Основна частина

1.1 Розрахунок рівноважного ступеня перетворення

Вихідними даними для розрахунку є технологічні параметри, за яких відбувається процес: тиск, склад вихідної газової суміші, числове значення константи рівноваги хімічної реакції при ладанних технологічних параметрах. Розрахунок складу рівноважної суміші полягає у визначенні концентрації вихідних речовин і продуктів реакції при досягненні системою стану рівноваги. Суть розрахунку полягає в розв`язанні рівняння закону діючих мас, коли відомі вихідні дані.

Розглянемо реакцію, що відбувається в газовій фазі за стехіометричним рівнянням:

С₂Н₄+Н₂О«С₂Н₅ОН+Q

Рівняння константи рівноваги цієї реакції має вигляд [1]:

lgK_p = -1090/T + 4.71·lgT – 2.35·10^-3T – 7.5

lgK_p = 2.1486

K_p = 140.7994

У стані рівноваги число молей компонентів буде:

n _С2Н4 = 0.552 – 0.448Xp,

n _Н2О = 0.448 – 0.448Xp,

n _С2Н5ОН = 0 + 0.448Xp,

∑ n = 1 – 0.448Xp,

∆ n = -1.

Дана газофазна реакція відбувається із великою зміною об’єму. Концентрації компонентів (молярні долі) у стані рівноваги (N_і = n / Sn_і):

N _С2Н4 = (0.552 – 0.448Xp)/(1 – 0.448Xp),

N _Н2О = 0.448(1 – Xp)/(1 – 0.448),

N _С2Н5ОН = 0.448Xp/(1 – 0.448Xp).

Для обчислення Хр підставляємо значення рівноважних концентрацій (з врахуванням того, що парціальний тиск компонента Р_і = N_i^.P) у рівняння константи рівноваги, та отримуємо рівняння:

140.7994 = (1 – 0.448Xp)/46.9231 · (0.448Xp)/((0.552 – 0.448Xp) · (0.448 – 0.448Xp))

Обчислення Хр із останнього рівняння в середовищі Excel дає значення Xp = 0.9992.

Тоді концентрації компонентів реакції в стані рівноваги:

N _С2Н4 = 0.1889,

N _Н2О = 6.4885·10^-4 ,

N _С2Н5ОН = 0.9592.

1.2 Матеріальний розрахунок (баланс) виробництва

Матеріальний баланс хіміко-технологічного процесу (ХТП) - математичне вираження закону збереження маси речовини, відповідно до якого маса всіх видів сировини і матеріалів, що надходять на переробку /прихід/, дорівнює масі отриманих продуктів і втрат /витрати/. Метою матеріального балансу є визначення витратних коефіцієнтів усіх вихідних реагентів за заданою-продуктивністю за цільовим продуктом, а також обчислення складу вихідної суміші і продуктів реакції.

Ґрунтом для матеріальних розрахунків ХТП е рівняння хімічних реакцій (основної та побічних). Результати матеріальних розрахунків використовують як вихідні дані для визначення габаритів реактора.

Для реакції (1.1)

для заданої кількості G_R (кг) цільового продукту практичний витратний коефіцієнт (кг) за компонентом А становить:

(1.2)

де М_А, М_R - молярні маси компонентів A і R; X - ступінь перетворення за компонентом А, взятим у нестачі щодо компонента В, частки од.; об’єм компонента А (м³) при цьому становить V_A^o = G_A^o /r_A, де r_A - питома вага компонента А, кг/м³. Вихідні маси G^o і об’єм V⁰ усіх компонентів реакції

(1.3)

де m_A^o, N_A^o масова і об’ємна (молярна) частки речовини А у вихідній суміші відповідно.

Вихідна маса і об’єм речовини В /аналогічно R і S /

G_B^o = G^o. m_B^o; V_B^o = N_B^{o .}V⁰, (1.4)

Маса і об’єм продукту S, що утворився у ході реакції,

, (1.5)

І нарешті, кількості A, B, R, S після перебігу реакції (3.1)дорівнюють:

G_A^K = G_A^o.(1 - X); V_A^K = V_A^o.(1 - X) = G_A^K /r_A;

Обчислення об’ємів суміші і компонентів виконують для рідких і газоподібних речовин.

За розділу 1.1 рівноважний ступінь перетворення X_p = 0, 9992. Тоді практичний ступінь перетворення за Н₂О:

X = 0.96 · 0.9992 = 0.9592

Молярні маси учасників реакції:

M _Н2О = 18, M _С2Н5ОН = 46, M _С2Н4 = 28.

Значення питомої ваги (густини) газів при нормальних умовах можуть бути легко визначені за формулою r = М_і/22, 4 [кг/м³].

r _Н2О = 0.8036 кг/м³,

r _С2Н5ОН = 2.0536 кг/м³,

r _С2Н4 = 1.25 кг/м³.

Тоді за формулами (1.2 - 1.4), (1.6) отримаємо:

G _Н2О = 1000 · 18/(46 ·0.9692) = 407.95 кг

V _Н2О = 407.95/0.8036 = 507.65 м³

V = 507.65/0.448 = 1133.15 м³

V _С2Н4 = 1133.15 · 0.552 = 625.5 м³

G _С2Н4 = 625.5 · 1.25 = 781.88 м³

Результати обчислень заносимо до табл.1.1, стаття " Прихід". Після реакції залишається у суміші:

G^к _Н2О = 407.95 · (1 – 0.9592) = 16.64 кг

V^к _Н2О = 507.65 · (1 - 0.9592) = 20.71 м³

G^к _С2Н4 = 781.88 – ((407.95 · 0.9592 · 28)/18) = 173.18 кг

V^к _С2Н4 = 625, 5 – 507, 65 · 0, 9592 = 138, 56 м³

Результати обчислень заносимо до табл.1.1, стаття ”Витрати”.

Таблиця 1.1 - Матеріальний баланс