15

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Ярославский государственный технический университет»

Кафедра «Химическая технология органических веществ»

Отчет защищен

с оценкой

Преподаватель

канд. техн. наук, доцент

Изучение термодинамики процесса гидрирования толуола

Расчетное задание по курсу

«Теория химико-технологических процессов органического синтеза»

ЯГТУ 240401.65 − 020 РЗ

Отчет выполнила

студентка гр. ХТО-30

2007

Задание № 20

Рассчитать равновесную степень превращения и состав равновесной смеси при условиях данных в пункте №1. Дать ответы на остальные пункты задания и сделать вывод по исследованию процесса.

С₆Н₅СН₃ + 4 Н₂ ↔ н – С₇Н₁₆

1. Влияние давления: 0,1; 0,5; 1,0; 3,0 МПа при температуре 550 К

2. Графическая зависимость N_i = f (Р)

3. Тепловой эффект реакции в кДж/кг н - С₇Н₁₆

4. Расход водорода в м³ (550 К; 3 МПа) на 1 т н - С₇Н₁₆

5. Материальный баланс процесса получения 5 т/ч н – гептана в лучших условиях.

Введение

Термодинамика изучает переходы энергии из одной формы в другую, от одной части системы к другой, энергетические эффекты, сопровождающие химические или физические процессы в зависимости от их протекания, возможность, направление и самопроизвольность протекания процесса в данных условиях. Термодинамика базируется на двух законах. Первый связан с законом сохранения энергии, он устанавливает связь между количеством теплоты и полученной или выделенной в процессе, количеством произведённой или полученной работы и изменением внутренней энергии. Второй закон позволяет в общей форме определить возможность, направление и предел самопроизвольного протекания процесса, а так же состояние равновесия и зависимость его от внешних условий. Таким образом, можно выбрать условия протекания процесса в нужном направлении и с необходимой степенью превращения.

Состояние системы характеризуется совокупностью её физических и химических свойств. Термодинамическими параметрами системы являются любые характеристики, служащие для определения состояния системы: температура, объём, энтальпия, энтропия, энергия Гиббса.

Рассчитав энтальпию процесса, можем судить о том с поглощением или выделением тепла протекает данная реакция. Но по изменению энтальпии нельзя судить о самопроизвольности протекания процесса. Для определения направления процесса необходим расчёт энтропии или энергии Гиббса. Определив энергию Гиббса, можем рассчитать константу равновесия процесса и степень превращения исходных веществ.

1 Расчёт энергии Гиббса по методу Чермена [1]

∆Gº = А + В·Т, (1.1)

где ∆Gº - энергия Гиббса, ккал/моль;

А, В – групповые составляющие;

Т – температура, К.

1. Расчёт энергии Гиббса образования толуола при температуре 550 К

Таблица 1 – Значения групповых составляющих толуола (С₆Н₅СН₃) для определения энергии Гиббса

	А	В·102
− СН3 −	- 10,833	2,176
− СН −	5,000 · 3,100	5,000 · 0,610
> С −	5,280	0,994
∑	9,947	6,220

∆Gº = 9,947 + 6,220 · 10² · 550 = 44,157 ккал/моль.

2. Энергия Гиббса образования водорода при температуре 550 К

∆Gº = 0,000 ккал/моль.

1.3Расчёт энергии Гиббса образования н – гептана при температуре

550 К

Таблица 2 – Значения групповых составляющих н – гептана (С₇Н₁₆) для определения энергии Гиббса

	А	В·102
− СН3 −	- 10,833 · 2,000	2,176 · 2,000
− СН2 −	- 5,283 · 5,000	2,443 · 2,000
∑	- 48,081	16,570

∆Gº = - 48,081 + 16,570 · 10² · 550 = 43,038 ккал/моль.

1.4Расчёт энергии Гиббса процесса гидрирования толуола при температуре 550 К

∆Gº_хр = ∑ ν_i · ∆Gº_i ^{прод. р.} - ∑ ν_i · ∆Gº_i ^{ис. вещ.} , (1.2)

где ∆Gº_хр - энергия Гиббса химической реакции, ккал/моль;

ν_i - стехиометрический коэффициент i – го компонента в уравнении химической реакции;

∆Gº_i ^{прод. р.}- энергия Гиббса образования продуктов реакции, ккал/моль;

∆Gº_i ^{исх. вещ.} - энергия Гиббса образования исходных веществ, ккал/моль.

∆Gº_хр = 43,038 + 4,000 · 0,000 – 44,157 = - 1,119 ккал/моль.

2 Расчёт константы равновесия процесса гидрирования толуола при температуре 550 К и давлении 0,100 МПа

∆Gº_хр

ln Кр = – RT , (2.1)

где Кр - константа равновесия химической реакции, атм ^-4;

R – универсальная газовая постоянная, ккал/(К · моль).

ln Кр = - (- 1,119)/(1,987 · 10^-3 ·550) = 1,024;

Кр = 2,785 атм ^-4.

3Мольный баланс процесса гидрирования толуола

Таблица 3 - Мольный баланс процесса гидрирования толуола

	С6Н5СН3	Н2	н – С7Н16
n io	1	4	−
n i	1- ха	4 – 4 · ха	ха

∑ n _i = 1 –х_а + 4 – 4 · х_а + х_а = 5 – 4 · х_а,

где х_а – равновесная степень превращения.

4 Расчёт константы равновесия процесса гидрирования толуола для условий отличных от идеальных

А + Y ↔ B + Z

f b^νb · fz^νz

Кf = fа^νа · fy^νy , (4.1)

где fа^νа ,fy^νy, f b^νb, fz^νz- летучести соответствующих компонентов в степенях их стехиометрических коэффициентов.

γb^νb · γz^νz

Кγ = γа^νа · γy^νy , (4.2)

где γа^νа, γy^νy, γb^νb, γz^νz – коэффициенты летучести соответствующих компонентов в степенях их стехиометрических коэффициентов.

Кf = Кр · Кγ, (4.3)

где Кf - константа равновесия для условий отличных от идеальных;

γ = f (π, τ), (4.4)

где π, τ – приведённые давление и температура, соответственно.

Р

π = Р_кр , (4.5)

где Р_кр – критическое давление, атм [2].

Т

τ = Т_кр , (4.6)

где Т_кр – критическая температура, К [2].

Таблица 4 – Данные расчёта константы равновесия процесса для условий отличных от идеальных

	Ркр, атм	Ткр, К	π	τ	γ [1]	К γ	Кf
Р = 5,000 атм, Т =550 К
С6Н5СН3	41,600	594,000	0,120	0,926	0,950	0,989	2,756
Н2	13,000	33,200	0,240	13,350	1,000
н – С7Н16	27,000	540,200	0,190	1,018	0,940
Р =10,000 атм, Т =550 К
С6Н5СН3	41,600	594,000	0,240	0,926	0,880	0,966	2,690
Н2	13,000	33,200	0,480	13,350	1,000
н – С7Н16	27,000	540,200	0,370	1,018	0,850
Р = 30,000 атм, Т =550 К
С6Н5СН3	41,600	594,000	0,720	0,926	0,500	0,657	1,829
Н2	13,000	33,200	1,430	13,350	0,990
н – С7Н16	27,000	540,200	1,110	1,018	0,325