Баланс по диизопропилбензолу

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:

 

dC_b/dt = - K₁*C_b*C_pr

 

Баланс по изопрпилбензолу

 

dC_ipb/dt = K₁*C_bC_pr – K₂C_b*C_pr

 

Баланс по диизопропилбензолу

 

dC_dipb/dt = K₂C_ipb*C_pr

 

где C_b, C_ipb, C_dipb – концентрации соответственно бензола, изопропилбензола и диизопропилбензола, моль/л; К₁ и К₂ – константы скоростей соответствующих реакций, мин^-1.

Концентрация пропилена С_pr 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

k_отн.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 K₂C_pr суть величины постоянные и представляют собой эффективные константы скоростей реакций. Кинетическая схема тогда будет иметь вид:

K_1эф K_2эф

С₆Н₆ i-С₃Н₇С₆Н₅ i-СН₃Н₇)₂С₆Н₄

 

Дифференциальные уравнения тогда принимают вид:

dC_b/dt = - K_1эф*C_b

dC_ipb/dt = K_1эф*C_b – K_2эфC_b

dC_dipb/dt = K_2эфC_ipb

или в аналитическом виде:

 

С_b = - C_bo exp(-k_1эф t)

С_ipb = k₁/(k₂ – k₁) C_bo (exp(-k_1эф t) - exp(-k_2эф t)

C_dipb =C_b{1- 1/(k_2эф – k_1эф) (k_2эфexp(-k_1эф t) - k_1эфexp(-k_2эф 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 С_b 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 V_m=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:

V_m=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.