Расчет состава реакционной смеси и термодинамический анализ процесса

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»

На тему:

Расчет состава реакционной смеси и термодинамический анализ процесса

Руководитель: доцент, к. х. н. Нестерова Т.Н.

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:

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

Проверка:, .

Выход продуктов на пропущенное сырье в расчете на пропилен рассчитывается по формуле:, в расчете на спирт:. Результаты представлены в табл. 2:

Таблица 2

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 Т_вх из логарифмического полиномиального уравнения для С_р н-пентана с помощью функции «Поиск решения» программы «Microsoft Excel»;

— для 1000К определено по табличным данным;

— определено для Т_вх из полиномиального уравнения для С_р воды с помощью функции «Поиск решения» программы «Microsoft Excel»;

,

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

Энтальпия реакции при данной Т_вх:

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

Рассмотрим, когда степень конверсии .

Согласно уравнению теплового баланса:

.

Здесь: ,

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

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

— определено для Т_вых из логарифмического полиномиального уравнения для С_р бутена с помощью функции «Поиск решения» программы «Microsoft Excel»;

— определено для Т_вых 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 Т_вых = 931К.

Аналогично определяем значения Т_вых для различных значений степени конверсии. Полученные значения представлены в таблице 3.

Таблица 3

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:

Для изобутилена:

Для метана:

Для воды, которая служит инертным разбавителем в данном процессе:

На основании полученных результатов определяем для температурного диапазона термодинамические параметры процесса, константу равновесия и степень конверсии реагентов:

Для данного процесса степень конверсии рассчитывается по формуле:

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

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:

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:

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

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.

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

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: