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:
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
? |
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 |
|
|
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:
Не смотря на то, что все материалы на сайте xies.ru носят ознакомительный характер, наша база однозначно может помочь с написанием дипломных работ или рефератов. Каталок настолько внушительный, что у нас вы точно сможете найти отсортированные по тематикам рефераты и курсовые, а также контрольные работы и дипломы. Для тех кто ищет конспекты, тоже найдётся подходящая информация, которую без труда можно скачать бесплатно. Всё для студентов и школьников, в одной базе рефератов!