Розрахунок матеріальних балансів

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Розрахункова частина

1. Розрахунок  рівноважного ступеня перетворення

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.   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.

В газовій фазі перебігає  реакція, яка описується рівнянням:

СН4+NH3«HCN+3H2.

(2.1)

Константи рівноваги цієї реакції:

Розрахунок проводимо  на 1 кмоль вихідної суміші.

Таблиця 2.1 – Склад газової суміші

Вихідна суміш	Суміш в стані рівноваги

 

Дана газофазна реакція відбувається із зміною об’єму, Δn=(3+1) - (1+1)=2.

Концентрації компонентів (молярні долі) у стані рівноваги:

(2.2)

 

 

 

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:

(2.3)

 

Обчислення Хр проведено в Microsoft Excel:

Хр=0,93.

Тоді концентрації компонентів реакції в стані  рівноваги:

2. Матеріальний  баланс (розрахунок) виробництва

Матеріальний  баланс хіміко-технологічного процесу  (ХТП) − це математичне вираження закону збереження маси речовини, відповідно до якого маса всіх видів сировини і матеріалів, що надходять на переробку (статті приходу), дорівнює масі отриманих продуктів (статті витрат). Матеріальний розрахунок виконується з метою визначення витратних коефіцієнтів усіх вихідних реагентів за заданою продуктивністю за цільовим продуктом, а також обчислення складу вихідної суміші і продуктів реакції.

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

Для реакції:

aA + bB ↔ rR + sS,

(2.4)

 

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

 

(2.5)

 

де М_А, М_R − молярні маси компонентів A і R; X − ступінь перетворення за компонентом А, який взято в нестачі відносно 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 розраховуються за формулами:

 

(2.6) (2.7)

 

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) визначається наступним чином:

 

GBo = Go. mBo; VBo = NBo .V0,

(2.8) (2.9)

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

 

.	(2.10) (2.11)

 

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

 

GAK = GAo.(1 - X);	(2.12)
VAK = VAo.(1 - X) = GAK /rA;	(2.13)
	(2.14)
	(2.15)
	(2.16)
	(2.17)
	(2.18)
	(2.19)

 

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

Рівноважний ступінь перетвореня, розрахований в пункті 1.1 становить Хр=0,93. Тоді практичний ступінь перетворення за СН₄:

Х =h^.Х_Р=0,9·0,93=0,837.

Молярні маси учасників реакції:

М_СН4=16 кг/кмоль, М_NH3=17 кг/кмоль, М_C2H6=30 кг/кмоль, М_HCN=27 кг/кмоль, М_Н2=2 кг/кмоль.

Значення  питомої ваги газів при нормальних умовах визначаються за формулою r = М_і/22,4 кг/м³.

ρ _СН4= 0,7143 кг/м³,

ρ_C2H6= 1,3393 кг/м³,

ρ _NН3= 0,7589 кг/м³,

ρ_HCN= 1,2054 кг/м³,

ρ _Н2= 0,0893 кг/м³.

Виконавши розрахунки за формулами (2.5 – 2.9), одержуємо значення статей приходу:

Розрахунок  статей витрат виконується відповідно до формул (2.12 – 2.19).

Результати  обчислень наведено у таблиці  2.2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Висновки

В представленій  розрахунково-графічній роботі для  газофазної реакції:

СН₄+NH₃«HCN+3H₂

було складено матеріальний баланс на 60 т/добу по HCN, при ступені досягнення рівноваги температур на виході з реактора Хр=0,837. Розглянуто основні способи виробництва синільної кислоти і доведено технологічну доцільність одержання ціаніду водню методом прямого синтезу синильної кислоти, які базуються на термічній або каталітичній взаємодії метану з аміаком.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список використаної літератури

1. Загальна хімічна технологія [Текст]/ В. Т. Яворський, Т. В. Перекупко, З. О. Знак, Л. В. Савчук. – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2005. – 552 с.
2. Расчеты химико-технологических процессов / Под ред. И.П.Мухленова. − Л.: Химия, 1962. − 248 с.
3. Мухленов И.П. Основы химической технологии. / И.П. Мухленов,   А.Е. Горштейн, Е.С. Тумаркина. − М.: Высшая школа, 1975. − 344 с.
4. Краткий справочник физико-химических величин. /под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой. − СПб.: Специальная литература, 1998–232 с.
5. Позин М. Е. Технология минеральных солей (удобрений, пестицыдов, промышленных солей, окислов и кислот) [Текст]/ М. Е. Позин. – Л.: Химия, 1974. С. 1535-1539.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблиця 2.2 – Матеріальний баланс 

	Статті приходу				Статті витрат
Компонент	кг	%	м3	%об.	кг	%	м3	%об.
CH4	43116,9521	40,86	60363,7329	42,61	7028,0632	6,66	9839,2885	4,05
NH3	60766,9741	57,58	80069,4246	56,52	22422,5296	21,25	29544,9802	12,17
HCN					60900,0000	57,71	50524,4444	20,82
H2					13533,3333	12,82	151573,3333	62,45
C2H6	1650,6578	1,56	1232,4911	0,87	1650,6578	1,56	1232,4911	0,51
Разом	105534,584	100,00	141665,6486	100,00	105534,584	100,00	242714,5375	100,00