Технология хлорирования ацетилена

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Технология- наука о способах и процессах производства промышленных продуктов из природного сырья. В механической технологии рассматривают процессы, в которых изменяется форма или внешний вид и физические свойства материала, а в химической- процессы коренного изменения состава, свойств и внутреннего строения веществ. Химическая технология - это наука о наиболее экономичных и экологически обоснованных методах химической переработки сырых природных материалов в предметы потребления и средства производства.

Современная химическая технология использует достижения естественных и технических наук, изучает и разрабатывает совокупность физических и химических процессов, машин и аппаратов, оптимальные пути осуществления этих процессов и управления ими при промышленном производстве различных веществ, продуктов, материалов.

Химическая технология базируется на химических науках, таких, как физическая химия, химическая термодинамика и химическая кинетика, а также развивает закономерности этих наук в приложении к крупномасштабным промышленным процессам, она тесно связана с экономикой, физикой, математикой, кибернетикой, прикладной механикой, другими техническими науками.

По мере развития химической промышленности содержание химической технологии обогащалось новыми сведениями, закономерностями. Значительный прогресс науки в последние годы связан с применением современных вычислительных средств для решения теоретических и прикладных задач. Применение вычислительной техники не только позволило ставить и решать сложные задачи, но и обогатило химическую технологию новыми подходами к их решению, связанными с математическим моделированием и системными исследованиями, также развивается кибернетика химико-технологических процессов. Новые открытия тесно связывают науку с производством, что позволяет более рационально использовать сырье и топливно-энергетические ресурсы, создавать безотходные производства, где процессы протекают с высокими скоростями в оптимальных условиях с получением продуктов высокого качества.

Химическая технология играет важную роль в химической промышленности, которая является одной из ведущих отраслей народного хозяйства, ей принадлежит определяющая роль в ускорении научно-технического прогресса, повышении эффективности общественного производства и, материального и культурного уровня жизни людей.

Химическая технология является материальной базой химизации народного хозяйства. Химизация становится необходимой и обязательной частьюво всех аспектах человеческой деятельности. Многие проблемы, связанные с получением сырья из различных источников связаны с химической технологией, поэтому важно ее развивать.

Химическая промышленность и другие производства, включающие химические процессы и аппараты, являются источниками загрязнения атмосферы и окружающей среды. Проектирование и выбор аппарата также должен учитывать этот аспект, выбор ректификационной колонны, реактора является важным критерием, определяющим технологический процесс.

Эффективность химического производства обеспечивается за счет систематического повышения его технического уровня на основе использования мощных, непрерывных, малостадийных и менее энергоемких аппаратов. Химико-технологический процесс представляет собой совокупность операций, позволяющих получить целевой продукт из исходного сырья. Скорость всех этапов операций будет зависеть от температурного режима, наличия примесей, а самое главное - от гидромеханических, тепло- и массообменных, химических процессов, протекающих в аппарате. Анализ единичных процессов, их взаимного влияния позволяет разработать технологический режим и рассчитать аппараты, реакторы, необходимые для проведения этих процессов в оптимальных условиях (сочетание основных параметров - температуры, давления, состав исходной реакционной смеси, катализаторов), т.е. таких, которые позволяют получить наибольший выход продукта с высокой скоростью или обеспечить наименьшую себестоимость.

Важная задача химической технологии-разработка и построение рациональной технологической схемы, а соответственно и выбор реактора, аппарата.

1.Краткие сведения о технологии хлорирования ацетилена

Галогенирование (галоидирование) органических соединений - это введение галогена в молекулу, осуществляемое путем замещения или присоединения.

В качестве галогенирующих агентов в многотоннажном органическом синтезе применяют главным образом молекулярный хлор и хлороводород.

Ионно-каталитическое галогенирование, в частности хлорирование, углеводородов проводят в присутствии апротонных кислот - кислот Льюиса (AlBr3, AlCl3, FeCl3, SbCl5, ZrCl4 и др.) Все эти катализаторы необходимы для получения из галогенов электрофильных частиц, которые, возможно, образуются по схеме:

Действие катализаторов (в моей реакции катализатором является Cl2) сводится лишь к поляризации молекулы галогена с образованием электрофильной частицы.

В качестве органических реагентов при галогенировании используют олефины, ацетилен, ароматические соединения.

При кислотном катализе хлорирования олефиновых углеводородов образуются дихлорсодержащие производные соответствующих углеводородов:

Гидрогалогенирование олефиновых углеводородов и ацетилена имеет большое практическое значение. Гидрохлорирование этилена при температуре ниже 40 град. С в присутствии AlCl3, получается этилхлорид:

Механизм реакции - электрофильный и может быть представлен следующими стадиями:

1.1 Реакторы в органической технологии

В научных исследованиях и промышленной органической технологии используются различные по конструкции реакторы, работающие как в режиме, близком к идеальному смешению или вытеснению, так и в смешанном режиме. Основными характеристиками, определяющими конструкцию и особенности работы реакторов, являются время пребывания реагентов в реакционной зоне, температура в различных точках реакционного пространства, давление в реакторе, фазовое состояние реагентов, активность и агрегатное состояние используемых катализаторов, гидродинамический характер потока реакционной смеси, а также теплообменные процессы в реакционном узле.

По тепловому режиму реакторы разделяют на адиабатические, аппараты и реакторы с теплообменом в реакционной зоне (внутренним теплообменом) и с теплообменом вне зоны реакции (выносная теплообменная аппаратура).

В адиабатическом реакторе теплота отводится (подводится) либо самим реагирующим потоком, либо движущимся катализатором в гетерогенно-каталитических процессах. В газофазных процессах, где теплоемкость реагирующего потока мала, проведение реакции в адиабатическом режиме приводит к появлению значительного перепада температуры по длине реактора. Изменение температуры реагирующей смеси достигается с помощью промежуточных теплообменников или путем ввода в различных точках (местах) реактора холодного (горячего) сырья или инертного вещества (азота, водяного пара). Адиабатические процессы удобнее проводить в жидкой фазе, где реакционные потоки обладают большой теплоемкостью.

В промышленности применяются одиночные (самостоятельно работающие) реакторы и их комбинации: последовательно соединенные реакторы смешения или вытеснения (каскад реакторов, как правило, из 2-5 аппаратов) и их различные сочетания по режиму смешения. Разновидность названных соединения реакторов в ряде случаев реализуется в одном реакторном узле.

Различные сочетания реакторов по их числу и режиму работы позволяют повысить производительность аппаратов и селективность химического процесса.

При разработке аппаратного оформления реакторного узла используются термодинамические, кинетические, тепло- и массообменные данные о химическом процессе.

2. Тепловой и материальный баланс адиабатических РИВ и РПС

2.1 Материальный баланс РИВ

Реактор идеального вытеснения - реактор, в котором отсутствуют продольное, радиальное перемещение, а осуществляется только диффузия, концентрация реагентов изменяется в результате химического превращения.

Рассмотрим реакцию aA+ bB=cC+dD ,

за начальные условия примем V=const, zА°= const, хА=0, через некоторое время степень превращения в реакторе станет равной хА+dxA, тогда

GFPA = V zA°xA MA/22.4, где

GFPA - физический приход, кг/с; V-объем смеси, мі/с;

22.4-молярный объем, мі/кмоль;

MA - масса молярная вещества А, кг/кмоль;

zA°(1-xA) - концентрация оставшегося реагента, кг/кмоль;

zA°хА- концентрация прореагировавшего реагента, кг/кмоль.

GFRA= V zA°(1-xA) dxA MA/22.4 -физический расход, кг/с

GCRA= UdVMA -количество вещества А, которое прореагировало в результате химической реакции, где U -скорость реакции, кмоль/ міс; dV-изменение объема смеси, мі/с.

По закону сохранения действующих масс- приход равен расходу вещества в ходе реакции:

GFPA= GFRA + GCRA , или

V zA°/22.4 - V zA° хА/22.4 = UdV + V zA°/22.4 - V zA° хА/22.4 - V zA° dхА/22.4,

сократим и получим уравнение материального баланса для реактора идеального вытеснения:

V zA° dхА/22.4 = UdV.

Обозначим, что Vr- объем реактора, мі; тогда Vr= Vt,

где V-расход смеси, мі/с; t-время, с.

Изменение объема реактора: dVr=Vdt, т.к. V=const, то zA° dxA/22.4=Udt, преобразуем и получим

dxA/dt=U22.4/ zA° - уравнение МБ в дифференциальной форме.

Время, необходимое для достижения заданной степени превращения найдем по формуле, отсюда следует, что чем больше скорость, тем меньше время:

2.2 Тепловой баланс РИВ

Рассмотрим реакцию, протекающую без изменения числа молей

aA+ bB=cC+dD ,

Т0 - начальная температура на входе в реактор,град;

хА=0 - начальная степень превращения, х-конечная степень превращения; Т-температура в реакторе, град; Т+dT- изменение температуры в ходе реакции, град; V=const - расход смеси считаем постоянным, мі/с; zA° -концентрация вещества А, кг/кмоль,и удельная теплоемкость

Cp,Дж/(моль град), также постоянные величины, тогда

HFP-энергия, приносимая исходной газовой смесью в объем реактора, кДж/с:

HFP =VCp(T-273),

HFR= VCp(T+dT-273) - энергия(теплота) на выходе из реактора, кДж/с;

HСR=UHUCRdV -тепловой эффект химической реакции, кДж/с.

U-скорость реакции,кмоль/міс; HUCR - удельный тепловой эффект реакции, кДж/кмоль;

dV- изменение расхода смеси, мі/с.

Тогда теплота прихода равна: HP=HFP + HСR, кДж/с.

Теплота расхода будет равна: HR=HTO + HHR, кДж/с.

HTO =KFdTdV - энергия теплообмена, кДж/с,

где К-коэффициент теплопередачи, кДж/(мІград с); F- удельная поверхность в единице реакционного объема,мІ/мі; dT- изменение температуры, град; dV- элементарный реакционный объем, мі.

По закону сохранения энергии: HP= HR, т.е энергия прихода равна энергии расхода, тогда

VCpT- VCp273 + UHUCRdV= VCpT + VCpdT- VCp273 + KFdTdV,

сократив, получим:

UHUCRdV= VCpdT + KFdTdV

 уравнение политермы, показывающее, что количество выделившейся теплоты равно изменению температуры и теплоте, отобранной холодильником. В адиабатическом режиме отсутствует теплообмен с окружающей средой, теплота идет на изменение теплосодержания химической смеси, значит:

HUCRdx=22.4 CpdT/zA° , кДж/кмоль;

= zA°HUCR/(22.4 Cp)

- уравнение адиабаты в интегральной форме, проинтегрируем и получим:

Т=Т0 (zA°HUCR/(22.4 Cp))x

- уравнение адиабаты, здесь знак «+» для реакции экзотермической, знак «-» для эндотермической реакции.

Ad=zA°HUCR/(22.4Cp)

- адиабатический коэффициент, показывающий на сколько изменится температура реакции смешения, если ключевое вещество полностью прореагирует, град.

Система уравнений МБ и ТБ:

Решение системы позволит найти максимальное значение степени превращения, например, для реакции первого порядка, получим:

U=kPA=kPzA=kP zA°(1-x) -кинетическое уравнение реакции 1-го порядка

dx/dt= 22/4kP(1-x),

, после интегрирования получим:

х= 1- - уравнение степени превращения для необратимой реакции 1-го порядка.

2.3 Материальный баланс РПС

Реактор полного смешения - реактор, в котором вновь поступающая порция реагента быстро распространяется по всему объему реактора за счет перемешивания и концентрация реагента остается постоянной в любой точке реактора.

Рассмотрим реакцию aA+ bB=cC+dD ,

примем V=const-объем смеси, zА°= const, хА=0, хк-начальная и конечная степень превращения соответственно,Vr=const -объем реактора, тогда

GFPA = V zA°xA MA/22.4 - физический приход в реактор,кг/с;

V -расход смеси,мі/с; zA°-концентрация реагента А, кг/кмоль; Vm =22.4 - молярный объем, мі/кмоль.

GFRA= V zA°(1-xA) dxA MA/22.4 -физический расход, кг/с

GCRA= UVrMA

- прореагировало в реакторе в ходе химической реакции, кг/с, где Vr-объем реактора, мі.

По закону сохранения действующих масс - приход равен расходу вещества в ходе реакции: GFPA= GFRA + GCRA , кг/с

V zA°/22.4= V zA°/22.4 - V zA°хк/22.4 + UVr, сократим:

V zA°хк/22.4= UVr ,

учитывая, что Vr= Vt - объем реактора, мі, получим

хк/t= 22.4U/ zA° - уравнение материального баланса РПС

Из уравнения МБ следует, что чем больше скорость реакции, тем ниже время ее протекания и объем реактора.

2.4 Тепловой баланс РПС

Рассмотрим реакцию экзотермическую без изменения числа молей

aA+ bB=cC+dD

Т0 - начальная температура на входе в реактор,град; Тк-конечная температура на выходе из реактора, град; хА=0 - начальная степень превращения, хк -конечная степень превращения; Т-температура в реакторе, град; V=const - расход смеси считаем постоянным, мі/с; zA° -концентрация вещества А, кг/кмоль; Cp- удельная теплоемкость, Дж/моль град, также постоянные величины; F- поверхность теплообмена на всем объеме реактора, мІ/мі; Cp- удельная теплоемкость, Дж/(моль град), тогда

HFP =VCp(T0-273), кДж/с - теплота физического прихода;

HFR= VCp(Tк -273) - энергия(теплота) физического расхода, кДж/с;

HСR=U?HUCRVr - тепловой эффект химической реакции , кДж/с;

HTO =KF?T - энергия теплообмена, кДж/с.

По закону сохранения энергии составим уравнение теплового баланса:

HFP + HСR = HFR + HTO

VCpT0 - VCp273 + U?HUCRVr = VCpTк - VCp273 + KF?T, сократим

UHUCRVr = VCp(Tк - T0) + KF?T - уравнение политермы.

U= хк zA°/(22.4 t)

- скорость реакции, кмоль/(міс), Vr= Vt - объем реактора, мі, подставим в уравнение политропы:

хк zA°/(22.4 t) Vt?HUCR = VCp(Tк - T0) + KF?T

В данном случае режим адиабатический, то теплообмен с окружающей средой отсутствует, и слагаемое KF?T пропадает, тогда

хк ?HUCR = 22.4 Cp(Tк - T0)/ zA°, отсюда

Tк = T0 zA°?HUCR хк/(22.4 Ср)

- уравнение адиабаты РПС, где знак «+» для реакции экзотермической, знак «-» для эндотермической реакции.

Cовместное решение уравнений МБ и ТБ для РПС позволяет найти конечную степень превращения: =

Рассмотрим необратимую реакцию первого порядка, тогда U=kPA=kPzA=kP zA°(1-x) -кинетическое уравнение реакции 1-го порядка, подставим в уравнение МБ и ТБ:



Для обратимой реакции первого порядка A D:

U=k1PA -k2PD=k1PzA -k2PzD=k1P zA°(1-xk)-k2P zA°xk=k1PzA°(1-(k2+k1)xk/k1)

U=0 при условии равновесия, тогда k1=(k1+k2)xr, значит U= k1P zA°(1-xk/xr), выразив хк, получим: хк= xr22.4tk1P/(xr+22.4 tk1P). Система уравнений МБ и ТБ для обратимой реакции примет вид:

3. Программы и анализ зависимостей

3.1 Обоснование выбора адиабатического реактора для хлорирования ацетилена

Проанализировав работу двух реакторов идеального смешения и полного вытеснения, получили значения степени превращения, температуры и скорости при одинаковом времени, скорость реакции выше в реакторе полного смешения, значит там быстрее пройдет процесс хлорирования:

,c

константа скорости

-константа равновесия

-общая скорость реакции

, кмоль/( міс)

,с

,К

константа скорости

константа равновесия

общая скорость реакции

, кмоль/( міс)

Рис. 1. Зависимость степени превращения Рис. 2. Зависимость степени превращения от времени в РИВ от времени в РПС



Рис. 3. Зависимость степени превращения Рис. 4. Зависимость степени превращения от температуры в РИВ от температуры в РПС

Рис.5. Зависимость скорости реакции от Рис.6. Зависимость скорости реакции от времени в РИВ времени в РПС

Анализируя данные при одном и том же времени, выяснили, что степень превращения и в РИВ больше степени превращения в РПС, но температура, а значит скорость реакции имеют меньшее значение, чем в РПС, это доказано расчетами и графически.

Общее сравнение работы реакторов позволяет сделать следующие вывод>1, время на хлорирование ацетилена в РИВ потребуется

больше, чем в РПС, а степень превращения при малом времени невелика, сравнив константы скорости: kрив < kрпс, температуру: Т рив < Т рпс, движущую силу: ДС рив > ДС рпс и учтем значение адиабатического коэффициента Ad= 650.593,K > 200.Следовательно, можно сделать вывод, что для проведения данной реакции целесообразнее использовать реактор полного смешения, т.к. значение скорости в РПС выше, чем в РИВ.

3.2 Программа расчета адиабатического коэффициента Ad

хлорирование ацетилен адиабатический реактор

,

-средняя удельная теплоемкость,дж/(мольК)

, -тепловой эффект реакции, дж/моль

, - концентрация ключевого реагента, С2Н2, кг/кмоль

- адиабатический коэффициент, К

Вывод: значение адиабатического коэффициента зависит от величин начальной концентрации ключевого реагента, от теплового эффекта реакции и средней теплоемкости, т.е. от природы реагирующих веществ. Он показывает, как измениться температура реакции, если все ключевое вещество прореагирует полностью.

3.3 Программа и анализ зависимости движущей силы от начальной температуры: DS=f(Т0)

-средняя удельная теплоемкость,дж/(мольК)

- тепловой эффект реакции, дж/моль

- концентрации исходных веществ, кг/кмоль

- концентрация продукта, кг/кмоль

- концентрация хлора- инициатора реакции,кг/кмоль

- концентрация инерта - азота, кг/кмоль

- адиабатический коэффициент,К

- газовая постоянная, Дж/(К моль)

- начальная температура, К

- общее давление, атм

- общая энергия активации реакции

- константа скорости

константа равновесия реакции

- число молей реакционной газовой смеси

-концентрация исходных веществ в ходе реакции

- концентрация продукта и инициатора реакции

Парциальные давления

- движущая сила реакции

- общая скорость реакции, кмоль/( міс)

- время реакции в РПС,с

-конечная температура, К

- начальная температура, К



Рис.7. Зависимость движущей силы от Т0: DS=f(Т0)

Вывод: при малых значениях температуры для экзотермической реакции, идущей с уменьшением числа молей, движущая сила практически не изменяется, т.е. придерживается постоянной величины, т.к. большее влияние оказывает здесь константа скорости, следовательно, и скорость реакции увеличивается, но с ростом температуры движущая сила будет уменьшаться, т.к. константа равновесия окажет большее влияние и станет расти быстрее, значит DS падает, что скажется на скорость реакции - она убывает.

3.4 Программа и анализ зависимости движущей силы от начальной концентрации DS=f(zA(x))

-средняя удельная теплоемкость,дж/(мольК)

- тепловой эффект реакции, дж/моль

- концентрации исходных веществ, кг/кмоль

- концентрация продукта, кг/кмоль

- концентрация хлора- инициатора реакции,кг/кмоль

- концентрация инерта - азота, кг/кмоль

- адиабатический коэффициент,К

- газовая постоянная, Дж/(К моль)

- начальная температура, К

- общее давление, атм

- общая энергия активации реакции

- константа скорости

константа равновесия реакции

- число молей реакционной газовой смеси

-концентрация исходных веществ в ходе реакции

- концентрация продукта и инициатора реакции

Парциальные давления

- движущая сила реакции

- общая скорость реакции, кмоль/( міс)

- время реакции в РПС, с

-конечная температура, К

-степень превращения

- концентрация ключевого реагента

Значение концентрации ключевого реагента

Движущая сила реакции и ее значение



Рис.8. Зависимость движущей силы от начальной концентрации: DS=f(zA(x))

Вывод: начальная концентрация зависит от степени превращения и температуры. С уменьшением степени превращения скорость химической реакции растет, и растет концентрация исходных веществ(скорость обратной реакции выше), чем больше температура, тем больше значение концентрации, значит с ростом температуры и увеличением начальной концентрации растет и движущая сила процесса.

Изменение концентрации скажется на величине адиабатического коэффициента. С ростом значения концентрации увеличится адиабатический коэффициент, т.к. он прямопропорционально связан со значением концентрации.



Вывод: с уменьшением значения начальной концентрации падает величина адиабатического коэффициента и наоборот, с ростом zA(x) увеличивается Ad.

3.5 Программа и анализ зависимости движущей силы от времени в РПС DS=f(фrps)

-средняя удельная теплоемкость, дж/(мольК)

- тепловой эффект реакции, дж/моль

- концентрации исходных веществ, кг/кмоль

- концентрация продукта, кг/кмоль

- концентрация хлора- инициатора реакции, кг/кмоль

- концентрация инерта - азота, кг/кмоль

- адиабатический коэффициент, К

- газовая постоянная, Дж/(К моль)

- начальная температура, К

- общее давление, атм

- общая энергия активации реакции

- константа скорости

константа равновесия реакции

- число молей реакционной газовой смеси

-концентрация исходных веществ в ходе реакции

- концентрация продукта и инициатора реакции

Парциальные давления

- движущая сила реакции

степень превращения

время в РПС, с

Рис.9. Зависимость движущей силы от времени в РПС DS=f(фrps)

Вывод: с ростом времени на проведение реакции движущая сила уменьшается, т.к. это следует из того, что скорость реакции падает с ростом времени, температура в реакторе растет и константа равновесия растет, значит и DS падает, т.к. связана с Kp обратнопропорционально. С увеличением времени падает значение концентраций исходных веществ.

3.6 Программа и анализ зависимости движущей силы от времени DS=f(Р)

-средняя удельная теплоемкость, дж/(мольК)

- тепловой эффект реакции, дж/моль

- общая энергия активации реакции

- концентрации исходных веществ, кг/кмоль

- концентрация продукта, кг/кмоль

- концентрация хлора- инициатора реакции, кг/кмоль

- концентрация инерта - азота, кг/кмоль

- адиабатический коэффициент,К

- газовая постоянная, Дж/(К моль)

- константа скорости

Р1=1, атм Р2=10 ,атм

парциальные давления, атм

движущая сила

-движущая сила процесса, выраженная через парциальные давления

скорость реакции, кмоль/( міс)

-изменение давления, атм

- концентрация в зависимости от х,Т,Р

Рис.10. Зависимость движущей силы от давления при х=0.2, переменной температуре и давлении в РПС DS=f(0.2,Рi)

Вывод: при увеличении давления и температуры на малом интервале: от 400 до 800 К, постоянном значении степени превращения движущая сила увеличивается, т.к. реакция экзотермическая, идущая с уменьшением числа молей, т.е.д < 0. Cкорость реакции, соответственно, растет, и увеличивается концентрация реагирующих веществ.

Влияние роста давления на величину адиабатического коэффициента

Вывод: с ростом давления увеличивается значение начальной концентрации, значит и растет адиабатический коэффициент, т.к. он прямопропорционально зависит от нее.

В данном случае начальная концентрация еще зависит и от температуры, с ростом которой уменьшается, следовательно и уменьшается значение Ad, но исходное значение Ad выше, чем при низком давлении.

Литература

Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г. Общая химическая технология: Учеб. для техн. вузов- Изд. 2-е испр. и доп. М.: Высшая шк., 1990.-520 с.

Мухленов И.П., Авербух А.Я.,Тумаркина Е.С., Фурмер И.Э. Общая химическая технология:Учеб. для химико-тенх.спец. вузов. В 2-х т. Т. 1: Теоретические основы химической технологии. Изд. 4-е, перераб. доп.- М.: Высшая шк., 1984.-256 с., ил.

Потехин В.М., Потехин В.В. Основы теории химических процессов технологии органических веществ и нефтепереработки:Учебник для вузов.- СПб: ХИМИЗДАТ, 2005.-912 с.:ил.

1. Размещено на www.allbest.ru