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»
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
4-гидроси
7,98
235
0,0340
b2=
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
ТМБ
14,15
134
0,1056
b5=0.1056
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:--PAGE_BREAK--
Таблица 2
Продукт/Пропущенное сырье
мезитилен
спирт
АО-40
0,2752
0,8770
м-ксилол
0,0697
ТМБ
0,3599
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 = 800Киз логарифмического полиномиального уравнения, полученного по табличным данным;
/>определено для Твхиз логарифмического полиномиального уравнения для Срн-пентана с помощью функции «Поиск решения» программы «MicrosoftExcel»;
/>— для 1000К определено по табличным данным;
/>— определено для Твхиз полиномиального уравнения для Срводы с помощью функции «Поиск решения» программы «MicrosoftExcel»;
/>, />,
/>
С помощью функции «Поиск решения» программы «MicrosoftExcel» 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 Твыхиз логарифмического полиномиального уравнения с помощью функции «Поиск решения» программы «MicrosoftExcel»; продолжение
--PAGE_BREAK--
/>,
/>— определено для Твыхиз логарифмического полиномиального уравнения для Срн-бутана с помощью функции «Поиск решения» программы «MicrosoftExcel»;
/>,
/>— определено для Твыхиз логарифмического полиномиального уравнения для Србутена с помощью функции «Поиск решения» программы «MicrosoftExcel»;
/>— определено для Твыхиз логарифмического полиномиального уравнения с помощью функции «Поиск решения» программы «MicrosoftExcel»;
/>,
С помощью функции «Поиск решения» программы «MicrosoftExcel» методом наименьших квадратов определено значение Твых= 931К.
Аналогично определяем значения Твыхдля 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.
/>
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 продолжение
--PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK--
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:
/>