Ф ЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО образования

«Самарский государственный

технический университет»

_________________________________________________________________________________

К а ф е д р а “Химическая технология и промышленная экология ”

КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА СТИРОЛА

Методические указания к лабораторному практикуму по курсу общей химической технологии

Самара 2006

Составители Б.Ю. Смирнов, Г.Я.Богомолова, С.П.Шкаруппа

УДК 66.01 (075.8)

Комплексные исследования химико-технологической системы производства стирола: Метод. указ. к лабораторному практикуму по курсу общей химической технологии / Самар. гос. техн. ун-т; Сост. Б.Ю. Смирнов, Г.Я.Богомолова, С.П.Шкаруппа – Самара, 2006. – 38с.

Рассматриваются основные этапы разработки химико-технологических систем на примере получения стирола. Студентам предлагается выполнить комплекс инженерных исследований, направленных на создание безотходного производства, начиная от физико-химических основ до синтеза технологической схемы.

Методические указания предназначены для студентов специальностей 280201, 240401, 240403, 240405 дневной и заочной форм обучения.

Табл.8 . Ил.4 Библиогр.: назв. 29

Печатается по решению редакционно-издательского совета СамГТУ

Целью комплексного лабораторного практикума по общей химической технологии и основам промышленной экологии является изучение и выполнение студентами основных этапов инженерной деятельности, направленной на создание химико-технологического производства на уровне проектных исследований.

Для изучения и разработки в качестве базового используется процесс каталитического дегидрирования этилбензола (ЭБ) с получением стирола (СТ). Однако предлагаемая структура практикума может быть рекомендована и для других химико-технологических систем (ХТС).

При разработке ХТС производства стирола четко выражаются все основные стадии создания новых химических производств – от изучения физико-химических основ процесса до синтеза технологической системы. Это позволит студентам глубже понять основные концепции и методологию разработки ХТС.

Таким образом, задача настоящего практикума – выполнить комплекс инженерных разработок, связанных с созданием ХТС получения стирола от выбора химической схемы процесса до синтеза безотходной по материальным и энергетическим потокам технологической схемы производства.

Всю предстоящую работу можно разделить на три части.

Первая часть – теоретическая. Она включает литературную проработку проблемы, выбор химической схемы получения стирола и термодинамический анализ выбранной реакции. Итогом является выбор параметров, рекомендуемых для проведения химического процесса.

1

Вторая часть работы – экспериментальная. Изучается процесс получения стирола на лабораторных установках с применением селективных катализаторов. Исследуется состав продуктов реакции, составляется материальный баланс и рассчитываются основные технологические характеристики процесса. Проводится сравнительный анализ экспериментальных и теоретически возможных показателей эффективности химического процесса.

Результатом обработки экспериментальных данных является кинетическое уравнение, необходимое в последующем для разработки промышленного реактора.

Третья часть – принятие проектных решений. В этой части работы студентами на базе данных, полученных в теоретических и экспериментальных исследованиях, синтезируется принципиальная схема безотходной технологии дегидрирования этилбензола. Обоснованно выбирается и рассчитывается промышленный реактор получения стирола.

Так, выполняя последовательно все стадии разработки, студенты приобретают навыки работы инженеров научно-исследовательских институтов, опытных заводов и проектных организаций.

1. Теоретическая часть

1.1. Литературная проработка. Предварительная

оценка химической схемы производства

Цель данного этапа – выбор сырья и химической схемы получения стирола, суммирование имеющихся данных по физико-химическим свойствам сырья и целевого продукта на основании анализа литературных данных [1-6].

Литературная проработка выполняется по контрольным вопросам раздела. Собранный материал оформляется персонально каждым студентом в виде реферата в рабочей тетради и докладывается на очередном семинаре. При составлении и оформлении реферата следует руководствоваться принятыми требованиями [7].

2

Контрольные вопросы к разделу 1.1.

1. Свойства стирола и область применения его.

2. Из каких видов сырья и по каким химическим схемам можно по-

лучить стирол?

3. Обосновать выбор процесса каталитического дегидрирования этилбензола в качестве основного промышленного способа получения стирола.

4. Физико-химические свойства этилбензола и источники первичного сырья для его производства.

1.2. Термодинамический анализ реакции

дегидрирования ЭБ

Целью термодинамических исследований является качественная и количественная оценка влияния температуры, давления и исходного состава реагентов на равновесие химических реакций, прогнозирование предельной эффективности процессов.

Качественную оценку можно выполнить на базе стехиометрического уравнения и знака теплового эффекта (правило Ле-Шателье). Такая оценка позволяет качественно определить направление смещения равновесия при изменении температуры, давления и концентраций. Количественную оценку выполняют расчетами, в основе которых лежат законы термодинамики.

Разработка каждого химико-технологического процесса определяется, в первую очередь, принципиальной возможностью его осуществления в тех или иных случаях, которые обусловлены знаком и величиной характеристической функции. Любую из этих функций в соответствующих условиях можно использовать в качестве критерия самопроизвольности и направленности процесса перехода систем из одного состояния в другое.

В практике химико-технологических исследований в качестве такого количественного критерия используется стандартное значение изобарно-изотермического потенциала. Это связано с тем, что химические процессы, в основном протекают при постоянных температуре и давлении, когда изоля-

3

ции системы не требуется. Именно температура и давление в момент равновесия становятся равными во всех фазах системы.

Для термодинамического анализа системы, составления уравнений теплового баланса и инженерных расчетов необходимо иметь данные по тепловому эффекту реакции. Методы расчета энтальпии и энергии Гиббса, известные студентам из курса физической химии, приведены в работах [8-11]. В данном разделе эти характеристики определяются по известным значениям термодинамических функций отдельных компонентов для заданных температур (приложения, табл. 1.2).

Количественная оценка равновесия химических процессов сводится к решению прямой термодинамической задачи. В качестве математического описания используется закон действия масс – уравнение константы равновесия реакции. В результате его решения определяется экстенсивная степень полноты реакции, равновесный состав продуктов и равновесная степень превращения сырья. Последовательность количественного термодинамического анализа единичной реакции приведена в табл. 1.1

Для расчета равновесия сложной химической схемы с учетом побочных превращений необходимо решить систему уравнений констант равновесия целевой и побочных реакций:

К_pi= (P_ji)^ji.

В этом случае равновесный состав для всех компонентов системы выражается уравнением:

N*_j = N_oj + X*_i,

где n – число реакций.

По заданию преподавателя студентами выполняются расчеты изобарно-изотермических потенциалов побочных реакций (деалкилирование, деструктивный гидрогенолиз этилбензола и др.), проводится сравнение их с изобарным потенциалом целевой реакции по графику зависимости от

4

Таблица 1.1.