14

ЗАГАЛЬНІ ПРИНЦИПИ АНАЛІЗУ І РОЗРАХУНКУ ХТП

При дослідженні або розрахунку хіміко-технологічних процесів одною з основних задач є визначення швидкості переносу субстанції (маси, тепла, кількості руху) із однієї точки системи в другу, а в гетерогенних системах – із однієї фази в другу. Існує загальна схема аналізу і розрахунку різних процесів, яка включає декілька станів.

1. Визначення умов, при яких можливе протікання процесу і

кінцевого стану системи, при якому процес припиняється,

тобто наступає рівновага

Умовою протікання гідромеханічних процесів в системі є нерівномірний розподіл в ній тиску, теплових процесів – нерівномірний розподіл температур, масообмінних процесів – нерівність хімічних потенціалів окремих компонентів в різних фазах.

Якщо в системі dP=0, то наступає механічна рівновага, якщо dТ=0, то підтримується теплова рівновага, якщо dµі=0, то відсутній перенос відповідного компонента.

Хімічний потенціал і-го компонента µі – це приріст внутрішньої енергії системі при додаванні до неї 1 моля і-го компонента (при безкінечному числі молей компонентів в системі).

Для суміші ідеальних газів (1) де µі - значення хімічного потенціалу при стандартному тиску

(Р_і^о=0,1 МПа);

Р_і - парціальний тиск і-го компонента в суміші.

Для ідеальних розчинів µі=φ_і^о + Rтℓnx_і (2) де x_і - мольна доля і-го компонента в розчині.

При рівновазі між газом і розчином

або

При даній температуріТ=const

- закон Генрі.

Тут Н - константа Генрі

x_{i -} мольна доля і-го компонента в розчині;

Р_і^х - парціальний тиск і-го компонента в газовій фазі при

рівновазі в системі.

P_i = y_i P

По закону Дальтона , де Р - загальний тиск в системі;

y

у_і^х = mx_i

_i - мольна (об’ємна) доля і-го компонента в газовій фазі.

Тоді рівняння рівноваги в вигляді , де - коефіцієнт розподілу і-го компонент а між фазами.

Якщо у_і > у_і^* , то компонент переходить із газу в розчин.

Якщо у_і < у_і^* , то компонент переходить із розчину в газ

Якщо у_і > у_і^* , то система перебуває в рівновазі.

При протіканні в системі оборотної реакції рівновага наступає, коли співвідношення концентрацій компонентів суміші буде відповідати константі рівноваги.

Наприклад, при досягненні рівноваги реакції

СН₄+Н₂О СО+3Н₂

де К – f (т) - константа рівноваги реакції.

Знаючи К і склад початкової суміші, можна визначити максимальну ступінь перетворення початкової речи винив кінцеві продукти

або максимальний вихід кінцевого продукту

,

де - початкова концентрація речовини, що вступає в реакцію;

- концентрація цієї речовини після закінчення реакції (при досягненні рівноваги);

- концентрація продукту в суміші після досягнення рівноваги;

- концентрація продукту в суміші при умові повного

перетворення початкової речовини.

2.Складання матеріального балансу процесу

Матеріальний розрахунок процесу заклечається в визначенні витрат початкових речовин (сировини) і кількості одержаних продуктів. Він заснований на законі збереження матерії, у відповідності з яким маса речовини, що надходить в систему, дорівнює масі речовин, що виходять із системи.

Це рівняння справедливе як для загальної маси потоків, що входять в систему і виходять із неї, так і для кожного окремого компонента, якщо в системі немає хімічних реакцій.

Якщо в системі протікають хімічні реакції,то в рівняннях балансу окремих компонентів необхідно враховувати кількість компонента прореагувавшого або утвореного внаслідок реакції:

де і - порядковий номер матеріального потоку, що входить в систему або виходить з неї;

К - порядковий номер компонента;

∆G_k - кількість к-го компонента, що утворилась (+) або зникла (-) внаслідок реакції.

Матеріальний баланс може складатись як на всю продуктивність технологічної установки, так і на одиницю маси (об’єму) сировини або кінцевого продукту.