Пиролиз пропана

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Химико-технологический Институт

Кафедра физической и коллоидной химии

ПИРОЛИЗ ПРОПАНА

Расчетная часть курсовой работы

Выполнил                                                                                    Козырев Д.А.

Студент гр. Х-210101                                                                    

Проверил доц., к.х.н.                                                                 Степановских Е.И.

Екатеринбург 2012

Задание на курсовую работу

1. В идеальной газовой системе возможно протекание нескольких реакций,  характеризующих   процесс пиролиза пропана (табл.1)

Возможные реакции процесса пиролиза пропана и условия проведения эксперимента

Таблица 1

Определите одну наиболее вероятную  из них в указанном диапазоне  температур.

2. Полагая, что все остальные  реакции подавлены и в системе  протекает только одна, наиболее  вероятная реакция, рассчитайте  степень термической  диссоциации  пропана при разных температурах (и давлении 1 атм) и давлениях (и температуре 660 К) и постройте графически   зависимость степени термической диссоциации пропана от температуры и давления. Проанализируйте полученные данные. Как будет изменяться степень термической диссоциации пропана, если в систему изначально будет введен посторонний газ?

Введение

 Пиролиз - разложение или другие превращения химических соединений при нагревании.

Наибольшее распространение термин "пиролиз" получил в орг. химии для обозначения высокотемпературных деструктивных превращений органических соединений, сопровождающихся расщеплением соединений с образованием продуктов меньшей молярной массы (в т. ч. простых веществ), изомеризацией, полимеризацией или поликонденсацией исходных соединений и продуктов их превращения. С помощью пиролиза в промышленности получают топлива и масла или сырье для нефтехимического синтеза.

Пиролиз пропана – это весьма сложный химический процесс.

В курсовой работе по физической химии нас интересуют термодинамический и кинетический аспекты этого процесса.

Целями  данной курсовой работы являются:

− термодинамическое  определение наиболее вероятной  реакции, протекающей в газовой  системе;

− изучение влияния различных факторов на состав равновесной смеси;

− изучение формальной кинетики процесса.

Определение наиболее вероятной  реакции, протекающей в идеальной  газовой смеси.

1. Определение возможности протекания реакции в выбранном направлении при заданных начальных условиях проводят по уравнению изотермы Вант-Гоффа,  которое для идеальной газовой смеси имеет вид

,  где:

• − химическое сродство рассматриваемой газовой реакции r;
• − дифференциальное мольное изменение энергии Гиббса за счет протекания реакции r;
• − стандартное мольное изменении энергии Гиббса реакции r;
• − парциальное давление компонента k газовой смеси

(в начальный  момент)

• − размерность давления;
• − стехиометрическое число компонента k, участника газовой реакции.

Расчет стандартных мольных  значений энергии Гиббса и констант равновесия  различных реакций  в исследуемом интервале температур:

Δ _rh^ст =∑ν_kh_k^ст

Δ _rs^ст =∑ν_ks_k^ст

Δ _rg^ст = Δ _rh^ст -T Δ _rs^ст

K_r^p =exp(-Δ _rg^ст/(RT))

Для определения  проводим расчет экстенсивных свойств системы при протекании реакции. Результаты, содержащие справочные материалы и результаты вычисления энергии Гиббса и константы равновесия при разных температурах для каждой реакции приведены в таблицах 1(а,б,в);2(а,б,в);3(а,б,в);4(а,б,в).

Реакция 2

Реакция 3

Реакция 4

Рис. 1. Зависимость стандартной  мольной энергии Гиббса реакций  от температуры.

 Из рисунка 1 очевидно, что  реакция 3 (С₃Н₈ = СН₄ +С₂Н₄) является наиболее термодинамически вероятной, т.к. её стандартная мольная энергия Гиббса минимальна по сравнению с другими, а величина химического сродства r, следовательно, максимальна. Реакция идет в прямом направлении.

2. Анализ изменения состава системы при изменении параметров.

 Полагая,  что все остальные реакции  подавлены и в системе протекает  только одна, наиболее вероятная  реакция, рассчитайте степень  термической  диссоциации пропана  при разных температурах (и давлении 1 атм) и давлениях (и температуре 660 К) и постройте графически   зависимость степени термической диссоциации пропана от температуры и давления. Проанализируйте полученные данные. Как будет изменяться степень термической диссоциации пропана, если в систему изначально будет введен посторонний газ?

Решение.

Предполагаем, что все остальные  реакции подавлены и в системе  протекает только одна, наиболее вероятная  реакция, т.е. реакция 3 (С₃Н₈ = СН₄ +С₂Н₄).

Запишем закон химического равновесия в р-шкале для данной реакции:

, где 

Выражаем через степень термической диссоциации пропана (). Для этого удобно воспользоваться таблицей:

Записываем закон химического равновесия через степень химической диссоциации:

Выражаем степень термической  диссоциации:

   =>  

Далее производим расчет степени термической  диссоциации пропана при разных давлениях (при Т = 660К) и температурах (при давлении р=1атм.).

Пример расчета степени  термической диссоциации при  температуре 660К.

При данной температуре 1,0015 (по данным таблицы 3в). Находим значение степени термической диссоциации при давлении p=1атм. 

Аналогично находим значения степени термической диссоциации при давлениях 0.8, 1.4, 1.6, 2.8. Сводим полученные данные в таблицу 6:

Таблица 6: Сводные данные о значениях степени термической диссоциации при разных давлениях и при Т=660К и =1,0015.

По полученным данным построим зависимость степени термической диссоциации от давления при постоянной температуре (α=f(р)):

Рис. 3 Зависимость степени термической диссоциации от давления.

По графику видно, что при  увеличении давления степень термической  диссоциации пропана убывает.

Пример расчета степени  термической диссоциации при  давлении 1атм.

Рассчитываем  значение степени термической диссоциации  при              Т = 580К и при давлении р=1атм. При данной температуре =0,9995                 (по данным таблицы 3в).

Сводим вычисления степени термической диссоциации в таблицу 7:

Таблица 7. Сводные данные о значениях степени термической диссоциации при разных температурах и давлении равном 1 атм.

Далее строим зависимость степени термической диссоциации от температуры при постоянном давлении (α=f(T)):

Рис. 2 Зависимость термической  диссоциации от температуры при  постоянном давлении.

По графику можно сказать, что  степень термической диссоциации  при увеличении температуры возрастает.

При введении в систему постороннего газа, увеличится давление в системе, а степень термической диссоциации  пропана, соответственно, уменьшится.

Выводы

В ходе данной курсовой работы:

• Термодинамическими расчетами была определена наиболее вероятная реакция (С₃Н₈ = СН₄ +С₂Н₄);
• Было выяснено, что для данной реакции при увеличении температуры степень термической диссоциации возрастает, а при увеличении давления степень термической диссоциации уменьшается;
• С помощью интегрального и дифференциального методов формальной кинетики процесса был найден порядок реакции и эффективная скорость реакции.

Библиографический список

1. Расчет  изменений экстенсивных свойств  системы за счет протекания в ней  газовой реакции: методические указания к электронной  лабораторной  работе 13  / Степановских Е.И., Брусницына Л.А. [Электронный ресурс]:  Екатеринбург: Образовательный портал УГТУ-УПИ. 2007.
2. Расчет равновесного состава идеальной газовой системы: методические указания для самостоятельной работы по курсу физической химии/ Степановских Е.И., Софронов А.А., Брусницына Л.А., Маскаева Л.Н. Екатеринбург: ГОУ УГТУ-УПИ, 2004,  12 с.
3. Физическая химия, К.С. Краснова, Москва, 2001.
4. Физическая химия. Конспект лекций /Степановских Е.И. 2011.
5. Химик.ру − сайт о химии.  http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3351.html