Термодинамический анализ основной реакции

Исходные данные

 

Уравнение реакции: С2Н5ОН + О2 СН3СООН + Н2О

Температурный интервал                  10 ÷ 60ºC (283 ÷ 333 К)

Шаг изменения температуры                                         10ºC

 

Таблица 5. Исходные данные

В-во	ni	, кДж/моль	, Дж/(моль*К)	А0	А1	А2	А3	А-2
СН3СООН	1	-431,8	282,4	-11,2	310,8	-244,7	78,4	0,42
Н2О	1	-241,8	188,7	30,2	6,7	6,5	-2,3	0,08
С2Н5ОН	1	-234,6	282,4	-20,9	327,1	-236,8	71,5	0,71
О2	1	0	205	20,5	26,7	-15,6	3,1	0,20

 

4.2. расчет термодинамических функций.

1) Расчет аналитической зависимости :

 

,  = 19,4

,  = -36,3

,  = 14,2

,  = 1,5

,  = - 0,41

2) Расчет аналитической зависимости :

 = - 439 (кДж/моль).

 ;

 = - 439077,993 (Дж/моль);

 = - 439026,14 (Дж/моль);

 = - 438973,79 (Дж/моль);

 = - 438921,22 (Дж/моль);

 = - 438868,69 (Дж/моль);

 = - 438816,4 (Дж/моль);

3) Расчет аналитической зависимости :

 = - 16,3

;

,

 = - 17,06 ;

 = - 16,54 ;

 = - 16,05 ;

 = - 15,59 ;

 = - 15,16 ;

 = - 14,77 ;

 

4) Расчет зависимости :

,  = - 434250,01 (Дж);

,  = - 434180 (Дж);

,  = - 434110,64 (Дж);

,  = - 434041,55 (Дж);

,  = - 433972,01 (Дж);

,  = - 433897,99 (Дж);

 

5) Расчет зависимости :

 < = > ,

= 184,56 KP (283) = 1,42*1080

= 178,24 KP (293) = 2,56*1077

= 172,33 KP (303) = 6,95*1074

= 166,79 KP (313) = 2,73*1072

= 161,60 KP (323) = 1,52*1070

= 156,72 KP (333) = 1,16*1068

 

6) Построение таблицы по результатам расчета:

 

Таблица 6. Результатам расчета

Т, К	, Дж/моль	, Дж/К	,Дж	lnKP	KP
283	- 439077,993	- 17,06	- 434250,01	184,56	1,42*1080
293	- 439026,14	- 16,54	- 434180	178,24	2,56*1077
303	- 438973,79	- 16,05	- 434110,64	172,33	6,95*1074
313	- 438921,22	- 15,59	- 434041,55	166,79	2,73*1072
323	- 438868,69	- 15,16	- 433972,01	161,60	1,52*1070
333	- 438816,4	- 14,77	- 433897,99	156,72	1,16*1068

7) Выводы сделанные на основании термодинамического расчета.

Реакция экзотермическая, так как значение энтальпии на всем отрезке температур отрицательно. Поэтому в соответствии с принципом Ле Шателье, повышение температуры сдвигает равновесие в сторону образования исходных веществ.

Так же, в соответствии с принципом Ле Шателье, изменение давления сдвигает равновесие реакции в сторону образования продуктов реакции.

Равновесие реакции можно сдвинуть, вправо применив избыток спирта (увеличив подачу кислорода), или же постоянно удалять один из продуктов реакции – воду или уксусную кислоту.

Так как тепловой эффект реакции значительный, то необходимо выбрать реактор с каким-либо охлаждением. Таким образом, можно выбрать реактор, используемый в последнем, рассмотренном, в литературном обзоре, методе получение уксусной кислоты - проточное культивирование. В данном методе используется реактор с внутренним теплообменном, т.е. реактор со встроенным змеевиковым теплообменником.

Так же нужно указать, что данный термодинамический расчет выполнен для реакции описывающей приблизительно процесс синтеза уксусной кислоты, так как сам микробиологический процесс на много сложнее и его описание представляет довольно большие трудности, связанные с большим количеством стадий проходящих биологических процессов. Отсюда можно сказать, что данный расчет не имеет особого практического интереса для данной работы.

Материальный баланс стадии синтеза

Исходные данные

 

Основная реакция:

 

СН3CH2ОН + О2 → СН3СООН + Н2О

(А) (В) (С) (Д)

 

Таблица 7. – Исходные данные

Производительность реактора, G	16,620 т/год
Число дней в году, n	330
Технологический выход продукта, f	90%
Молярные соотношения исх. реагентов, A : B	1:2,58
Степень превращения, хА	83%
Селективность реакций, Ф	85%
Mr (СН3CH2ОН)	46 г/моль
Mr (О2)	32 г/моль
Mr (СН3СООН)	60 г/моль
Mr (Н2О)	18 г/моль

 

5.2. Расчет.

1) Практическая производительность реактора:

 

,

= 0,035 (кмоль/ч).

 

2) Состав исходной смеси: этанол и кислород.

Количество подаваемого этанола:

, = 0,035 (кмоль/ч).

 

- с учетом технологического выхода:

 

= 0,0389 (кмоль/ч).

 

- с учетом селективности:

 

= 0,0458 (кмоль/ч).

 

- с учетом степени превращения:

 

= 0,05518 (кмоль/ч) = 2,538 (кг/ч).

 

Количество непрореагировавшего этанола:

 

, = 0,0098 (кмоль/ч) = 0,5315 (кг/ч).

 

Количество подаваемого кислорода:

 

, = 0,1416 (кмоль/ч) = 4,531 (кг/ч).

 

Количество кислорода пошедшего на реакцию:

 

, = 0,0389 (кмоль/ч).

Количество кислорода непрореагировавшего:

 

, = 0,109 (кмоль/ч) = 3,386 (кг/ч).

 

3) Конечная смесь имеет состав: этанол, кислород, уксусная кислота, вода.

Количество этанола и кислорода считать здесь не имеет смысла, так как они были посчитаны, как непрореагировавшие, выше.

Количество образовавшейся уксусной кислоты:

 

= 0,0389 (кмоль/ч).

 

Количество образовавшейся воды:

 

, = 0,0389 (кмоль/ч) = 0,7 (кг/ч).

 

Таблица 8. - Результаты расчета материального баланса.

Приход
Вещество	Gm		Gn		Gv
	кг	%	кмоль/ч	%	м3/ч	%
С2Н5ОН	2,538	35,9	0,0552	28,05	1,236	27,9
О2	4,531	64,1	0,1416	71,95	3,172	72,09
Итого:	7,069	100	0,1968	100	4,40	100
Расход
Вещество	Gm		Gn		Gv
	кг	%	кмоль/ч	%	м3/ч	%
С2Н5ОН	0,5315	7,54	0,0098	4,98	0,2195	4,99
О2	3,386	48,02	0,109	55,44	2,442	55,54
СН3СООН	2,434	34,52	0,0389	19,79	0,8714	19,80
Н2О	0,7	9,92	0,0389	19,79	0,8714	19,80
Итого:	7,052	100	0,1966	100	4,40	100

 

5) Выводы расчетов материального баланса.

· практическая производительность реактора – 0,0389 кмоль/ч;

· технологические потери продукта – 0,0039 кмоль/ч;

· материальные потоки исходных веществ и продуктов реакции сведены в табл. 8.

· В данной работе материальный баланс не имеет никакого практического интереса по причине, того, что расчет произведен для основной реакции микробиологического синтеза уксусной кислоты, которая имеет очень сложный вид, связанный с прохождением биологических процессов.