Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Министерство культуры российской федерации
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ»
Кафедра технологии полимеров и композитов
Курсовая работа
по дисциплине:
«Моделирование химико - технологических процессов»:
на тему:
«Исследование кинетики реакции алкилирования изобутана изобутиленом до изооктана методом математического моделирования»
Выполнил: Седова Ирина
студент 133 гр.
Проверил: Жданова А.В. ,
ассистент
Санкт-Петербург
2013г
Введение 3
Глава 1. Описание объекта моделирования. 5
1.1.Общие сведения об изооктане. 5
1.2.Физисемкие свойства 6
1.3 . Химические свойства. 8
Глава 2. Описание технологического процесса производства изооктана. 10
2.1.Основные промышленные способы производства изооктана. 10
2.2. Применение изооктана 13
2.3. Технологическая схема и краткое описание процесса производства 14
2.3.1. Требования к серной кислоте, используемой в качестве катализатора 15
2.3.2. Аппараты пригодные для процесса 15
2.3.3 Технологическая схема 16
2.3.4.Принцип работы установки для алкилирования изобутана изобутиленом. 17
Глава 3.Описание математической модели производства. 19
3.1. Изучение кинетики реакции. 19
3.2.Математическая модель. 22
3.3.Расчет параметров. 25
Заключение 31
Список используемой литературы 32
Данная курсовая работа посвящена изучению кинетики реакции алкилирования изобутана изобутиленом до изооктана методом математического моделирования. Так как под математическим моделированием понимают изучение свойств объекта на математической модели. Математическая модель – это приближенное описание какого-либо процесса, выраженное с помощью математической символики. То целью математического моделирования является определение оптимальных условий протекания реакции, управление данной реакцией на основе математической модели и перенос результатов на объект, то есть в реальное производство. И от того насколько правильно построена математическая модель и определены оптимальные условия протекания процесса, будет зависеть эффективное функционирование системы управления и регулирование процессом при наличии возмущений.
Целью данной курсовой работы является изучение кинетики химической реакции. Изучением закономерностей протекания химических реакция или химических превращений во времени, зависимостью этих закономерностей от внешних условий, а так же механизмами химических реакций, занимается химическая кинетика.
В процессе исследования кинетики реакции, важно изучить скорость химической реакции. Скорость химической реакции – это количество вещества, вступившего в реакцию или образующегося в ходе реакции за единицу времени в единице объема системы. Количество вещества выражают в молях, а объем в литрах. В этом случае мы получаем удобную для работы величину - концентрацию вещества в моль/л, которая изменяется в ходе реакции. Таким образом, скоростью реакции называют изменение концентрации какого-нибудь вещества, участвующего в реакции, за единицу времени (например, за секунду или за минуту).
За скоростью реакции можно следить по расходованию одного из реагентов, либо по накоплению продукта. Но тогда можно столкнуться с серьезной проблемой: скорость реакции может постоянно меняться. Действительно, в начале реакции, когда молекул реагирующих веществ еще много, столкновения между ними происходят гораздо чаще, чем в конце реакции, когда молекул исходных веществ уже намного меньше. А столкновения молекул в реакционной смеси являются поводом для реакции между ними.
Следовательно, для увеличения скорости химической реакции, необходимо либо увеличивать концентрацию исходных компонентов, либо повышать температуру процесса, так же для ускорения движения и сталкивания молекул, можно добавлять катализаторы в реакционную смесь.
В данной курсовой работе объектом исследования является реакции алкилирования изобутана изобутиленом до изооктана, а точнее изучение кинетики этой реакции. Тогда предметом исследования является сам изооктан, который широко применяется в различных сферах жизни, начиная от бытовых и заканчивая производственными.
В процессе исследования кинетики реакции получения изооктана, за основу берется реакция алкилирования изобутана изобутиленом. Так как получение изооктанов данным способом, является самым распространенным и удобным.
Н3С-С(СН3)=СН2 + Н3С-СН(СН3)-СН3 → Н3С-СН(СН3)-СН2-С(СН3)2СН3 + Q
Рисунок 1 Реакция получения изооктана.
При прохождении данной реакции конечным продуктом является изооктан, по систематической номенклатуре он называется 2,2,4-триметилпентан, СН3С(СН3)2СН2СН(СН3)СН3, структурная формула которого представляет вид:
Рисунок 2 Структурная формула изооктана.
Изооктан – один из 9 изомеров октана. Октан относится к предельным (метановым) углеводородам (алканы, парафины). В переводе с латыни
« parum » - означает « мало », а « affinus » – « имеющий сродство ». Название указывает на химическую инертность метановых углеводородов.
Предельными насыщенными углеводородами называют такие соединения углерода с водородом, в молекулах которых каждый атом углерода затрачивает на соединение с любым соседним углеродным атомом не более одной валентности, причем все свободные (не затраченные на соседние с углеродными атомами), его валентности насыщены водородом. Все атомы углерода находятся в sp3 – гибридном состоянии.
Изооктан имеет форму многоугольников, цепи закрыты и не свободны. Благодаря такой форме он мало поддается детонации. Детонация - это режим горения, в котором по веществу распространяется ударная волна, инициирующая химические реакции горения , в свою очередь поддерживающие движение ударной волны за счёт выделяющегося в экзотермических реакциях тепла. Комплекс, состоящий из ударной волны и зоны экзотермических химических реакций за ней, распространяется по веществу со сверхзвуковой скоростью и называется детонационной волной. Фронт детонационной волны — это поверхность гидродинамического нормального разрыва. Скорость распространения фронта детонационной волны называется скоростью детонации.
Физические свойства изооктана, как и других органических соединений, определяются его составом и строением.
Изооктан – прозрачная бесцветная жидкость, напоминающая по запаху легкий бензин прямой гонки.
Температура кипения 99,24°С. При сравнении с температурами кипения других изомеров гомологического ряда углеводородов, можно заметить, что изомеры с нормальной цепью углеводородных атомов кипят при более высокой температуре, чем углеводороды с разветвленной цепью. Это объясняется меньшим взаимодействием между молекулами с разветвленной цепью в жидком состоянии. Ответвления от главной цепи создают пространственные препятствия для сближения молекул.
Таблица 1 - Физические характеристики изооктана.
|
Характеристика изооктана. |
Численное значение. |
|
1 |
2 |
|
Молярная масса |
114.23 г/моль |
|
Температура вспышки |
4.5 °C |
|
Температура плавления изооктана |
-107,4°С. |
|
Плотность изооктана |
0,692 г/см³ |
|
Растворимость в воде |
Очень маленькая |
|
Атомы в молекулах изооктана соединены между собой |
только σ-связями. |
|
Расстояние между углеродными соединениями атомов |
0,154 нм. |
|
Давление пара изооктана при 23,4°С |
– 47,9 мм. |
|
Теплотворная способность |
11450 кмоль/кг. |
|
Теплота испарения |
73,5 кал/г (25°С). |
|
Теплота сгорания |
1305,29 ккал/моль (25°С, р-const). |
|
Удельная теплота испарения |
307 630 Дж/кг |
|
Показатель преломления |
1,39145 |
Изооктан нерастворим в воде, растворим в обычных органических растворителях. Образует азеотропные смеси- смесь двух или более жидкостей, состав которой не меняется при кипении, то есть смесь с равенством составов равновесных жидкой и паровой фаз, например с бензолом, метиловым и этиловым спиртами
Технический изооктан представляет собой легковоспламеняющуюся жидкость. Область воспламенения технического изооктана 0,95-6,0 % (по объему). Горит медленно.
Химические превращения изооктана, как и всех предельных углеводородов, могут происходить либо в результате гомолитического разрыва цепи углеродных атомов, либо за счет отрыва атомов водорода с последующим замещением их другими атомами или группами. Поэтому для изооктана, как и для других предельных углеводородов, характерны реакции расщепления и замещения.
Химические превращения изооктана, такие, как окисление, галогенирование, нитрование, сульфирование и т.д. не имеют практического значения, но используются для определения качества изооктана и применяются в лабораторном практикуме.
Галогенирование (замещение водородных атомов галогенами);
Окисление (кислородом воздуха и обычными окислителями происходит только при высоких температурах с разрывом углеродной цепи и образованием преимущественно кислот и диоксида углерода);
Нитрование (атомы водорода замещаются нитрогруппой), происходит только разбавленной азотной кислотой при нагревании по схеме:
R-H + HO-NO2 → R-NO2 + H2O
Сульфирование (замещение водородных атомов на сульфохлоридную группу). Изооктан, как и другие алканы, легко реагирует с «супер-кислотами», например, со смесью SdF6 и FSO3H, с выделением водорода и образованием карбоновых ионов.
Дымящаяся серная кислота со всеми высшими парафинами дает сульфокислоты:
R-H + H2SO4 → R-SO3H + H2O
При фотохимическом сульфировании реакция происходит при комнатной температуре.
При нагревании до 500 - 570°С изооктан образует главным образом метан и изобутилен с небольшим количеством этана, этилена, пропилена и водорода.
При каталитическом крекинге изооктана с сульфидом вольфрама при температуре 400°С и давлении 250 атмосфер или с AlCl3 и HCl при 20 - 140°С. Главным продуктом распада является изобутан с алюмосиликатами. При температуре 500°С главные продукты распада – метан, бутан, изобутилен и бутилен, а при температуре 550°С так же и пропилен.
В промышленности изооктан получают гидрогенизацией (гидрированием) диизобутилена над никелевым, медно-хромовым и другими катализаторами. То есть химическая реакция, включает присоединение водорода к органическому веществу. В ходе этой реакции молекула водорода присоединяется к двойной связи молекулы. Если в результате гидрирования происходит разрыв связи углерод — углерод, то такой процесс называется гидрогенолизом. Гидрирование широко применяется для получения органических веществ как в лаборатории, так и в промышленном масштабе.
Так же широко применяется способ алкилирования изобутана изобутиленом. И он же является самым распространенным.
Реакция протекает достаточно быстро в присутствии катализаторов при обычных температурах, без катализаторов - при высоких температурах (около 500°С). В качестве катализаторов применяют серную и фтористоводородную кислоты(HF или H2SO4). Реакция алкилирования алкенами приводит к образованию углеводорода с большей молекулярной массой.
Взаимодействие начинается с протонирования изобутилена до
триметилкарбониевого иона.
Рисунок 3 Протонирование изобутилена.
Триметилкарбониевый ион на второй стадии реакции при-
соединяется к изобутилену с образованием димерного катиона.
Рисунок 4 Образованием димерного катиона.
Димерный катион реагирует с изобутаном, в результате чего получаются изооктан.
Рисунок 5 Получение изооктана.
И промежуточный ион (CH3)3C + [3]
Алкилирование парафинов олефинами является равновесным экзотермическим процессом, обратным крекингу углеводородов.
Механизм реакции осложнен процессами изомеризации, вследствие чего происходит быстрый обмен гидрид-иона с изопарафином причем образующийся трет-бутилкатион взаимодействует далее с исходным олефином.
Получившийся ион карбония склонен к внутримолекулярным перегруппировкам, сопровождающимся миграцией водорода и метильных групп.
Эти ионы карбония взаимодействуют с изобутаном, в результате чего получаются углеводороды С8Н18 и трет-бутилкатион обеспечивающий протекание ионно-цепного процесса.
Состав изомеров зависит как от стабильности промежуточных ионов карбония, так и от скорости их обменной реакции с изобутаном.
Очевидно, что промежуточно образующиеся изооктилкатионы также способны к реакции с олефинами:
[3]
Но так как это каталитическая реакция, либо если реакция прожодит без катализатора, то является высокотемпературным процессом, то есть нагревание идет до 5000С – 5700С. Все побочные реакции проходят мгновенно. И в исследовании кинетики не учитываются, так как даже сама вероятность их протекания ничтожно мала. А в том случае если они проходят, то никак не влияют на чистоту выхода и сам выход продукта.
Так происходят последовательно-параллельные реакции алкилирования.
В получаемых алкилатах обнаружены низшие и высшие парафины с числом углеродных атомов, не кратным исходным реагентам. При алкилировании изобутана бутиленами алкилат содержит 6-10% углеводородов С5 - С7 и 5-10% углеводородов С9 и высших. С учетом этого можно сделать вывод, что они могут появиться только в результате деструктивных процессов(процессов, протекающих с разрывом химической связей в макромолекулах и приводящих к уменьшению степени полимеризации или молекулярной массы полимера), которым способствует повышение температуры.
Исходными веществами при сернокислотном алкилировании изооктана служат изобутан и бутилены, продуктом является смесь изооктанов. Реакция экзотермическая, тепловой эффект ее составляет приблизительно 22500 кал/г-мол. Выход изооктанов из бутиленов растет с увеличением избытка изобутана по отношению к бутиленам в реакционной смеси; одновременно повышается октановое число продукта и уменьшается расход катализатора. Реакцию проводят под давлением 2 - 4 атмосфер при температуре около 0°С При этих условиях необходимое время контактирования составляет около получаса.
Позднее в качестве катализатора алкилирования стали применять безводный жидкий фтористый водород. Оптимальная температура реакции 25-40°, давление - до 10 атмосфер. Чтобы избежать полимеризации олефинов и образования фтористых алкилов, берут пяти - семикратный избыток изобутана. Продукт содержит около 65% углеводородов, выкипающих в пределах температур кипения изооктанов; из них 50% составляет 2,2,4-триметилпентан (изооктан). По мере течения процесса активность катализатора падает в связи с образованием фтористых алкилов. Отработанный катализатор регенерируют.
Алкилирование в отсутствие катализаторов требует применения давлений 200-300 атмосфер.
В результате алкилирования получают технически чистый изооктан с октановым числом 92 - 97.
Октановое число - условная количественная характеристика стойкости к детонации моторных топлив, применяемых в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания. Октановое число численно равно процентному (по объему) содержанию изооктана (октановое число которого принято за 100) в его смеси с н-гептаном (октановое число равно 0), эквивалентной по детонационной стойкости испытуемому топливу при стандартных условиях испытания.
Расширение производства изооктана до крупных промышленных масштабов связано с необходимостью обеспечения карбюраторных авиационных двигателей, работающих по циклу Отто ( термодинамический цикл, цикл бензинового двигателя, описывающий рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания с воспламенением сжатой смеси от постороннего источника энергии, цикл бензинового двигателя), бензином с высокими антидетонационными свойствами.
В процессе химической подготовки паровоздушной смеси (топлива и воздуха) в двигателе внутреннего сгорания накапливаются взрывчатые пероксиды, которые могут детонировать раньше, чем наступит необходимый момент для воспламенения смеси, т. е. раньше, чем поршень двигателя дойдет до нужного положения. Это приводит к порче мотора (двигатель «стучит»). Необходимое для повышения мощности двигателя увеличение степени сжатия паровоздушной смеси в цилиндре двигателя усиливает детонацию. Поэтому от моторного топлива требуется, чтобы оно было максимально устойчиво к детонации.
Наиболее легко детонируют углеводороды с нормальным, нецепным строением. Для того чтобы сравнить способность к детонации различных горючих материалов, построили специальную шкалу. За нуль в этой шкале принят н-гептан, за 100 — изооктан. Если исследуемое топливо детонирует так же, как смесь 76% изооктана и 24% н-гептана, то топливу присваивают октановое число 76. В настоящее время в качестве топлива для легковых автомобилей используется бензин с октановыми числами 72, 76, 93, 95.[3]
Данный процесс осуществляется статическим способом. Он проходит в замкнутых закрытых реакторах при постоянном объеме. При проведении реакции в таких условиях теми параметрами, которые влияют на ход реакции, являются температура, начальные концентрации реагентов, продолжительность процесса.
В промышленности алкилирование н-бутиленов (смесь 1- и 2-изомеров) с изобутаном дают алкилат, богатый углеводородами С8 и часто называемый просто изооктаном. Нередко в качестве сырья берут бутан-бутиленовую фракцию - крекинг газов, содержащую все необходимые реагенты и очищенную от бутадиена.
Реакционная масса представляет собой двухфазную систему, которую эмульгируют с помощью мешалок или питающих насосов. При использовании серной кислоты существенное значение имеет ее концентрация. Лучшие результаты получаются с 98 — 100%-ной кислотой, но она постепенно разбавляется влагой, присутствующей в исходных реагентах. Минимально допустимой считается концентрация 88 — 90%, поэтому часть кислоты приходится все время отводить из системы и добавлять свежую. Расход серной кислоты составляет обычно 5 — 7 кг на 100 л алкилата. В самом реакторе объемное отношение кислоты и углеводородов примерно 1: 1 и даже доходит до 70% (об.) кислоты. Избыточный катализатор отделяют от углеводородов в сепараторе и возвращают на реакцию.
Для процесса применяют аппараты двух типов, различающиеся способом отвода выделяющегося тепла, — при помощи внутреннего охлаждения жидким аммиаком (или пропаном) или за счет испарении избыточного изобутана. В первом случае (при помощи внутреннего охлаждения жидким аммиаком) в алкилаторе, снабженном мощной мешалкой, имеются охлаждающие трубы, в которых теплоноситель испаряется. Его пары направляют затем на холодильную установку, где они снова превращаются в жидкость.[2]
Более эффективен метод теплоотвода за счет испарения избыточного изобутана, это во втором случае, что облегчает регулирование температуры. Один из интересных типов алкилаторов, работающих по этому принципу, изображен на рисунке 1 (аппарат 4). В нем реакционное пространство разделено перегородками на несколько секций с мешалками (каскады). Бутилен подводится отдельно в каждую секцию, вследствие чего концентрация олефина в секциях очень мала, и это позволяет подавить побочную реакцию полимеризации.
Серная кислота и изобутан поступают в первую секцию слева, и эмульсия перетекает через вертикальные перегородки из одной секции в другую. Вторая справа секция служит сепаратором, в котором кислота отделяется от углеводородов и возвращается на алкилирование. Через последнюю перегородку перетекает смесь углеводородов, поступающая на дальнейшую переработку.
Рисунок 6 Технологическая схема алкилирования изобутана изобутиленом.
1 – компрессор; 2 – емкость; 3 – конденсатор; 4 – реактор (алкилатор);
5 – дроссельные вентили; 6 – депропанизатор; 7, 9 – сепараторы;
8 – нейтрализатор; 10 – дебутанизатор; 11 – теплообменники.
В алкилатор 4 (в первую секцию слева) поступают жидкий изобутан, оборотная и свежая серная кислота; в каждую секцию подают жидкий изобутилен. За счет выделяющегося тепла часть избыточного изобутана испаряется; его пары попадают в емкость 2, служащую одновременно ресивером и сепаратором. Газ из этой емкости непрерывна забирается компрессором 1, сжимается до 0,6 МПа и при этом давлении конденсируется в водяном холодильнике 3. В дроссельном вентиле 5 снижают давление до рабочего (около 0,2 МПа), причем часть изобутана при дросселировании испаряется и разделяется в емкости 2. Оттуда жидкий изобутан снова направляется в алкилатор, завершая холодильный цикл. При непрерывной работе установки в изобутане накапливается пропан, образующийся в результате деструкции углеводородов и присутствующий в небольшом количестве в исходных углеводородных фракциях. Поэтому в изобутановый холодильный цикл включен депропанизатор — ректификационная колонна 6. В нее отводят часть циркулирующего изобутана после холодильника 3, а изобутан, очищенный от пропана, возвращают после дросселирования в емкость 2.
Смесь, выходящая из последней секции алкилатора 4, содержит избыточный изобутан, октаны, изобутилен и другие углеводороды С5 — С7 и высшие. Ее подают в сепаратор 7 для отделения остатков серной кислоты. Кислоту возвращают в алкилатор, но часть ее отводят из системы и вместо нее подают свежую. Углеводородный слой из сепаратора 7 нейтрализуют 10%-ным раствором щелочи в аппарате 8 и разделяют полученную эмульсию в сепараторе 9. Нейтрализованная смесь углеводородов направляется на отгонку избыточного изобутана в ректификационную колонну 10. Чтобы для конденсации изобутана можно было использовать дешевый хладоагент — воду, в колонне поддерживают давление около 0,6 МПа. В нее же подают свежую изобутановую фракцию. Часть изобутана возвращается на орошение колонны 10, а остальное количество после дросселирования поступает в емкость 2 и оттуда снова на реакцию. Таким образом совершается циркуляция изобутана. Из куба колонны 10 отбирают товарный алкилат[1,4].
Кинетика реакции – это, раздел химии изучающий скорость химической реакции и её зависимость от различных факторов.
Если реакция протекает в однородной среде, а в реакции алкилирование изобутана изобутиленом до изооктана процесс происходит в растворе, следовательно, взаимодействие реагентов происходит во всем объеме. То такие реакции называются гомогенными. Скорость такой реакции определяется как отношение изменения концентрации одного из реагирующих веществ или продуктов реакции ∆С к интервалу времени ∆τ, за которое это изменение происходит. Определяемая таким образом скорость, является средней.
Концентрация, то есть количество вещества в единице объема, выражается как число молей вещества, содержащихся в 1 литре раствора. Либо как молей вещества, содержащихся в 1 килограмме раствора. Тогда учитывая, что время выражается в секундах, то размерность скорости химической реакции [моль/литр •секунду]. Чем меньше изменение концентрации и промежутка времени, тем сильнее средняя скорость будет приближенна к истинной, мгновенной скорости химической реакции в данный момент времени. Скорость реакции можно определять по изменению концентрации одного из реагирующих веществ (в этом случае перед выражением ставится знак минус), либо по изменению концентрации одного из продуктов реакции (тогда перед выражением скорости ставится знак плюс).
На скорость химической реакции влияют следующие факторы:
Чтобы произошла химическая реакция, частицы реагирующих веществ в гомогенной системе должны столкнуться. Число столкновений пропорционально числу частиц в объеме реактора, то есть их молярным концентрациям. Так же зная из основной зависимости химической кинетика, а именно из Закона действующих масс. Который гласит, что скорость элементарной химической реакции пропорциональна произведению молярных концентраций реагентов, взятых в степени, равной их стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.
В общем виде:
aA + bB → dD
либо
где k – коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости химической реакции (зависит от температуры, природы реагирующих веществ, но не зависит от концентрации раствора); концентрации веществ в степенях равных их стехиометрическим коэффициентам, по уравнению реакции.
Увеличение скорости реакции с повышением температуры объясняется тем, что для химической реакции необходимо соударение активных молекул, то есть тех молекул, которые обладают энергией достаточной для того, что бы преодолеть силы отталкивания отрицательно заряженных электронных оболочек взаимодействующих молекул.
Шведский ученый С. Аррениус на основании экспериментальных данных показал, что число активных частиц, а следовательно скорость и константа скорости возрастает с температурой по экспоненциальному закону. Он утверждал, что столкновения молекул будут эффективны (то есть будут приводить к реакции) только в том случае, если столкновение молекул обладает определенным запасом энергии активации. Энергия активации – это минимальная энергия, которой должны обладать молекулы, что бы их столкновение приводило к химическому взаимодействию. Выведенная им зависимость константы скорости от температуры называется уравнением Аррениуса
Где А0 – предэкспоненциальный множитель (отвечает общему числу соударений реагирующих веществ в единице объема за единицу времени); Еа – энергия активации (то есть та энергия которой должны обладать соударяющиеся молекулы, что бы реакция произошла); R – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура.
Еа и А0 – определяются природой реакции и практически не зависят от температуры.
Для ускорения медленно протекающих химических реакций добавляют вещества – катализаторы, способные понижать энергию активации молекул, ослабляя связи между атомами. При этом молекулы становятся реакционно – способными при более низкой температуре, энергии для разрыва связи требуется меньше. Следовательно, изменение скорости реакции путем добавления катализаторов называется – катализом, а реакции, протекающие в процессе катализа – каталитическими. При гомогенном катализе и катализатор и реагирующие вещества находятся в одной фазе, и катализатор ускоряет реакцию путем образования промежуточных веществ с каким либо из исходных компонентов. В данной работе возможны два варианта протекания процесса, либо при высоких температурах и без катализатора, либо при нормальной температуре, но в присутствии катализатора. Но в обоих случаях побочные реакции протекают настолько быстро, что при составлении модели и исследовании кинетики в целом не учитываются.
В математической форме любую систему уравнений модели химического процесса можно представить в виде:
Где С - вектор измеренной концентрации продуктов; К – вектор констант скоростей реакций; А – некоторый алгебраический или дифференциальный оператор.
Реакция алкилирование изобутана изобутиленом происходит в несколько стадий:
В общем виде эта реакция будет выглядеть так
А + В = С (А1)
В общем виде данная формула выглядит так
С + D = E (А2)
Общий вид данной реакции таков
E + F = G (А3)
Каждую из этих реакций можно записать как
Где Ai – i-я соединение; Bj - j элемент; βi j - стехиометрический коэффициент "элемента" Bj в "соединения" Ai. Стехиометрические коэффициенты «элементов» - продуктов будем считать положительным, а исходных веществ - отрицательными.
Если имеем набор из 3-ёх "соединений", тогда сумму веществ можно записать в виде произведения матриц n "элементов" и стехиометрических чисел:
или
Где A и B - вектор - столбцы "соединений" и "элементов"; β - атомная матрица в случае, если B - химические элементы, матрица стехиометрических коэффициентов соединений в реакциях или стехиометрических коэффициентов реакций в маршрутах.
В качестве примера составления матрицы рассмотрим довольно простую кинетическую схему:
k12 k23
Где первым индексом у констант скоростей записывают номер продукта, а вторым - номер исходного вещества.
Кинетические уравнения следующие:
Или эту же систему в матричной форме:
Где Аi –концентрации.
В компактной форме можно записать: ri = ki j⋅Ai
Далее учитывая, что все стехиометрические коэффициенты равны единице, необходимо перемножить две матрицы.
Проведя расчеты, получается матрица такого вида
После этого на основе матрицы составляется математическая модель:
Далее с помощью ЭВМ вычисляется система диффенциальных уравнений, используя численные методы.
Алкилирование изобутана изобутиленом до до 2,2,4-триметилпентана (изооктана)
Исходные данные
В реактор поступает бутан-бутиленовая фракция, 100 т/ч
Таблица 2 - Исходные данные
|
Состав бутан-бутиленовой фракции |
ω массовые доли % |
|
1 |
2 |
|
изобутан |
40 |
|
изобутилен |
40 |
|
пропан |
5 |
|
н-бутан |
8 |
|
бутен-1 |
4 |
|
бутен-2 |
3 |
Процесс переработки газов с целью изменения состава исходной газовой смеси.
Конверсию применяют с целью получения водорода или его смесей с СО. Эти смеси используют для синтеза органических продуктов.[5]
Таблица 3 - Исходные данные при конверсии
|
Конверсия |
ωк массовые доли % |
|
1 |
2 |
|
изобутана |
85 |
|
изобутилена |
90 |
В реакторе алкилирования протекает реакция:
Н3С-С(СН3)=СН2 + Н3С-СН(СН3)-СН3 → Н3С-СН(СН3)-СН2-С(СН3)2СН3 + Q
Расчеты и составление таблицы материального баланса
Расчитывается по таблице Менделеева.
ММ(изобутан)=56;
ММ(изобутилен)=58;
ММ(изооктан)=114.
mвс(вещества)=100 000*ω
где: ω-массовая доля вещества.
100 000 кг = 100 т
mвс (изобутан)=100000*0,4=40 000 (кг/ч);
mвс (изобутилен)=100000*0,4=40 000 (кг/ч);
mвс (пропан)=100000*0,05=5 000 (кг/ч);
mвс (н-бутан)=100000*0,08=8 000 (кг/ч);
mвс (бутен-1)=100000*0,04=4 000 (кг/ч);
mвс (бутен-2)=100000*0,03=3 000 (кг/ч).
М(изобутана) = mвс* ωк
где: mвс – масса изобутана в сырье
ωк –массовая доля конверсии изобутана
40000*0,85=34 000 (кг/ч).
Мнепр. = mвс – М
где: mвс - масса изобутана в сырье
М - масса вступившего а реакцию изобутана
40 000-34 000=6000 (кг/ч).
Находим из пропорции.
34 000 - 56
М - 58
М = 34000*58/56=35214,286 (кг/ч);
Мисх = М. *100/ ωк
где: М. - масса прореагировавшего изобутилена
ωк –массовая доля конверсии изобутилена
35214,286*100/90=39126,984 (кг/ч).
Мнепр. = Мисх – М
Мисх – масса поданного(исходного) изобутилена
М - масса прореагировавшего изобутилена
39126,984-35214,286=3912,698 (кг/ч).
Находим из пропорции.
34000 - 56
М - 114
М = 34000*114/56=69214,286 (кг/ч) [4,5].
Таблица 4 - Таблица материального баланса
|
№ |
Наименование |
Кг/час |
ω % |
№ |
Наименование |
Кг/час |
ω % |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
1 |
Изобутан |
40 000 |
28,75 |
1 |
Изобутан |
6000 |
4,31 |
|
2 |
Изобутилен(1) |
40 000 |
28,75 |
2 |
Изобутилен(1) |
40000 |
28,75 |
|
3 |
Пропан |
5000 |
3,59 |
3 |
Пропан |
5000 |
3,59 |
|
4 |
Н-бутан |
8000 |
5,75 |
4 |
Н-бутан |
8000 |
5,75 |
|
5 |
Бутен-1 |
4000 |
2,87 |
5 |
Бутен-1 |
4000 |
2,87 |
|
6 |
Бутен-2 |
3000 |
2,17 |
6 |
Бутен-2 |
3000 |
2,17 |
|
№ |
Наименование |
Кг/час |
ω % |
№ |
Наименование |
Кг/час |
ω % |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
7 |
Изобутилен(2) |
39126,984 |
28,12 |
7 |
Изобутилен(2) |
3912,698 |
2,81 |
|
8 |
8 |
Изооктан |
69214,286 |
49,75 |
|||
|
Итого: |
139126,98 |
100 |
Итого: |
139126,984 |
100 |
Технологические показатели процесса
β=Gфакт/Gтеор
Gфакт=69214,286;
Gтеор=?
40 000 - 56
Gтеор - 114
Gтеор=40000*114/56=81428,571;
β= Gфакт/ Gтеор=69214,286/81428,571=0,85=85%;
2. Расходные коэффициеты по изобутану:
Ктеор=М(изобутана)/М(изооктана)=56/114=0,49;
Ктеор=М(изобутана)/М(изооктана)=40000/69214,286=0,55. [1,5].
После проведенных расчетов можно сделать вывод. Выход изооктана составлет 85%, это означает что изобутилен выходит с хорошем количестве, потери составляют 15%. Вероятнее всего выход не 100% из за того, что в установке, в особенности в реакторе (алкилаторе) у мещалок была недостаточная скорость, так же на начальном процессе алкилирования, из за выделяющегося тепла, часть изобутана (исходного компонента) испаряется, так же он испаряется при дроселировании смеси.
По таблице материального баланса можно сделать вывод, что масса на приход и масса на расход после вычисления оказались равными, с незначительным изменением. Это доказывает, что материальный баланс являющихся конкретным выражением закона сохранения массы.
Расходные коэффициенты, которые были расчитаны по молекулярной массе изобутана и изооктана и по массе образовавшихся изобутана и изооктана, составляют 0,49 и 0,55 это говорит о полноте протекания процесса, так как они имеют приближенные значения.
Данная курсовая работа была нацелена, на изучение кинетики реакции. То есть на протекание реакции во времени, определение её скоростях и механизма. С исследованиями кинетики химических реакций связаны важные направления современной химии и химической промышленности: разработка рациональных принципов управления химическими процессами. В данном процессе удобнее использовать автоматические системы управления, отвечающие более высоким требованиям. Так же стимулирование полезных и подавление нежелательных химических реакций, либо добавлением катализатора, либо нагреванием системы до 500 0С, либо увеличением концентрации исходных компонентов на начальных стадиях процесса. Еще одним преимуществом исследования кинетики реакции методом математического моделирования является создание новых и усовершенствование существующих процессов и аппаратов в химической технологии, и перенесение на реальные объекты.
Следовательно, мы можем сделать вывод об условиях протекания процесса, и внести какие либо изменения в ход реакции. Так же мы можем проанализировать протекание процесса после его окончания, и подобрать новые параметры и провести реакцию повторно, до получения наилучшего результата. Который будет перенесен на реальное производство.
1. Общая химическая технология / Под ред. А.Г.Амелина. М.: «Химия», 2007, 400 с.
2. Юкельсон И.И. Технология основного органического синтеза. М.: «Химия», 2008, 846 с.
3. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. Изд. 2-е, пер. М., «Химия», 2005, 736 с.
4. Общая химическая технология / Под ред. Проф. И.П. Мухленова. М.: «Высшая школа», 1984, 518 с.
5. Введение в моделирование химико-технологических процессов / А.Ю. Закгейм. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : 982. - 288 с.