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 этом 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 изопропилбензолу:

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 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 K₁C_pr 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.

 

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).

2.Выбор параметров, подлежащих изучению в соответствии с заданием преподавателя, а именно:

- температуры,

- времени реакции,

- интервала времени отбора проб на анализ,

- мольного соотношения бензол: пропилен.

3.Обработк результатов экспериментов.

Результаты проведенных экспериментов находятся в файле REZIPB в

формате 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 в зависимости от изучаемого параметра процесса.

 

 

Таблица результатов

Лабораторная работа
Гетерофазное алкилирование бензола пропиленом
Кускильдина Юлианна
Температура реакции =45˚С
время, мин	концентрация компонентов смеси, моль/л
бензол	МАБ	ДАБ	ТАБ	ТетраАБ
	88,7400	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000
	84,1818	4,4567	0,1010	0,0005	0,0000
	79,8577	8,4891	0,3893	0,0039	0,0000
	75,7557	12,1276	0,8438	0,0128	0,0000
	71,8644	15,4007	1,4454	0,0295	0,0000
	68,1730	18,3348	2,1761	0,0561	0,0001
	64,6712	20,9549	3,0195	0,0942	0,0002
	61,3493	23,2843	3,9606	0,1455	0,0003
	58,1981	25,3448	4,9854	0,2113	0,0005
	55,2086	27,1567	6,0813	0,2926	0,0007
	52,3728	28,7390	7,2366	0,3905	0,0011

 

Расчет

Таблица вычислений. Материальный 6аланс.

компонент	загрузка	выгрузка
моль	%	моль	%
Бензол	88,7400		52,3728	59,0183
МАБ			28,7390	32,3856
ДАБ			7,2366	8,1548
ТАБ			0,3905	0,4400
ТетраМБ			0,0011	0,0012
Всего	88,7400		88,7400

 

 

Конверсия бензола:

α = (88,7400-52,3728)/88,7400 = 0,4098;

 

Селективность по МАБ:

β = 28,7390/(88,7400-52,3728)=0,7903;

 

Выход МАБ:

γ = 28,7390/88,7400=0,3239;

 

При данных условиях процесса выход и селективность МАБ составили 32,39% и 79,03% соответственно, конверсия бензола 40,98%.

Вывод: с увеличением времени проведения реакции возрастает выход целевого продукта.