Московский Государственный Университет

Инженерной Экологии

Кафедра ОИЭ и ХТ

Группа Н-40

Студент Веселов Д.И.

Дата работы 10.10.03

Лабораторная работа №5

Синтез бутадиена по методу С.В. Лебедева

Таблица 3.7

Исходные данные и результаты эксперимента

24	Температура в лаборатории, °С
22,38	Парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре в ла­боратории, мм рт.ст.
757	Барометрическое давление, мм рт.ст.
25	Объем катализатора, см3
31,5	Масса колбы со спиртом, г
18,8	Масса пустой колбы, г
12,7	Масса спирта, г
93	Концентрация спирта, %
31,3	Масса бюкса с конденсатом, г
28,4	Масса пустого бюкса, г
2,9	Масса конденсата, г
0	Объем газа в газометре до экспери­мента, л
9,25	Объем газа в газометре после эксперимента, л
9,25	Объем газообразных продуктов реак­ции, л
14 мин 30сек	Продолжительность эксперимента, мин

Цель работы- определение технологических критериев эффективности: степени превращения спирта, селективности, а также производительности (напряженности) катализатора при заданных условиях синтеза.

Теоретические основы

Одним из важнейших мономеров для производства син­тетического каучука - сырья для производства резины - яв­ляется бутадиен-1,3 (дивинил) СН₂=СН-СН=СН₂. При обычных условиях он представляет собой газ с температу­рой конденсации - 4,5 °С.

В основе процесса получения бутадиена из н-бутана ле­жит двухступенчатое химическое превращение (реакции дегидрирования) н-бутана:

С₄Н₁₀↔С₄H₈+ Н₂- 126 кДж (3.36)

C₄H₈ ↔С₄H₆+ Н₂- 116 кДж. (3.37)

Химическая реакция (3.36) дегидрирования н-бутана в бутилен протекает в присутствии алюмохромового катали­затора при температуре 550-575 °С. Благодаря высокой ме­ханической прочности алюмохромового катализатора для осуществления реакции (3.36) используют реакторы с взвешенным слоем катализатора. Реакцию дегидрирования н-бутилена (3.37) проводят в адиабатических реакторах с неподвижным слоем хром-кальций-никельфосфатного ка­тализатора при температуре 600-650 °С в присутствии пе­регретого водяного пара (инертного компонента в газовой среде), способствующего увеличению равновесной степени превращения бутилена.

В промышленном масштабе синтетический каучук был получен в 1932 г. из бутадиена, синтезированного из эти­лового спирта по технологии, разработанной С.В.Лебедевым.

Процесс синтеза бутадиена из этилового спирта осуще­ствляют путем его дегидрирования и дегидратации в ретортных контактных печах в присутствии бифункциональ­ного катализатора, в состав которого входят ΖnΟ и Аl₂О₃. Оксид цинка является дегидрирующим, а оксид алюминия - дегидратирующим компонентом катализатора. Темпера­тура синтеза 380-400 °С. Синтез бутадиена может быть описан реакцией

2С₂Н₅OН = С₄Н₆+ 2Н₂0 + Н₂- 80 кДж

(2A → R + 2D + M) (3.38)

Наряду с этой целевой эндотермической реакцией про­текает множество других, продуктами которых являются предельные и непредельные углеводороды, спирты, кисло­ты, эфиры, кетоны, альдегиды, СО, СО₂,H₂и др. Кокс, образующийся в процессе побочных реакций, откладыва­ется на поверхности катализатора, снижая его активность. Поэтому необходимо периодически регенерировать ката­лизатор путем его продувки горячим воздухом.

Из большого числа побочных реакций отметим реакции дегидратации этилового спирта, приводящие к образова­нию этилена и пропилена:

С₂Н₅OН → С₂Н₄+ Н₂O - 45 кДж

(A → S + D) (3.39)

3С₂Н₅OН → 2С₃Н₆+ 3Н₂O - 21 кДж

(3A → 2P + 3D) (3.40)

При пропускании паров этилового спирта через слой ка­тализатора идет превращение спирта в продукты реакции. Однако часть его, не прореагировав, выходит из реактора.

Степень превращения спирта определяется отношением количества прореагировавшего спирта к исходному коли­честву спирта

(3.41)

где m_A,0; m_A,H- масса исходного и непрореагировавшего спирта соответственно; Δm_A -масса прореагировавшего спирта.

Согласно приведенному химизму процесса, протекаю­щего в реакторе, прореагировавший этиловый спирт Δm_A расходуется как на образование бутадиена (компонент R), так и побочных продуктов (компонентовS, Р, D).Эффек­тивность процесса синтеза можно характеризовать селек­тивностью φ,которая определяется отношением количест­ва исходного спирта, расходуемого на целевую реакцию, к общему количеству прореагировавшего спирта(m_A,0 - m_A,H)

(3.42)

где m_R - количество образовавшегося бутадиена; ψ_AR-нормировочный коэффициент, учитывающий стехиомет­рию реакции (3.38), ψ_AR = 0,5.

Другим важным критерием, характеризующим работу реактора, является производительность или напряженность катализатора q,определяемая количеством бутадиена, по­лученного в единицу времени с единицы объемаv_k ката­лизатора:

(3.43)

где Δτ -время эксперимента, ч.

Скорость подачи сырья (спирта) w_Cв реактор определя­ется отношением количества спиртаm_A,0пропущенного через реактор в единицу времени через единицу объема катализатора:

(3.44)