Xreferat.com » Рефераты по химии » Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Федеральное агентство по образованию.

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального

образования.


Самарский государственный технический университет.


Кафедра: "Технология органического и нефтехимического синтеза"


Курсовой проект


по курсу:

"Теория химических процессов органического синтеза"


Выполнил: студент III – ХТ – 2 Степанов А.А.

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


Самара 2006 г.

Задание №1

Решение: при алкилировании бензола пропиленом в присутствии любых катализаторов происходит последовательное замещение атомов водорода с образованием смеси продуктов разной степени алкилирования:

Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Каждая из реакций при умеренной температуре является практически необратимой. Однако при катализе хлористым алюминием и достаточно жестких условиях катализа алюмосиликатами цеолитами происходит обратимая реакция переалкилирования с межмолекулярной миграцией алкильных групп.

Составим таблицу распределения мол. долей исх. вещества:

Таблица 1

Компонент % масс. М G Кол-во мол. исх. в-ва




пропилен бензол
1. пропилен 0,05 42,08 0,0012 0,0012 0
2. бензол 1,07 78,11 0,0137 0 0,0137
3. ИПБ 45,00 120, 20 0,3744 0,3744 0,3744
4. о-диИПБ 0,25 162,28 0,0015 0,0031 0,0015
5. п-диИПБ 15,00 162,28 0,0924 0,1849 0,0924
6. м-диИПБ 30,28 162,28 0,1866 0,3732 0,1866
7.1,2,4-триИПБ 1,15 204,36 0,0056 0,0169 0,0056
8.1,3,5-триИПБ 7, 20 204,36 0,0352 0,1057 0,0352

Степень конверсии пропилена определяется по формуле:

Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Степень конверсии бензола определяется по формуле:

Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Селективность по отношению к пропилену по рассматриваемым продуктам рассчитывается по формуле: Теория химико-технологических процессов органического синтеза, по отношению к бензолу: Теория химико-технологических процессов органического синтеза.

Результаты расчетов приведены в табл.2.

Таблица 2

Селективность по По отношению к

пропилену бензолу
ИПБ 0,3538 0,5381
о-диИПБ 0,0029 0,0022
п-диИПБ 0,1747 0,1328
м-диИПБ 0,3527 0,2682
1,2,4-триИПБ 0,0160 0,0081
1,3,5-триИПБ 0,0999 0,0506
Σ 1,0000 1,0000

Проверка: Теория химико-технологических процессов органического синтеза,

Теория химико-технологических процессов органического синтеза,

Теория химико-технологических процессов органического синтеза.

Выход продуктов на пропущенный пропилен рассчитывается по формуле: Теория химико-технологических процессов органического синтеза, выход продуктов на пропущенный бензол рассчитывается по формуле: Теория химико-технологических процессов органического синтеза.

Результаты расчетов представлены в табл.3:

Таблица 3

Выход По отношению к

пропилен бензол
ИПБ 0,3534 0,5277
о-диИПБ 0,0029 0,0022
п-диИПБ 0,1745 0,1303
м-диИПБ 0,3523 0,2630
1,2,4-триИПБ 0,0159 0,0079
1,3,5-триИПБ 0,0998 0,0497
Σ 0,9989 0,9807

Задание 2.

Решение: Схема реакции представлена на рис.1:

Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Рис.1. Дегидрирование н-бутана.

Схема реактора представлена на рис.2.

Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Рис.2. Схема теплового баланса реактора.

Тепло, входящее в реактор, определяется по формуле:

Теория химико-технологических процессов органического синтеза, (1) здесь:

Теория химико-технологических процессов органического синтеза,

Теория химико-технологических процессов органического синтеза,

Теория химико-технологических процессов органического синтеза - определено для Т = 800К из логарифмического полиномиального уравнения, полученного по табличным данным;

Теория химико-технологических процессов органического синтеза определено для Твх из логарифмического полиномиального уравнения для Ср н-пентана с помощью функции "Поиск решения" программы "Microsoft Excel";

Теория химико-технологических процессов органического синтеза - для 1000К определено по табличным данным;

Теория химико-технологических процессов органического синтеза - определено для Твх из полиномиального уравнения для Ср воды с помощью функции "Поиск решения" программы "Microsoft Excel";

Теория химико-технологических процессов органического синтеза, Теория химико-технологических процессов органического синтеза,

Теория химико-технологических процессов органического синтеза

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

Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Энтальпия реакции при данной Твх:

Теория химико-технологических процессов органического синтезаТеплота реакции определяется величиной энтальпии реакции, массового расхода реагента, степенью конверсии реагента.

Рассмотрим, когда степень конверсии Теория химико-технологических процессов органического синтеза.

Теория химико-технологических процессов органического синтеза,

Согласно уравнению теплового баланса:

Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Теория химико-технологических процессов органического синтеза.

Здесь: Теория химико-технологических процессов органического синтеза,

Теория химико-технологических процессов органического синтеза - определено для Твых из логарифмического полиномиального уравнения с помощью функции "Поиск решения" программы "Microsoft Excel";

Теория химико-технологических процессов органического синтеза,

Теория химико-технологических процессов органического синтеза - определено для Твых из логарифмического полиномиального уравнения для Ср н-бутана с помощью функции "Поиск решения" программы "Microsoft Excel";

Теория химико-технологических процессов органического синтеза,

Теория химико-технологических процессов органического синтеза - определено для Твых из логарифмического полиномиального уравнения для Ср бутена с помощью функции "Поиск решения" программы "Microsoft Excel";

Теория химико-технологических процессов органического синтеза - определено для Твых из логарифмического полиномиального уравнения с помощью функции "Поиск решения" программы "Microsoft Excel";

Теория химико-технологических процессов органического синтеза,

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.

Теория химико-технологических процессов органического синтеза

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 №3

Вариант 24

Выполнить полный теоретический анализ процесса получения изопрена разложением 4,4-диметилоксана-1,3.

Термодинамический анализ

1. Определим энтальпию Теория химико-технологических процессов органического синтеза и энтропию Теория химико-технологических процессов органического синтеза рассматриваемых соединений. Для этого используем метод Бенсона по атомам с их первым окружением.

Изопрен

Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Из таблицы Бенсона возьмем парциальные вклады для Теория химико-технологических процессов органического синтеза Теория химико-технологических процессов органического синтеза и Теория химико-технологических процессов органического синтеза, вводим набор поправок:

Поправки на гош-взаимодействие отсутствуют.

Поправка на симметрию:

Теория химико-технологических процессов органического синтеза, Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Таблица 1


Кол-во вкладов Вклад Вклад в энтальпию, кДж/моль Вклад Вклад в энтропию Дж/К*моль Вклад Вклад в т/емкость Дж/К*моль
СН2= 2 26,2 52,4 115,57 231,14 21,350 42,7
=С-(2С) 1 43,28 43,28 -53,16 -53,16 17,160 17,16
=СН-(С=) 1 28,38 28,38 26,71 26,71 18,67 18,67
СН3-(С=) 1 -42, 19 -42, 19 127,29 127,29 25,91 25,91
5
81,87
331,98
104,44
поправка на симм. σнар= 1 σ внутр= 3 -9,134



Теория химико-технологических процессов органического синтеза

81,87

Теория химико-технологических процессов органического синтеза

322,846

Теория химико-технологических процессов органического синтеза

104,440

Для повышенных температур энтальпия и энтропия определяется по формулам:

Теория химико-технологических процессов органического синтеза, Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Теория химико-технологических процессов органического синтеза, Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Для расчета из таблицы Бенсона выпишем парциальные вклады Теория химико-технологических процессов органического синтеза соответствен-но для 298К, 400К, 500К, 600К, 800К и 1000К.

Определим по формулам энтальпии образования и энтропии изопрена для диапазона температур от 298К до 1000К и стандартного давления. Результаты расчетов приведены в таблице:



Теория химико-технологических процессов органического синтеза, Дж/моль

Теория химико-технологических процессов органического синтеза, Дж/К*моль 

298К 81870,00 322,846
400К 76724,87 357,293
500К 72476,77 388,709
600К 68957,52 418,006
800К 63759,52 470,859
1000К 60873,52 517,416

Теплоемкости Теория химико-технологических процессов органического синтеза возьмем экспериментальные из таблицы:


 Теория химико-технологических процессов органического синтеза, Дж/моль*К

Т, К
36.28 50
47.75 100
60.95 150
74.81 200
95.64 273.15
102.69 298.15
103.21 300
129.59 400
152.16 500
171.03 600

Продолжение.

186.95 700
200.6 800
212.3 900
222.5 1000
231.3 1100
238.9 1200
245.5 1300
251.2 1400
256.2 1500

4,4-диметилоксан-1,3

Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Из таблицы Бенсона возьмем парциальные вклады для Теория химико-технологических процессов органического синтеза Теория химико-технологических процессов органического синтеза и Теория химико-технологических процессов органического синтеза, вводим набор поправок:

Поправки на гош-взаимодействие отсутствуют.

Поправка на симметрию:

Теория химико-технологических процессов органического синтеза, Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Таблица 1


Кол-во вкладов Вклад Вклад в энтальпию, кДж/моль Вклад Вклад в энтропию Дж/К*моль Вклад Вклад в т/емкость Дж/К*моль
СН3-(С) 2 -42, 19 -84,38 127,29 254,58 25,910 51,82
СН2-(2С) 1 -20,64 -20,64 39,43 39,43 23,020 23,02
С-(3С,0) 1 -27,63 -27,63 -140,48 -140,48 18,12 18,12
СН2-(С,0) 1 -33,91 -33,91 41,02 41,02 20,89 20,89
СН2-(20) 1 -67,39 -67,39 32,65 32,65 11,85 11,85
О-(2С) 2 -97,11 -194,22 36,33 72,66 14,23 14,23
8
-428,17
299,86
139,93

Продолжение.

Поправка на 1,3-диоксановый цикл 1 0,84 0,84 66,14 66,14

поправка на симм. σнар= 1 σ внутр= 9 -18,268



Теория химико-технологических процессов органического синтеза

-427,33


Теория химико-технологических процессов органического синтеза

347,732


Теория химико-технологических процессов органического синтеза

139,930



Для повышенных температур энтальпия и энтропия определяется по формулам:

Теория химико-технологических процессов органического синтеза, Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Теория химико-технологических процессов органического синтеза, Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Для расчета из таблицы Бенсона выпишем парциальные вклады Теория химико-технологических процессов органического синтеза соответственно для 298К, 400К, 500К, 600К, 800К и 1000К.

Определим по формулам энтальпии образования и энтропии изопрена для диапазона температур от 298К до 1000К и стандартного давления. Результаты расчетов приведены в таблице:


Теория химико-технологических процессов органического синтеза, Дж/моль

Теория химико-технологических процессов органического синтеза, Дж/К*моль 

298К -427330,00 347,732
400К -443239,96 400,076
500К -456796,21 449,552
600К -468750,36 496,332
800К -489459,66 580,819
1000К -506798,06 654,833

Для теплоемкости Теория химико-технологических процессов органического синтеза экспериментальные данные отсутствуют, определим их методом Бенсона:



Теория химико-технологических процессов органического синтеза, Дж/(К*моль)

298К 294,09
400К 341,4
500К 381,91
600К 411,1
800К 456,13
1000К 487,1

Кроме того, при синтезе изопрена образуются формальдегид и вода.

Термодинамические свойства воды возьмем из таблицы свойств:


Теория химико-технологических процессов органического синтеза, Дж/моль*К

Теория химико-технологических процессов органического синтеза, кДж/моль

Теория химико-технологических процессов органического синтеза, Дж/моль*К

33,60 -241,84 188,74
33,60 -241,84 188,95
34,27 -242,84 198,70
35,23 -243,84 206,48
36,32 -244,76 212,97
37,45 -245,64 218,66
38,70 -246,48 223,76
39,96 -247, 19 228,36
41,21 -247,86 232,67

Термодинамические свойства формальдегида рассчитываем методом Бенсона. Полученные результаты представлены в таблице.


Теория химико-технологических процессов органического синтеза, Дж/моль*К

Теория химико-технологических процессов органического синтеза, кДж/моль

Теория химико-технологических процессов органического синтеза, Дж/моль

298 35,44 -108790,00 224,56
400 39,25 -110505,00 235,55
500 43,76 -112133,68 244,81
600 48, 20 -113618,38 253, 20
800 55,94 -116063,03 268,18
1000 61,97 -117821,73 281,33

По полученным данным рассчитываем термодинамические характеристики процесса:

Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Рассчитаем константу равновесия реакции Теория химико-технологических процессов органического синтеза при стандартном давлении для диапазона температур:

Теория химико-технологических процессов органического синтеза.

Результаты расчетов сводим в таблицу:


Теория химико-технологических процессов органического синтеза, кДж/моль

Теория химико-технологических процессов органического синтеза, Дж/моль

298 158574,80 388,41
400 166620,46 391,47
500 173295,78 390,45
600 179325,50 387,84
800 190676,71 381,98
1000 201989,69 376,59

Т. о., можно сделать вывод, что реакция эндотермическая, т.е. при увеличении температуры увеличивается скорость прямой реакции. По уравнению реакции можно сделать вывод, что при увеличении давления реакция разложения диоксана замедлится, т.е. увеличение давления в реакторе нежелательно.

Рассчитаем константу равновесия для различных температур

Кр = exp(-∆G/R*T), где ∆G = ∆Gвода + ∆Gформальд + ∆Gизопрен - ∆Gдмд

Т ∆G Кр
298 31860,41 2,60122E-06
400 -15415,4 103,0660931
500 -44317,5 42656,70466
600 -100209 530048492,7
800 -192507 3,71431E+12
1000 -283127 6,15968E+14

Определим степень конверсии при различных температурах

Х = (-Кр*n + Kp^2*n^2+4*(Kp+Pобщ) *(n+1) *Kp) /(2*Kp+Pобщ)

где n – кол-во молей инертного разбавителя

Pобщ – общее давление


T X
298 0,00032045
400 0,945420958
500 0,999999972
600 1
800 1
1000 1

Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Рассчитаем конверсию при 400 0С и различном давлении.

P, кПа Х
101,325 0,945420958
202,65 0,87085756
303,975 0,80605074
405,3 0,752055369
506,625 0,706888107
607,95 0,668627628
709,275 0,635780158
810,6 0,607228688
911,925 0,582137699
1013,25 0,559874927

Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Рассчитаем конверсию при различном разбавлении

n Н2О Х
1 0,78575
2 0,827174
3 0,854574
4 0,874226
5 0,889079
6 0,90073
7 0,91013
8 0,91788
9 0,924386
10 0,929927

Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Наиболее подходящие условия для проведения процесса: 400 0С при дальнейшем повышении температуры увеличивается выход изобутилена и возрастает опасность полимеризации изопрена. Давление атмосферное. Для компенсации эндотермичности реакции разбавляют диоксан перегретым водяным паром 1: 2, который служит аккумулятором тепла и способствует повышению селективности процесса. Так как реакция разложения ДМД до изопрена идет через стадию дегидрирования, то сильное разбавление отрицательно скажется на выходе изопрена.

Адиабатический перепад температур.

Предположим, что масса пропускаемого 4,4-диметилдиоксана 1,3 равна 1000 кг, тогда количество молей 4,4-диметилдиоксана-1,3, подаваемого в реактор за час:

νн-бутан = Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Где m – подаваемая масса н-бутана, кг/час; M – молярная масса н-бутана, кг/кмоль

νн-бутан= Теория химико-технологических процессов органического синтеза=8,62 (кмоль/час)

На 1 моль н-бутана подается 2 моля водяного пара.

В программе Microsoft Excel построим графики зависимости теплоемкости от температуры для 4,4-диметилдиоксана-1,3, изопрена, формальдегида и воды. А также для каждого из графиков определим линию тренда по полиномиальной зависимости третьего порядка:

Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Количество тепла, входящее в предконтактную зону реактора, складывается из тепла, вносимого с 4,4-диметилдиоксана 1,3 и водяным паром.

Qвх = νТеория химико-технологических процессов органического синтеза νТеория химико-технологических процессов органического синтеза=

=Теория химико-технологических процессов органического синтеза= 1148557,672 (кДж/час)

Необходимо найти температуру выходящей смеси из предконтактной зоны, для этого нужно знать температуру входящей смеси. После смешения 4,4-диметилдиоксана-1,3 и водяного пара их температура будет равна Tвх. Таким образом Qвх равно:

Qвх = Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Используя функцию "подбор параметра" в программе Microsoft Excel находим:

Tвх. = 4490

Энтальпия реакции из следствия закона Гесса равна:

Теория химико-технологических процессов органического синтеза= Теория химико-технологических процессов органического синтеза - Теория химико-технологических процессов органического синтеза= Теория химико-технологических процессов органического синтеза

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.
Подробнее

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Похожие рефераты: