[ Розрахунок складу реакційної суміші та термодинамічний аналіз процесу ] |
Завдання № 2
Рішення: Схема реакції представлена на рис. 1:
Рис. 1. Дегидрирование н-бутану.
Схема реактора представлена на рис. 2.
Рис. 2. Схема теплового балансу реактора.
Тепло, що входить в реактор, визначається за формулою:
, (1) тут:
,
,
- Визначено для Т = 800К з логарифмічного поліноміальною рівняння, отриманого за табличними даними;
визначено для Т вх з логарифмічного поліноміальною рівняння для С р н-пентану за допомогою функції «Пошук рішення» програми «Microsoft Excel »;
- Для 1000К визначено за табличними даними;
- Визначено для Т вх з поліноміальною рівняння для С р води за допомогою функції «Пошук рішення» програми «Microsoft Excel »;
, ,
За допомогою функції «Пошук рішення» програми «Microsoft Excel »методом найменших квадратів визначено значення Т вх = 966К.
Ентальпія реакції при даній Т вх:
Теплота реакції визначається величиною ентальпії реакції, масової витрати реагенту, ступенем конверсії реагенту.
Розглянемо, коли ступінь конверсії .
,
Відповідно до рівняння теплового балансу:
.
Тут: ,
- Визначено для Т вих з логарифмічного поліноміальною рівняння за допомогою функції «Пошук рішення» програми «Microsoft Excel »;
,
- Визначено для Т вих з логарифмічного поліноміальною рівняння для С р н-бутану за допомогою функції «Пошук рішення» програми «Microsoft Excel »;
,
- Визначено для Т вих з логарифмічного поліноміальною рівняння для С р бутена за допомогою функції «Пошук рішення» програми «Microsoft Excel »;
- Визначено для Т вих з логарифмічного поліноміальною рівняння за допомогою функції «Пошук рішення» програми «Microsoft Excel »;
,
За допомогою функції «Пошук рішення» програми «Microsoft Excel »методом найменших квадратів визначено значення Т вих = 931К.
Аналогічно визначаємо значення Т вих для різних значень ступеня конверсії. Отримані значення представлені в таблиці 3.
Таблиця 3
α | Т вих |
0,1 | 34 |
0,2 | 45 |
0,4 | 66 |
0,6 | 88 |
Графічна залежність перепаду температур на вході і виході від ступеня конверсії представлена на малюнку 3.
Рис. 3. Залежність адіабатичного перепаду температур від ступеня конверсії.
Висновки
Як видно, характерною особливістю процесу є лінійне збільшення адіабатичного перепаду температур в зоні реактора при збільшенні ступеня конверсії вихідної речовини. Це обумовлює деякі технологічні особливості промислового процесу дегідрування н-бутану.
Реактор процесу дегидрирования являє собою колону, забезпечену провальними тарілками. Реакційна суміш подається вниз колони і пари піднімаються через тарілки, проходячи шар каталізатора. При цьому, як ясно видно з результатів розрахунків, реакційна суміш охолоджується, і процес дегидрирования сповільнюється. Щоб уникнути подібного вгору колони подається підігрітий каталізатор, регенерований в регенераторі. Більш гарячий каталізатор контактує з частково прореагованою сумішшю, і навпаки, чим досягається вирівнювання швидкостей реакції по всьому об'єму. На регенерацію закоксовавшіеся каталізатор надходить, стікаючи по десорбера, де його віддувають від вуглеводнів азотом.
Таким чином, за рахунок додаткового підігріву регенерованого каталізатора і подачі його нагору колони реактора досягається вирівнювання температури процесу.
Завдання № 1
Виконати повний кількісний аналіз процесу піролізу ізопентану з утворенням метану та изобутилена.
Дати аналіз залежностей рівноважної ступеня конверсії ізопентану і складу рівноважної суміші від варійованих параметрів.
Аргументувати технологічні особливості промислових процесів піролізу вуглеводнів і конструктивні особливості реакторів піролізу.
Рішення:
Проведемо попередній розрахунок процесу. Для цього необхідно ввести припущення, що побічних реакцій не протікає, селективність процесу за цільовим продукту 100%, тобто спрощена схема реакції має вигляд:
Для визначення параметрів процесу необхідно визначити термодинамічні дані речовин, що беруть участь в реакції:
Для ізопентану:
Т, К | Δ 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 | Δ 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 метану:
Т, К | Δ 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 води, яка служить інертним розчинником в даному процесі:
Т, К | Δ 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 підставі отриманих результатів визначаємо для температурного діапазону термодинамічні параметри процесу, константу рівноваги і ступінь конверсії реагентів:
,
Т, К | , Дж / моль | , Дж / К моль | До р 0 | До р, 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 даного процесу ступінь конверсії розраховується за формулою:
Розрахуємо рівноважну ступінь конверсії при тиску 1 атм, відсутності інертних розріджувачів. Результати розрахунків наведено в таблиці:
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 |
Графік залежності представлений на малюнку:
Як видно, для ведення процесу підходить температура в інтервалі від 600 до 800К.
Склад рівноважної суміші при зміні температури ведення процесу представлений у таблиці:
Т, К | Мол. частка в рівноважній суміші | |||
ізопентан | 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 |
Оскільки процес йде з підвищенням числа молей газу, має сенс створювати вакуум. Розрахуємо для діапазону тисків 0,1-1,2 атм і інтервалу температур 600-800К і відсутності інертних розріджувачів рівноважну ступінь конверсії реагенту:
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 |
Залежність складу рівноважної суміші від тиску при температурі 800К показана в таблиці:
Мол. частка в рівноважній суміші | ||||
Р, атм | ізопентан | 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 |
Однак проводити процес при вакуумі небезпечно, у зв'язку з високою вибухонебезпечністю. Набагато зручніше застосовувати для ведення процесу інертні розріджувачі.
Розрахуємо залежність рівноважної ступеня конверсії від ступеня розбавлення водою - інертним розчинником при 800К, 700К, 600К і зниженому тиску 0,5 атм. Результати розрахунків наведено в таблиці.
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
Розрахуємо залежність рівноважної ступеня конверсії від ступеня розбавлення водою - інертним розчинником при 800К, 700К, 600К і зниженому тиску 1атм. Результати розрахунків наведено в таблиці.
Таким чином, термодинамічний аналіз показав, що для досягнення максимального ступеня конверсії реагенту процес піролізу ізопентану проводиться при температурі 700-800К, зниженому тиску близько 0,5 атм або ступеня розбавлення водою 25-30 моль Н 2 О / моль ізопентану. Лабораторна робота № 3 При вичерпному жидкофазной алкілуванні фенолу ізобутіленом отримана реакційна маса, склад якої визначається рівновагою реакцій позиційної ізомеризації і переалкілірованія в системі, представленої фенолом, 2-ТБФ, 1,4-діТБФ, 2,6-діТБФ, 2,4,6-тріТБФ. Рішення: Вибираємо незалежні реакції в системі.
, , , Позначимо за невідому концентрацію : , , , , , Звідки: Будь ласка, не зберігайте тестовий текст. |