Материальный баланс по уравнению реакции (6 видео)

Технологические расчеты в химической технологии

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

Содержание

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
В ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Методические указания к практическим занятиям по
Саратов – 2010
Материальный баланс по уравнению реакции
Методичка ОХТ_2006. Методическое пособие по практическим занятиям для студентов специальностей 148 01 01 Химическая технология производства и переработки неорганических материалов
📽️ Видео

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

В ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Видео:ОВР и Метод Электронного Баланса — Быстрая Подготовка к ЕГЭ по ХимииСкачать

Методические указания к практическим занятиям по

по дисциплине «Общая химическая технология»

для студентов специальности

240801 «Машины и аппараты химических производств»

редакционно-издательским советом Саратовского государственного

Саратов – 2010

Регулируя параметры технологического режима, инженер-технолог управляет действующим производством, добиваясь наиболее рационального использования сырья, максимального выхода готового продукта и наибольшей производительности реакционной аппаратуры.

Технологические расчеты, как правило, начинаются с выбора метода производства, поскольку в задании на проектирование обычно указывается общая мощность будущего завода или цеха.

После выбора метода производства технолог приступает к составлению технологической схемы, которая включает в себя все основные аппараты и коммуникации между ними, а также транспортные линии подачи сырья и готовой продукции. В основу нового производства всегда закладываются самые прогрессивные, интенсивные, высокопроизводительные аппараты, имеющие к тому же большой срок службы, простые в обслуживании и выполненные по возможности из легкодоступных, дешевых конструкционных материалов.

Составив технологическую схему производства и определив основные направления потоков сырья, полупродуктов или полуфабрикатов, а также готовой продукции, приступают к составлению материального и энергетического балансов.

1. РАСЧЕТЫ РАСХОДНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ

Расходные коэффициенты — величины, характеризующие расход различных видов сырья, воды, топлива, электроэнергии, пара на единицу вырабатываемой продукции. При конструировании аппаратов и определении параметров технологического режима задаются также условия, при которых рационально сочетаются высокая интенсивность и производительность процесса с высоким качеством продукции и возможно более низкой себестоимостью.

Пример 1. Определить теоретические расходные коэффициенты для следующих железных руд в процессе выплавки чугуна, содержащего 92% Fe, при условии, что руды не содержат пустой породы и примесей:

Шпатовый железняк FeCO3

Красный железняк Fe2O3

Магнитный железняк Fe3O4

Из 1 кмоль FeCO3 можно получить 1 кмоль Fe или из 115,8 кг FeCO3 — 55,9 кг Fe. Отсюда для получения 1 т чугуна с содержанием Fe 92% (масс) необходимо:

Аналогично находим значения теоретических расходных коэффициентов для других руд:

Пример 2. Рассчитать расходный коэффициент для природного газа, содержащего 97% (об.) метана в производстве уксусной кислоты (на 1 т) из ацетальдегида. Выход ацетилена из метана составляет 15% от теоретически возможного, ацетальдегида из ацетилена — 60%, а уксусной кислоты из ацетальдегида 90% (масс).

Уксусная кислота получается из метана многостадийным методом. Схематично процесс может быть описан следующими, последовательно протекающими реакциями:

Молекулярная масса: С2Н2 — 26; СН3СНО — 44; СН3СООН — 60; СН4- 16.

Теоретический расход метана на 1 т уксусной кислоты составит:

кг

с учетом выхода продукта по стадиям

кг

см3 СН4

м3 природного газа

Пример 3. Определить количество аммиака, требуемое для производства 100000 т/год азотной кислоты, и расход воздуха на окисление аммиака (в м3/ч), если цех работает 355 дней в году, выход окиси азота Х1 = 0,97%, степень абсорбции Х2 = 0,92, а содержание аммиака в сухой аммиачно-воздушной смеси — 7,13% (масс).

Окисление аммиака является первой стадией получения азотной кислоты из аммиака. По этому методу аммиак окисляется кислородом воздуха в присутствии платинового катализатора при 800-900°С до окислов азота. Затем, полученная окись азота окисляется до двуокиси, а последняя поглощается водой с образованием азотной кислоты. Схематично процесс
можно изобразить следующими уравнениями:

Для материальных расчетов можно в первом приближение записать суммарное уравнение этих трех стадий в виде:

Молекулярная масса: NH3 -17; HNO3 -63.

Необходимое количество аммиака для получения 100000 т HNO3 с учетом степени окисления и степени абсорбции составит:

Расход аммиака составит:

кг/ч

Объем аммиака составит:

м3

Расход воздуха (в м3/ч), требуемый для окисления (в составе аммиачно-воздушной смеси), будет равен

м3

где 11,5 — содержание NH3 в смеси в % (об), то есть

2. СТЕХНОМЕТРИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

Расчеты технологических процессов, в результате которых происходит химическое изменение вещества, основаны на стехиометрических законах: законе постоянства состава и законе кратных отношений, которые выражают собой взаимное отношение атомов и молекул при их химическом взаимодействии друг с другом.

Согласно закону постоянства состава, любое вещество, какими бы способами его ни получали, имеет вполне определенный, постоянный состав.

Закон кратных отношений состоит в том, что при образовании какого-либо простого или сложного вещества элементы в его молекулу входят в количествах, равных или кратных их атомной массе. Если же отнести этот закон к объемам вступающих в реакцию веществ, то он примет следующую формулировку: если вещества вступают в химическую реакцию в газообразном состоянии, то они при одинаковых условиях (Р и t) могут соединяться только в объемах, которые относятся между собой как целые числа.

Пример 4. Химический анализ природного известняка показал следующее: из навески 1,0312 г путем ее растворения, последующего осаждения ионов Са2+ щавелевокислым аммонием и прокаливания осадка СаС2О4 получено 0,5384 г СаО; из навески 0,3220 г путем разложения кислотой получено 68,5 см3 СО2 (приведенных к нормальным условиям). Подсчитать содержание углекислого кальция и магния в известняке, если весь кальций в нем находится в виде СаСО3, а угольная кислота — в виде карбонатов кальция и магния.

Молекулярная масса СаО — 56,08; СО2 — 44,0; СаСО,1 и MgCO3 — 84,32. Мольный объем СО2 22,26 м3/кмоль (22260 см3/кмоль). По данным анализа, из 100 г природного известняка получено

моль СаО

моль СО2

Отсюда следует, что в 100 г известняка содержится 0,931 моль, или 0,931×100,1=93,2 г СаСО3. На это количество СаСО3 выделится при разложении 0,931 моль СО2. Остальные 0,956-0,931 = 0,025 моль СО2 связаны в известняке в виде MgCO3. Следовательно, в 100 г известняка содержится 0,025-84,32 = 2,1 г MgCO3. Таким образом, природный известняк содержит: 93,2% СаСО3, 2,1% MgCO3 и 4,7°/0 пустой породы.

3. МАТЕРИАЛЬНЫЕ РАСЧЕТЫ

Материальный баланс отражает закон сохранения массы вещества:

во всякой замкнутой системе масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, получившихся в результате реакции.

Применительно к материальному балансу любого технологического процесса это означает, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию — приход, равна массе всех веществ, получившихся в результате ее, — расходу.

Материальный баланс может быть представлен уравнением, левую часть которого составляет масса всех видов сырья и материалов, поступающих на переработку, а правую — масса получаемых продуктов плюс производственные потери:

Smисх = Smкон + Smпот (1)

В процессе не всегда присутствуют все фазы, в одной фазе может содержаться несколько веществ, что приводит к упрощению или усложнению уравнения (1).

Теоретический материальный баланс рассчитывается на основе стехиометрического уравнения реакции. Для его составления достаточно знать уравнение реакции и молекулярные массы компонентов.

Практический материальный баланс учитывает состав исходного сырья и готовой продукции, избыток одного из компонентов сырья, степень превращения, потери сырья и готового продукта и т. д.

Из данных материального баланса можно найти расход сырья и вспомогательных материалов на заданную мощность аппарата, цеха, предприятия, себестоимость продукции, выходы продуктов, объем реакционной зоны, число реакторов, производственные потери (непроизводительный расход сырья, материалов, готового продукта на разлив, утечку, унос).

Расчеты обычно выполняют в единицах массы (кг, т); можно вести расчет в молях. Только для газовых реакций, идущих без изменения объема, в некоторых случаях, возможно ограничиться составлением баланса в кубических метрах.

Результаты подсчетов материального баланса сводятся в таблицу 1.

Видео:Решение олимпиадой задачи по химии на материальный баланс в растворе.Скачать

Материальный баланс по уравнению реакции

Материальный баланс реакционного процесса

Основой расчетов химико-технологических процессов являются материальные и тепловые балансы. К расчетам материального баланса следует отнести определение выхода основного и побочных продуктов, расходных коэффициентов по сырью, производственных потерь. Только определив материальные потоки, можно произвести конструктивные расчеты производственного оборудования и коммуникаций, оценить экономическую эффективность и целесообразность процесса. Составление материального баланса необходимо как при проектировании нового, так и при анализе работы действующего производства.

Материальный баланс может быть представлен уравнением, левую часть которого составляет масса всех видов сырья и материалов поступающих на переработку S G, а правую — масса получаемых продуктов S G плюс производственные потери G _пот

Основой материального баланса являются законы сохранения массы вещества и стехиометрических соотношений.

Материальный баланс составляют по уравнению основной суммарной реакции с учетом побочных реакций согласно закону сохранения массы вещества. Общая масса всех поступающих в аппарат материалов, то есть приход, равен общей массе выходящих материалов , то есть расходу. Материальный баланс составляют на единицу массы основного продукта (кг, т) или единицу времени (ч, сутки).

Теоретический материальный баланс рассчитывают на основе стехиометрического уравнения реакции. Для его составления достаточно знать уравнение реакции и молекулярные массы компонентов.

Практический материальный баланс учитывает состав исходного сырья и готовой продукции, избыток одного из компонентов сырья, степень превращения, потери и т.д.

Методика расчета практического материального баланса реактора на примере окисления метанола в формальдегид. Сложность расчета материальных потоков обусловлена наличием нескольких целевых, побочных и параллельных реакций с образованием соответствующих веществ. Расчет материального баланса реактора проводим на основе схемы химико-технологического процесса представленного на рис. 10.

Расчет полного материального баланса реактора представляет собой составление балансов по каждому из исходных, целевых, побочных веществ и их суммировании по приходу и расходу.

Видео:Процессы и аппараты. Материальный балансСкачать

Методичка ОХТ_2006. Методическое пособие по практическим занятиям для студентов специальностей 148 01 01 Химическая технология производства и переработки неорганических материалов

Название	Методическое пособие по практическим занятиям для студентов специальностей 148 01 01 Химическая технология производства и переработки неорганических материалов
Анкор	Методичка ОХТ_2006.doc
Дата	23.10.2017
Размер	1.11 Mb.
Формат файла
Имя файла	Методичка ОХТ_2006.doc
Тип	Методическое пособие #9744
страница	3 из 9

Подборка по базе: Пневматика пособие.pdf, О. Ф. Алехина О. С. Гапонова основы менеджмента учебное пособие., Метод указания к семинарским занятиям по Педагогике.docx, Учебно-метод. пособие по истории 2021.pdf, учебное пособие профессиональная этика.pdf, Задания к практическим занятиям.docx, учебное пособие по диагностике оппортунистов от 19.02.21 г..docx, ОТВЕТЫ НА ЗАДАНИЯ ПО ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ .docx, Отчет по практическим работам.docx, Сагинова Уч пособие _zhylzhymaytyn mulik_ekonomikasy (1).pdf

2. материальный баланс

химико-технологических процессов
Химико-технологические расчеты составляют главную часть проекта новых химических производств, они же являются завершающей стадией научных исследований и выполняются при обследовании работающих цехов и установок. Основой технологических расчетов является составление материальных и тепловых балансов.

Материальный баланс основан на законе сохранения массы вещества, согласно которому масса веществ, поступивших в замкнутую систему, равна массе веществ на выходе из нее. Применительно к материальному балансу любого технологического процесса это означает, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию, – приход, равна массе всех веществ, получившихся в результате ее, – расходу.

Материальный баланс может быть представлен уравнением, левую часть которого составляет масса всех видов сырья и материалов, поступающих на переработку (Σm_прих), а правую – масса получаемых продуктов плюс производственные потери (Σm_расх):

Уравнение материального баланса может быть представлено в следующем виде:

m + m + m + m = m + m+ m + m+ m₇, (25)

где m₁ и m₂  массы поступившего газообразного, жидкого и твердого сырья и вспомогательного материала; m₃, m₄, m₅  полученные целевой продукт, побочный продукт, отход соответственно; m₆  непрореагировавшее сырье; m₇ – производственные потери. Слагаемые прихода и расхода, число которых зависит от состава производственных потоков, называют статьями материального баланса.

Материальный баланс – зеркало технологического процесса, отражающее расходные коэффициенты по сырью, наличие твердых отходов, газообразных выбросов, жидких стоков, состав образующихся продуктов. Чем подробнее изучен процесс, тем более полно можно составить материальный баланс. Составляют его по уравнению основной суммарной реакции с учетом параллельных и побочных реакций. Поскольку на практике приходится иметь дело не с чистыми веществами, а с сырьем сложного химического состава, то для составления материального баланса следует учитывать массу всех компонентов, входящих в его состав. Для этого пользуются данными химических анализов.
2.1. Стехиометрический материальный баланс
Теоретический (стехиометрический) материальный баланс рассчитывают на основе стехиометрических уравнений реакции. Часто стехиометрический баланс составляется для реакции, выражающей полный ход процесса и являющейся суммой промежуточных этапов, т. е. для такой реакции, которой в действительности не существует. Удобнее всего составлять материальный баланс, отнеся все расчеты к 1 моль или 1 кмоль основного исходного вещества. После этого по числу моль или кмоль находят объемы и массы исходных веществ и продуктов (кг, т, м 3 , л).

Стехиометрические коэффициенты в химических уравнениях показывают количество моль компонентов, вступивших в химическое взаимодействие. Их можно выразить в массовых величинах, умножая стехиометрические коэффициенты на молярную массу. Например, окисление диоксида серы описывается уравнением SO₂ + 0,5O₂  SO₃. Молярные массы, г/моль или кг/кмоль: SO₂ – 64; O₂ – 32; SO₃ – 80, и это же уравнение с «массовыми» стехиометрическими коэффициентами будет иметь вид 64SO₂ + 16O₂  80SO₃. В такой записи очевиден материальный баланс: суммарная масса исходных веществ равна массе продукта.

Рассмотрим пример: в производстве азотной кислоты определить количество HNO₃, образующейся из 1 т аммиака. В химико-технологическом процессе протекают следующие реакции:

(принимаем, что NH₃ полностью окисляется до NO);

 окисление оксида азота

 хемосорбция диоксида азота

В абсорбционную колонну подается кислород, и образующийся оксид азота повторно окисляется до NO₂ по реакции (27).

Таким образом, образование азотной кислоты представлено стехиометрическими уравнениями (2628). Умножим первое из них на 1, второе – на 3, третье – на 2 и сложим их. Получим суммарное стехиометрическое уравнение (брутто-уравнение)

Конечно, такая реакция не известна. Но стехиометрическое уравнение показывает, в каких соотношениях реагенты вступают во взаимодействие друг с другом, и этому определению отвечает уравнение (29). Умножим стехиометрические коэффициенты в (29) на мольные массы соответствующих компонентов (г/моль или кг/кмоль) (NH₃ – 17; O₂ – 32; HNO₃ – 63; Н₂О – 18) и получим

Из уравнения (30) видно, что для производства 63 кг азотной кислоты надо затратить 17 кг аммиака, а на 1 т (1 000 кг) азотной кислоты пойдет 17  1000 / 63 = 270 кг NH₃.

Удобство записи суммарного стехиометрического уравнения очевидно.
2.2. Примеры составления стехиометрических балансов
Пример 1.

Сожжено 100 м 3 газовой смеси, содержащей 50 об. % пропана и 50 об. % бутана. Избыток воздуха по отношению к теоретически необходимому для сгорания составляет 20%. Составить материальный баланс процесса горения и рассчитать состав продуктов сгорания (об. %).

При расчете принимаем, что воздух является смесью одного объема кислорода и 3,76 объема азота (т. е. молярное отношение О₂ : N₂ составляет 1 : 3,76). Объем 1 кмоль О₂, N₂ при н. у. равен 22,4 м 3 .

Уравнения реакций горения имеют следующий вид:

Исходя из состава воздуха и с учетом его избытка при сжигании газовой смеси, запишем общее уравнение реакции, принимая во внимание, что молярное соотношение пропана и бутана в смеси такое же,

как объемное соотношение (т. е. 1 : 1):

воздух для воздух для избыток воздуха

сжигания пропана сжигания бутана

Данное уравнение можно записать в следующем виде:

Результаты материального баланса представлены в табл. 1. Стехиометрические балансы могут быть представлены в виде уравнений, согласно которым можно рассчитать степень превращения реагентов и их концентрацию в данный момент времени (табл. 2).
Так, например, общий вид уравнения реакции

где   стехиометрический коэффициент;    абсолютное значение стехиометрического коэффициента (для исходных веществ  0).

Обозначим количество исходных веществ (в моль) перед началом реакции через n_a ₀, n_b ₀, …, n_i ₀, …, а количество исходных веществ в данный момент реакции n_a, n_b, …, n_i, … . Когда исходные реагенты берутся в стехиометрическом соотношении, степени превращения каждого из них одинаковы. Если же исходные реагенты вступают в реакции не в стехиометрическом соотношении, то значение степени превращения х зависит от того, для какого вещества эта величина рассчитывается. Следовательно, так как соотношения количеств исходных реагентов могут быть нестехиометрическими, расчет будем вести по степени превращения одного, произвольно выбранного, исходного реагента, например K.

х_k = .

В соответствии со стехиометрическим уравнением (31), когда превращению подвергается 1 моль исходного вещества K, одновременно превращение претерпевает число молей исходного вещества I, равное

n_i ₀  n_i =  n_k ₀  х_k.
Мгновенное значение концентрации исходного вещества J (мольной доли N_j) равно отношению числа молей J, содержащихся в данный момент в системе, реагирующей согласно уравнению (31), к числу всех молей, находящихся в данный момент в системе (сумма в четвертой графе табл. 2):

N_j = . (32)

В числителе и знаменателе выражения (32) написан знак «+», так как вместо _i  использовано _i (для исходных веществ _i

Т, С

100

150

К_р

17,29

0,9042

0,0948

реакции получения хлористого изопропила из стехиометрической смеси пропилена и хлористого водорода по уравнению

Общее давление Р = 1 атм.

Рассчитать степень превращения пропилена = x.

Принимаем, что в реакцию вступают 1 моль пропилена и 1 моль хлористого водорода. После установления равновесия будет (1 – x) моль пропилена, (1 – x) моль хлористого водорода и x моль хлористого изопропила. Всего