Расчет материального баланса при одновременном протекании нескольких реакций

В простейшем случае такие задачи описывают реакции горения газовых смесей. При этом количество воздуха, необходимое для процесса горения, рассчитывают по стехиометрическим уравнениям реакций. Решение включает следующие этапы:

· рассчитывают мольное и массовое количество каждого компонента исходного газового потока;

· записывают уравнения всех химических превращений, возможных в данной системе;

· по химическим уравнениям рассчитывают количество воздуха, необходимое для реакций горения, а также количество продуктов реакций;

· рассчитывают материальный баланс процесса.

Задача 9

Рассчитать материальный баланс процесса горения смеси веществ No = 3000 кмоль/ч состава nN2=0,2; nC2H6=0,4; nC2H4=0,3; nCO2=0,1 в воздухе (избыток воздуха - 15%). Хi = 1.

Решение

1. Рассчитываем мольный расход каждого компонента горючего газа (табл. 1.15).

Таблица 1.15.

Мольный расход компонентов горючего газа

Вещество Mi, кг/кмоль ni ni,0, кмоль/ч
N2 0,2 3000×0,2=600
C2H6 0,4 3000×0,4=1200
C2H4 0,3 3000×0,3=900
CO2 0,1 3000×0,1=300
ВСЕГО  

2. По стехиометрическим уравнениям реакций рассчитываем количество кислорода, необходимое для полного сгорания компонентов смеси:

- по реакции (1) : 2С2Н6+7О2=4СО2+6Н2О

NO2,1 = Расчет материального баланса при одновременном протекании нескольких реакций - student2.ru NC2H6, 0= Расчет материального баланса при одновременном протекании нескольких реакций - student2.ru 1200=4200 (кмоль/ч);

- по реакции (2) : С2Н4+3О2=2СО2+2Н2О

NO2,2 = Расчет материального баланса при одновременном протекании нескольких реакций - student2.ru NC2H4, 0 = Расчет материального баланса при одновременном протекании нескольких реакций - student2.ru 900=2700 (кмоль/ч);

3. Суммарное количество кислорода, необходимое для обеих реакций, с учетом избытка:

NO2,возд = (NО2,1+ NО2,2) ×1,15 = (4200+2700) ×1,15 = 6900×1,15 = 7935 (кмоль/ч);

4. Рассчитываем мольный расход азота, пришедшего в реактор из воздуха вместе с кислородом NN2,возд:

NN2,возд= Расчет материального баланса при одновременном протекании нескольких реакций - student2.ru NO2,возд= Расчет материального баланса при одновременном протекании нескольких реакций - student2.ru 7935=29850,71 (кмоль/ч);

5. Так как в исходном газовом потоке уже присутствовал азот, его общее количество на входе в реактор составит:

NN2,общ= NN2,возд+ NN2,0= 29850,71 +600=30450,71 (кмоль/ч);

6. Избыточное количество кислорода на выходе из реактора:

NO2 = NO2,возд. - (NO2,1 + NO2,2) = 7935- 6900=1035 (кмоль/ч);

7. Количество азота, вышедшее из реактора, остается неизменным: NN2 = NN2,общ.

8. Количество образовавшихся продуктов:

- по реакции 1 : 2С2Н6+7О2=4СО2+6Н2О

NСO2,1 = Расчет материального баланса при одновременном протекании нескольких реакций - student2.ru NC2H6, 0 = Расчет материального баланса при одновременном протекании нескольких реакций - student2.ru 1200 = -2400 (кмоль/ч);

NН2O,1 = Расчет материального баланса при одновременном протекании нескольких реакций - student2.ru NC2H6, 0 = Расчет материального баланса при одновременном протекании нескольких реакций - student2.ru 1200 = -3600 (кмоль/ч);

- по реакции 2 : С2Н4+3О2=2СО2+2Н2О

NСO2,2 = Расчет материального баланса при одновременном протекании нескольких реакций - student2.ru NC2H4, 0 = Расчет материального баланса при одновременном протекании нескольких реакций - student2.ru 900 = -1800 (кмоль/ч);

NН2O,2 = Расчет материального баланса при одновременном протекании нескольких реакций - student2.ru NC2H4, 0 = Расчет материального баланса при одновременном протекании нескольких реакций - student2.ru 900= -1800 (кмоль/ч);

10. Суммируем аналогичные продукты по обеим реакциям:

NСO2(1+2)= -NСO2,1 - NСO2,2 = -2400-1800= -4200 (кмоль/ч);

11. С учетом СО2, поступающего на вход реактора, его суммарное количество на выходе составит: NСO2 = NСO2,0 - (-NСO2,(1+2) ) = 4200+300=4500 (кмоль/ч);

12. Суммарное количество воды на выходе из реактора: NН2O = 0-(-NН2O,(1+2) )= 3600+1800= 5400 (кмоль/ч).

Результаты расчета сводим в таблицу материального баланса (табл.1.16). При решении задачи на компьютерах с помощью пакета Excel решение выполняется в такой же таблице.

Таблица 1.16.

Материальный баланс при одновременном протекании нескольких реакций

В-во Mi, кг/кмоль Приход Реакции   Расход
ni,0, кмоль/ч mi,0, кг/ч ni,1 ni,2 ni,хр, кмоль/ч ni,кмоль/ч mi,кг/ч
C2H6 - - -
C2H4 - - -
CO2 -4 -2 -4200
О2
Н2О - - -6 -2 -5400
N2 30450,71 852619,88 - - - 30450,71 852619,88
ВСЕГО 40785,71       41385,71

Задача 10

Рассчитать материальный баланс процесса горения смеси веществ Vo = 50000 м3/ч состава gN2=0,2; gC2H6=0,2; gC2H4=0,05; gCH4=0,5; gCO24=0,05 в воздухе (избыток – 15%). Хi=1.

Решение

Пример решения задачи в пакете EXCEL представлен в табл.1.17.

Таблица 1.17.

Расчет материального баланса при одновременном протекании нескольких реакций - student2.ru Если реакция проходит с изменением объема, а реакционная смесь содержит нестехиометрическое содержание веществ, рассчитывают коэффициент изменения объема смеси.

Пример

Рассчитать коэффициент изменения объема и долю стехиометрической смеси для реакции А+3ВÛ2R , если исходная газовая смесь содержит (кмоль/м3) :

СA,0= 2, СB,0 = 6, СR,0 = 0,33.

Решение

nA = 1, nВ = 3, nR = 2, nS = 0;

aB = Расчет материального баланса при одновременном протекании нескольких реакций - student2.ru ; aR = Расчет материального баланса при одновременном протекании нескольких реакций - student2.ru ;

x = Расчет материального баланса при одновременном протекании нескольких реакций - student2.ru = Расчет материального баланса при одновременном протекании нескольких реакций - student2.ru -0,48019

Пример

· Рассчитать коэффициент изменения объема и долю стехиометрической смеси для реакции SO2+0,5O2 Û SO3 , если исходная газовая смесь имеет состав (мол. доли): SO2 - 0,09; O2 - 0,11; N2 - 0,80;

Решение

nA = 1, nВ = 0,5, nR = 1, nS = 0;

aО2 = Расчет материального баланса при одновременном протекании нескольких реакций - student2.ru ; aSO3 = Расчет материального баланса при одновременном протекании нескольких реакций - student2.ru ;

x = Расчет материального баланса при одновременном протекании нескольких реакций - student2.ru = Расчет материального баланса при одновременном протекании нескольких реакций - student2.ru -0,22502

Наши рекомендации