мИнИстерство оБРАЗОВАНИЯ И науки украИнЫ

харЬкОвский нацИональнЫй унИверситет

имени В.Н. Каразина

Кафедра химической технологии

КУРСОВАЯ РАБОТА НА ТЕМУ:

СИНТЕЗ ЦИКЛОГЕКСАНОНА (РАСЧЕТЫ)

Исполнитель: студент

Группы Х -124

Твердохлеб И. И.

Руководитель: доцент, к.х.н.

Васьковский Е. В.

ХАРЬКОВ 2010

Содержание

Введение

1. Расчет расходных коэффициентов

2. Расчет материального баланса

2.1 Расчет теоретического материального баланса

2.2 Расчет практического материального баланса

3. Расчет теплового баланса

3.1 Расчет приходной части теплового баланса

3.2 Расчет расходной части теплового баланса

4.Термодинамический анализ основной реакции

5. Расчет константы равновесия и равновесного состава реагирующих веществ

6. Эмпирический расчет теплот сгорания и образования веществ

6.1 Расчет по Коновалову

6.2 Расчет по Карашу

6.3 Расчет по энергиям связи

7. Кинетически расчет

7.1 Определение порядка реакции

7.2 Определение энергии активации

8. Расчет основного аппарата

8.1 Сравнительный расчет идеальных реакторов различного типа

8.2 Расчет реальных реакторов с учетом функции распределения времени пребывания

8.3 Расчет в произвольной системе реакторов идеального смешения и идеального вытеснения

9. Технологическая схема синтеза и ее описание

10. Схема основного аппарата

11. Выводы

Список использованной литературы

Введение

Способы получения

1. Получение циклогексанона при окислении циклогексана.

СН₂ СО

/ \ / \

Н₂С СН₂ +0,5О₂ Н₂С СН₂

| | | |

Н₂С СН₂ Н₂С СН₂

\ / \ /

СН₂ СН₂

Циклогексан содержится в нефти, и его можно извлекать из легких нефтяных фракции экстрактивной перегонкой, фракционной кристаллизацией и т.п. На практике циклогексан преимущественно получают каталитическим гидрированием бензола. Это объясняют трудностями, связанными с выделением чистого циклогексана из нефтяного сырья.

Окисление циклогексана можно осуществлять как в паровой, так и в жидкой фазе – некаталитическим путем или в присутствии катализатора.

Главным первичным продуктом окисления является гидроперекись циклогексила:

СН₂ СН₂

/ \ / \

Н₂С СН₂ +0,5О₂ Н₂С СН – ООН

| | | |

Н₂С СН₂ Н₂С СН₂

\ / \ /

СН₂ СН₂

Каталитическое окисление циклогексана проводится в жидкой фазе воздухом или техническим кислородом при повышенном давлении и температуре. Катализаторами являются поливалентные металлы, например кобальт или медь в виде солей. Суммарный выход циклогексанола и циклогексанона достигает 85 %.

Наряду с циклогексанолом и циклогексаноном образуюся продукты более глубокого окисления, главным образом дикарбоновые кислоты (адипиновая, глутаровая и янтарная кислоты).

1. Дегидрирование (окисление) циклогексанола.

Циклогексанол тоже можно перевести в циклогексанон окислением или дегидрированием.

Циклогексанон получают из циклогексанола окислением (окислительным дегидрированием)

СНОН СО

/ \ / \

Н₂С СН₂ +0,5О₂ Н₂С СН₂

| | | |

Н₂С СН₂ Н₂С СН₂

\ / \ /

СНОН СН₂

или дегидрированием:

СНОН СО

/ \ / \

Н₂С СН₂ Н₂С СН₂

| | | |

Н₂С СН₂ –Н₂ Н₂С СН₂

\ / \ /

СНОН СН₂

Процесс дегидрирования циклогексанола достаточно хорошо освоен в промышленности.

Его проводят при 450 – 460⁰С над катализатором (оцинкованное железо). Кроме дегидрирования, при этом протекает побочная реакция дегидратации циклогексанола с образованием циклогексена

СНОН СН

/ \ / \\

Н₂С СН₂ Н₂С СН₂

| | | |

Н₂С СН₂ –Н₂О Н₂С СН₂

\ / \ /

СНОН СН₂

а также происходит частичное расщепление молекулы циклогексанола с выделением углерода, водорода и воды.

На этом способе снован первый из осуществленных в промышленности методов синтеза циклогексанона – из фенола с предварительном гидрированием его в циклогеканол:

ОH ОH О

| | ||

+ 3Н₂

– Н₂

1. Из анилина через циклогексиламин:

NH₂ NH₂ NH₂ О

| | || ||

+ 3N₂ + Н₂О

– Н₂ – NH₃

Ввиду меньшего числа стадий и потребности в дополнительных реагентах заслуживает предпочтение метод получения циклогексанона окислением циклогексана.

Физические и химические свойства

Циклогексанон (или кетогексаметилен или пимелинкетон) – это бесцветная жидкость, молекулярная масса 98,15; плотность 0,94; температура плавления – 45⁰ С; температура кипения 156⁰ С. Растворим в воде (2,4³¹), этаноле, эфире.

Для циклогексанона (представителя кетонов) характерны реакции присоединения.

1. Реакции восстановления.

а. гидрирование в паровой фазе (использование молекулярного водорода)

О ОН

|| |

Ni, Co

+ Н₂

Pt, Pd

б. восстановление в присутствии амальгамы цинка

О

||

Н⁺, Zn, Hg

2. Нуклеофильное присоединение

а. взаимодействие с аммиаком:

О NН

|| |

+ NН₃ + Н₂О

б. реакция с гидроксиламином (применяется для количественного определения кетонов):

О N – ОН

|| ||

+ NН₂ОН + Н₂О

в. реакция с гидразином:

О N – NН₂

|| ||

+ Н₂N – NН₂ + Н₂О

г. реакция с PCl₅:

СО CCl₂

/ \ / \

Н₂С СН₂ Н₂С СН₂

| | + PCl₅ | | + POCl₃

Н₂С СН₂ Н₂С СН₂

\ / \ /

СН₂ СН₂

3. Реакции с расширением цикла

а. реакция взаимодействия с диазометаном:

СО CО

/ \ / \

Н₂С СН₂ Н₂С СН₂

| | + СН₂NН₂ | | + N₂

Н₂С СН₂ Н₂С СН₂

\ / | |

СН₂ Н₂С – СН₂

Применение

Циклогексанон используют для производства капрлактама – исходного вещества для получения синтетического волокна капрон:

ОH NОH

| ||

_{перегруппировка Бекмана}

N NН

/ \\ / \\

Н₂С С ОН Н₂С С = О

| | | |

Н₂С СН₂ Н₂С СН₂

| | | |

Н₂С СН₂ Н₂С СН₂

При энергичном окислении циклогексанона образуется адипиновая кислота, которую используют для получения синтетического волокна нейлона.

Вывод: Циклогексанон – это циклический кетон. Весьма реакционноспосоден. Применим для производства волокон.

Таблица 1. Данные материального баланса

Реакции синтеза:

Основная реакция

Побочная реакция

1. Расчет расходных коэффициентов

Это параметры, характеризующие расход различных видов сырья на единицу полученной продукции. Различают теоретические и практические расходные коэффициенты. Теоретические расходные коэффициенты учитывают расход исходящего сырья с учетом стехиометрии реакции. Практические расходные коэффициенты учитывают селективность процесса, выход продукта, степень превращения (и рассчитываются на базе теоретических). Задание: Рассчитать теоретические и практические расходные коэффициенты для реагентов по основной реакции на 1 тонну целевого продукта.

Найдем молярные массы веществ участвующих в реакциях:

1.1 Рассчитаем теоретические расчетные расходные коэффициенты

1.2 Рассчитаем практические расходные коэффициенты для циклогексана

1.3 Рассчитаем практические расходные коэффициенты для циклогексана в смеси с бензолом

1.4 Рассчитаем практические расходные коэффициенты для примеси (бензол)

1.5 Исходя из мольного соотношения исходных реагентов, рассчитаем практические расходные коэффициенты для кислорода

Рассчитаем практические расходные коэффициенты для кислорода в смеси с азотом:

Рассчитаем практические расходные коэффициенты для примеси (азот):

Вывод: Таким образом, для получения 1 т циклогексанона необходимо взять 857,14 кг циклогексана и 326,53 кг кислорода, но с учетом состава вещества, а также технико-экономических показателей практические расходные коэффициенты составляют:

по циклогексану – 1177,86 кг

по кислороду – 3888,76 кг.

II. Расчет материального баланса

Составление материального баланса – основное звено в оценке технико-экономической эффективности химического процесса.

На основании данных материального баланса определяют основные технико-экономические показатели, такие как выход, селективность, степень превращения, расходные коэффициенты. Данные материального баланса используются при составлении энергетического или теплового баланса, при термодинамических и кинетических расчетах, расчетах реакторов.

Материальный баланс химико-технологического процесса – это вещественное выражение закона сохранения вещества, левую часть которого составляет масса всех вступивших в реакцию веществ (приход), а правую – масса полученных продуктов (расход) и производственные потери.

2.1 Расчет теоретического материального баланса