Obinera etenei din n-butan

Obinera etenei din n-butan

CAP. I Introducere

I.1. Locul i importana tehnologic a reaciei studiate

n-butanul, se transform n eten la 600-800C.

Aceasta reacie are o mare importan pentru industria chimic organic deoarece aceasta se poate utiliza pentru fabricarea polietilenei, alcoolului etilic, acetaldehidei, etilenoxidului (din care se obin etilenglicol, dietilenglicol, polietilenglicol, solveni eterici i esterici), a cloretanului, propenei, metilciclopentane, 1-metil-1-etilciclopentan i vinilciclohexan. Etena mai este folosit i la alchilarea nucleului aromatic pentru obinerea stirenului.

La temperaturi mai ridicate, apar produi de piroliz, n care produii principali sunt hidrocarburile aromatice mononucleare (benzen, xileni, stiren) sau cu nuclee condensate (naftalin, fenantren, antracen).

I.2. Sursa de materii primeCea mai important surs de materii prime pentru obinerea etenei este gazul natural, care este compus n cea mai mare parte din metan, la care se adaug de cele mai multe ori cantiti mari de hidrocarburi precum etan, propan, dar si arene care au n structur dubla legtur precum etena.

I.3. Reeaua reaciei de ntrebuinare a produselor finite:

Antigel

Alcool etilicPolietilen

Cauciuc sinteticMateriale plasticeEten

CombustibiliExplozivi

Narcotice

I.4. Tabel cu proprietile fizico-chimice ale materiilor prime i ale produselor finite

SubstanFormula ChimicMas molecularPunct de topirePunct de fierbereStare agregareSolubilitate

n-butanC4H1058,12 g/mol-138,3 0C-0,5 0CgazSlab n ap

etanC2H630 g/mol-183,2 0C-88 0CgazSolubil n alcooli

etenC2H428 g/mol-169,2 0C-103,7 0CgazSolubil in solvent organici

acetilenC2H226,04g/mol80,8 C

84 C

gazSolubil n apa

CAP. II Descrierea chimic

2.1. Reacia obiectiv

2.2.Descrierea chimic detaliat2.2.1. Reacii primare Reacii primitive

Reacii homomoleculare

2.2.2. Reacii secundare Reacii primitive

Reacii heteromoleculare

Reacii homomoleculare

2.2.3. Reacii teriare Reacii primare

Reacii heteromoleculare

CAP. III Studiul fizico-chimic

III.1. Tabel cu date termodinamice

Substana

Cp0,298

ab 103c106d109

n-butan-124,7310,00,469385,38-198,8839,9797,78

Eten52,28219,44,196154,59-81,0916,8243,63

Etan-84,67229,54,494182,26-74,8610,852,70

Acetilen226,75200,823,4685,77-58,3415,8743,93

H20130,627,283,260,50228,83

III.2.Variaia entalpiei n funcie de temperatur reacie principal

H0298 = 2H0f, C2H4 + H0f,H2 - H0f,C4H10 = 252,28 + 0 (-124,7)=229,26 kj/mol

La temperatura T, entalpia de reacie se calculeaz cu formula:

Pentru substanele organice capacitatea caloric molar are expresia de tipul:

Pentru substanele anorganice capacitatea caloric molar are expresia de tipul:

a = 24,196 + 27,28 - 0,469 = 35,203b = 2154,59 + 3,26 - 385,38= -72,94c = 2(-81,09) + 0,502 (-198,88)= 37,202d = 216,82 + 28,83 - 39,97 = 22,5Cp = 35.203 -72.94*10-3 *T + 37.20210-6 *T2 + 22.5*10-9 *T3

Fig. 1: Variaia entalpiei HT n funcie de temperatur pentru reacia principal

Se observ c odat cu creterea temperaturii scade entalpia.

III.2.Variaia entalpiei n funcie de temperatur reacie deranjant

H0298 = H0f, C2H6 + H0f,H2 + H0f,C2H2 - H0f,C4H10 = -84,67 + 0+ 226,75 (-124,7)= 266.78 kj/mol

a = 23,46+ 4,494+27,28 0,469 = 54.765b = 85,77+ 182,26+ 3,26 385,38= -114.09c = (-58,34) + (-74,86)+ 0,502 (-198,88)= 66.182d = 15,87+ 10,8+ 28,83 39,97 = 15.53Cp = 54.765 -114.09*10-3 *T + 66.18210-6 *T2 + 15.53*10-9 *T3

Fig. 2: Variaia entalpiei HT n funcie de temperatur pentru reacia deranjant

Se observ ca i n cazul variaiei entalpiei pentru reacia principal, c odat cu creterea temperaturii entalpia scade.

III.3.Variaia entropiei n funcie de temperatur pentru reacia principal

= 2219,4 + 130,6 - 310,0 =259,4 J/mol*K

La temperatura T entropia se calculeaz cu relaia:

Fig. 3: Variaia entropiei ST n funcie de temperatur pentru reacia principal

Din grafic putem observa c odat cu creterea temperaturii scade entropia.

III.3.Variaia entropiei n funcie de temperatur pentru reacia deranjant

= 200,8+ 229,5+130,6 - 310,0 = 250.9 J/mol*K

La temperatura T entropia se calculeaz cu relaia:

Fig. 4: Variaia entropiei ST n funcie de temperatur pentru reacia deranjant

Dup cum ne ateptam, dac urmrim graficul pentru variaia entropiei n funcie de temperatur pentru reacia deranjant, observm acelai lucru c odat cu creterea temperaturii entropia scade.III.4. Variaia entalpiei libere a reaciei n funcie de temperatur pentru reacia obiectivRelaia de calcul pentru entalpia liber de reacie este:

III.4. Variaia entalpiei libere a reaciei n funcie de temperatur pentru reacia deranjant

Relaia de calcul pentru entalpia liber de reacie este:

III.5. Variaia constantei de echilibru cu temperatura i conversia pentru reacia obiectiv

Relaia care leag entalpia de reacie de constanta de echilibru este:

Cu ajutorul acesteia calculm constanta de echilibru la diferite temperaturi i reprezentm grafic ln(KT). Aceast variaie este dat de graficul:

Fig. 7: Variaia ln(KT) cu temperatura

Initial 1 La echilibru 1- x 2x x

n = 2+1-1= 2ne = 1-x + 2x+ x= 2x+1

Kn=

Kx=

P1=1 P2= 0,5 P3=0,2

Reprezentarea grafic a ln K(x) n funcie de conversie la cele trei presiuni este:

Fig. 8: Variaia lnK(x) n funcie de conversie

Reprezentarea grafic a K(x) n funcie de conversie la cele trei presiuni este:

Fig. 9: Variaia K(x) n funcie de conversie

Fig. 10: Variaia conversiei (x) n funcie de temperatur (T)III.5. Variaia constantei de echilibru cu temperatura i conversia pentru reacia deranjant

Variaia constantei de echilibru cu temperatura i conversia

Relaia care leag entalpia de reacie de constanta de echilibru este:

Initial 1 La echilibru 1- x x x x

Reprezentarea grafic a K(x) n funcie de conversie la cele trei presiuni este:

Fig. 11: Variaia K(x) n funcie de conversie

Reprezentarea grafic a ln K(x) n funcie de conversie la cele trei presiuni este:

Fig. 12: Variaia lnK(x) n funcie de conversie

Fig. 13: Variaia conversiei (x) n funcie de temperatur (T)

Concluzii:

Reacia este puternic endoterm i crete cu creterea temperaturii, de la 228 K pana la 876 K, reacia are pozitiv, deci nu este posibil n acest sens. Peste temperatura de 876 K reacia are negativ, putnd decurge n acest sens.

Analiznd n cazul reaciei obiectiv i n cazul reaciei deranjante se constat urmtoarele:

Reacia obiectiv are loc de la o temperatur de 876 K, pe cnd reacia deranjant este posibil peste 1000 K, pentru a scpa de interacia cu reacia deranjant vom alege ca parametrii de lucru o temperatur cuprins ntre 876-1000K. (In acest mod reacia deranjanta nu mai intervine). Vom alege presiunea de 1 atm.CAP. IV Schema bloc

Reactorn-butan

HidrogenSeparatornclzire

Eten

Tipul de operare este continuu. Am considerat c reacia decurge cu un randament de aproximativ 1,ntreaga cantitate de butan se transform n eten i hidrogen. Prin urmare, instalaia nu necesit bucle de recirculare a reactanilor. Componenii obinui i putem separa pe baza diferenei punctelor de fierbere. La temperatura de reacie ambii compui obinui sunt n stare gazoas, astfel separarea se poate face pe baza punctelor de fierbere ale celor doi produi de reacie.

CAP. V Bilanul de materiale

Trebuie s obinem 31000 cm3 eten/or31000/22,4= 1383,9285 kmol/h

Substane intrateSubstane ieite

SubstanM (kg/kmol) (kmol/h)m (kg/h) (kmol/h)m (kg/h)

n-butan58691,96440133,9265

Eten 281383,928538749,998

Hidrogen2691,9641383,9285

Total40133,926540133,926

Din bilanul de materiale observm c reacia are loc fr pierdere de materiale, astfel c masa de reactant introdus se regsete n masa produilor de reacie.

DIAGRAMA SANKEY pentru bilanul de materiale

CAP VI. Bilanul termic

Bilanul termic al reaciei, este considerat bilanul termic al reaciei obiectiv.

Considerm cldura acumulat a procesului ca fiind egal cu 0.Astfel:

Calculm cldurile corespunztoare fiecrei substan cu ajutorul relaiei:

Astfel pentru fiecare substan avem urmtoarele valori( se consider ca temperatura n condiii normale ca fiind egala cu 298K i temperatura de lucru egal cu 900K):

La temperatura de lucru 900K, H= 2,36 * 105 j= 236 kj

Toate calculele fcute mai sus sunt trecute n urmtorul tabel:

IntrriIeiri

kj/hkj/h

QA8,970* 107-

QB-7,490*107

QC-1,22*107

Qreacie0.0326*107-

Qtransfer-0,2926*107

Total9,0026*1079,0026*107

DIAGRAMA SANKEY pentru bilanul termic

CAP VII. Concluzii

Cracarea n-butanului are loc cu o conversie ridicat de aproximativ 1, la temperaturi ridicate, de aceea temperatura de lucru este de 900 K i presiunea de 1 atmosfer. Cantitatea de 31 000 m3/h este rentabil din punct de vedere economic, doarece se poate obine un procent de aproximaitv 96,55%, fiind justificabil investiia economic ntr-o fabric de producere a etenei din n-butan.

CAP VIII. Bibliografie

[1] Mircea Iovu, Chimie organica, Monitorul oficial, Bucuresti, 2005[2] Balaban A., Banciu M., Pogany I., Aplicatii ale metodelor fizice in chimia organica, Editura stiintifica si enciclipedica, Bucuresti, 1983[3] Margareta Avram, Chimie organic, Volumul I, Ediia a II-a, Editura Zecasin, Bucureti,1994;[4] Costin Neniescu, Chimie organic, Volumul I, Ediia a VI-a, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1966;[5] Gabriela Preda, Remus Nuiu, Rodica Iagher, Chimie organic, Volumul I, Editura Mirton, Timioara, 2003; [6] Balaban A., Banciu M., Pogany I., Aplicatii ale metodelor fizice in chimia organica, Editura stiintifica si enciclipedica, Bucuresti, 1983[7] Yurkanis B., Organic Chemistry, Pretince, Berlin, 2002