BILANS STECHIOMETRYCZNY REAKCJI ELEMENTARNYCH

Prezentacja na temat: "BILANS STECHIOMETRYCZNY REAKCJI ELEMENTARNYCH"— Zapis prezentacji:

1 BILANS STECHIOMETRYCZNY REAKCJI ELEMENTARNYCH
Marek Kaźmierczak. Technologie przyjazne dla środowiska, 2011 BILANS STECHIOMETRYCZNY REAKCJI ELEMENTARNYCH          W celu sporządzenia bilansu napiszmy równanie stechiometryczne przyjmując, że współczynniki stechiometryczne są liczbami względnymi: 1 A1 + 2 A2 + 3 A3 + … + k Ak = 0 k  i Ai = 0 i=1 gdzie: A1, A2, A3, ... Ak – mol substancji A1, A2, A3, ... Ak, 1, ... k – współczynniki stechiometryczne. Współczynniki stechiometryczne dla substratów są ujemne, dla produktów dodatnie, a dla składników nie biorących udziału w reakcji mają wartość 0.

2  n0i - ni ni n0i - ni ni i =  =  i i   = 
Marek Kaźmierczak. Technologie przyjazne dla środowiska, 2011 W rzeczywistości reakcje nie zawsze przebiegają do końca. Dla scharakteryzowania postępu reakcji wprowadźmy pojęcia stopni przemiany i-tego reagenta (i = 1, 2, 3, .... k):  n0i - ni ni n0i - ni ni i =  =  i i   =  n0i n0i F F0 n0i i =  i = x0i i F0 gdzie: n0i – początkowa liczba moli i-tego reagenta, ni - liczba moli i-tego reagenta po reakcji, F0 - początkowa liczba moli reagentów, x0i - ułamek molowy reagenta i przed reakcją.

3 Marek Kaźmierczak. Technologie
przyjazne dla środowiska, 2011 Znając stopień przemiany możemy określić zmianę liczby moli i-tego reagenta w wyniku reakcji: ni = i n0i = i F0 §               Przyjmując, że reagent A1 jest reagentem kluczowym (tzn. zmiany stężenia tego reagenta służą do określenia postępu reakcji), możemy w oparciu o liczbę postępu reakcji obliczyć liczbę moli poszczególnych reagentów po reakcji: n n nk λ = —— = —— = ... = ——   k

4 ni = n0i + ni = n0i + —— 1 n01 = x0i F0 + —— 1 F0 1 1
i i i ni = — n1 = —— 1 n01 = —— 1 F0 1 1 1 i i ni = n0i + ni = n0i + —— 1 n01 = x0i F0 + —— 1 F0 1 1          Sumaryczna liczba moli po reakcji wynosi: k   F =  ni = F0 + —— 1 n01 = F0 + —— 1 F0 i= 1 1 molowy oraz stężenie reagenta i po reakcji równe są: ni p xi = — , a stężenie ci = —— xi F R T Marek Kaźmierczak. Technologie przyjazne dla środowiska, 2011

5 Reagent Przed Zmiana Po reakcji reakcją
Marek Kaźmierczak. Technologie przyjazne dla środowiska, 2011 §               PRZYKŁAD W reakcji utleniania ditlenku siarki uzyskano stopień przemiany 1 = 0,96. obliczyć skład mieszaniny reagentów po reakcji, jeśli skład początkowy był następujący: SO2 7 %, O2 10 %, N2 83 %. 2SO2 + O2 = 2SO3 Reagent Przed Zmiana Po reakcji reakcją SO2 n01 (11)n011 n01 + (11)n011 O2 n02 (21)n011 n02 + (21)n011 N2 n03 (31)n011 n03 + (31)n011 SO3 n04 (41)n011 n04 + (41)n011 Razem F0 (1)n011 F0 + (1)n011 SO2 7 (-2 -2) 7*0, *0,96 O2 10 ( -1-2) 7*0, – 0,5* 7*0,96 N2 83 ( 0-2) 7*0, SO3 0 (2 -2) 7*0, *0,96 Razem 100 (-1 -2) 7*0, – 0,5* 7*0,96

6 x1 =  =  = 0,003
Marek Kaźmierczak. Technologie przyjazne dla środowiska, 2011 x01 + (11)x01 ,07 + (-2-2) 0,07 0,96 x1 =  =  = 0,003 1 + (1)x01 (-1-2) 0,07 0,96 x02 + (21)x01 ,10 + (-1 2) 0,07 0,96 x2 =  =  = 0,069 1 + (1)x01 (-1/ 2) 0,07 0,96 x03 + (31)x01 ,83 + (0 2) 0,07 0,96 x3 =  =  = 0,858 (41)x01 ,07 0,96 x4 =  =  = 0,070

7 BILANS STECHIOMETRYCZNY REAKCJI ZŁOŻONYCH
Napiszmy równania stechiometryczne zachodzących w procesie reakcji i osiągane w nich stopnie przemiany reagentów kluczowych: 1,1A1,1 + 2,1A2, k,1Ak,1 = 0 kl-1 =nkl1,1/F0 1,2A1,2 + 2,2A2, k,2Ak,2 = 0 kl-2 =nkl2,2/F0 1,RA1,R + 2,RA2,R k,RAk,R = 0 kl-R =nklR,1/F0 Liczba moli i-tego reagenta po procesie będzie wynosiła: R ni = n0i + ni,1 + ni, ni,R = n0i +  (ni,j) j=1 i,j ni,j =  klj,j F0 kl-j   i,j ni = n0i + ( )klj,j F0 Marek Kaźmierczak. Technologie przyjazne dla środowiska, 2011

8 F = F0 + (j/kl-j)klj,j F0
Liczba moli reagentów po reakcji: F = F0 + (j/kl-j)klj,j F0 Stężenie i-tego reagenta po reakcji będzie równe: ni n0i + (i,j/kl-j)klj,j F0 xi =  =  F F0 + (j/kl-j)klj,j F0 Wydajności ,  i η oraz selektywność procesu σ względem reagenta A1 będą wynosiły: Δn1 Δn1 1 =  , 1 =  n F0 Δn1g Δn1g η =  , σ =  n ΣΔn1j gdzie: Δn1g – zmiana liczby moli reagenta A1 w reakcji głównej.

9 PRZYKŁAD: Obliczyć ułamki molowe składników mieszaniny reakcyjnej po konwersji metanu z parą wodną, jeśli w procesie zachodziły dwie reakcje (1) CH4 + H2O = CO + 3H2 (2) CO + H2O = CO2 + H2 Substraty, którymi były metan i para wodna, występowały przed reakcją w stosunku molowym 1 : 4, a przyjmując za reagenty kluczowe metan w reakcji (1) i ditlenek węgla w reakcji (2), uzyskano stopnie przemiany CH4,1 = 0,19 i CO2,2 = 0,03.   1 = nCH4,1/F0 = 0,19 2 = nCO2,2/F0 = 0,03 Marek Kaźmierczak. Technologie przyjazne dla środowiska, 2011

10                PRZYKŁAD c.d. CH4 + H2O = CO + 3H2 CO + H2 O= CO2 + H2 Reagent Przed Po reakcji Po reakcji 2 reakcją CH4 n01 n01 + (-1/-1)F0’ ( 01)F0’2 H2O n02 n02 + (-1-1)F0’ (-11)F0’2 CO n03 n03 + ( 1-1)F0’ (-11)F0’2 CO2 n04 n ( 11)F0’2 H2 n05 n05 + ( 3-1)F0’ ( 11)F0’2 Razem F0 F0 + ( 2-1)F0’ ( 01)F0’2 n01 + (-1-1)F0’1 np. x1 =  F0 + ( 2-1)F0’1

11

12

13 Kierunki wykorzystania gazu syntezowego[1] z gazu
zawierającego tylko CO i H2: ·     Synteza metanolu ( metanol): CO + 2H2 = CH3OH ·     Synteza Fischera-Tropscha ( frakcje benzynowe i olejowe): kat. Co, ThO2, Mg CO + 2H = (CH2) + H2O kJ/mol C; 0,1-1 Mpa  węglowodory prostołańcuchowe kat. Fe, Cu, alkalia  2CO + H = (CH2) + CO kJ/mol C; 0,1-4 Mpa   węglowodory rozgałęzione  kat. ThO2, Al2O3, K2CO3 nCO + 2nH = CH2-CH2- +H2O 30 MPa [1] E.Grzywa, J.Molenda, Technologia podstawowych syntez organicznych, WN-T , W-wa 1987, str.391

14 Zmodyfikowana synteza Fischera-Tropscha ( etylen i propylen)
Metanizacja ( wysokometanowy gaz opałowy): kat. Ni, Co, Fe CO + 3H2 = CH4 + H2O +207 kJ/mol C ·     Synteza acetylenu i etylenu: 2CH = C2H2 + 3H2 kat. Pd C2H2 + H = C2H4 2000C  [1] E.Grzywa, J.Molenda, Technologia podstawowych syntez organicznych, WN-T , W-wa 1987, str.391 

15 · Synteza glikolu etylenowego ( glikol etylenowy)
·     Synteza glikolu etylenowego ( glikol etylenowy)     Synteza bezwodnika octowego( g.synt. + metanol  bezwodnik octowy) ·     Synteza etanolu i etylenu ( g.synt. + metanol  etylen, etanoletylen) Synteza met. okso( g.synt. + propylen lub inne olefiny  aldehydy, alkohole): kat. Co, Ni(CO)4 R”CH=CHR’ + CO + H2 = R”CH2-R’CH-CHO C, 15 MPa  [1] E.Grzywa, J.Molenda, Technologia podstawowych syntez organicznych, WN-T , W-wa 1987 (str.391)

16 kat. ThO2, TiO2, alkoholany sodu lub potasu CO + CH3OH = HCOOCH3
·   Synteza kwasu octowego lub mrówczanu metylu (CO + metanol  kwas octowy, mrówczan metylu): kat. ThO2, TiO2, alkoholany sodu lub potasu CO + CH3OH = HCOOCH3 C, 10 MPa ·   Synteza octanu metylu, octanu winylu ( kwas octowy + metanol  octan metylu, octan winylu): ·   Procesy karbonylowania (CO + olefiny, acetylen lub alkohole i woda  kwasy organiczne i estry):  [1] E.Grzywa, J.Molenda, Technologia podstawowych syntez organicznych, WN-T , W-wa 1987 (str.391)