3. Концентрация, парциальное давление и мольные доли

К

(3-1)

онцентрация для периодических процессов определяется как отношение мольного количества вещества к объему, в котором равномерно распределено данное вещество: ;

Концентрация для непрерывных процессов определяется как отношение мольного потока вещества к объемному потоку, в котором равномерно распределено данное вещество: ;

[ V ] = [ л(м³) ]; [ F_i ] = [ моль(кмоль)/время ]; [ W ] = [ л(м³) / время ].

При расчете концентраций объем и объемный поток необходимо привести к давлению и температуре в реакции, учитывая объем всех компонентов системы, в том числе разбавителей.

3.1. Реакции идущие без изменения объема. Для жидкофазных процессов объем и объемный поток остается во время реакции постоянным.

V = 0; P_i = C_i·R·T;

Для газофазных реакций  это будет справедливо, когда реакция протекает при постоянном общем давлении и температуре, без изменения числа молей. Для таких процессов справедливы концентрационные формы всех ранее выведенных уравнений материального баланса и формул для расчета безразмерных характеристик материального баланса. То есть в эти уравнения можно вместо n_i(F_i) подставить значение C_i:

n_i(F_i)  C_i;

Для идеальных газов их концентрации пропорциональны давлению т.е. P_i = C_i·R·T и следовательно те же уравнения (2-10) подходят и для парциальных давлений веществ. При этом последнее (парциальное давление) является более удобной характеристикой газа, т.к при постоянном общем давлении P_i в отличие от C_i независим от температуры.

3.2. Реакции идущие с изменением объема. При жидкофазных процессах это бывает возможно при поглощении какого либо газа жидкостью или разложение жидких продуктов с образованием газообразных веществ. Тогда объем жидкой фазы в любой момент реакции находят с помощью коэффициента изменения объема  по уравнению:

V = V₀(1 +  · Z); (3-2)

V₀ и V- начальный и конечный объемы;

Z – некоторая функция от которой зависит изменение объема. Например степень конверсии.

Коэффициент изменения объема

 = (V_Z=1  V₀)/V₀; (3-3)

 – может быть положительной величиной при увеличении объема и отрицательной при его уменьшении. Тогда текущая концентрация вещества определяется соотношением:

; (3-4)

Для газофазных процессов изменение объема обычно происходит из - за неравного числа молей веществ во время реакции . Его можно рассчитать по уравнению (3-5)

(3-5)

;

Пример:

а) A B + C; ;

б) A + Y B; ;

Если для реакции A B + C имеем мольное отношение инертных примесей B₀, то получим:

;

;

При расчете текущей концентрации удобно использовать коэффициент изменения объема.

Для простых и обратимых реакций имеем уравнение:

; (3-6)

При подстановке F_i как функции F_A,0 и X_A ( ) в уравнение (3-5) оказывается, что C_i можно выразить через начальную концентрацию.

Пример:

A B + Z

;

;

Из-за пропорциональности концентраций парциальным давлениям можно записать соотношения, не зависящие от температуры:

; ;

Более общий способ расчета парциальных давлений состоит в использовании мольных долей веществ N_i.

; (3-7)

P_i = P_ОБЩ ∙ N_i; (3-8)