Расчет химического равновесия и термодинамический анализ реакционной системы

4







Федеральное агентство по образованию





Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования





Самарский государственный технический университет



Кафедра: «Технология органического и нефтехимического синтеза»









Курсовая работа



по курсу:

«Теория химических процессов органического синтеза»





















Самара

2006 г.


Задание №1



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



Решение: наиболее вероятная схема превращений:









Составим таблицу распределения 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

0

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

0

ТМБ

14,15

134

0,1056

b5 =0.1056

0



Степень конверсии мезитилена определяется по формуле:







Степень конверсии спирта: 



.



Селективность продуктов в расчете на мезитилен рассчитывается по формуле: , по спирту: . Результаты расчетов приведены 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 на пропущенное сырье в расчете на пропилен рассчитывается по формуле: , в расчете на спирт: . Результаты представлены в табл. 2:



Таблица 2

Продукт/Пропущенное сырье

мезитилен

спирт

АО-40

0,2752

0,8770

м-ксилол

0,0697

0

ТМБ

0,3599

0



Задание № 2



Решение: Схема реакции представлена на рис. 1:





Рис. 1. Дегидрирование н-бутана.



Схема реактора представлена на рис. 2.





Рис. 2. Схема теплового баланса реактора



Тепло, входящее в реактор, определяется по формуле:



, (1) здесь:

,

,

 - определено для Т = 800К из логарифмического полиномиального уравнения, полученного по табличным данным;

 определено для Твх из логарифмического полиномиального уравнения для Ср н-пентана с помощью функции «Поиск решения» программы «Microsoft Excel»;

 - для 1000К определено по табличным данным;

 - определено для Твх из полиномиального уравнения для Ср воды с помощью функции «Поиск решения» программы «Microsoft Excel»;



, ,





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







Энтальпия реакции при данной Твх:





Теплота реакции определяется величиной энтальпии реакции, массового расхода реагента, степенью конверсии реагента.



Рассмотрим, когда степень конверсии .



,



Согласно уравнению теплового баланса:





Здесь: ,

 - определено для Твых из логарифмического полиномиального уравнения с помощью функции «Поиск решения» программы «Microsoft Excel»;



,



 - определено для Твых из логарифмического полиномиального уравнения для Ср н-бутана с помощью функции «Поиск решения» программы «Microsoft Excel»;



,



 - определено для Твых из логарифмического полиномиального уравнения для Ср бутена с помощью функции «Поиск решения» программы «Microsoft Excel»;

 - определено для Твых из логарифмического полиномиального уравнения с помощью функции «Поиск решения» программы «Microsoft Excel»;



,



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



Аналогично определяем значения 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 зависимость перепада температур на входе и выходе от степени конверсии представлена на рисунке 3.





Рис. 3. Зависимость адиабатического перепада температур от степени конверсии



Выводы



Как видно, характерной особенностью процесса является линейное увеличение адиабатического перепада температур в зоне реактора при увеличении степени конверсии исходного вещества. Это обуславливает некоторые технологические особенности промышленного процесса дегидрирования н-бутана.

Реактор процесса дегидрирования 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. Во избежание подобного вверх колонны подается подогретый катализатор, регенерированный в регенераторе. Более горячий катализатор контактирует с частично прореагировавшей смесью, и наоборот, чем достигается выравнивание скоростей реакции по всему объему. На регенерацию закоксованный катализатор поступает, стекая по десорберу, где его отдувают от углеводородов азотом.

Таким образом, за счет дополнительного подогрева регенерированного катализатора и подачи его вверх колонны реактора достигается выравнивание температуры процесса.






Задание №1



Выполнить полный количественный анализ процесса пиролиза изопентана с образованием метана и изобутилена.

Дать анализ зависимостей равновесной степени конверсии изопентана и состава равновесной смеси от варьируемых параметров.

Аргументировать технологические особенности промышленных процессов пиролиза углеводородов и конструктивные особенности реакторов пиролиза.



Решение:



Проведем предварительный расчет процесса. Для этого необходимо ввести допущение, что побочных реакций не протекает, селективность процесса по целевому продукту 100%, то есть упрощенная схема реакции имеет вид:







Для определения параметров 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 служит инертным 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 полученных результатов определяем для температурного диапазона термодинамические параметры процесса, 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 процесса степень конверсии рассчитывается по формуле:







Рассчитаем равновесную степень 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

500

0,89

600

0,99

700

1,00

800

1,00

900

1,00

1000

1,00



График зависимости представлен на рисунке:







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

Состав равновесной смеси при 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 с повышением числа молей газа, имеет смысл создавать вакуум. Рассчитаем для диапазона давлений 0,1-1,2 атм и интервала температур 600-800К и отсутствии инертных 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 состава равновесной 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 процесс при вакууме опасно, в связи с высокой взрывоопасностью. Гораздо удобнее применять для ведения процесса инертные разбавители.

Рассчитаем зависимость равновесной степени конверсии от степени разбавления водой – инертным разбавителем при 800К, 700К, 600К и пониженном давлении 0,5атм. Результаты расчетов приведены в таблице.



n

х (Т=600K)

х (Т=700K)

х (Т=800K)

0

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

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 зависимость равновесной степени конверсии от степени разбавления водой – инертным разбавителем при 800К, 700К, 600К и пониженном давлении 1атм. Результаты расчетов приведены в таблице.



n

х (t=600K)

х (t=700K)

х (t=800K)

0

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 степени конверсии реагента процесс пиролиза изопентана проводится при температуре 700-800К, пониженном давлении около 0,5 атм или степени разбавления водой 25-30 моль Н2О/моль изопентана.






Лабораторная работа №3



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



Решение:



Выбираем независимые реакции в системе.















, ,

, 





Обозначим за неизвестную концентрацию :

,



,



,



,

, откуда: