20. Производство стирола каталитическим дегидрированием этилбензола

C₆H₅CH₂-СН₃↔C₆H₅CH=СН₂ + Н₂ ( ∆ Н >0 )

осложнено побочными реакциями гидрогенолиза :

C₆H₅CH₂CH₃ + Н₂↔ C₆H₆ + C₂H₆

С₆Н₅СН₂СН₃ + Н₂ ↔ С₆Н₅СН₃ + СН₄ и т.п.

Процесс проводят при температуре 600-630⁰С и пониженном давлении. Из каких соображений применяют пониженное давление?

Обосновать ответ.

Ответ: Ле Шателье: Если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, воздействовать извне, изменяя какое-нибудь из условий, определяющих положение равновесия, то в системе усилится то направление процесса, течение которого ослабляет влияние произведенного воздействия, и положение равновесия сместится в том же направлении.

Введение инертного компонента, проведение процесса под вакуумом. В качестве инерта используется водяной пар (дешевый, подавляет побочные реакции, легко отделяется). Реакция эндотермическая, протекает с увеличением числа молей, следовательно, надо уменьшить давление. Эндотермическая реакция является теплоносителем, для поддержания температуры применяется отдувка инертных примесей (С остается постоянной).

21. Как повлияет повышение температуры процесса на равновесный выход продуктов реакции в первом и втором случае: аА + вВ ↔ rR + sS

1) Н <0, S < 0; 2) Н > 0, S < 0?

Обосновать ответ.

Ответ: Ле Шателье: Если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, воздействовать извне, изменяя какое-нибудь из условий, определяющих положение равновесия, то в системе усилится то направление процесса, течение которого ослабляет влияние произведенного воздействия, и положение равновесия сместится в том же направлении. Равновесный выход – отношение количества продукта, полученного в состоянии равновесия в условиях процесса, к стехиометрическому количеству этого продукта. Это функция от Т, Р, С реагента.

=N_R^*/N_{R стех}

1) Реакция экзотермическая, поэтому при увеличении температуры уменьшиться равновесный выход продуктов реакции.

2) Реакция эндотермическая, поэтому при увеличении температуры увеличиться равновесный выход продуктов реакции.

G=H-TS G=-RTlnkP

22. Для чего используют катализатор в просессе конверсии метана водяным паром: СН₄ + Н₂О ↔ СО + 3 Н₂ (DН>0) , сопровождающейся разложением метана на углерод и водород?

Обосновать ответ.

Ответ: Получение водорода конверсией метана водяным паром описывается уравнениями:

1) СН₄ + 2Н₂О = СО₂ + 4Н₂ - 165кДж/моль

2) СН₄ + Н₂О ↔ СО + 3Н₂ - 206кДж/моль

3) СО + Н₂О ↔ СО₂ + Н₂ + 41кДж/моль

4) СН₄ + СО₂ = 2СО + 2Н₂ - 248кДж/моль

5) СН₄ + 0,5О₂ = СО + 2Н₂ + 35кДж/моль

Реакция 1) до конца не протекает и проходит через 2) и 3) стадии. Стадия 2) сложная, обратимая, эндотермическая, протекающая с увеличением числа молей. Стадия 3) сложная, обратимая, экзотермическая. Если проводить процесс при высокой температуре как требует процесс 2), то останется много неконвертированного СО по реакции 3). Если вести процесс при температурах реакции 3), то останется много неконвектированного метана. Поэтому процесс ведут в 2 стадии: 1 – конверсия метана и 2 – конверсия СО.

В 1 стадии (реакция 2) надо сместить равновесие, увеличить скорость реакции, подавить побочные реакции. Данная реакция характеризуется высокой энергией активации. Для ускорения реакции требуется температура ~ 1300ºС, а в этих условиях происходит разложение метана, так как энергия активации реакции разложения метана меньше энергии активации прямой реакции. Для понижения энергии активации вводим катализатор, с введением катализатора появляется возможность ввести процесс при более низкой температуре. В данном процессе применяется никелевый катализатор (катализирует окисление) на носителе из оксида алюминия в альфа форме (высокопористый),интервал рабочих температур катализатора 800-900ºС. Процесс протекает в диффузионной области на поверхности катализатора. Лимитирует процесс подвод тепла.