Получение изопропанола

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Химия


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Федеральное агентство по образованию

Волжский Политехнический Институт (филиал) ВолгГТУ

Кафедра химии и общей химической технологии

Курсовая работа

по инженерной химии

Задание 13 Вариант 3

Получение изопропанола

Выполнил:

студент гр. ВХТ-302

Мельникова О.В.

Проверил:

доц. Гаджиев Г. Р.

Волжский 2009

Содержание

  • Введение 3
  • 1. Расчеты расходных коэффициентов 6
    • 1.1 Расчет теоретических расходных коэффициентов 6
    • 1.2 Расчет практических расходных коэффициентов 6
  • 2. Материальный баланс синтеза 8
    • 2.1 Расчет теоретического материального баланса 9
    • 2.2 Расчет практического материального баланса 10
  • 3. Расчет теплового баланса 13
  • 4. Термодинамический анализ реакций 19
    • 4.1 Расчет изменения энтропии при стандартном давлении в заданном интервале температур 20
    • 4.2 Расчет изменения изобарно-изотермического потенциала при стандартном давлении в заданном интервале температур 21
    • 4.3 Расчет константы равновесия реакции при стандартном давлении в заданном
    • интервале температур 22
    • 4.4 Расчет теплового эффекта реакции при стандартном давлении в заданном интервале температур 22
  • 5. Расчет константы равновесия и равновесного состава реагирующих веществ 26
    • 6. Эмперические методы расчета термодинамических функций
    • 6.1 Расчет теплоты сгорания веществ по уравнению Коновалова 32
    • 6.2 Расчет теплоты сгорания веществ по уравнению Караша 33
    • 6.3 Расчет теплоты образования веществ по энергиям связи 34
  • Выводы 35
  • Список литературы 36
  • Введение

Целевым продуктом является ИЗОПРОПИЛОВЫЙ СПИРТ (2-пропанол, изопропанол) (СН3)2СНОН, мол. м. 60,09; бесцв. жидкость; т. пл. -89,5 °С, т. кип. 82,4 °С; d420 0,7855; nD20 1,3776; давление пара (кПа): 1,33 (2,4 °С).

Химические свойства

И.С. смешивается с водой и орг. р-рителями во всех соотношениях; образует с водой азеотропную смесь (т. кип. 80,2 °С; 87,7% И. с.). И. с. обладает всеми св-вами вторичных одноатомных спиртов жирного ряда (образует простые и сложные эфиры, ОН-группу можно заменить на галоген и т. д.).

CH3-CH (OH)-CH3+SO2CL = CH3-CH (CL)-CH3

При дегидрировании превращ. в ацетон. С ароматич. соединениями И. с. конденсируется в присут. H2SO4 с образованием производных, напр., изопропилбензола, изопропилтолуола. Вступает в реакцию со щелочными и щелочно земельными металлами:

CH3-CH (OH)-CH3+Na =CH3-CH (ONa)-CH3+0. 5H2

Вступает в реакцию дегидротации:

CH3-CH (OH)-CH3+H2SO4/AL2O3 = CH3-CH=CH2

Вступает в реакцию сгалоген органическими соединениями:

CH3-CH (OH)-CH3+CH3MgBr+[O] каt = CH3-C (=O)-CH3

Получение

В пром-сти И. с. получают гидратацией пропилена.

CH2=CH-CH3+H2O =CH3-CH (OH)-CH3 Сернокислотную гидратациюосуществляют обычно 70−75%-ной H2SO4 при 70−80 °С и давлении 1,0−2,8 МПа. Сырьем может служить пропан-пропиленовая фракция с содержанием пропилена 30−90% (фракция пиролиза и крекинга нефти); однако наблюдается тенденция к использованию чистого пропилена, т. к. в этом случае процесс можно вести при невысоких давлениях, резко снижается образование побочных продуктов р-ции — полимеров и ацетона. Прямую гидратацию пропилена осуществляют в осн. в присут. твердого катализатора (в скобках указаны условия процессов) Н3РО4 на носителе. (240−260°С; 2,5−6,5 МПа) или катионообменной смолы (130−160°С; 8,0−10,0 МПа) И. с. получают также окислением парафинов воздухом. Еще И. С. получают гидролизом моногалоген производных:

CH3-CH (CL)-CH3+H2O =CH3-CH (OH)-CH3

Применяют И. с. для произ-ва ацетона, эфиров и др. орг. продуктов, как растворитель в лакокрасочной, парфюмерно-косметич. и фармацевтич. пром-сти, как экстрагент масел, прир. смол, натуральных латексов, антиобледенитель и антифриз. Качеств. анализ И. с. — появление пурпурно-красной окраски при взаимод. с 1%-ным р-ром К2Сr2О7 в присутствии нитропруссида и NH4Cl; количественный — по кол-ву ацетона, образующегося при окислении пробы хромовой смесью. Т. самовоспл. 456 °C, ниж. КПВ 2,5%. Оказывает вредное влияние на центр. нервную систему, токсичнее этанола приблизительно в 2 раза

Физические свойства веществ, участвующих в реакции:

ПРОПИЛЕН (пропен) СН2=СН-СН3, мол.м. 42,081; бесцв. газ со слабым запахом; т. пл. -187,65 °С, т. кип. — 47,7 °С; 0,5139 (при давлении насыщ. пара); tкрит — 92 °C, pкрит 4,6 МПа, dкрит

П. содержитсй в значит. кол-вах (5−18%) в газах крекинга и пиролиза нефтепродуктов, в небольших концентрациях в коксовых газах.

П. легко присоединяет разл. соединения по двойной связи, прямая или сернокислотная гидратация приводит к изопропиловому спирту.

Вода — безцветная жидкость, без характерного запаха температура кипенияравна100°С, плотность 1000 кг/м3

изопропиовый спирт химический реакция энтропия

1. Расчеты расходных коэффициентов

Материальный расчет является основой технологических расчетов. К ним относят определенный расходный коэффициент, составление материальных балансов определенного выхода основных и побочных продуктов и так далее.

Расходный коэффициенты — это величины, характеризующие расход различных видов сырья, топлива, энергии на единицу полученной продукции. Особое значение имеют расходные ёкоэффициенты по сырью, так как для большинства химических реакции и производств 60−70% себестоимости продукции приходится на эту статью расхода. Различают теоретические и практические расходные коэффициенты.

Теоретические расходные коэффициенты учитывают расход исходного сырья с учетом стехеометрии реакции.

Практические расходные коэффициенты учитывают селективность процесса, выход продукта, степень превращения и рассчитываются на базе теоретических расходных коэффициентов.

Расходные коэффициенты одного и того же продукта зависят от состояния исходных реагентов и могут существенно отличаться друг от друга, поэтому в тех случаях, когда производство и сырье отдалены друг от друга необходима предварительная оценка по расходным коэффициентам при выборе типа сырья с целью определения экономической целесообразности его использования.

Рассчитать практические расходные коэффициенты для реагентов по основной реакции на 1 тонну целевого продукта, используя такие данные материального баланса, как технологический выход продукта f, степень превращения реагента Xa, молярное соотношение исходных реагентов и состав исходных реагентов.

Основная реакция: CH2=CH-CH3+H2O =CH3-CH (OH)-CH3

Побочная реакция: 2CH2=CH-CH3+H2O=[(CH3)2CH]2O

Производительность реактора П = 5900 т/год

Число дней работы реактора в году n = 341

Выход продукта f = 93%

Степень превращения XA = 89%

Селективность основной реакции Ф = 81%

Соотношение А: В 1: 3

Состав исходного реагента A, %масс: C3H6- 97%;

примесь C3H8 — 3%.

Состав исходного реагента В (вода) 100%.

1. 1 Расчет теоретических расходных коэффициентов

1. Рассчитаем коэффициент для, А (пропен):

зтA(C3H6) = нA МMAМ1000 =1М42М1000/1М60 = 700 кг

нСМMС

2. Рассчитаем коэффициент для B (вода)

зтв(H2O) = нB МMBМ1000 =1М18М1000/1М60 =300 кг

нСМMС

1.2 Расчет практических расходных коэффициентов

1. Рассчитаем практический коэффициент для пропена:

зпрА(C3H6)= зта = 700/0,81 М 0,89М0,93 = 1044,1кг

ФА> ВМХAМfC

  • Рассчитаем практический коэффициент для смеси пропена:
  • зпрА (смеси) = зпрАМ100% = 1044,1 М 100%/97 = 1076,4 кг
  • iA
  • 2. Рассчитаем практический коэффициент для Н2О, исходя из молекулярного соотношения исходных реагентов получения расходных коэффициентов для воды
  • зпрВ = 3 М зпрА=3 М1044,1/42,09=74,42 кмоль
  • зпрВ= зпрВ ММВ=74,42 М18=1339,56 кг
  • Вывод: Расчеты показали, что для получения тонны изопропанола необходимо взять 1076,4 кг пропена и 1339,56 кг воды.
  • 2. Материальный баланс

Материальный баланс рассчитывается с целью определения расходных коэффициентов по сырью, технико-экономических показателей, объема реактора.

В основе материального баланса лежит закон сохранения вещества. В общем виде уравнение материального баланса для любого элемента ХТС может быть записано:

?Gпр = ?Gрасх + ?Gрасх

?Gпр - сумма всех входящих в элемент ХТС материальных потоков;

?Gрасх — cумма всех выходящих из элемента ХТС материальных потоков;

?Gрасх- сумма всех материальных потерь.

Существует теоретический и практический материальный баланс. Теоретический материальный баланс рассчитывается на основе стехеометрии основной реакции и количества получаемого продукта. Практический материальный баланс рассчитывается на основе теоретического материального баланса с учетом степени превращения, селективности, выхода, соотношения исходных реагентов, степени частоты сырья, количества применяемого растворителя, инертного газа и т. д.

А В С

Основная реакция: CH2=CH-CH3+H2O =CH3-CH (OH)-CH3

Производительность реактора П = 5900 т/год

Число дней работы реактора в году n = 341

Выход продукта f = 93%

Степень превращения XA = 89%

Селективность основной реакции Ф = 81%

Соотношение А: В 1: 3

Состав исходного реагента A, %масс: C3H6- 97%;

примесь C3H8 — 3%.

Состав исходного реагента В (вода) 100%.

2. 1 Расчет теоретического материального баланса

Составить теоретический материальный баланс на 1 Кмоль/мин и на 1 кг/мин для основной реакции. Результаты расчета представить в форме таблицы.

Переведем производительность, выраженную в единицах массы в мольную производительность:

Gn, 0 = ПМ1000 = 5900М1000/341М24М78 = 12,02 кмоль/ч

nМ24МMB

Пересчитаем количество вещества, А на 100%:

Gn, 0' = Gn, 0М100МMA =12,02 М100М42,09/97 = 512,5 кг/ч = 12,39 кмоль/ч

iA

Рассчитаем количество примесей пропена:

Gn, 0'' = Gn, 0' М iA примеси = 512,5 М0,03 = 15,87 кг/ч = 0,36 кмоль/ч

Рассчитаем количество воды:

GВ = Gn, 0'=12,39 кмоль/ч М МВ=12,38 18=223,02 кг/ч =12,42 кмоль/ч

5. Рассчитаем количество выделившегося целевого продукта:

GС = Gn, 0'М нС = 12,39М1/1 = 744,58 кг/ч

нA

Таблица 1. Результат расчета теоретического материального баланса

приход

расход

вещество

кмоль/ч

% мольн.

кг/ч

% масс.

вещество

кмоль/ч

% мольн.

кг/ч

% масс.

C3H6

12. 39

49. 3

521. 5

68. 56

С3H8O

12. 39

97. 2

744. 58

97. 9

H2O

12. 39

49. 3

223. 02

29. 39

С3H8

0. 36

2. 8

15. 87

2. 06

С3H8

0. 36

1. 4

15. 87

2. 05

?

25. 14

100

760. 46

100

?

12. 75

100

760. 45

100

Из таблицы видно, что для получения 744,58 кг изопропанола необходимо 521,5 кг пропена и 223,02 воды.

2.2 Расчет практического материального баланса

Практический материальный баланс составляется на основе теоретического с учетом технико-экономических показателей процесса (степень превращения, селективность, выход), соотношение исходных реагентов, чистоты сырья.

Составить практический материальный баланс получения целевого продукта, используя все данные материального баланса по заданию. Расчет вести в единицах мольного потока (Кмоль/мин). Результаты расчета представить в форме таблицы, где привести материальные потоки в следующих единицах измерения: кг/мин, % массовые, Кмоль/мин, % мольные, м /мин, % объемные.

Расчет прихода:

1. Переведем производную реакторов выраженную, в массовых единицах, в мольную производительность.

Gn0= Gmo•1000 = 5900•1000 =12,02 кмоль/ч

n•24•60•MC3H8O 341•24•60

2. Пересчитаем это количество вещества с учетом выхода продукта.

G'no=Gno/f = 12,02/0,97 =12,92 кмоль/ч

3. Пересчитаем это же количество вещества с учетом стехиометрического коэффициента.

Gn1 = G'no/ = 12,92•1/1=12,92 кмоль/ч

4. Количество пропена с учетом селективности основной реакции.

Gn2 = Gn1/ = 12,92/0,81 =15,95 кмоль/ч

5. Количество пропена с учетом степени превращения.

Gn3 = Gn2/Xa = 15,95/0,89 = 17,92 кмоль/ч

6. Количество пропена пошедшее на побочную реакцию.

Gn4 = Gn2-Gn1 =15,95−12,92=3,03 кмоль/ч

7. Количество непрореагировавшего пропена.

Gn5 = Gn3-Gn2 =17,92−15,95=1,97 кмоль/

8. Количество пропена в пересчете на 100%.

Gn6 = Gn3•100%/i = 17,92 42,09/0,97 =777,58 кг/ч

9. Количество примесей.

Gn7 = Gn6•i= 777,58 0,03= 23,32 кг/мин

10. Рассчитаем количество воды пошедшее на образование изопропанола.

Gn8= Gn3•В=17,92•3=53,76кмоль/ч

11. Рассчитаем количество воды пошедшее на основную реакцию.

Gn9 = Gn1В/С=12,92 1/1=12,92кмоль/ч

12. Рассчитаем количество воды пошедшее на побочные реакции.

Gn10=Gn4•vВ1/vА1=3,03 Ѕ=1,52кмоль/ч

13. Рассчитаем непрореагировавшее количество воды.

Gn11= Gn8— Gn9— Gn10=53,76−12,92−1,52=39,32кмоль/ч

14. Рассчитаем количество образовавшегося целевого продукта.

Gn1 = Gn1= 12,92кмоь/ч

15. Рассчитаем количество побочного продукта.

Gn13 = Gn4•vС1/vА1 = 3,03 ½= 1,52кмоль/ч

Таблица 2а

Практический материальный баланс

ПРИХОД

Вещ.

Кмоль/ч

%

мольн

Кг/ч

%

мас

C3H6

17. 92

24. 82

752. 64

43. 2

C3H8

0. 53

0. 73

23. 32

1. 34

H2O

итого

53. 76

72. 21

74. 45

100

967. 68

1743,64

55. 46

100

Таблица 2в

Практический материальный баланс

РАСХОД

Вещ.

Кмоль/ч

%

мольн

Кг/ч

%

мас

C3H6непр

1. 97

3. 5

82. 77

4. 74

C3H8

0. 53

0. 94

23. 32

1. 34

С6Н14О

1. 52

2. 66

155. 04

8. 89

H2Oнепр

39. 32

69. 89

707. 76

40. 58

С3Н8О

12. 92

22. 92

775. 2

44. 45

итог

56. 26

100

1744. 06

100

Вывод: расчет практического материального баланса показал, что для получения 775. 25 кг/ч целевого продукта необходимо взять 752. 64 кг/ч пропена и 967,68 кг/ч воды. Расчет показал, что закон сохранения масс выполняется.

3. Расчет теплового баланса

В основе теплового баланса (энергетического) лежит закон сохранения энергии. Энергетический баланс используется для оценки экономической эффективности технологических процессов. Следует отметить, что он учитывает только количественные соотношения энергии, на основе которых определяются производительность аппарата, расход теплоносителя и коэффициент полезного действия. Но при этом не дается оценка качественного различия энергоресурсов разной физической природы и разного потенциала.

Составить тепловой баланс стадии синтеза, используя данные для теплового баланса и данные рассчитанного материального баланса. Определить тепловую нагрузку на реакторе.

Данные теплового баланса:

Температура исходных реагентов, С 100

Температура продуктов реакции, С 240

Тепловые потери от прихода тепла, 5,0

Таблица 3

Термодинамические свойства веществ участников реакции

Вещ.

ДH

кДж

моль

a

b•103

c•106

c'•10−5

C3H6

20,41

12,44

188,38

-47. 60

---

C3H8

-103. 85

1. 72

270. 75

-94. 48

---

C3H8O

-257. 53

13. 10

277. 5

-98. 44

---

H2O

-241. 81

30. 00

10. 71

---

0. 33

C6H14O

-318. 52

7. 49

583. 95

-302. 2

---

1. Рассчитаем количество тепла поступившего с исходными реагентами.

Qi=Gi•Cpi•Ti

Gi-количество веществ исходного выражения в [кмоль]

Ti=273+100=373K

Cpi=a+bT+c/T2 (для неорганических веществ)

Cpi=a+bT+cT2+dT3 (для органических веществ)

Cpi (C3H6)=12. 44+188. 38•10•373+(-47. 6)•10-6•373=76. 083 Дж/моль к

Qi (C3H6)=12,92•76,083•373 = 508 550,945 кДж/ч

Сpi (C3H8)=1,72+270,75•10-3•373−94,48•10-6/3732=89,565 Дж/моль к

Qi (C3H8)=0,53•89,565•373 =17 706,105 кДж/ ч

Cpi (H2O)=30+10. 71? 10-3 ?373+0. 33 ?105 373-2=34,232 Дж/моль к

Qi (H2O)=53,76? 34,323? 373=686 436,495 кДж/ ч

Qi= Qi (C3H6)+ Qi (C3H8) +Qi (H2O)= 508 550,945+17 706,105+686 436,495 =1 212 693,545 кДж/ч

2. Рассчитать количество тепла уходящая с продуктами реакции.

Qj=Gj•Cpj•Tj

Tj=513 К

Cp (C3H6непр)=12,44+188,38•10-3•513−47,6•10-6•5132=96,552 Дж/моль к

Qj (C3H6непр)=1,97•96,552•513=97 576,417кДж/ч

Cp (H2Oнепр)=30+10,71•10-3•513+0,33 105 5132=35,619 Дж/моль к Qj (H2Oнепр)=39,32•35,619•513=718 476,548кДж/ч

Cp (C3H8)=1,72+270,75•10-3•513−94,48•10-6 •5132=115,751 Дж/моль к

Qj (C3H8)=0,53 •115,75? 513=31 471,539 кДж/ч

Cp (C6H14O)=7,49+583,95•10-3•513−302,2•10-6• 5132=227,526 Дж/моль к

Qj (C6H14O)=1,52•227,526•513=177 415,674 кДж/ч

Cp (C3H8O)=13,10+277,5•10-3•513−98,44•106/5132=129,552 Дж/моль к

Qj (C3H8O)=12,92•129,552•513=858 665,474 кДж/ч

?Qj= Qj (C3H6непр)+ Qj (H2Oнепр)+ Qj (C3H8)+ Qj (C6H14O)+ Qj (C3H8O)=97 576,417+718 476,548+31 471,539+177 415,674+858 665,474=1 883 605,652 кДж/ч

3. Рассчитаем количество тепла выделенное или поглощенное в ходе химической реакции.

А)Для основной реакции

Qr=-?Hr,t•G

G=0,1525 кмоль/мин

T=753K

?H0298=?Hпрод-?Hисх

?H0298=-257,53+241,81−20,41=-36,13 103 кДж/моль

?a= (напр) — (наисх)

?b= (нbпр) — (нbисх)

?c= (нcпр) — (нcисх)

?c/ = (нc/ пр) — (нc/ исх)

?a=a (C3H8O)-(a (C3H6)+ a (H2O)) =13,10−12,44−30=-29,34

?b=b (C3H8O)-(b (C3H6)+b (H2O))=(277−10,71−188,38)•10-3=78,41•10-3

?c= c (C3H8O)-(c (C3H6)+c (H2O))=(-98,44+47,6)10-6=-50,84•10-6

?c'=-0,33•105

?Hr, t=ДH298+Дa (T-298)+Дb/2(T2-2982)+Дc/3(T3-2983)+Дd/4(T4-2984)+

+Дc'(1/298−1/T)

?Hr,513=-36 130+(-29,34)(513−298)+78,41•10-3/2(5132-2982)-(50,84•10-6) /3(5133-2983)-0,33•105(1/513−1/298)=-37 487,895 Дж/моль

Qr=37 487,895•12,92 =484 343,6 кДж/ч

Б)Для поболчной реакции

G=1,52

?H0298 =-318,52-(2? 20,41−241,81)=-117,53 103 Дж/моль

?a=a (C6H14O)-(2 a (C3H6)+a (H2O))=7,49-(2? 12,44+30)=-47,39

?b=b (C6H14O)-(2 b (C3H6)+b (H2O))=(583,95-(2 ?188,38+10,71))• 10-3 = 196,48? 10-3

?c=c (C6H14O)-(2 c (C3H6)+c (H2O))=(-302,2-(2(-47,6)+0))• 10-6 =-207? 10-6

?c'= -c'(H2O)=-0,33 •105

?Hr,513 =-177,53? 103-47,79 ?215+196,48 ?10-3/2 (174 365)-207? 10-6 ?108 542 105−46,41 =-118 211,04 Дж/моль

Qr=118 211,04? 1,52Дж/моль

Qг= Qrосн+ Qr поб =484 343,6+179 680,78= 664 024,38 кДж/ч

4. Рассчитаем количество тепла идущее на нагрев исходных веществ до температуры химической реакции.

Qiнагр=Gi•Cpi•(Tj-Ti)

Cpi- рассчитываем, исходя из средней температуры.

Tср=Tj+Ti/2=(513+373)/2=443K

Cpi (C3H6)=12. 44+188. 38•10•443+(-47. 6)•10-6•443=86,552Дж/моль к

Qнагр(C3H6)=17,92•86,552•140=217 141,658 кДж/ч

Cp (C3H8)=1,72+270,75•10-3•443−94,48•10-6 •4432=103,12 Дж/моль к

Qнагр(C3H8)=0,53•103,12•140=7651,504 кДж/ч

Cpi (H2O)=30+10. 71? 10-3 ?443+0. 33 ?105 443-2=34,913 Дж/моль

Qiнагр(H2O)=53,76? 34,913?140=262 769,2 кДж/ ч

Qiнагр=217 141,658+7651,504+262 769,2=487 562,362 кДж/ч

5. Рассчитаем количество тепла составляющего потери от прихода.

Qпотери=%потерь•Qприх

Qприх=Qi+Qr=1 212 693,545 +664 024,38 =1 876 717,925 кДж/ч

Qпотери=0,05•1 876 717,925=93 835,896кДж/ч

6. Определим тепловую нагрузку на реактор т. е. рассчитаем количество тепла отводимого или приводимого химической реакции.

+Qf=Qрасх-Qприх

Qрасх=?Qj +?Qпотер+?Qiнагр

Qрасх=1 883 605,652+93 835,896+487 562,362=2 465 003,91 кДж/ч

+Qf=2 465 003,91−1 876 717,925=588 285,985 кДж/ч

Qf>0 реакция экзотермическая, надо подводить тепло в этом количестве.

7. Рассчитаем поверхность теплообмена реактора.

F=Qf / Kt•Дt

Kt- коэффициент теплопередачи.

Дt-разность температур.

Kt=100

Дt=513−373=140 К

F=588 285,985 103 /(1400•100? 3600)=11,67 м2

Таблица 4

Тепловой баланс реакции

Приход

Расход

Теплов. потери

кДж/мин

%

Теплов. потери

кДж/мин

%

Qi

1 212 693,545

49,2

Qj

1 883 605,652

76,41

Qr

664 024,38

26,94

Qiнагр

487 562,362

19,78

Qf> 0

588 285,985

23,86

Qпотер

93 835,896

3,81

итого

2 465 003,91

100

итого

2 465 003,91

100

Вывод: Т.О.в ходе проведенных расчетов установлено, что для поддержания заданной температуры реакции необходимо подводить теплоту в количестве 588 285,985 кДж/ч процент подводимого тепла невысокий (23,86%) отсюда для данного процесса температура выбрана оптимально.

4. Термодинамический анализ реакций

При разработке химических процессов очень важны термодинамические расчеты. Знание законов термодинамики необходимо для нахождения термодинамических функции веществ, участвующих в реакции, определения тепловых эффектов химической реакции, установления термодинамической вероятности химической реакции. Также термодинамические расчеты осуществляются с целью нахождения константы химической реакции и расчета равновесного состава, для управления равновесием химической реакции и смещения равновесия в нужную сторону.

Термодинамический анализ основывается на рассмотрении сравнительно ограниченного числа характеристик, влияющих на энергетическую и экономическую эффективность отдельных циклов и в целом технологических схем.

Из расчета расходных коэффициентов для основной реакции и заданных Р и Т определить константу равновесия Кр. Сделать выводы о тепловом эффекте реакции, направлении протекания процесса и влияний температуры на данные функции.

Дано: CH2=CH-CH3+H2O =CH3-CH (OH)-CH3

Температурный интервал, ?С 80 — 280

Шаг изменения температуры, ?С — 20

Таблица 5.

Термодинамические свойства веществ участников реакции

ДH0298

кДж/моль

S0298

Дж/мольМК

а

bМ103

cМ106

c’М10−5

C3H8O

-257,53

324,80

13,10

277,5

-98,44

-

C3H6

20,41

266,94

12,44

188,32

-47,60

-

H2O

-241,81

188,72

30,00

10,71

-

0,33

?H0298=-36 130 Дж/моль

?a = -29,34

?b =78,41•10-3

?c =-50,84•10-6

?c' = -0,33• 105

4.1 Расчет теплового эффекта реакции при стандартном давлении в заданном интервале температур

?Hr,t= ?H0298+Дa (T-298)+Дb (T2-2982) /2+Дc (T3-2983) /3+ Дc'(1/298−1/T)

1. ?H353=-36 130−29,34 (353−298)+78,41•10-3 (3532-2982) /2−50,84•10-6

(3533-2983) /3−0,33•105(1/298−1/353)=-36 654,2 Дж/моль

2. ?H373=-36 130−29,34 (373−298)+78,41•10-3 (3732-2982) /2−50,84•10-6

(3733-2983) /3−0,33•105(1/298−1/373)=-36 810,7 Дж/моль

?H393=-36 130−29,34 (393−298)+78,41•10-3 (3932-2982) /2−50,84•10-6

(3933-2983) /3−0,33•105(1/298−1/393)=-36 950,6 Дж/моль

?H413=-36 130−29,34 (413−298)+78,41•10-3 (4132-2982) /2−50,84•10-6

(4133-2983) /3−0,33•105(1/298−1/413)=-37 074,6 Дж/моль

?H433=-36 130−29,34 (433−298)+78,41•10-3 (4332-2982) /2−50,84•10-6

(4333-2983) /3−0,33•105(1/298−1/433)=-37 183,6 Дж/моль

?H453=-36 130−29,34 (453−298)+78,41•10-3 (4532-2982) /2−50,84•10-6

(4533-2983) /3−0,33•105(1/298−1/453)=-37 278,8 Дж/моль

?H473=-36 130−29,34 (473−298)+78,41•10-3 (4732-2982) /2−50,84•10-6

(4733-2983) /3−0,33•105(1/298−1/473)=-37 360,6 Дж/моль

?H493=-36 130−29,34 (493−298)+78,41•10-3 (4932-2982) /2−50,84•10-6

(4933-2983) /3−0,33•105(1/298−1/493)=-37 430 Дж/моль

?H513=-36 130−29,34 (513−298)+78,41•10-3 (5132-2982) /2−50,84•10-6

(5133-2983) /3−0,33•105(1/298−1/513)=-37 487,9 Дж/моль

?H 533=-36 130−29,34 (533−298)+78,41•10-3 (5332-2982) /2−50,84•10-6

(5333-2983) /3−0,33•105(1/298−1/533)=-37 535,1 Дж/моль

?H553=-36 130−29,34 (553−298)+78,41•10-3 (5532-2982) /2−50,84•10-6

(5533-2983) /3−0,33•105(1/298−1/553)= -37 572,4 Дж/моль

4.2 Расчет изменения энтропии при стандартном давлении в заданном интервале температур

?S0298 = S0298(C3H8O) -МS0298(H2O)+ S0298(C3H6) = 324. 8−266. 94−188. 72 =-130. 86 Дж/мольМК

?Sr, t=ДS0298+Дa ln (T/298)+Дb (T-298)+Дc (T2-2982) /2+Дc' (1/2982-1/T2) /2

1. ?S353=-130. 86−29. 34 ln (353/298)+78. 41•10-3(353−298)-50. 84•10-6

•(3532-2982)/2−0. 33•105 (1/2982-1/3532) /2=-132. 48 Дж/моль•к

2. ?S373=-130. 86−29. 34 ln (373/298)+78. 41•10-3(373−298)-50. 84•10-6

•(3732-2982)/2−0. 33•105 (1/2982-1/3732) /2=-132. 912 Дж/моль•к

3. ?S393=-130. 86−29. 34 ln (393/298)+78. 41•10-3(393−298)-50. 84•10-6

•(3932-2982)/2−0. 33•105 (1/2982-1/3932) /2=-133. 278 Дж/моль•к

4. ?S413=-130. 86−29. 34 ln (413/298)+78. 41•10-3(413−298)-50. 84•10-6

•(4132-2982)/2−0. 33•105 (1/2982-1/4132) /2=-133. 586 Дж/моль•к

5. ?S433=-130. 86−29. 34 ln (433/298)+78. 41•10-3(433−298)-50. 84•10-6

•(4332-2982)/2−0. 33•105 (1/2982-1/4332) /2=-133. 844 Дж/моль•к

6. ?S453=-130. 86−29. 34 ln (453/298)+78. 41•10-3(453−298)-50. 84•10-6

•(4532-2982)/2−0. 33•105 (1/2982-1/4532) /2=-134. 058 Дж/моль•к

7. ?S473=-130. 86−29. 34 ln (473/298)+78. 41•10-3(473−298)-50. 84•10-6

•(4732-2982)/2−0. 33•105 (1/2982-1/4732) /2=-134. 235 Дж/моль•к

8. ?S493=-130. 86−29. 34 ln (493/298)+78. 41•10-3(493−298)-50. 84•10-6

•(4932-2982)/2−0. 33•105 (1/2982-1/4932) /2=-134. 379 Дж/моль•к

9. ?S513=-130. 86−29. 34 ln (513/298)+78. 41•10-3(513−298)-50. 84•10-6

•(5132-2982)/2−0. 33•105 (1/2982-1/5132) /2=-134. 494 Дж/моль•к

10. ?S533=-130. 86−29. 34 ln (533/298)+78. 41•10-3(533−298)-50. 84•10-6

•(5332-2982)/2−0. 33•105 (1/2982-1/5332) /2=-134. 585 Дж/моль•к

11. ?S553=-130. 86−29. 34 ln (553/298)+78. 41•10-3(553−298)-50. 84•10-6

•(5532-2982)/2−0. 33•105 (1/2982-1/5532) /2=-134. 653 Дж/моль•к

4. 3 Расчет изменения изобарно-изотермического потенциала при стандартном давлении в заданном интервале температур

ДGr,t = ДHr,t — TМДSr,t

1. ДG353=-36 654. 2+353•132. 48=10 111. 24 Дж/моль

2. ДG373=-36 810. 7+373•132. 912=12 765. 476 Дж/моль

3. ДG393=-36 950+393•133. 278=15 428. 254 Дж/моль

4. ДG413=-37 074+413•133. 584=18 096. 418 Дж/моль

5. ДG433 =-37 183. 8+433•133. 844=20 770. 652 Дж/моль

6. ДG453=-37 278. 8+453•134. 058=23 449. 474 Дж/моль

7. ДG473=-37 360. 6+473•134. 235=26 132. 555 Дж/моль

8. ДG493=-37 430+493•134. 379=28 818. 847 Дж/моль

9. ДG513=-37 487. 9+513•134. 494=31 507. 522 Дж/моль

10. ДG538=-37 535. 1+533•134. 585=34 198. 705 Дж/моль

11. ДG553=-37 572. 4+553•134. 653=36 890. 709 Дж/моль

4.4 Расчет константы равновесия реакции при стандартном давлении в заданном интервале температур

ln Кр= -ДGr,t/RT

Kp=exp (-ДGr,t/RT)

Kp353=exp (-10 111. 24/8,314М353)=0. 0319

Kp373=exp (-12 765/8,314М373)=0. 0163

Kp393=exp (-15 428. 254/8,314М393)=0. 0089

Kp413=exp (-18 096. 418/8,314М413)=0. 0051

Kp433=exp (-20 770. 652/8,314М433)=0. 0031

Kp453=exp (-23 449. 474/8,314М453)=0. 197

Kp473=exp (-26 132. 555/8,314М473)=0. 0013

Kp493=exp (-28 818. 847/8,314М493)=0. 88

Kp513=exp (31 507. 522/8,314М513)=0. 62

Kp533=exp (34 198. 705/8,314М533)=0. 44

Kp553=exp (36 890. 709/8,314М553)=0. 33

Таблица Зависимость термодинамических характеристик реакции от температуры

T, K

?Hr, t

Дж/моль

?Sr, t

Дж/мольМК

ДGr, t

Дж/моль

ln Kp

Kp

353

-36 654. 2

-132. 48

10 111. 24

-3. 445

0. 0319

373

-36 810. 7

-132. 912

12 765. 476

-4. 116

0. 0163

393

-36 950. 6

-133. 278

15 428. 254

-4. 722

0. 0089

413

-37 074. 6

-133. 586

18 096. 418

-5. 27

0. 0051

433

-37 183. 8

-133. 844

20 770. 652

-5. 77

0. 0031

453

-37 278. 8

-134. 058

23 449. 474

-6. 23

0. 197

473

-37 360. 6

-134. 235

26 132. 555

-6. 65

0. 0013

493

-37 430

-134. 379

28 818. 847

-7. 03

0. 88

513

-37 487. 9

-134. 494

31 507. 522

-7. 39

0. 62

533

-37 535. 1

-134. 585

34 198. 705

-7. 72

0. 44

553

-37 572. 4

-134. 653

36 890. 709

-8. 02

0. 33

Вывод: Таким образом в ходе проведенных термодинамических расчетов установили, что данная химическая реакция в данном интервале температур (от 353 до 553 К) имеет H< 0, следовательно реакция является экзоотермической.

В ходе химической реакции происходит уменьшение энтропии (S< 0), следовательно тепловое (хаотичное) движение молекул уменьшается.

Изменение изобарно-изотермического потенциала от 353 К до 553 К положительное, следовательно при заданном интервале реакция протекает самопроизвольно. С ростом температуры G увеличиваетсяся, значит реакцию следует проводить при пониженных температурах.

5. Расчет константы равновесия и равновесного состава реагирующих веществ

Все обратимые химические реакции во времени стремятся к равновесию, при котором скорости прямого и обратного процессов уравновешиваются, в результате чего соотношение компонентов в реакционной массе остается неизменным, пока в системе не изменяются параметры технологического режима (температура, давление, концентрации компонентов). При изменении параметров технологического режима равновесие в системе нарушается и самопроизвольно переходит в новое состояние, которое характеризуется новым соотношением компонентов реакционной массы.

Зная значения константы равновесия, можно легко рассчитать состав реакционной массы обратимых химических реакции и определить максимально возможный (теоретический) выход целевого продукта или равновесную степень превращения.

Равновесный состав реакционной смеси простых обратимых реакции находят путем решения уравнении закона действующих масс.

Для основной реакции и заданных давлении и температуры определить константу равновесия Kp. Рассчитать равновесный состав реакционной массы. При расчете использовать данные материального баланса.

A B C

Дано: CH2=CH-CH3+H2O =CH3-CH (OH)-CH3

Pобщ=1,7 Мпа

T=185o C = 458К

Рассчитываем значение константы равновесия для данной реакции при данной температуре:

?H463=-36 130−29,34 (463−298)+78,41•10-3 (4632-2982) /2−50,84•10-6

(4633-2983) /3−0,33•105(1/298−1/463)=-37 321,3 Дж/моль

?S463=-130. 86−29. 34 ln (463/298)+78. 41•10-3(463−298)-50. 84•10-6

•(4632-2982)/2−0. 33•105 (1/2982-1/4632) /2=-134. 151 Дж/моль•к

ДG463=-37 321,3+463•134. 151=24 790,613 Дж/моль

Kp473=exp (-24 790,613/8,314М463)=0. 0016

Запишем выражение для константы равновесия для заданной реакции:

Kp = PC

PB PA

Kp= KNМPобщ

Kp = NC МP-1

NB NA

Составим баланс молей состояния равновесия:

Таблица Баланс молей

nA

nB

nC

исх. смесь

17. 92

0. 53

-

образовалось

-

-

X

израсходовалось

X

X

-

сост. равновесия

17. 92-X

0. 53-X

X

?ni=17. 92-X+0. 53-X+X=18. 45-X

NA= 17. 92-X

18. 45-X

NB= 0. 53- X

18. 45-X

NC= X

18. 45-X

4. Подставим значения мольных долей в уравнение для константы равновесия:

ЇЇЇЇЇЇЇЇЇЇЇ=0. 0016

*P

2721X2-50 202. 45X+25 840=0

1. 36X2-25. 1X+12. 92=0

Решая квадратное уравнение получаем два корня:

X1=17. 926

X2=0. 5294

Выбираем корень X2=0. 5294

nA=14,1−5,722М10−4=14,99 428 моль

nB=5,722М10−4

nC=22,888М10−4

NA=

NB=

NC=

Вывод: Расчет константы равновесия и равновесного состава показал, что к моменту равновесия израсходовалась много воды по сравнению с пропеном и следует повысить ее концентрацию.

6. Эмпирические методы расчета тепловых эффектов

При отсутствии справочных значении термодинамических функции для их нахождения используются эмпирические методы. В настоящее время известно большое количество методов расчетов термодинамических функции. Эти методы являются приближенными, они могут распространяться лишь на отдельные классы соединении, в определенном интервале параметров и т. д. Каждый из методов характеризуется своей погрешностью, иногда очень большой по сравнению с величиной, найденной экспериментально, поэтому к эмпирическим методам прибегают при отсутствии информационной базы.

Из данных для расчета материального баланса выбрать органические вещества и рассчитать ДH0298,сгор по Коновалову и по Карашу. Для всех органических веществ рассчитать ДH0298,обр по энергиям связи.

6.1 Расчет теплоты сгорания веществ по уравнению Коновалова

ДHсгор=-(204,2n+44,4m+?xi)

C3H6

C3H6+4. 5O2=3CO2+H2O

ДHсгор=-(204,2М9+44,4М3+87 386)=-2058. 86 кДж/моль

?=%=0,016%

C3H8O

C3H8O +4,5O2=3CO2+4H2O

ДHсгор =-(204,2М9+44,4М3+50. 21)=-2021. 21 кДж/моль

6.2 Расчет теплоты сгорания веществ по уравнению Караша

ДHсгор=-26,05 М (4C+H-P)+?kiМ?i

C3H6

ДHсгор=-26,05 М (4М3−2)=208.4 кДж/моль

C3H8O

ДHсгор=-26,05 М (4М3+8−2)+1(-13М4. 18)=-523. 24 кДж/моль

?=%=71. 8%

6.3 Расчет теплоты образования веществ по энергиям связи

ДHобрiМеi+niМQiЇнjМеj

C3H6

3C+3H2 = C3H6

ДHобр=3Qвозг+3еH-H-(еC-C+6еC-H + еC=C)=3М 103. 2 М 4. 18+3М 125 М 4. 18-(6М 4. 18 85. 6+62. 8 М 4. 18+101. 2 М 4. 18)=29. 26 кДж/моль

?=%=43. 4%

C3H8O

3C+4H2 +½O2= C3H8O

ДHобр= ½еC=C +3Qвозг+4еH-H-(2еC=C+7еC-HC-OO-H)=½ М117.2 М4. 18+3 М 125 4. 18+4 М 103.2 М 4. 18-(2 М 4. 18 М 62. 8+7 М 85.6 М 4. 18+75 М4. 18+110 М 4. 18)=-265. 012 кДж/моль

?=%=2. 9%

Вывод: Таким образом в ходе расчетов установили, что теплота сгорания, расчитанная по уравнению Коновалова очень близка к табличному значению, следовательно данный метод расчета применим для данной реакции, а по уравнению Караша и расчеты по энэргиям связи дают большую погрешность и не применимы для реакции.

Выводы

Расчет практического материального баланса показал, что для получения 775,2 кг/ч целевого продукта (изопропанол) необходимо взять 752,64 кг/ч пропена и 967,68 кг/ч воды. Расчет показал, что закон сохранения масс выполняется.

Т.О.в ходе проведенных расчетов установлено, что для поддержания заданной температуры реакции необходимо подводить теплоту в количестве 588 285,985 кДж/ч процент подводимого тепла невысокий (23,86%) отсюда для данного процесса температура выбрана оптимально. В ходе проведенных термодинамических расчетов установили, что данная химическая реакция в данном интервале температур (от 353 до 553 К) имеет H< 0, следовательно реакция является экзоотермической.

В ходе химической реакции происходит уменьшение энтропии (S< 0), следовательно тепловое (хаотичное) движение молекул уменьшается.

Изменение изобарно-изотермического потенциала от 353 К до 553 К положительное, следовательно при заданном интервале реакция протекает самопроизвольно. С ростом температуры G увеличиваетсяся, значит реакцию следует проводить при пониженных температурах.

Расчет константы равновесия и равновесного состава показал, что к моменту равновесия израсходовалась много воды по сравнению с пропеном и следует повысить ее концентрацию.

Таким образом в ходе расчетов установили, что теплота сгорания, расчитанная по уравнению Коновалова очень близка к табличному значению, следовательно данный метод расчета применим для данной реакции, а по уравнению Караша и расчеты по энэргиям связи дают большую погрешность и не применимы для реакции.

Список литературы

1. Краткий справочник физико-химических величин/ Под ред. Н. П. Мищенко, А. А. Равдель. Изд. «Химия» 1967 г. -184 с.

2. Справочник химика, том 1. Никольский Б. П. 2-е изд. перераб. и доп. -М. :1966.

3. Органическая химия. Петров А. А., Бальян Х. В., Трощенко А. Т. Учебник для вузов/ Под ред. Петрова А. А. -4-е изд. перераб. и доп. -М.: Высшая школа, 1981. -592 с., ил.

4. Сборник задач к практическим заданиям по курсу «Основы инженерной химии». Учеб. пособие: Г. М. Бутов, Т. К. Корчагина, К. Ф. Красильникова и др. — ВолгГТУ, Волгоград, 2000 — 117 с.

5. Общая химическая технология. А. М. Кутепов, Т. И. Бондарева, М. Г. Беренгартен. Учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 1985. — 448., ил.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой