|
|
Расчет химического равновесия и термодинамический анализ реакционной системы
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 работапо курсу:«Теория химических процессов органического синтеза»Самара2006 г. Задание №1При 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 № 2Решение: Схема реакции представлена на рис. 1:Рис. 1. Дегидрирование н-бутана.Схема реактора представлена на рис. 2.Рис. 2. Схема теплового баланса реактораТепло, 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 конверсииВыводыКак 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 №1Выполнить 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 №3При 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:
|
 |
