Анализ выбора реактора синтеза фосгена

Физические и токсические свойства дихлорангидрида угольной кислоты (фосгена). Изучение влияния температуры на процесс в адиабатическом режиме идеального вытеснения и полного смешения. Сравнение изменений соотношения объемов реакторов в различных режимах.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

1. Задание

Исследовать влияние температуры на процесс в адиабатическом режиме идеального вытеснения и полного смешения. Сравнить изменения соотношения объемов реакторов в различных режимах.

Построить графики зависимости:

Xp = f(T) - где Хр - равновесная степень превращения

Х = f(T) - где Х - степень превращения фосгена в реакторе

U = f(h) - где h - высота реакционной зоны, м

U - скорость реакции

Х = f(S) - где S - время реакции,с

Х - текущая степень превращения

Vрив = f(T) - где Vрив - объем реактора идеального вытеснения

Vрпс = f(T) - где Vрпс - объем реактора полного смешения

Vрив\ Vрпс = f(T)

Хк=0.9Хр, производительность по фосгену 2000 т\г. Исходная смесь состоит из СО и СL2. Соотношение 1:1. Р=1-5, Т=600

2. Литературный обзор

Дихлорангидрид угольной кислоты (фосген) впервые был получен английским химиком Дж. Дэви в 1811 г. Выдерживанием на свету смеси окиси углерода с хлором. Метод получения и дал имя новому соединению - ФОСГЕН ("рожденный светом").

Фосген является достаточно реакционноспособным соединением. Он легко взаимодействует со спиртами, аммиаком и аминами. Это и обусловило широкое распространение фосгена в химической практике, включая производственные масштабы. В частности, на его основе осуществляется производство полиуретанов, многих пестицидов и других важных продуктов.

Свойства дихлорангидрида угольной кислоты (фосгена)

1.Физические свойства

Фосген представляет собой бесцветный газ, который ниже + 8.2?С конденсируется в бесцветную жидкость. Он имеет характерный ("не химический") запах прелого сена или гнилых фруктов. Мало растворим в холодной воде. Хорошо растворим в органических растворителях (бензоле, толуоле, уксусной кислоте, хлороформе и т. д.).

Ниже приведены основные физические свойства фосгена:

Температура кипения

при 137 мм. рт. ст. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - 30?С

при 760 мм. рт. ст. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . + 8.2?С

Температура плавления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - 118?С

Критическая температура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183(181.7) ?С

Критическое давление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56(55.3) ат

Максимальная концентрация при 20?С . . . . . . . . . . . . . . 6370 мг/л

Плотность при 0?С . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4203 г/см³

В таблице 1 приведена зависимость давления пара фосгена от температуры.

Таблица 1 Зависимость упругости паров фосгена от температуры

Температура, ?С	-10	-5	0	8.2	10	20	25
Давление, мм.рт.ст.	365	452	555	760	840	1173	1379

Давление паров фосгена (см. табл. 1) от -10 до +25?С описывается уравнением

lgp = 7.5045 - 1300.1/Т

где р - давление паров, мм.рт.ст., Т - температура, К.

2.Токсические свойства

Дихлорангидрид угольной кислоты (фосген) относится к отравляющим веществам удушающего действия. Отравление фосгеном происходит только при вдыхании его паров.

Запах фосгена ощущается, начиная с концентрации в воздухе 0.004 мг/л в течение 1-1,5 ч не приводит к отравлению, однако влияет на вкусовые ощущения. Например, проявляется отвращение к табачному дыму и запахам.

Признаки токсического отека легких проявляются после скрытого (латентного) периода, составляющего в среднем 4-6 ч. Продолжительность латентного периода зависит от дозы, состояния пораженного и физической нагрузки.

Пребывание в атмосфере, содержащей 0.01 мг/л фосгена, в течение 1 ч может вызвать легкое отравление. Концентрация 0.022 мг/л является смертельной уже через 30 мин экспозиции. Концентрации 0.5-0.6 мг/л при экспозиции 3-5 мин вызывают тяжелые отравления, а пребывание в атмосфере с концентрацией фосгена свыше 5 мг/л вызывает смертельный исход уже через 2-3 сек. Относительная токсичность при ингаляции LCф₅₀ составляет 3.2 мг мин/л. Фосген обладает кумулятивным свойством: в организме накапливаются поражения от нескольких несмертельных доз, которые в сумме могут привести к тяжелым отравлениям, вплоть до смертельных.

3. Получение

Из существующих способов получения фосгена наибольшее распространение, как в лаборатории, так и в промышленном масштабе, получил способ, заключающийся во взаимодействии хлора и окиси углерода в присутствии катализатора. Реакция образования фосгена в этом случае является обратимой и экзотермической:

дихлорангидрид фосген реактор адиабатический

СО + Сl₂ COCl₂ + 109.44 кДж (26.14 ккал)

Согласно принципу Ле-Шателье повышение температуры будет смещать обратимую экзотермическую реакцию в сторону меньшей конверсии исходных веществ. Это теоретическое положение подтверждено экспериментально найденной зависимостью содержания фосгена в реакционной смеси от температуры (табл. 2)

Таблица 2 Равновесное содержание фосгена при различных температурах

Температура, ?С	101	208	309	400	505	600	800
Содержание COCl2 , %	99.55	97.17	94.39	78.64	32.81	9.00	0.00

Зависимость константы равновесия К_р от температуры имеет вид:

lg К_р=5020/Т - 1.75 lgТ - 1.158

где Т - температура, град. К;

4. Установка синтеза фосгена в лабораторных условиях

Центральной частью установки получения фосгена является реактор, изображенный на рис.1. Он представляет собой кварцевую трубку с двумя отводами и карманом для термопары. На внешней поверхности трубки расположена нагревательная спираль, закрытая асбестовой изоляцией.

Реактор имеет следующие основные размеры:

-- внутренний диаметр D -13 мм;

-- наружный диаметр кармана термопары d - 8 мм;

-- высота слоя катализатора L - 110 мм.

Кроме реактора в установку синтеза фосгена (рис. 2) входят:



Рисунок 1. Реактор синтеза дихлорангидрида угольной кислоты Кроме того в установку синтеза фосгена (рис. 2) входят:

Рисунок 2. Установка синтеза дихлорангидрида угольной кислоты

- система подачи хлора, состоящая из хлорного баллона 1, предохранительной склянки 2 и реометра 3;

- система подачи окиси углерода, состоящая из газометра 4, склянки Алифанова с Н₂ SO₄ 5 и реометра 6;

- смеситель 7;

- реактор 8

- термопара 9 с милливольтметром 10;

- система конденсации фосгена, включающая в себя конденсатор 11, охлаждающую баню 12, термометр 13, контрольную склянку с Н₂ SO₄ 13;

- щелочная абсорбционная колонка 15 с капельной воронкой 16, приемником 17 и контрольной склянкой 18.

3. Теоретическая часть

Материальный баланс

Материальной баланс - вещественное выражение закона сохранения массы вещества, согласно которому по всякой замкнутой системе масса веществ, вступивших во взаимодействие, равна массе веществ образовавшихся в результате взаимодействии. Применительно к материальному балансу любого технологического процесса это означает, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию - приход, равна массе полученных веществ - расходу. Материальный баланс составляют по уравнению основной суммарной реакции с учетом параллельных и побочных реакций.

Материальный баланс непрерывно действующих проточных реакторов составляется, как правило, для установившегося (стационарного) режима при котором общая масса веществ, поступивших в аппарат за данный период времени, равна массе веществ вышедших из аппарата. Количество же всех веществ в аппарате постоянно, т. е. накопления или убыли суммарного количества веществ не про...