Алкилирование бензола пропиленом
в лабораторных условиях.
Алкилирование бензола пропиленом в лабораторных условиях проводится обычно в реакторе с перемешивающим устройством (мешалкой), при этом гидродинамическая обстановка в реакторе, обусловленная работой перемешивающего устройства, играет решающую роль. Количество катализатора составляет обычно несколько процентов от массы реагентов; каталитический комплекс имеет тенденцию к расслаиванию. При слабо работающей мешалке, и следовательно, плохом перемешивании реакция протекает в диффузионном режиме, и результаты алкилирования зависят от степени перемешивания реакционной массы, так как самой медленной стадией реакции становится транспорт реагентов к каталитическому комплексу.
Если условия перемешивания не влияют на результаты алкилирования, то это означает, что диффузионных ограничений нет, и реакция протекает в кинетической области. В это случае кинетическую схему реакции можно записать в форме:
K1 K2
С6Н6 + С3Н6 i-С3Н7С6Н5 i-СН3Н7)2С6Н4
Для этой схемы можно записать следующие дифференциальные уравнения:
Баланс по бензолу:
dCb/dt = - K1*Cb*Cpr
Баланс по изопрпилбензолу
dCipb/dt = K1*CbCpr – K2Cb*Cpr
Баланс по диизопропилбензолу
dCdipb/dt = K2Cipb*Cpr
где Cb, Cipb, Cdipb – концентрации соответственно бензола, изопропилбензола и диизопропилбензола, моль/л; К1 и К2 – константы скоростей соответствующих реакций, мин-1.
Концентрация пропилена Сpr принимается постоянной, так как концентрация пропилена зависит от растворимости пропилена в реакционной массе, а убыль ее компенсируется непрерывной его подачей в реакционную зону. В лабораторных условиях мы не можем контролировать концентрацию пропилена в реакционной массе, и ее концентрация нам неизвестна. По косвенным данным весьма приблизительно ее можно оценить величиной в 5 - 10% от подаваемого в реактор пропилена.
При кинетическом режиме процесса, поскольку вторая стадия алкилирования по данным некоторых авторов протекает быстрее первой, при К2/К1 = 1,2 – 2,0 максимальное содержанию моноалкилбензола в смеси составляет только 25 –30 мол.%. Существует и другое мнение, согласно которому вторая стадия алкилирования протекает медленнее первой. Найдено, например, что соотношение констант при алкилировании бензола пропиленом в присутствии хлорида алюминия при температуре 70 оС равны:
стадия 1 2 3 4
kотн.i 1 0,85 0,28 0,02
Здесь константа скорости реакции образования изопропилбензола принята за единицу, k2 – относительная константа скорости образования диизопропилбензола, k3 – то же для образования триизопропилбензола и k4 – для образования тетраалкилбензола.
При анализе результатов экспериментов и расчетах энергии активации следует обратить внимание на то, что при указанном соотношении констант скоростей ошибки в определении энергии активации могут достигать 30% и более со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Второй вариант создания кинетической схемы возможен в рамках неформальной кинетики.
При этом самое большое внимание следует обратить на то обстоятельство, что концентрацию пропилена в реакционной массе мы приняли постоянной. В таком случае произведение K1Cpr и K2Cpr суть величины постоянные и представляют собой эффективные константы скоростей реакций. Кинетическая схема тогда будет иметь вид:
K1эф K2эф
С6Н6 i-С3Н7С6Н5 i-СН3Н7)2С6Н4
Дифференциальные уравнения тогда принимают вид:
dCb/dt = - K1эф*Cb
dCipb/dt = K1эф*Cb – K2эфCb
dCdipb/dt = K2эфCipb
или в аналитическом виде:
Сb = - Cbo exp(-k1эф t)
Сipb = k1/(k2 – k1) Cbo (exp(-k1эф t) - exp(-k2эф t)
Cdipb =Cb{1- 1/(k2эф – k1эф) (k2эфexp(-k1эф t) - k1эфexp(-k2эф t)
Компьютерное моделирование реакции
алкилирования бензола пропиленом.
(программный продукт Ipb_v_2)
Компьютерный эксперимент включает:
1.Подготовку исходных данных, что равносильно расчету состава реакционной массы до начала эксперимента (расчет Сb в моль/л при t =0). Для расчета мольно –объемной концентрации бензола необходимо знать плотность бензола или мольный объем бензола. Плотность бензола берется из справочников. Мольный объем бензола рассчитывается по соотношению Vm=M/r, где М- молекулярная масса, а r - плотность бензола. Если М выражено в г/моль, а r в г/см3 , то мольный объем имеет размерность см3/моль или, умножив на 1000 получим 1000 см3/моль, эквивалентное л/моль. Таким образом эта величина указывает какой объем занимает один моль бензола. Обратная ей величина суть мольно-объемная концентрация бензола, т.е. число молей бензола в одном литре (в нашем случае - реакционного пространства).
Мольный объем алкилбензола может быть рассчитан также по уравнению:
Vm=88,9 + 2,696(К-30) см3/моль
где К – сумма чисел внешних электронов в алкилбензоле. Принимается, что углерод имеет 4 внешних электрона, а водород 1).
2.Выбор параметров, подлежащих изучению в соответствии с заданием преподавателя, а именно:
- температуры,
- времени реакции,
- интервала времени отбора проб на анализ.
Таблица
| № вар. | Температура, о С | Время контакта, сек | Интервал отбора Проб, сек |
3.Обработка результатов экспериментов.
Результаты проведенных экспериментов находятся в файле REZIPB в
среде Excel.
По данным таблицы экспериментов составляется материальный баланс процесса, при этом учитывается только тот пропилен, который вступил в реакцию.
Рассчитывается конверсия бензола, выход изопропилбензола и селективность процесса по ИПБ. Строятся кривые выхода ИПБ и других продуктов реакции в зависимости от изучаемого параметра процесса.
