Анализ выбора реактора синтеза фосгена

Анализ выбора реактора синтеза фосгена

1. Задание

Исследовать влияние температуры на процесс в адиабатическом режиме идеального вытеснения и полного смешения. Сравнить изменения соотношения объемов реакторов в различных режимах.

Построить графики зависимости:= f(T) - где Хр - равновесная степень превращения

Х = f(T) - где Х - степень превращения фосгена в реакторе= f(h) - где h - высота реакционной зоны, м- скорость реакции

Х = f(S) - где S - время реакции,с

Х - текущая степень превращениярив = f(T) - где Vрив - объем реактора идеального вытеснениярпс = f(T) - где Vрпс - объем реактора полного смешения

Vрив\ Vрпс = f(T)

Хк=0.9Хр, производительность по фосгену 2000 т\г. Исходная смесь состоит из СО и СL2. Соотношение 1:1. Р=1-5, Т=600

. Литературный обзор

Дихлорангидрид угольной кислоты (фосген) 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 и других важных продуктов.

Свойства дихлорангидрида угольной кислоты (фосгена)

.Физические свойства

Фосген представляет собой бесцветный газ, который ниже + 8.2ºС конденсируется в бесцветную жидкость. Он имеет характерный ("не химический") запах прелого сена или гнилых фруктов. Мало растворим в холодной воде. Хорошо растворим в органических растворителях (бензоле, толуоле, уксусной кислоте, хлороформе и т. д.).

Ниже приведены основные физические свойства фосгена:

Температура кипения

при 137 мм. рт. ст. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - 30ºС

при 760 мм. рт. ст. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . + 8.2ºС

Температура плавления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - 118ºС

Критическая температура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183(181.7) ºС

Критическое давление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56(55.3) ат

Максимальная концентрация при 20ºС . . . . . . . . . . . . . . 6370 мг/л

Плотность при 0ºС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4203 г/см³

В таблице 1 приведена зависимость давления пара фосгена от температуры.

Таблица 1 Зависимость упругости паров фосгена от температуры

Давление паров фосгена (см. табл. 1) от -10 до +25ºС описывается уравнением

lgp = 7.5045 - 1300.1/Т

где р - давление паров, мм.рт.ст., Т - температура, К.

.Токсические свойства

Дихлорангидрид угольной кислоты (фосген) относится к отравляющим веществам удушающего действия. Отравление фосгеном происходит только при вдыхании его паров.

Запах фосгена ощущается, начиная с концентрации в воздухе 0.004 мг/л в течение 1-1,5 ч не приводит к отравлению, однако влияет на вкусовые ощущения. Например, проявляется отвращение к табачному дыму и запахам.

Признаки токсического отека легких проявляются после скрытого (латентного) периода, составляющего в среднем 4-6 ч. Продолжительность латентного периода зависит от дозы, состояния пораженного и физической нагрузки.

Пребывание в атмосфере, содержащей 0.01 мг/л фосгена, в течение 1 ч может вызвать легкое отравление. Концентрация 0.022 мг/л является смертельной уже через 30 мин экспозиции. Концентрации 0.5-0.6 мг/л при экспозиции 3-5 мин вызывают тяжелые отравления, а пребывание в атмосфере с концентрацией фосгена свыше 5 мг/л вызывает смертельный исход уже через 2-3 сек. Относительная токсичность при ингаляции LCτ₅₀ составляет 3.2 мг мин/л. Фосген обладает кумулятивным свойством: в организме накапливаются поражения от нескольких несмертельных доз, которые в сумме могут привести к тяжелым отравлениям, вплоть до смертельных.

. Получение

Из существующих способов получения фосгена наибольшее распространение, как в лаборатории, так и в промышленном масштабе, получил способ, заключающийся во взаимодействии хлора и окиси углерода в присутствии катализатора. Реакция образования фосгена в этом случае является обратимой и экзотермической:

дихлорангидрид фосген реактор адиабатический

СО + Сl₂ COCl₂ + 109.44 кДж (26.14 ккал)

Согласно принципу Ле-Шателье повышение температуры будет смещать обратимую экзотермическую реакцию в сторону меньшей конверсии исходных веществ. Это теоретическое положение подтверждено экспериментально найденной зависимостью содержания фосгена в реакционной смеси от температуры (табл. 2)

Таблица 2 Равновесное содержание фосгена при различных температурах

Зависимость константы равновесия К_р от температуры имеет вид:

lg К_р=5020/Т - 1.75 lgТ - 1.158

где Т - температура, град. К;

. Установка синтеза фосгена в лабораторных условиях

Центральной частью установки получения фосгена является реактор, изображенный на рис.1. Он представляет собой кварцевую трубку с двумя отводами и карманом для термопары. На внешней поверхности трубки расположена нагревательная спираль, закрытая асбестовой изоляцией.

Реактор имеет следующие основные размеры:

внутренний диаметр D -13 мм;

наружный диаметр кармана термопары d - 8 мм;

высота слоя катализатора L - 110 мм.

Кроме реактора в установку синтеза фосгена (рис. 2) входят:

Рисунок 1. Реактор синтеза дихлорангидрида угольной кислоты Кроме того в установку синтеза фосгена (рис. 2) входят:

Рисунок 2. Установка синтеза дихлорангидрида угольной кислоты

система подачи хлора, состоящая из хлорного баллона 1, предохранительной склянки 2 и реометра 3;

система подачи окиси углерода, состоящая из газометра 4, склянки Алифанова с Н₂ SO₄ 5 и реометра 6;

смеситель 7;

реактор 8

термопара 9 с милливольтметром 10;

система конденсации фосгена, включающая в себя конденсатор 11, охлаждающую баню 12, термометр 13, контрольную склянку с Н₂ SO₄ 13;

щелочная абсорбционная колонка 15 с капельной воронкой 16, приемником 17 и контрольной склянкой 18.

. Теоретическая часть

Материальный баланс

Материальной баланс - вещественное выражение закона сохранения массы вещества, согласно которому по всякой замкнутой системе масса веществ, вступивших во взаимодействие, равна массе веществ образовавшихся в результате взаимодействии. Применительно к материальному балансу любого технологического процесса это означает, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию - приход, равна массе полученных веществ - расходу. Материальный баланс составляют по уравнению основной суммарной реакции с учетом параллельных и побочных реакций.

Материальный баланс непрерывно действующих проточных реакторов составляется, как правило, для установившегося (стационарного) режима при котором общая масса веществ, поступивших в аппарат за данный период времени, равна массе веществ вышедших из аппарата. Количество же всех веществ в аппарате постоянно, т. е. накопления или убыли суммарного количества веществ не происходит.

Равновесие в технологических процессах

Химические процессы делятся на обратимые и необратимые. Необратимые реакции протекают только в одном направлении. Химические реакции, обычно, обратимы в том отношении, что в зависимости от условий могут протекать как в прямом, так и в обратном направлении. Но в обычных производственных условиях многие реакции практически не обратимы. В гетерогенных системах обратимыми называют такие процессы, в которых возможен переход вещества или теплоты как из одной фазы во вторую, так и обратно.

Все обратимые химико-технологические процессы стремятся к равновесию, при котором скорости прямого и обратного процессов уравниваются, в результате чего соотношение компонентов во взаимодействующей системе остается неизменным, пока не изменятся внешние условия. При изменении температуры, давления или концентрации одного из компонентов равновесие нарушается, и в системе самопроизвольно происходят химические процессы, ведущие к восстановлению равновесия уже в новых условиях.

Влияние основных параметров технологического режима на равновесие в гомогенных и гетерогенных системах определяется принципом Ле Шателье, согласно которому в системе, выведенной из состояния равновесия, происходят изменения, направленные на компенсацию воздействий, выводящих систему из равновесия.

Рассмотрим замкнутую систему:

аА + bB = cC

Скорость прямой реакции:

 (6)

Cкорость обратной реакции:

(7)

где к1 и к2 - константы скорости прямой и обратной реакции, А, В, С - молярные концентрации реагирующих компонентов в заданный момент.

Константа равновесия вычисляется как отношение константы скорости прямой реакции к обратной в состоянии равновесии, то есть когда U1 = U2:

(8)

Химические реакторы

Одним из основных элементов любой химико-технологической системы (ХТС) является химический реактор. Химический реактор это аппарат, в котором осуществляется химические процессы, сочетающие химические реакции с массо- и теплопереносом. Типичными реакторами являются промышленные печи, контактные аппараты, реакторы с механическим, пневматическим и струйным перемешивающим устройством, варочные котлы и т. п.

Все аппараты, расположенные до реактора предназначены для подготовки сырья к химической переработке, а все то, что находиться после реактора, необходимо для разделения получающихся в реакторе продуктов. От верности выбора типа реактора и его внутренних устройств напрямую зависит эффективность всего технологического процесса.

Требования к промышленным реакторам

Основными требованиями к реакторам в промышленности являются:

1.   Максимальные коэффициент полезного действия (КПД) и интенсивность работы.

2.       Высокий выход целевого продукта и наибольшая селективность процесса (это обеспечивается оптимальным режимом работы реактора, т.е. необходимо поддерживать заданную температуру, давление, концентрацию загружаемых веществ и продуктов реакции.)

.        Минимальные энергетические затраты на перемешивание, рациональное использование теплоты экзотермических реакций или теплоты подводимой к реактору для поддержания оптимальной температуры реагирующих веществ.

.        Безопасность работы и управляемость. Эти условия обеспечиваются рациональным подходом к выбору конструкции реактора с малыми колебаниями параметров технологического режима, позволяющими автоматизировать работу реактора

.        Низкие экономические затраты на изготовление самого реактора, его ремонта и технического обслуживания. Эти условия достигаются простотой конструкций, применением дешевых сталей и конструкционных материалов.

.        Устойчивость реактора при значительных изменениях основных параметров технологического процесса - температуры, давления, концентрация и т.д., устойчивость оболочки реактора к аварийным ситуациям.

Классификация реакторов

·   По временному фактору:

- проточные

периодического действия

·   По гидродинамическому фактору:

- смешения (с использованием перемешивающего устройства)

вытеснения (вытеснение слоя частиц впереди идущим слоем, т.е. нет продольного смешения частиц)

·   По температурному фактору:

- изотермические реакторы ( Т - const)

адиабатические (без теплообмена с окружающей средой)

политермические( с высокой разностью температур)

Типы идеальных реакторов

Непосредственно на режим работы реактора влияет степень перемешивания реагирующих веществ. В частности, постоянство параметров во всем объеме ректора обеспечивается полным смешением, а при полном вытеснении параметры, как правило, изменяются по высоте реакционного объема. В результате, в реакторах вытеснения меняется константа скорости реакции, а следовательно и скорости процесса. При сравнении моделей идеальных реакторов вытеснения и смешения условно принято постоянство температуры и соответственно константы скорости реакции для всех типов реакторов.

·        Реактор полного смешения, проточный (РПС)

Проточный реактор представляет собой аппарат, в котором интенсивно перемешиваются реагенты при помощи перемешивающего устройства (мешалки). В него непрерывно подаются реагенты и непрерывно выводятся продукты реакции. Поступающие в такой раствор частицы вещества мгновенно перемешиваются с находящимися там частицами, то есть равномерно распределяются по всему объему аппарата Таким образом, во всех точках реакционного объема мгновенно выравнивается концентрациями все остальные параметры характеризующие процесс - температура, степени превращения и другие.

·        Реактор идеального вытеснения (РИВ)

В таком реакторе, все частицы движутся равномерно и в заданном направлении, при этом не перемешиваясь с движущимися впереди и сзади и полностью вытесняя находящиеся впереди частицы потока (поршневое движение потока). Время Пребывания всех частиц в аппарате одинаково.

·        Реактор периодического действия (РПД)

Реакторы периодического действия работаю при нестационарном технологическом режиме. То есть в процессе протекания реакции (независимо от степени перемешивания ) изменяются не только концентрации реагентов, но и температура, давление и следовательно и константа скорости реакции. Если периодический реактор работает в режиме полного смешения, то время для достижения необходимое для достижения заданной степени превращения рассчитывается по характеристическому уравнению, которое совпадает с характеристическим уравнением реактора идеального вытеснения. Таким образом, если были бы возможны одинаковые условия проведения процесса в реакторах периодического действия и идеального вытеснения, то их объемы были бы равны между собой. Но, условия протекания процессов в промышленных проточных реакторах, как правило, лучше, чем в периодических.

·        Каскад реакторов полного смешения

В единичном реакторе полного смешения из-за того, что концентрации реагентов мгновенно снижаются до конечной величины, скорость реакции при больших степенях превращения невелика и поэтому для получения высоких степеней превращения требуются реакторы большого объема. В связи с этим рациональнее использовать ряд последовательно соединенных реакторов полного смешения - каскада реакторов. В каскаде реакторов состав реакционной смеси изменяется при переходе из одного аппарата в другой. При этом в каждой ступени каскада, как характерно для реакторов полного смешения, параметры процесса постоянны во всем объеме. Существует несколько методов для определения теоретического количества ступеней, но в основном используют графический и алгебраический методы.

Кинетика

Выводы

С ростом температуры значение величины -Е1\RT уменьшается, значит К1 - увеличивается. Кр уменьшается с ростом температуры, тогда 1\Кр увеличивается, величина ΔС уменьшается, т.е

.График должен иметь форму параболы, но в данном интервале температур он возрастает

С ростом Х значения U уменьшаются, поэтому большему значению Х соответствует меньшее значение U .

Выводы:

С ростом Х значения U уменьшаются ( функция убывает)

С ростом Т величина Е1\RT уменьшается, К1 увеличивается, Кр с ростом Т - уменьшается, 1\Кр - увеличивается, значит ΔС уменьшается т.е

В данном интервале температур большему значению Х соответствуют меньшее значение U.

Реакторы

Химическое равновесие

Заключение

Проведя ряд расчетов, мы делаем выбор в пользу реактора полного смешения (РПС), так как время пребывания в нем реакционной смеси значительно меньше, чем в реакторе идеального вытеснения, что с экономической точки зрения гораздо выгоднее. Также чем меньше время пребывания смеси в реакторе, тем быстрее достигается заданная степень превращения, что нам и иллюстрирует график(с повышением х-степени превращения, растет время).

Список используемой литературы

. А. М. Кутепов, Т. И. Бондарева, М. Г. Беренгартен "Общая химическая технология", 2003.

. И. Г. Масленников "Дихлорангидрид угольной кислоты", Метод. указания, СПб., СПбГТИ(ТУ), 2002.

. Краткий справочник физико-химических величин.,1983.