Обоснование выбора реактора для реакции получения фосгена

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Учебная дисциплина: Основы Химической Технологии

Тема: Обоснование выбора реактора для реакции получения фосгена

Задание

1. Обосновать выбор реактора для реакции получения фосгена

2. Для выбранного реактора проанализировать влияние начальной температуры, давления и начальной концентрации на степень превращения

Введение

Дихлорангидрид угольной кислоты впервые был получен английским химиком Дж. Дэви в 1811 г. Выдерживанием на свету смеси окиси углерода с хлором. Метод получения и дал имя новому соединению - ФОСГЕН («рожденный светом»).

Фосген является достаточно реакционноспособным соединением. Он легко взаимодействует со спиртами, аммиаком и аминами. Это и обусловило широкое распространение фосгена в химической практике, включая производственные масштабы. В частности, на его основе осуществляется производство полиуретанов, многих пестицидов, производной мочевины, в фармацевтической промышленности; для разложения минералов, содержащих платину; в алюминиевой промышленности.[2]

Фосген - бесцветный газ с неприятным запахом прелого сена, гнилых яблок, относится к отравляющим веществам удушающего действия. В газообразном состоянии тяжелее воздуха в 3,5 раза. Плохо растворим в воде. Температура кипения +8 С. Фосген может образовываться при термическом разложении хлорированных углеводородов.

В первую мировую войну применялся как отравляющее вещество удушающего действия. Смертельная концентрация в воздухе 1*10-1 - 3*10-1 мг/л (в течении 15 минут), обладает скрытым периодом действия (2-12 часов) и кумулятивным эффектом. По длительности поражающего действия фосген относят к нестойким отравляющим веществам, так как он сохраняет свои свойства в течении нескольких десятков минут по причине быстрого рассеивания. По характеру действия на организм человека фосген относится к группе удушающих отравляющих веществ, то есть поражающих органы дыхания. При первом же контакте с этим отравляющим веществом у человека рефлекторно учащается дыхание. Поражения лёгкой степени характеризуется раздражением слизистой оболочки глаз и верхних дыхательных путей, появляется сладковатый привкус во рту (не всегда сразу). При средней тяжести отравления возникает кашель и не резко выраженная отдышка, которые постепенно проходят. Если контакт с отравляющим веществом не прекратился, через 4-6 часов наступает тяжёлая степень поражения: появляется кашель с мокротой, дыхание становится поверхностным. Поражённые жалуются на общую слабость, головную боль. Кислородное голодание приводит к нарушению сердечной деятельности.[1]

Для обеззараживания рекомендуется вода, растворы щелочей и щелочные отходы производства, газообразный аммиак и его водные растворы. Для обеззараживания 1 тонны газообразного фосгена требуется около 1000 тонн воды или 100 тонн 10% - го раствора щелочи.

1. Краткие сведения о технологическом процессе

реактор химический фосген газ

Дэви получил фосген при соединении окиси углерода СО и хлора Сl2 под влиянием освещения. Смешанные в равных объемах хлор и окись углерода на ярком солнечном свете энергично соединяются, и реакция сопровождается выделением тепла и света

.

На рассеянном солнечном свете реакция идет медленно, а в темноте, при обыкновенной температуре она совсем прекращается. Кроме указанного приема, фосген получается многими другими способами:

1. при пропускании смеси хлора и окиси углерода через губчатую платину или животный уголь, смеси окиси углерода и четыреххлористого углерода через пемзу при 400°;

2. при нагревании с фосфорным ангидридом при 200-210°;

3. с серным ангидридом или с окисью цинка ZnO при 200°;

4. при пропускании СО через нагретую пятихлористую сурьму или накаленный хлористый свинец, при сухой перегонке трихлороуксусных солей и т.п.

Для лабораторного получения фосгена, по Патерно, поступают следующим образом: берут стеклянную трубку 1,5 см в диам. и 40 см длиной, наполняют ее толченым животным углем и пропускают смесь хлора с окисью углерода; так как реакция сопровождается выделением большого количества тепла, то трубку охлаждают мокрой тряпкой. Участия солнечного света не требуется. По Вильму и Вишину, впускают на солнечном свете хлор и окись углерода в стеклянный баллон в 10 л (белого стекла) по двум трубкам, идущим до дна; газ затем проходит в другой такой же баллон, где реакция и заканчивается.[1]

Химические свойства:

- при нагревании разложение идет с образованием хлористого водорода и углекислоты:

;

- при нагревании различные металлы, например, мышьяк, сурьма, олово, цинк, отнимают хлор и выделяют СО;

- с абсолютным спиртом фосген дает этилхлорокарбонат, с гликолем - соответственное этиленное производное;

- действуя на амины, он дает продукты замещения мочевины, с аммиаком и хлористым аммонием дает хлоропроизводные мочевины;

- фенол при 140° - 150° им превращается в хлороксикарбонат и карбонат;

- тимол и крезол в соответственные хлорооксикарбонаты.

Фосген, индифферентный к углеводородам при обыкновенных условиях, под влиянием хлористого алюминия вступает в ними в реакцию, напр. с бензолом он дает бензофенон и хлористый бензоил и пр. [2]

При обычной температуре и отсутствии влаги фосген - стабильное соединение. При сильном нагревании происходит обратимое разложение на хлор и окись водорода:

Тепловой эффект реакции составляет 108,97 кДж/моль. Температура проведения процесса при исследовании кинетики 70·130 С. Скорость процесса на угле марки Байер АКТ-4 и угле марки АР-3 (моль фосгена/(с*м3)) описывается уравнением:



Температурная зависимость константы скорости (моль фосгена./(c*м3 катализатора) имеет вид:

для угля:

.

Технологическая схема:

Оба исходных газа - окись углерода и хлор предварительно сушат порознь, сначала пропуская через промывную склянку 2 с серной кислотой, а затем через осушительную колонку 4 с хлористым кальцием. Смесителем служит трёхгорлая склянка Вульфа 5, снабжённая двумя доходящими до дна трубками для ввода газов и одной отводной более короткой трубкой. В качестве реактора применяют длинный холодильник Либиха 6, трубка которого, заполнена крупнозернистым активированным углём, охлаждается водой для отвода тепла реакции. Фосген в основном конденсируется в соединённых друг с другом ловушках 7, помещённых в охладительную смесь (лёд с солью). Остаточные газы можно дегазировать, поглощая их раствором гидроокиси натрия в ловушке 8.

Хлор вводят в смесь со скоростью 5-6 пузырьков в секунду, а окись углерода со скоростью 8-9 пузырьков в секунду. Для точного определения выхода нужно измерять расход газов с помощью ротаметров, помещённых перед смесителем. Измерение объёма газов производят только после насыщение катализатора газовой смесью. Расход газов должен составлять 8-10 л/ч.

Предохранительная склянка 1, нужна только при использовании баллонов со сжатыми газами.

Реакция хлора и окиси углерода на активированном угле идет с выделением тепла. Причем тепло выделяется не по всему слою катализатора, а только в начальном ( верхнем ) слое. Признаком нормально протекающего процесса является саморазогрев верхнего слоя катализатора. При отсутствии саморазогрева начало реакции можно инициировать кратковременным прогревом катализатора. [2]

2. Математические модели химических реакторов

2.1 Модель реактора идеального вытеснения

К реакторам идеального вытеснения относятся те аппараты, в которых отсутствует радиальное и продольное перемешивание.

Материальный баланс.

Длина аппарата больше диаметра, поршневой режим. Изменение концентрации происходит по длине. Выделим элементарный объем dV, для которого считается материальный баланс. ZNA-концентрация ключевого реагента.

[кг/c]=[(м^3/с)*(м^3/кмоль)*(кг/кмоль)]

- расход

-массовый расход химической реакции

[кг/с]=[(кмоль/м^3*с)*(м^3)*(кг/кмоль)

-массовый расход на убыль

Приход:

- объем реактора

[м^3]=[(м^3/c)*(c)]

-

уравнение материального баланса для реактора, работающего в режиме идеального вытеснения.

- время пребывания реакционной смеси в реакторе для получения заданной степени превращения x. Из этого уравнения можно рассчитать объем реактора.

Тепловой баланс.

-теплота физического прихода, где Cp-теплоемкость.

кДж/с]=[(м^3/c)*(кДж/м^3/град)*(град)]

- теплота физического расхода.

кДж/с]=[(м^3/c)*(кДж/м^3/град)*(град)]

- теплота химической реакции.

[кДж/c]=[(кмоль/м^3*c)*(кДж/кмоль)*(м^3)]

-теплота теплообменника, где К-коэффициент теплопередачи

[кДж/c]=[(кДж/м^2*град*с)*(м^2/м^3)*(град)*(м^3)]

,

где d-толщина стенки.

Приход:

Расход:

По закону сохранения энергии:

уравнение политермы, в котором учитывается часть теплоты химической реакции, которая идет на изменение температур в химической реакции, и часть, которая уходит на теплоту, которую уводит теплообменник.

В адиабатическом режиме теплообменник отсутствует:

- уравнение адиабаты.

-адиабатический коэффициент.

Физический смысл адиабатического коэффициента: на столько градусов изменится температура реакционной смеси, если степень превращения будет равна 1, то есть, если ключевой реагент прореагировал полностью.

Изотермический режим характеризуется постоянной температурой:

2.2 Модель реактора полного смешения

Работа реактора полного смешения осуществляется в следствие быстроты перемешивания происходящей химической реакции, и компоненты мгновенно меняются до конца.

Материальный баланс.

Приход:

-массовый расход ключевого реагента, пришедшего в реактор.

[кг/c]=[(м^3/c)*(м^3/кмоль)*(кг/кмоль)]

Расход:

-массовый расход ключевого реагента, ушедшего из реактора.

- массовый расход ключевого реагента в химической реакции.

[кг/c]=[(кмоль/м^3*c)*(м^3)*(кг/кмоль)]

По закону сохранения материи:

-уравнение материального баланса для реактора полного смешения.

Тепловой баланс:

Приход:



-теплота физического прихода, где Cp-теплоемкость

[кДж/с]=[(м^3/c)*(кДж/м^3/град)*(град)]

теплота химической реакции.

[кДж/c]=[(кмоль/м^3*c)*(кДж/кмоль)*(м^3)]

Расход:

теплота физического расхода

[кДж/с]=[(м^3/c)*(кДж/м^3/град)*(град)]

-теплота теплообменника, где К-коэффициент теплопередачи

[кДж/c]=[(кДж/м^2*c*град)*(м^2)*(град)]

По закону сохранения энергии:



-уравнение политермы

-уравнение адиабаты, то есть теплообмен с окружающей среды отсутствует

-уравнение изотермы.

3. Обсуждение результатов

Как видно из первого графика, зависимость степени превращения от времени в реакторе вытеснения имеет возрастающий характер, так как чем больше время пребывания реакционной смеси в реакторе, тем более полно идет реакция. С увеличением начальной температуры смеси на входе в реактор, растет температура самой реакции, а значит, растет и скорость химической реакции, то по уравнению материального баланса повышается и степень превращения, что видно из второго графика. Третий график демонстрирует зависимость степени превращения от начальной концентрации, так как из уравнения материального баланса видно, что степень превращения обратно пропорциональна начальной концентрации. Из четвертого графика видно, что с увеличением давления увеличивается скорость реакции, и, следовательно, степень превращения.

4. Выводы

1. Для проведения реакции окисления хлористого водорода перспективно использовать реактор идеального вытеснения. Как видно из первого графика, зависимость степени превращения от времени и в реакторе полного смешения находится в области неустойчивой работы, причем в реакторе вытеснения степень превращения 0,2 достигается за время 0,43. Так как время достижения определенной степени превращения меньше, то значит можно использовать реактор с меньшими габаритами, что экономически выгодно.

2. С повышением начальной температуры исходной смеси от 300 до 360 степень превращения увеличивается с 0,09 до 0,12, так как растет скорость химической реакции и требуется меньшее время.

3. Зависимость степени превращения от начальной концентрации : начиная с исходной концентрации 0.45 степень превращения падает, так как из уравнения материального баланса видно, что степень превращения обратно пропорциональна начальной концентрации.

4. Из кинетического уравнения для данной реакции видно, что с увеличением давления от скорость реакции увеличивается, а значит и растет степень превращения с 0,18 до 0,2.

Использованная литература

1. Александров В.Н., Емельянов В.И. Отравляющие вещества. - М.: Военное издательство,1990, с. 178.

2. Франке З. Химия отравляющих веществ. Т.1. Перевод с нем. М.: Химия,1973,с.438.

3. Власов Е.А.Основы химической технологии. Курс лекций, 2006.

Размещено на Allbest.ru