Синтез 1,1,1,2-тетрахлорэтана

p>     _{.    (2.1.4)}

    На  интегральную селективность влияют:

    1) Температура,

    2) Степень превращения X_A,

    3) Тип реактора (РПС, РИВ).

    2.2 Оптимизация процесса

    Для оптимизации химического процесса и поиска оптимальных условий  проведения синтеза на первом этапе  руководствуются двумя показателями - удельной производительностью реактора и селективностью процесса. 
            Удельная производительность G_В – это съем целевого продукта В с единицы реакционного объема в единицу времени. Таким образом, исходя из удельной производительности, нам необходимо выбрать наиболее подходящую модель: РИВ, РПС,  а затем на основании выбранной модели реактора определить оптимальные условия проведения процесса. 
          Для реактора идеального вытеснения (РИВ) интегральная селективность определяется выражением:

     _,         (2.2.1)

где - степень превращения ацетилена; 
- дифференциальная селективность 1,1,1,2-тетрахлорэтана по винилиденхлориду. 
Время пребывания в РИВ определяем по формуле:

     _,         (2.2.2)

где - начальная концентрация ацетилена; 
        - скорость накопления ацетальдегида.

    

    

    Удельная  производительность реактора:

     , моль/(л·с).       (2.2.3)

    Для реактора полного смешения (РПС) дифференциальная селективность равна интегральной:

     _.          (2.2.4)

    Время пребывания в РПС определяем по формуле:

     _.         (2.2.5)

    

    Удельная  производительность реактора:

     , моль/(л·с).       (2.2.6)

     На  основании приведённых уравнений проводим оптимизацию процесса синтеза 1,1,1,2-тетрахлорэтана с использованием моделей реакторов полного смешения и идеального вытеснения. В ходе расчёта варьируем степень превращения винилиденхлорида, температуру проведения процесса, мольное соотношение реагентов. Определяем влияние этих параметров на селективность процесса в целевой продукт и удельную производительность реактора. Оптимизацию проводим на компьютере с помощью программы Quick Basic. Тексты программ даны в приложениях А и Б. 
            Результаты расчётов даны в приложениях В и Г.  
            По полученным данным строим графики зависимости интегральной селективности процесса и удельной производительности реактора от степени превращения винилиденхлрида при различных температурах, мольном отношении хлора к винилиденхлориду, различных моделей реакторов.

    2.3 Сравнение полученных результатов для РПС и для РИВ

   Рисунок 2.1 – Зависимость селективности в РИВ и РПС от степени превращения (T=313)

    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 2.2 – Зависимость удельной производительности РИВ и РПС от степени превращения (T=313, β=7)

Рисунок 2.3 – Зависимость селективности от степени превращения для РИВ

Рисунок 2.4 – Зависимость удельной производительности от степени превращения для РИВ (β=7)

Рисунок 2.5 – Зависимость селективности от степени превращения для РПС

Рисунок 2.6 – Зависимость удельной производительности от степени превращения для РПС (β=7)

Рисунок 2.7 – Зависимость удельной производительности от степени превращения для РИВ

                        при  313 К

Рисунок 2.8 – Зависимость удельной производительности от степени превращения для РПС (T=313)

 

Рисунок 2.9 – Зависимость удельной производительности от мольного отношения хлора 

                      винилиденхлориду при Xa = 0,1 T=313 К

 
           Как видно из зависимостей модель реактора идеального вытеснения превосходит модель реактора идеального смешения, как по селективности, так и по производительности. Исходя из этого, для проведения процесса получения                 1,1,1,2-тетрахлорэтана жидкофазным хлорированием необходим реактор, по своим свойствам приближающийся к модели реактора идеального вытеснения. 
           Итак, на основании расчёта оптимальные условия проведения процесса получения 1,1,1,2-тетрахлорэтана хлорированием винилиденхлорида:

     модель  реактора – РИВ, 
            степень превращения винилиденхлорида  Х_А=0.1, 
            температура процесса – 313 К (40°С), 
            мольное соотношение β=7, 
            селективность винилиденхлорида в 1,1,1,2-тетрахлорэтан _. 
 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

     Данная работа посвящена оптимизации условий синтеза 1,1,1,2-тетрахлорэтана жидкофазным хлорированием винилиденхлорида.

     В ходе работы рассмотрены физико-химические свойства основного продукта, проведен термодинамический анализ вероятности протекания процесса, описаны механизм и кинетика протекающих реакций. На основании кинетических данных получены выражения для расчета интегральной селективности и удельной производительности для реакторов различного типа в зависимости от температуры, степени превращения ключевого реагента и мольного соотношения реагентов. По данным, полученным в результате расчета выявлены оптимальные условия, в соответствии с которыми процесс получения 1,1,1,2-тетрахлорэтана целесообразно проводить в реакторе, по свойствам приближающемся к модели реактора идеального вытеснения. Процесс является высокоселективным при температуре 40 ⁰С, степени превращения 10 %, и семикратном избытке хлора. Интегральная селективность составляет 88,95 %, а удельная производительность реактора 0,103 моль/(л*с).

     На  основе физико-химических закономерностей  синтеза и разделения продуктов  разработана принципиальная технологическая  схема процесса синтеза и выделения  целевого продукта. Для разделения реакционной смеси используется ректификация. Для обеспечения безопасного ведения процесса и получения продукта заданного качества разработана схема автоматизации и контроля реакционного узла.

     Для уменьшения себестоимости 1,1,1,2-тетрахлорэтана предусмотрена рециркуляция непрореагировавших компонентов. 
 
 
 
 
 
 
 

СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лебедев Н.Н. Химия и химическая технология основного органического и нефтехимического синтеза, 3-е изд., перераб. – М.: Химия,  1981-608с.
2. Краткий справочник физико-химических величин. Под. ред. К.П. Мищенко и А.А. Ровденя. Изд. 5-е., перераб. И доп. Л.: Химия, 1967.-184с.
3. Лебедев Н.Н., Манаков М.Н., Швец В.Ф. Теория химических процессов основного органического и нефтехимического синтеза. – М.: Химия, 1984-376с.
4. Промышленные хлорорганические продукты: Справочник / под редакцией Ошина Л.А. – М: Химия, 1984.-224с.
5. Трегер Ю.А., Карташов Л.М., Кришталь Н.Ф. Основные хлорорганические растворители.-М.:Химия, 1973.-376с.
6. Соколов В.Н., Доманский И.В. Газожидкостные реактора. – Л.: Машиностроение 1976.-213с.
7. Шах А.Д., Погостин С.З., Альман П.А. Организация, планирование и управление предприятием химической промышленности.-М.:Высшая школа, 1981.-432с.
8. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.-Л.: Химия, 1987.-576с.
9. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры: Справочник / Под ред. Н.Н. Логинова.-Л.:Машгиз, 1963.-470с.
10. Сухотин А.М., Зотиков В.С. Химическое сопротивление материалов: Справ.: Под ред. докт. хим. наук, проф. А.М.Сухотина.-Л.-Химия, 1975-406с.
11. Доманский И.В., Исаков В.П., Островский Г.М., Решанов А.С., Соколов В.Н. Машины и аппараты химических производств: Примеры и задачи / Под ред. В.Н. Соколова.-Л.: Машиностроение, 1982-384 с.
12. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие к проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского.-М.: Химия, 1983.-272 с.;
13. ГОСТ 14249-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.-79 с.
14. ПБ-10.115-96. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением. –М.: ПИО ОВТ, 1996.

 
    

      

 

ПРИЛОЖЕНИЕ  А

    Программа для оптимизации процесса по модели РИВ 

DECLARE SUB friv (b!, eps!, Fc!, k1!, k2!, k3!, be!, Triv!, Gb!) 

OPEN "T.txt" FOR OUTPUT AS #1

PRINT #1, "  T b   Xa     Fb      Triv            Gb"

R = 8.3144

FOR T = 273 TO 313 STEP 10

  k1 = 10 ^ 6.7 * EXP(-65220 / (R * T))

  k2 = 10 ^ (-1.4) * EXP(-22160 / (R * T))

  k3 = 10 ^ (-.5) * EXP(-30200 / (R * T))

  FOR be = 1 TO 7 STEP 2

  FOR xa = .05 TO 1 STEP .05

      eps = .00001

      CALL friv(xa, eps, Fc, k1, k2, k3, be, Triv, Gb)

      PRINT #1, USING "###     "; T;

      PRINT #1, USING "#     "; be;

      PRINT #1, USING "#.##     "; xa;

      PRINT #1, USING "#.####     "; Fc;

      PRINT #1, USING "#######.#     "; Triv;

      PRINT #1, Gb

  NEXT xa

  NEXT be

NEXT T

END 

SUB friv (b, eps, Fc, k1, k2, k3, be, Triv, Gb) 

Fo = 1

a = 0

1 : x = (a + b) / 2 - (b - a) / 2 / SQR(3)

f1 = (k1 * (1 - x) - k3 * x * Fo) / (k1 + k2) / (1 - x)

x = (a + b) / 2 + (b - a) / 2 / SQR(3)

f2 = (k1 * (1 - x) - k3 * x * Fo) / ((k1 + k2) * (1 - x))

Fc = (b - a) / 2 * (f1 + f2) / b

IF ABS(Fc - Fo) > eps THEN Fo = Fc: GOTO 1 

Ca = 1588 / (35.5 * 2 + 2 + 12 * 2)

x = (a + b) / 2 - (b - a) / 2 / SQR(3)

f1 = 1 / (k1 * Ca * Ca * (1 - x) * (be - x))

x = (a + b) / 2 + (b - a) / 2 / SQR(3)

f2 = 1 / (k1 * Ca * Ca * (1 - x) * (be - x))

Triv = (b - a) / 2 * (f1 + f2) * Ca

Gb = Ca * b * Fc / Triv 

END SUB 

ПРИЛОЖЕНИЕ  Б

          Программа для оптимизации  процесса по модели РПС:

DECLARE SUB frps (b!, Fc!, k1!, k2!, k3!, be!, Trps!, Gb!) 

OPEN "T.txt" FOR OUTPUT AS #1

PRINT #1, "  T b   Xa     Fb      Trps            Gb"

R = 8.3144

FOR T = 273 TO 313 STEP 10

  k1 = 10 ^ 6.7 * EXP(-65220 / (R * T))

  k2 = 10 ^ (-1.4) * EXP(-22160 / (R * T))

  k3 = 10 ^ (-.5) * EXP(-30200 / (R * T))

  FOR be = 1 TO 7 STEP 2

  FOR xa = .05 TO 1 STEP .05

      CALL frps(xa, Fc, k1, k2, k3, be, Trps, Gb)

      PRINT #1, USING "###     "; T;

      PRINT #1, USING "#     "; be;

      PRINT #1, USING "#.##     "; xa;

      PRINT #1, USING "#.####     "; Fc;

      PRINT #1, USING "#######.#      "; Trps;

      PRINT #1, Gb

  NEXT xa

  NEXT be

NEXT T

END 

SUB frps (b, Fc, k1, k2, k3, be, Trps, Gb) 

Fc = (k1 / (k1 + k2)) / (1 + k3 * b / (k1 + k2) / (1 - b))

Ca = 1588 / (35.5 * 2 + 2 + 12 * 2)

Trps = Ca * b / (k1 * Ca * Ca * (1 - b) * (be - b))

Gb = Ca * b * Fc / Trps 

END SUB 
 
 
 
 
 
 
 
 

ПРИЛОЖЕНИЕ  В

    Результаты  расчета для РИВ

  T b   Xa     Fb      Triv            Gb

273     1     0.05     0.4193        1931.7      1.776899E-04

273     1     0.10     0.4178        4077.9      1.677207E-04

273     1     0.15     0.4161        6476.6      1.577825E-04

273     1     0.20     0.4144        9174.8      1.478802E-04

273     1     0.25     0.4125       12231.6      1.380208E-04

273     1     0.30     0.4104       15722.3      1.282137E-04

273     1     0.35     0.4082       19744.1      1.184706E-04

273     1     0.40     0.4058       24423.4      1.088071E-04

273     1     0.45     0.4032       29928.2      9.924252E-05

273     1     0.50     0.4003       36484.4      8.980084E-05

273     1     0.55     0.3970       44402.2      8.051161E-05

273     1     0.60     0.3934       54115.8      7.141084E-05

273     1     0.65     0.3894       66248.0      6.25414E-05

273     1     0.70     0.3847       81716.3      5.395457E-05

273     1     0.75     0.3794      101915.3      4.571014E-05

273     1     0.80     0.3732      129045.4      3.78774E-05

273     1     0.85     0.3659      166735.9      3.053469E-05

273     1     0.90     0.3570      221306.4      2.376931E-05