Порядок проведения лабораторной работы

2.1 Особенности работы и лабораторной установки

Как уже отмечалось выше, алкилирование ароматических соединений олефинами с использованием каталитического комплекса хлористого алюминия протекает достаточно быстро в мягких условиях. В данной работе в качестве катализатора используется твердый А1С1₃. Это связано с трудностями получения и использования безводного НС1 для образования жидкого каталитического комплекса. Использование же разбавленной НС1 ведет к частичному дезактивированию А1С1₃ водой.

В данном случае реакция алкилирования толуола пропиленом имеет ряд особенностей. Реакция протекает в трехфазной системе газ-жидкость-твердый катализатор.

Так как непосредственное превращение происходит только на поверхности катализатора, то газ, прежде чем прореагировать, должен раствориться в жидкости. Поэтому активной концентрацией газа является его концентрация в растворе. При достаточно интенсивном перемешивании и барботаже газа через реакционный объем можно считать, что концентрация газа в ходе всего опыта не меняется. Следовательно, изменение скорости реакции в ходе опыта определяется изменением концентрации жидких веществ. Для упрощения кинетического анализа реакции алкилирования допустим, что эта реакция двухстадийная и обе ее стадии необратимы. При этих допущениях реакцию можно описать следующей схемой:

где А-толуол; В-изопропилтолуол; С-полиалкилтолуол; k₁ и k₂ константы скоростей 1 и 2-й стадий реакции, мин^-1.

Как показано выше, скорость каждой стадии в ходе опыта меняется только в зависимости от изменения концентрации жидких продуктов. Поэтому можно принять, что скорости первой и второй

стадий реакции пропорциональны концентрации толуола С_А и изопропилтолуола Св:

r₁=k₁·C_A, (1)

r₂=k₂·C_B. (2)

Для определения k₁ и k₂ воспользуемся уравнениями

(3)

(4)

где t_1/2 - время полупревращения толуола;

t_MAX - время максимального выхода изопропилтолуола.

Таким образом, если экспериментально найдены t_1/2 и t_MAX то, используя приведенные соотношения, можно определить константы скорости первой и второй стадий реакции.

Зависимость константы скорости от температуры описывается уравнением Аррениуса

(5)

где k₀ - предэкспоненциальный множитель;

Е - энергия активации, кДж/моль;

Т - температура реакции, К;

R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К).

Прологарифмируем уравнение Аррениуса, получим

(6)

Если известны константы скорости реакции при двух или более значениях температуры процесса, энергию активации реакции алкилирования толуола пропиленом можно рассчитать по формуле

(7)

Для этого проводят опыт при другой температуре (по заданию преподавателя), но при тех же остальных условиях. Экспериментальные данные обрабатывают как указано выше, определяют k₁ и k₂ затем рассчитывают энергию активации.

Цель работы: построение кинетических кривых изменения состава алкилата в зависимости от продолжительности реакции, определение констант скоростей первой и второй стадий реакции, составление материального баланса опыта и определение конверсии пропилена, толуола, выхода целевого продукта, селективности процесса.

Реакцию алкилирования толуола пропиленом проводят на лабораторной установке, схема которой приведена на рисунке 1. В качестве сырья в данной работе используется не газообразный пропилен, а изопропиловый спирт, который подвергается дегидратации с получением пропилена и воды:

СН₃ – СН - СН₃ ↔ СН₃ - СН = СН₂ + Н₂О

׀

ОН

Поэтому лабораторная установка состоит из двух секций: секции разложения спирта и секции алкилирования толуола. В таблице 3 приведен режим разложения изопролилового спирта.Изопропиловый спирт из сырьевой бюретки 1 подается в реактор разложения спирта 2. В реакторе спирт разлагается на соответствующий олефин и воду. Продукты разложения спирта проходят обратный холодильник 3, где конденсируется вода и не разложившийся спирт, которые собираются в приемнике 4. Пропилен, через счетчик пузырьков 5, осушитель с СаСl₂ 6 и газометр 7 поступает в реактор алкилирования 8. Непрореагировавший пропилен через обратный холодильник 9 поступает в газометр 10 и выводится в атмосферу. Температура в реакторе разложения спирта поддерживается ЛАТРом и контролируется термопарой подсоединенной к потенциометру. Температура в реакторе алкилирования поддерживается с помощью водяной бани и контролируется ртутным термометром.

Работу необходимо выполнять в следующей последовательности:

1) Ознакомиться со схемой лабораторной установки и методикой проведения лабораторной работы. Собрать установку, как показано на рисунке 1, и проверить надежность всех соединений.

2)В реактор алкилирования загрузить толуол (90г) и AlCl₃ (9г) включить мешалку и подать воду в холодильники. Установить
температуру в водяной бане 25... °60 С (по заданию преподавателя).

3)Загрузить изопропиловый спирт в сырьевую бюретку в
количестве 45 мл. Включить электрообогрев реактора разложения
спирта и постепенно поднимать температуру в нем до 350°С. Не
допускать перегрева реактора, т. к. это может привести к быстрому
закоксовыванию катализатора и потере его активности.

4)После вывода реакторов не заданный температурный режим
медленно открыть кран капельной воронки и установить необходимый
расход спирта.

5)Начать отсчет времени и через каждые 15 минут в режимном
листе записывать расход спирта, температуру в реакторах, расход газа
в обоих газометрах. Режимный лист следует вести по форме,
приведенной в таблице 2.

Таблица 2 - Режимный лист

6) Через каждые 30 минут после начала опыта из реактора пипеткой отбирают пробу 20-25 мл. К отобранной пробе для прекращения реакции добавляют 20 мл воды, а затем 20 мл 10%-ного раствора щелочи для отмывки от AlCl₃ После отделения водного слоя, углеводородный слой промывают водой до нейтральной реакции, сушат над безводным СаСl₃, взвешивают и проводят разгонку.

При разгонке каждую пробу делят на 3 фракции: толуольную

(Т.к. до 120°С), изопропилтолуольную (Т.к. 120...180°С) и полиалкил-толуольную (Т.к. выше 180°С). Каждая фракция взвешивается и определяется показатель преломления.

7) Через 90 минут после начала опыта, после отбора 3-х проб, прекращают подачу спирта, выключают электрообогрев реактора разложения спирта. Реакционную массу обрабатывают, как указано выше, и взвешивают. Полученную в приемнике смесь спирта и воды взвешивают.

Таблица 3 - Режим разложения изопоопанола и алкилирования толуола

2.2 Анализ продуктов и обработка результатов

После проведения разгонки всех проб и определения веса всех фракций полученные данные записываются в таблицу 4. По результатам анализа проб составляется материальный баланс процесса.

Пример обработки экспериментальных результатов.

1) Условия проведения и результаты опытов.

Температура, °С: Количество:

в реакторе алкилирования…………40 толуола в реакторе,..…90

окружающего воздуха………..........20 катализатора А1С1₃, …...9

Давление, МПа............ …...............0, 099 пропущенного пропилена, л 5

Время опыта, мин....... ……………90 не прореагировавшего,.....1, 1

Таблица 4 - Состав проб реакционной смеси

Четвертой пробой в данном случае является реакционная масса, отобранная из реактора после окончания опыта, состав которой рассчитывается на основании анализа третьей пробы.

2)Приводим объемы исходного V_И и непрореагировавшего V_H
пропилена к нормальным условиям:

3) Вычисляем количества исходного G_H и непрореагировавшего
G_H пропилена:

4) Составляем материальный баланс процесса:
Таблица 5 - Материальный баланс процесса

6)Рассчитываем конверсию пропилена:

7)Рассчитываем конверсию изопропанола:

7) Рассчитываем конверсию толуола:

8) Определяем селективность процесса по целевому продукту:

9) По данным таблицы 4 строим график зависимости состава
реакционной массы от времени (рисунок 2). Из графика находим время
полупревращения толуола t_1/2и время максимального выхода
изопропилтолуола t_мах.

Рисунок 2 - Зависимость состава реакционной массы от времени

10) Находим величины констант первой и второй реакции:

Для определения кг удобно, задавшись несколькими значениями k₂, близкими к k₁ рассчитать t_MAX по уравнению 4. Расчеты сводим в таблицу 6. По полученным данным строим график зависимости

(k₂ - t_MAX) (рисунок 3) и по нему для t_MAX, найденному из графика на рисунке 2 находим k₂.

Рисунок 3 - Зависимость времени макси­мального выхода изопропил-толуола от константы скорости второй стадии процесса

Таблица 7 - Основные физико-химические свойства сырья и продуктов