен на рисунке:

/>

Как видно, для веденияпроцесса подходит температура в интервале от 600 до 800К.

Состав равновесной смесипри изменении температуры ведения процесса представлен в таблице:

Т, К

Мол. доля в равновесной смеси

изопентан

изобутилен

метан

вода

298

0,9772

0,0114

0,0114

0,0000

300

0,9753

0,0124

0,0124

0,0000

400

0,5608

0,2196

0,2196

0,0000

500

0,0589

0,4705

0,4705

0,0000

600

0,0053

0,4973

0,4973

0,0000

700

0,0009

0,4995

0,4995

0,0000

800

0,0003

0,4999

0,4999

0,0000

900

0,0001

0,5000

0,5000

0,0000

1000

0,0000

0,5000

0,5000

0,0000

/>

Поскольку процесс идет сповышением числа молей газа, имеет смысл создавать вакуум. Рассчитаем длядиапазона давлений 0,1-1,2 атм и интервала температур 600-800К и отсутствииинертных разбавителей равновесную степень конверсии реагента:

Р, атм

Р, кПа

х (Т=600K)

х (Т=700K)

х (Т=800K)

0,1

10,1325

0,9989

0,9998

0,9999

0,2

20,2650

0,9978

0,9996

0,9999

0,3

30,3975

0,9968

0,9994

0,9998

0,4

40,5300

0,9957

0,9993

0,9998

0,5

50,6625

0,9946

0,9991

0,9997

0,6

60,7950

0,9936

0,9989

0,9997

0,7

70,9275

0,9925

0,9987

0,9996

0,8

81,0600

0,9915

0,9985

0,9996

0,9

91,1925

0,9904

0,9983

0,9995

1

101,3250

0,9894

0,9981

0,9995

1,1

111,4575

0,9883

0,9979

0,9994

1,2

121,5900

0,9873

0,9978

0,9994

/>

Зависимость составаравновесной смеси от давления при температуре 800К показана в таблице:

 

Мол. доля в равновесной смеси

Р, атм

изопентан

изобутилен

метан

вода

0,1

0,0000

0,5000

0,5000

0,0000

0,2

0,0001

0,5000

0,5000

0,0000

0,3

0,0001

0,5000

0,5000

0,0000

0,4

0,0001

0,4999

0,4999

0,0000

0,5

0,0001

0,4999

0,4999

0,0000

0,6

0,0002

0,4999

0,4999

0,0000

0,7

0,0002

0,4999

0,4999

0,0000

0,8

0,0002

0,4999

0,4999

0,0000

0,9

0,0002

0,4999

0,4999

0,0000

1

0,0003

0,4999

0,4999

0,0000

1,1

0,0003

0,4999

0,4999

0,0000

1,2

0,0003

0,4998

0,4998

0,0000

/>

Однако проводить процесспри вакууме опасно, в связи с высокой взрывоопасностью. Гораздо удобнееприменять для ведения процесса инертные разбавители.

Рассчитаем зависимостьравновесной степени конверсии от степени разбавления водой – инертнымразбавителем при 800К, 700К, 600К и пониженном давлении 0,5атм. Результатырасчетов приведены в таблице.

n

х (Т=600K)

х (Т=700K)

х (Т=800K)

0,9946

0,9991

0,9997

1

0,9964

0,9994

0,9998

5

0,9985

0,9997

0,9999

10

0,9991

0,9998

1,0000

Продолжение таблицы

15

0,9994

0,9999

1,0000

20

0,9995

0,9999

1,0000

25

0,9996

0,9999

1,0000

30

0,9997

0,9999

1,0000

35

0,9997

0,9999

1,0000

40

0,9997

1,0000

1,0000

45

0,9998

1,0000

1,0000

50

0,9998

1,0000

1,0000

/>

Рассчитаем зависимостьравновесной степени конверсии от степени разбавления водой – инертнымразбавителем при 800К, 700К, 600К и пониженном давлении 1атм. Результатырасчетов приведены в таблице.

n

х (t=600K)

х (t=700K)

х (t=800K)

0,9894

0,9981

0,9995

1

0,9929

0,9988

0,9997

5

0,9969

0,9995

0,9999

10

0,9982

0,9997

0,9999

15

0,9987

0,9998

0,9999

20

0,9990

0,9998

1,0000

25

0,9992

0,9999

1,0000

30

0,9993

0,9999

1,0000

35

0,9994

0,9999

1,0000

40

0,9995

0,9999

1,0000

45

0,9995

0,9999

1,0000

50

0,9996

0,9999

1,0000

/>

Таким образом,термодинамический анализ показал, что для достижения максимальной степениконверсии реагента процесс пиролиза изопентана проводится при температуре 700-800К,пониженном давлении около 0,5 атм или степени разбавления водой 25-30 моль Н2О/мольизопентана.

Задание № 4

При исчерпывающемжидкофазном алкилировании фенола изобутиленом получена реакционная масса,состав которой определяется равновесием реакций позиционной изомеризации ипереалкилирования в системе, представленной фенолом, 2-ТБФ, 1,4-диТБФ,2,6-диТБФ, 2,4,6-триТБФ.

Решение:

Выбираем независимыереакции в системе.

/>

/>

/>

/>

/>,    />,

/>,  />

/>

Обозначим за неизвестнуюконцентрацию />:

/>,

/>,

/>,

/>,

/>, откуда:

/>