Матеріальний баланс

Зміна хімічного складу реагуючої суміші описується стехіометричним рівнянням, яке показує у яких співвідношеннях речовини вступають у реакцію і визначають кількісні зміни складу реакційної суміші.

Проста реакція буде представлена одним стехіометричним рівнянням

Як прийнято, стехіометричні коефіцієнти Va, Vb та інші вказують на кількість відповідних речовин, які вступають у реакцію. Співвідношення між кількостями перетворених речовин ∆N, також виражене у молях

У таких випадках:

- реакція перебігає у газовій фазі без зміни об’єму, концентрація виражена у молярних або об’ємних долях;

- реакція перебігає у рідкій фазі, використовується молярна концентрація, наприклад моль/л.

Складна реакція буде представлена декількома стехіометричними рівняннями. Їх називають частками реакції. У складній реакції будь-яка з них призводить до утворення кінцевого продукту, наприклад R. Інші реакції - побічні, без утворення кінцевого продукту. Для більш простого викладення характеристик складної реакції її представляють системою стехіометричних рівнянь, у яких:

- ліва частина містить одну і ту саму вихідну речовину;

- права частина лише одного рівняння містить корисний продукт.

Наприклад

У кожне стехіометричне рівняння вводиться ступінь перетворення вихідної речовини. У прикладі наведені x₁ і x₂ - ступені перетворення речовини А у кожній реакції і загальна ступінь її перетворення.

Задаючи ступінь перетворення хд, вихідної речовини у кожному стехіометричному рівнянні, визначаємо кількість усіх компонентів

де Vii - стехіометричний коефіцієнт і-ї речовини у j-ій реакції.

У ряді випадків необхідно скласти матеріальний баланс підсистеми або хіміко-технологічної системи у цілому, де перебігає послідовно ряд перетворень. Розглянемо приклад виробництва азотної кислоти, для якого потрібно скласти матеріальний баланс. У хіміко-технологічному процесі перебігають наступні реакції:

1. Окиснення аміаку (вважаємо, що NH₃ повністю окиснюється до NO)

2. Окиснення окису азоту

3. Хемосорбція окису азоту

Сумарне стехіометричне рівняння утворення азотної кислоти можна записати наступним чином:

Звичайно, така хімічна реакція не відома, але це стехіометричне рівняння дозволить скласти матеріальний баланс згідно всього виробництва азотної кислоти без деталізації перетворень за стадіями процесу.

Для балансових розрахунків може бути прийнято, що реакція перебігає до моменту рівноваги. Тоді задається температура для такої рівноважної суміші. Таким чином, відома константа рівноваги К_р, яка пов’язана з рівноважними концентраціями речовин рівнянням рівноваги

Результати розрахунку матеріального балансу записують у вигляді таблиці (табл. 6.10). Виходячи з умови збереження маси, у графі «ВСЬОГО», цифри повинні співпадати. Але якщо допущена помилка у розрахунках або результати були округлені, то одержані результати можуть незначно відрізнятись (не більше ніж на 5%). Таблиця теплового балансу має аналогічний вигляд.

Таблиця 6.10 - Матеріальний баланс

Мета:

Навчитися розраховувати матеріальні баланси хімічних процесів.

Завдання:

1. Теплоелектростанція спалює 100000 тон вугілля за добу, який містить у своєму складі: сірка - 2%, зола - 25% та вуглець. При цьому ступінь перетворення сірки - 95%, а вуглецю - 93%. Складіть матеріальний баланс процесу спалювання вугілля та зробіть висновки щодо забруднення навколишнього середовища.

2. Відбувається крекінг природного газу, який містить у своєму складі 98% метану і 2% азоту. Складіть матеріальний баланс (у кг) процесу на 1000 м³ вихідного газу без врахування побічних реакцій.

3. Складіть матеріальний баланс процесу випалення 100 кг вуглецевого колчедану, який містить у своєму складі: сірка - 50% мас., вуглець - 6% мас., волога - 2% мас. та мінеральні домішки. Ступінь перетворення колчедану складає 90%.

4. Складіть матеріальний баланс виробництва 1 тони окису етилену (С₂Н₄О) каталітичним окисненням етилену повітрям. Склад вихідної газової суміші наступний: C₂H₄ - 3% об., повітря - 97% об. Ступінь перетворення етилену - 50%. 2C₂H₄ + O₂ + kat(Ag) → 2С₂Н₄О.

5. Скласти матеріальний баланс одержання 3200 кг сірчистого ангідриду з сірководневого газу наступного складу: H₂S - 80% об., N₂ - 15% об., волога - 5% об. Повітря, що використовується для спалювання сірководню містить 4% об. вологи. Коефіцієнт надлишку повітря складає 1,2. 2H₂S + 3O₂ → 2H₂O + 2SO2

6. Скласти матеріальний баланс процесу спалювання 10 кг мазуту елементарного складу: вуглець - 86%, водень - 14%. Спалювання відбувається повністю з надлишком повітря 1,5.

6.1.7