Модуль 2

ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ.

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ

1. Использование стехиометрии химических реакций в ХТП

Стехиометрические уравнения. Вещества вступают в химиче­ ское взаимодействие в определенных соотношениях, которые выра­ жаются стехиометрическим уравнением реакции.

Общий вид стехиометрического уравнения:

где А, В - исходные вещества; С, D - продукты реакции; vA, vB, vc, vDстехиометрические коэффициенты.

В стехиометрическом уравнении соблюдается баланс по химиче­ ским элементам в соответствии с законом сохранения массы: количе­ ства каждого из них во всех исходных веществах и в продуктах реак­ ции равны между собой. Поэтому стехиометрические уравнения можно рассматривать как алгебраические и представить в виде

где А/ —наименование веществ; V, - стехиометрический коэффициент /-го вещества. В формуле (2.2) v,< 0 для исходных веществ, которые расходуются; v, > 0 для продуктов реакции.

Из стехиометрического уравнения следует:

где N\0, N20, Ni0 - начальные количества исходных веществ (моль); N\, N2, ..., Ni - количество вещества после превращения (моль); vb v2,

..., V/ - соответствующие стехиометрические коэффициенты.

На основе стехиометрических уравнений определяют состав про­ дуктов реакции, рассчитывают материальный баланс процесса.

Простые и сложные реакции.

Простая реакция описывается одним стехиометрическим урав­ нением, слоэюная реакция - несколькими.

Пример простой (одностадийной) реакции: Н2 + С12 <-> 2 НС1.

Примеры сложных реакций:

а) последовательная реакция: А —►В —►С

С -ь 0,5О2 <—►COj СО 0,5О2 +—►С 02; б) параллельная реакция: А—►В

А—►С

СН4 + 1/2 0 2 <-> СНзОН; СН4 + 202 <->С02 + 2Н20.

Базисные стехиометрические уравнения. Число уравнений, ис­ пользуемое при расчетах, должно выражаться числом независимых базисных уравнений - уравнений, которые нельзя получить комби­ нацией других. При этом соблюдается поэлементный баланс.

Для обменных реакций число базисных уравнений можно опре­ делить по формуле

В окислительно-восстановительных реакциях соблюдается не только поэлементный баланс, но и баланс по электронам (как измене­ ние степени окисления элементов, участвующих в реакции). В этом случае к поэлементному балансу надо добавить баланс зарядов.

Число веществ - 5, число элементов - 3 (N, Н, О), реакция окис­ лительно-восстановительная. Число базисных уравнений рассчитаем по формуле (2.5):

У = В - Э = 5 - 3 = 2.

Процесс окисления аммиака можно представить в алгебраиче­ ском виде:

Умножим уравнение (2.6) на (-0,5) и (2.7) на (+0,5) и после сум­ мирования и преобразований получим

+ 2NH3 + 2,502 - 2NO - ЗН20 = 0 - 2NH3 - 1,502 + N2 + ЗН20 = 0

0 2 - 2NO + N2 =0

или

2NO = N2 + 0 2.

Таким образом, уравнение (2.8) можно получить комбинацией уравнений (2.6) и (2.7).

Вывод: для расчета достаточно двух уравнений.

Степень превращения (х,) характеризует долю прореагировав­ шего исходного вещества:

(2.9)

ЛК

Используя (2.3) и (2.9), можно определить количество любого вещества 7V, в реагирующей смеси:

Если исходная реакционная смесь имеет неэквивалентный со­ став, то состав реакционной смеси необходимо выражать через сте­ пень превращения того вещества, которое находится в недостатке. Его называют ключевым компонентом.

Если компонент А участвует в нескольких реакциях, то уравне­ ние (2.10) примет вид

где - степень превращения компонента А ву-й реакции.

Концентрации компонентов в реакционной смеси. Концентра­ цию компонента в реакционной смеси в технологических расчетах

Общее количество реакционной смеси X/V, найдем суммировани­ ем выражений (2.10):

Величина Av - алгебраическая сумма числа молей в реакции. Используя уравнения (2.12) и (2.14), получим