Анализ выбора реактора синтеза фосгена

1. Задание Исследовать влияние температуры на процесс в адиабатическом режиме идеального вытеснения и полного смешения. Сравнить изменения соотношения объемов реакторов в различных режимах.

Построить графики зависимости:

Xp = f (T) — где Хр — равновесная степень превращения Х = f (T) — где Х — степень превращения фосгена в реакторе

U = f (h) — где h — высота реакционной зоны, м

U — скорость реакции Х = f (S) — где S — время реакции, с Х — текущая степень превращения

Vрив = f (T) — где Vрив — объем реактора идеального вытеснения

Vрпс = f (T) — где Vрпс — объем реактора полного смешения

Vрив Vрпс = f (T)

Хк=0.9Хр, производительность по фосгену 2000 тг. Исходная смесь состоит из СО и СL2. Соотношение 1:1. Р=1−5, Т=600

2. Литературный обзор Дихлорангидрид угольной кислоты (фосген) впервые был получен английским химиком Дж. Дэви в 1811 г. Выдерживанием на свету смеси окиси углерода с хлором. Метод получения и дал имя новому соединению — ФОСГЕН («рожденный светом»).

Фосген является достаточно реакционноспособным соединением. Он легко взаимодействует со спиртами, аммиаком и аминами. Это и обусловило широкое распространение фосгена в химической практике, включая производственные масштабы. В частности, на его основе осуществляется производство полиуретанов, многих пестицидов и других важных продуктов.

Свойства дихлорангидрида угольной кислоты (фосгена)

1.Физические свойства Фосген представляет собой бесцветный газ, который ниже + 8.2?С конденсируется в бесцветную жидкость. Он имеет характерный («не химический») запах прелого сена или гнилых фруктов. Мало растворим в холодной воде. Хорошо растворим в органических растворителях (бензоле, толуоле, уксусной кислоте, хлороформе и т. д.).

Ниже приведены основные физические свойства фосгена:

Температура кипения при 137 мм. рт. ст.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ... — 30? С при 760 мм. рт. ст.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. + 8.2?С Температура плавления. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. — 118? С Критическая температура. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ... 183(181.7) ?С Критическое давление. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 56(55.3) ат Максимальная концентрация при 20? С. .. .. .. .. .. ... 6370 мг/л Плотность при 0? С. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ... 1.4203 г/см³

В таблице 1 приведена зависимость давления пара фосгена от температуры.

Таблица 1 Зависимость упругости паров фосгена от температуры

Давление паров фосгена (см. табл. 1) от -10 до +25?С описывается уравнением

lgp = 7.5045 — 1300.1/Т

где р — давление паров, мм.рт.ст., Т — температура, К.

2.Токсические свойства Дихлорангидрид угольной кислоты (фосген) относится к отравляющим веществам удушающего действия. Отравление фосгеном происходит только при вдыхании его паров.

Запах фосгена ощущается, начиная с концентрации в воздухе 0.004 мг/л в течение 1−1,5 ч не приводит к отравлению, однако влияет на вкусовые ощущения. Например, проявляется отвращение к табачному дыму и запахам.

Признаки токсического отека легких проявляются после скрытого (латентного) периода, составляющего в среднем 4−6 ч. Продолжительность латентного периода зависит от дозы, состояния пораженного и физической нагрузки.

Пребывание в атмосфере, содержащей 0.01 мг/л фосгена, в течение 1 ч может вызвать легкое отравление. Концентрация 0.022 мг/л является смертельной уже через 30 мин экспозиции. Концентрации 0.5−0.6 мг/л при экспозиции 3−5 мин вызывают тяжелые отравления, а пребывание в атмосфере с концентрацией фосгена свыше 5 мг/л вызывает смертельный исход уже через 2−3 сек. Относительная токсичность при ингаляции LCф₅₀ составляет 3.2 мг мин/л. Фосген обладает кумулятивным свойством: в организме накапливаются поражения от нескольких несмертельных доз, которые в сумме могут привести к тяжелым отравлениям, вплоть до смертельных.

3. Получение Из существующих способов получения фосгена наибольшее распространение, как в лаборатории, так и в промышленном масштабе, получил способ, заключающийся во взаимодействии хлора и окиси углерода в присутствии катализатора. Реакция образования фосгена в этом случае является обратимой и экзотермической:

дихлорангидрид фосген реактор адиабатический

СО + Сl₂ COCl₂ + 109.44 кДж (26.14 ккал) Согласно принципу Ле-Шателье повышение температуры будет смещать обратимую экзотермическую реакцию в сторону меньшей конверсии исходных веществ. Это теоретическое положение подтверждено экспериментально найденной зависимостью содержания фосгена в реакционной смеси от температуры (табл. 2)

Таблица 2 Равновесное содержание фосгена при различных температурах

Зависимость константы равновесия К_р от температуры имеет вид:

lg К_р=5020/Т — 1.75 lgТ — 1.158

где Т — температура, град. К;

4. Установка синтеза фосгена в лабораторных условиях Центральной частью установки получения фосгена является реактор, изображенный на рис. 1. Он представляет собой кварцевую трубку с двумя отводами и карманом для термопары. На внешней поверхности трубки расположена нагревательная спираль, закрытая асбестовой изоляцией.

Реактор имеет следующие основные размеры:

— внутренний диаметр D -13 мм;

— наружный диаметр кармана термопары d — 8 мм;

— высота слоя катализатора L — 110 мм.

Кроме реактора в установку синтеза фосгена (рис. 2) входят:

Рисунок 1. Реактор синтеза дихлорангидрида угольной кислоты Кроме того в установку синтеза фосгена (рис. 2) входят:

Рисунок 2. Установка синтеза дихлорангидрида угольной кислоты

— система подачи хлора, состоящая из хлорного баллона 1, предохранительной склянки 2 и реометра 3;

— система подачи окиси углерода, состоящая из газометра 4, склянки Алифанова с Н₂ SO₄ 5 и реометра 6;

— смеситель 7;

— реактор 8

— термопара 9 с милливольтметром 10;

— система конденсации фосгена, включающая в себя конденсатор 11, охлаждающую баню 12, термометр 13, контрольную склянку с Н₂ SO₄ 13;

— щелочная абсорбционная колонка 15 с капельной воронкой 16, приемником 17 и контрольной склянкой 18.

3. Теоретическая часть Материальный баланс Материальной баланс — вещественное выражение закона сохранения массы вещества, согласно которому по всякой замкнутой системе масса веществ, вступивших во взаимодействие, равна массе веществ образовавшихся в результате взаимодействии. Применительно к материальному балансу любого технологического процесса это означает, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию — приход, равна массе полученных веществ — расходу. Материальный баланс составляют по уравнению основной суммарной реакции с учетом параллельных и побочных реакций.

Материальный баланс непрерывно действующих проточных реакторов составляется, как правило, для установившегося (стационарного) режима при котором общая масса веществ, поступивших в аппарат за данный период времени, равна массе веществ вышедших из аппарата. Количество же всех веществ в аппарате постоянно, т. е. накопления или убыли суммарного количества веществ не происходит.

Равновесие в технологических процессах Химические процессы делятся на обратимые и необратимые. Необратимые реакции протекают только в одном направлении. Химические реакции, обычно, обратимы в том отношении, что в зависимости от условий могут протекать как в прямом, так и в обратном направлении. Но в обычных производственных условиях многие реакции практически не обратимы. В гетерогенных системах обратимыми называют такие процессы, в которых возможен переход вещества или теплоты как из одной фазы во вторую, так и обратно.

Все обратимые химико-технологические процессы стремятся к равновесию, при котором скорости прямого и обратного процессов уравниваются, в результате чего соотношение компонентов во взаимодействующей системе остается неизменным, пока не изменятся внешние условия. При изменении температуры, давления или концентрации одного из компонентов равновесие нарушается, и в системе самопроизвольно происходят химические процессы, ведущие к восстановлению равновесия уже в новых условиях.

Влияние основных параметров технологического режима на равновесие в гомогенных и гетерогенных системах определяется принципом Ле Шателье, согласно которому в системе, выведенной из состояния равновесия, происходят изменения, направленные на компенсацию воздействий, выводящих систему из равновесия.

Рассмотрим замкнутую систему:

аА + bB = cC

Скорость прямой реакции:

(6)

Cкорость обратной реакции:

(7)

где к1 и к2 — константы скорости прямой и обратной реакции, А, В, С — молярные концентрации реагирующих компонентов в заданный момент.

Константа равновесия вычисляется как отношение константы скорости прямой реакции к обратной в состоянии равновесии, то есть когда U1 = U2:

(8)

Химические реакторы Одним из основных элементов любой химико-технологической системы (ХТС) является химический реактор. Химический реактор это аппарат, в котором осуществляется химические процессы, сочетающие химические реакции с массои теплопереносом. Типичными реакторами являются промышленные печи, контактные аппараты, реакторы с механическим, пневматическим и струйным перемешивающим устройством, варочные котлы и т. п.

Все аппараты, расположенные до реактора предназначены для подготовки сырья к химической переработке, а все то, что находиться после реактора, необходимо для разделения получающихся в реакторе продуктов. От верности выбора типа реактора и его внутренних устройств напрямую зависит эффективность всего технологического процесса.

Требования к промышленным реакторам Основными требованиями к реакторам в промышленности являются:

1. Максимальные коэффициент полезного действия (КПД) и интенсивность работы.

2. Высокий выход целевого продукта и наибольшая селективность процесса (это обеспечивается оптимальным режимом работы реактора, т. е. необходимо поддерживать заданную температуру, давление, концентрацию загружаемых веществ и продуктов реакции.)

3. Минимальные энергетические затраты на перемешивание, рациональное использование теплоты экзотермических реакций или теплоты подводимой к реактору для поддержания оптимальной температуры реагирующих веществ.

4. Безопасность работы и управляемость. Эти условия обеспечиваются рациональным подходом к выбору конструкции реактора с малыми колебаниями параметров технологического режима, позволяющими автоматизировать работу реактора

5. Низкие экономические затраты на изготовление самого реактора, его ремонта и технического обслуживания. Эти условия достигаются простотой конструкций, применением дешевых сталей и конструкционных материалов.

6. Устойчивость реактора при значительных изменениях основных параметров технологического процесса — температуры, давления, концентрация и т. д., устойчивость оболочки реактора к аварийным ситуациям.

Классификация реакторов

· По временному фактору:

— проточные

— периодического действия

· По гидродинамическому фактору:

— смешения (с использованием перемешивающего устройства)

— вытеснения (вытеснение слоя частиц впереди идущим слоем, т. е. нет продольного смешения частиц)

· По температурному фактору:

— изотермические реакторы (Т — const)

— адиабатические (без теплообмена с окружающей средой)

— политермические (с высокой разностью температур) Типы идеальных реакторов Непосредственно на режим работы реактора влияет степень перемешивания реагирующих веществ. В частности, постоянство параметров во всем объеме ректора обеспечивается полным смешением, а при полном вытеснении параметры, как правило, изменяются по высоте реакционного объема. В результате, в реакторах вытеснения меняется константа скорости реакции, а следовательно и скорости процесса. При сравнении моделей идеальных реакторов вытеснения и смешения условно принято постоянство температуры и соответственно константы скорости реакции для всех типов реакторов.

· Реактор полного смешения, проточный (РПС)

Проточный реактор представляет собой аппарат, в котором интенсивно перемешиваются реагенты при помощи перемешивающего устройства (мешалки). В него непрерывно подаются реагенты и непрерывно выводятся продукты реакции. Поступающие в такой раствор частицы вещества мгновенно перемешиваются с находящимися там частицами, то есть равномерно распределяются по всему объему аппарата Таким образом, во всех точках реакционного объема мгновенно выравнивается концентрациями все остальные параметры характеризующие процесс — температура, степени превращения и другие.

· Реактор идеального вытеснения (РИВ) В таком реакторе, все частицы движутся равномерно и в заданном направлении, при этом не перемешиваясь с движущимися впереди и сзади и полностью вытесняя находящиеся впереди частицы потока (поршневое движение потока). Время Пребывания всех частиц в аппарате одинаково.

· Реактор периодического действия (РПД) Реакторы периодического действия работаю при нестационарном технологическом режиме. То есть в процессе протекания реакции (независимо от степени перемешивания) изменяются не только концентрации реагентов, но и температура, давление и следовательно и константа скорости реакции. Если периодический реактор работает в режиме полного смешения, то время для достижения необходимое для достижения заданной степени превращения рассчитывается по характеристическому уравнению, которое совпадает с характеристическим уравнением реактора идеального вытеснения. Таким образом, если были бы возможны одинаковые условия проведения процесса в реакторах периодического действия и идеального вытеснения, то их объемы были бы равны между собой. Но, условия протекания процессов в промышленных проточных реакторах, как правило, лучше, чем в периодических.

· Каскад реакторов полного смешения В единичном реакторе полного смешения из-за того, что концентрации реагентов мгновенно снижаются до конечной величины, скорость реакции при больших степенях превращения невелика и поэтому для получения высоких степеней превращения требуются реакторы большого объема. В связи с этим рациональнее использовать ряд последовательно соединенных реакторов полного смешения — каскада реакторов. В каскаде реакторов состав реакционной смеси изменяется при переходе из одного аппарата в другой. При этом в каждой ступени каскада, как характерно для реакторов полного смешения, параметры процесса постоянны во всем объеме. Существует несколько методов для определения теоретического количества ступеней, но в основном используют графический и алгебраический методы.

Помимо этого, производительность реактора периодического действия ниже, чем реактора идеального вытеснения, работающего непрерывно, так как при использовании реактора периодического действия требуется время для загрузки сырья, только после чего идет реакция. После окончания реакции производят выгрузку полученного вещества, на что так же необходимо время. Таким образом, процесс работы такого реактора состоит из нескольких циклов, а именно: загрузка, химическая реакция, опорожнение аппарата, что не выгодно в целях экономии времени и рентабельности производства.

Кинетика

Выводы С ростом температуры значение величиныЕ1RT уменьшается, значит К1 — увеличивается. Кр уменьшается с ростом температуры, тогда 1Кр увеличивается, величина ДС уменьшается, т. е

.График должен иметь форму параболы, но в данном интервале температур он возрастает С ростом Х значения U уменьшаются, поэтому большему значению Х соответствует меньшее значение U .

Выводы:

С ростом Х значения U уменьшаются (функция убывает) С ростом Т величина Е1RT уменьшается, К1 увеличивается, Кр с ростом Т — уменьшается, 1Кр — увеличивается, значит ДС уменьшается т. е В данном интервале температур большему значению Х соответствуют меньшее значение U.

Реакторы

Химическое равновесие

Заключение

Проведя ряд расчетов, мы делаем выбор в пользу реактора полного смешения (РПС), так как время пребывания в нем реакционной смеси значительно меньше, чем в реакторе идеального вытеснения, что с экономической точки зрения гораздо выгоднее. Также чем меньше время пребывания смеси в реакторе, тем быстрее достигается заданная степень превращения, что нам и иллюстрирует график (с повышением х-степени превращения, растет время).

Список используемой литературы

1. А. М. Кутепов, Т. И. Бондарева, М. Г. Беренгартен «Общая химическая технология», 2003.

2. И. Г. Масленников «Дихлорангидрид угольной кислоты», Метод. указания, СПб., СПбГТИ (ТУ), 2002.

3. Краткий справочник физико-химических величин., 1983.