Контрольная работа: Окись этилена

Окись этилена

Содержание

Введение

. Физико-химические основы процесса

.1 Характеристика основного продукта

.2 Характеристика реакционного процесса

.3 Термодинамический анализ процесса

.4 Сведения о механизме и кинетике протекающих реакций

.5 Анализ промышленных технологий синтеза оксида этилена

. Обоснование выбора оптимальных условий процесса

.1 Связь селективности с кинетикой

. Программа на языке QBASIC

. Результаты программы

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Окись этилена является в настоящее время крупнейшим по масштабу производства продуктом нефтехимического синтеза. Окись этилена - важнейшее сырьё, используемое в производстве крупнотоннажной химической продукции, являющейся основой для большого числа разнообразных товаров народного потребления во всех промышленно развитых странах. Основные направления использования окиси этилена:

этиленгликоли - используются в качестве антифризов, в производстве полиэстера, полиэтилентерефталата (ПЭТ - сырьё для пластиковых бутылок), агентов для осушения газов, жидких теплоносителей, растворителей и пр.;

полиэтиленгликоли - используются в производстве парфюмерии и косметики, фармацевтических препаратов, любрикантов, растворителей для красок и пластификаторов;

эфиры этиленгликоля - входят в состав тормозных жидкостей, моющих средств, растворителей лаков и красок;

этаноламины - применяются в производстве мыла и моющих средств, очистки природного газа и аппретирования тканей;

этоксилаты - используют в производстве моющих средств, в качестве сурфактантов, эмульгаторов и диспергаторов.

Крупнейшим направлением использования окиси этилена является производство этиленгликолей, однако процент его применения в этом виде сильно варьирует в зависимости от региона: от 44 % в Западной Европе, 63 % Японии и 73 % в Северной Америке до 90 % в остальной части Азии и 99 % в Африке.

Поэтому оптимизация условий получения оксида этилена является актуальной задачей.

1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА

.1 Характеристика основного продукта

синтез оксид этилен

О́кись этиле́на (этиленокси́д, оксира́н, 1,2-эпоксиэтан) - органическое вещество, имеющее формулу C2H4O. Этот бесцветный газ со сладковатым запахом является производным этилена и представляет собой простейший эпоксид - трёхчленный гетероцикл с одним атомом кислорода и двумя метиленовыми группами.

Благодаря особенностям молекулярной структуры, окись этилена вступает в реакции присоединения с раскрытием цикла, и таким образом легко подвергается полимеризации.

Вещество является чрезвычайно огне- и взрывоопасным. Окись этилена обладает дезинфицирующими свойствами, а также является сильным ядом для человека, проявляя канцерогенное, мутагенное, раздражающее и наркотическое действие.

Окись этилена является одним из важных объектов основного органического синтеза и широко используется для получения многих химических веществ и полупродуктов, в частности этиленгликолей, этаноламинов, простых и сложных гликолевых и полигликолевых эфиров и прочих соединений.

Основные термодинамические характеристики[7]:

температура кипения…………………………………….. 10,7 °C;

температура плавления………………………………….. −111,3 °C;

стандартная молярная теплоёмкость вещества С0p = 48,19Дж/(моль•K);

стандартная энтальпия образования……. ΔH0298 = −51,037 кДж/моль;

стандартная энтропия…………………… So298 = 243,4 Дж/(мольK);

стандартная энергия Гиббса образования…ΔG0298 = −11,68 кДж/моль;

теплота сгорания………………………….ΔH0сгор.= −1306 кДж/моль[4].

температура кипения при давлении пара выше 101,3 кПа, °С:

,203 МПа (2 атм.)…………………………………………57,7

,507 МПа (5 атм.)…………………………………………83,6

,013 МПа (10 атм.)……………………………………….114,0

вязкость, η*10³ Па*с:

−49,8 °C…………………………………………………….0,577

−38,2 °C…………………………………………………….0,488

−21,0 °C…………………………………………………….0,394

,0 °C……………………………………………………….0,320

.2 Характеристика реакционного процесса

С2H4 + 1/2 O2 = C2H4O (1)

С2H4 + 3 O2 =2 CO2 + 2 H2O (2)

Реакция (1) является основной, реакции (2) - побочная. Все реакции необратимые, катализатором служит серебро на носителе.

.3 Термодинамический анализ вероятности протекания процесса

Для определения термодинамической возможности протекания основной и побочных реакций при указанных температурах (в соответствии с заданием на работу) рассчитываем энергию Гиббса для каждой реакции на границах температурного интервала.

Расчет энергии Гиббса  ведем по формуле Темкина-Шварцмана [5]:

 (1.1)

где  - стандартная теплота реакции при 298°С, кДж/моль

; (1.2)

 - разность стандартных абсолютных энтропий продуктов реакции и исходных веществ, кДж/моль

; (1.3)

 - алгебраические суммы коэффициентов температурного ряда теплоёмкостей

; (1.4)

; (1.5)

; (1.6)

 - константы уравнения (интегралы Тёмкина-Шварцмана), зависящие от температуры. Определяем интерполяцией табличных значений;

 - абсолютная температура, К. В соответствии с заданием  К и  К

Необходимые для расчёта данные приводятся в таблицах 1.1 и 1.2.

Таблица 1.1 - Термодинамические параметры веществ [3], [5], [8]

Вещество               ,

кДж/моль,

Таблица 1.2 - Интегралы Тёмкина-Шварцмана для заданных температур [5]

Определяем термодинамическую вероятность протекания реакции (1). По формулам (1.2), (1.3), (1.4), (1.5), (1.6) определяем необходимые величины:

 кДж/моль

 Дж/(моль×К)

По формуле (1.1) определяем энергию Гиббса для реакции (1) при температурах 433 и 493К:

Поскольку энергия Гиббса для реакции (1) при температурах 483 и 583 К принимает отрицательное значение, то в интервале температур от 483 до 583 К реакция (1) термодинамически возможна.

Определяем термодинамическую вероятность протекания реакции (2). По формулам (1.2), (1.3), (1.4), (1.5), (1.6) определяем необходимые величины:

По формуле (1.1) определяем энергию Гиббса для реакции (2) при температурах 433 и 493К:

Поскольку энергия Гиббса для реакции (2) при температурах 483 и 583 К принимает отрицательное значение, то в интервале температур от 483 до 583 К реакция (2) термодинамически возможна.

Таким образом, в интервале температур от 483 до 583 К все две реакции термодинамически возможны.

.4 Сведения о механизме и кинетике протекающих реакций

Особое значение при выборе оптимальных условий окисления этилена в промышленности, при расчете контактных аппаратов и математическом моделировании процесса имеют кинетические закономерности, которые определяют зависимость скорости реакции окисления этилена от температуры, давления, а также от концентрации реагентов и продуктов реакции.

При изучении кинетики гетерогенно-каталитического окисления этилена в оксид этилена нередко получаются различные результаты. Можно, однако, сделать общий вывод, что в кинетической области реакция окисления подчиняется уравнению Лэнгмюра-Хиншельвуда

Эту модель часто аппроксимируют степенными функциями. Так, для окисления этилена в оксид этилена найдено уравнение

 (1.7)

где кажущиеся порядки по реагентам составляют

Это различие во многом обусловлено условиями осуществления реакции (при избытке этилена).

Выбор пути повышения селективности серебряного катализатора, а следовательно рентабельности каталитического окисления этилена, определяется тем, какой механизм реакции реализуется. Если считать правильной последовательную схему, необходимо быстро отводить продукты неполного окисления этилена из зоны реакции, быстро охлаждать реакционную смесь. Если же исходить из параллельной или последовательно-параллельной схемы окисления, то необходимо обращать особое внимание на подбор катализатора и возможности изменения его свойств.

Кинетика окисления этилена на серебряном катализаторе исследовалась в изотермическом режиме при 218 °С в безградиентном реакторе в широком интервале концентраций этилена, кислорода, оксида этилена, воды и двуокиси углерода. При выводе кинетических уравнений было учтено стационарное течение процесса,

использованы представления теории адсорбции Лэнгмюра и сделано несколько предположений относительно механизма процесса. Считается, что адсорбированый молекулярный кислород быстро распадается на атомы, покрывающие большую часть поверхности катализатора. Затем атомарный кислород взаимодействует с этиленом, образуя одновременно оксид этилена, диоксид углерода и воду. Эти продукты адсорбируются на поверхности катализатора и уменьшают каталитический эффект серебра.

Схема механизма окисления такова

В уравнении скорости образования окиси этилена, соответствующем предполагаемой схеме, скорость образования оксида этилена равна:

где - константы скоростей;

- константы равновесия отдельных стадий процесса, зависящие от температуры;

i-стадия процесса.

Уравнение скорости образования диоксида углерода W2 имеет такой же вид с той лишь разницей, что в числителе вместо стоит .

При рассмотрении закономерностей окисления этилена на серебряном катализаторе необходимо учитывать, что с изменением химического состава катализатора могут заметно меняться вид кинетических уравнений и различаться значения энергии активации.

Одной из причин многообразия кинетических уравнений процесса окисления этилена является незнание состояния поверхности катализатора и истинного (точного) механизма протекающих реакций, следовательно, необходимость в упрощающих

предположениях при выводе кинетических зависимостей процесса. На скорость процесса окисления оказывают серьезное влияние макроскопические факторы, например, скорость подачи исходных веществ к поверхности катализатора и отвода от нее тепла. При несоблюдении, например, условий теплового баланса катализатор может перегреться, вследствие этого его избирательность и производительность уменьшаться. Особо важное значение приобретают соотношение скоростей химической реакции, массо- и теплопередача при проектировании контактных аппаратов.

Приведем общие закономерности процесса окисления этилена в оксид этилена на сереб-ряном катализаторе: