Podstawy bilansowania procesów technologicznych, Skrypty z Technologia i inżynieria chemiczna

Pobierz Podstawy bilansowania procesów technologicznych i więcej Skrypty w PDF z Technologia i inżynieria chemiczna tylko na Docsity!

Podstawy bilansowania

procesów technologicznych

Wydanie trzecie poprawione

Jadwiga Skupińska

Uniwersytet Warszawski

Wydział Chemii

Zakład Technologii Chemicznej

1. Wstęp

Skrypt przeznaczony jest dla studentów III roku studiów I stopnia (licencjackich) na Wydziale Chemii Uniwersytetu Warszawskiego oraz może być wykorzystywany przez studentów innych uczelni. Podstawowym celem niniejszej książki jest przedstawienie podstaw tworzenia bilansów technologicznych wybranych operacji oraz procesów jednostkowych. Skrypt składa się z trzech części. W pierwszej części ( Rozdział 2) przedstawiono ogólne zasady sporządzania bilansów technologicznych, omówiono podstawowe pojęcia i definicje związane z procesem technologicznym. W drugiej części ( Rozdział 3) przedstawiono przykłady bilansów materiałowych operacji i procesów jednostkowych z rozwiązaniami i omówieniem metodyki rozwiązywania zadań. Przedyskutowano między innymi bilanse materiałowe: suszarki, mieszalnika, kolumny destylacyjnej, ekstraktora. Przedstawiono także metodę sporządzania bilansów materiałowych reaktorów chemicznych dla przykładowych reakcji jak: utlenianie, konwersja tlenku węgla, sulfonowanie, karbonylowanie. Zapoznanie się z materiałem przedstawionym w rozdziałach 2 i 3 powinno ułatwić rozwiązanie zadań z rozdziału 4. W trzeciej części (Rozdział 4) zamieszczono zbiór zadań, z których będą losowo wybierane zadania na kolokwium zaliczające ćwiczenia z bilansów materiałowych. Każde zadanie składa się z reaktora, w którym prowadzona jest reakcja chemiczna oraz z aparatu, w którym prowadzona jest operacja jednostkowa. Przedstawione w zadaniach przykłady procesów i operacji jednostkowych są maksymalnie uproszczone dla uzyskania przejrzystości schematów i przepływu strumieni oraz ułatwienia ich rozwiązania.

2. Ogólne zasady tworzenia bilansów materiałowych

Bilansem technologicznym nazywa się zestawienie wszystkich strumieni masy i energii, doprowadzanych i odprowadzanych z instalacji produkcyjnej [1]. W skład bilansu technologicznego wchodzi bilans masowy ( materiałowy) oraz bilans cieplny (energetyczny). Bilanse materiałowe i cieplne są podstawą projektowania i planowania nowych technologii oraz stosuje się je do analizy istniejących procesów.

Proces technologiczny składa się z wielu operacji jednostkowych oraz procesów jednostkowych, w których odpowiednie surowce są przetwarzane w oczekiwany produkt.

Operacjami jednostkowymi nazywamy czynności powodujące zmiany właściwości fizycznych substancji uczestniczących w tym procesie. Nie zachodzą reakcje chemiczne. Operacje jednostkowe dzielimy na:

• mechaniczne: mieszanie, filtrowanie, odpylanie;
• cieplne : przewodzenie, konwekcja, promieniowanie, wrzenie, skraplanie;
• dyfuzyjne : destylacja, rektyfikacja, absorpcja, adsorpcja, ekstrakcja, krystalizacja, suszenie.

Procesem jednostkowym nazywamy czynności, w których przebiega reakcja chemiczna lub biochemiczna substancji uczestniczących w tym procesie. Procesem jednostkowym jest na przykład estryfikacja, utlenianie, redukcja, nitrowanie itp.

Sporządzając bilans masowy stosujemy prawo zachowania masy , a bilans energetyczny prawo zachowania energii. Prawa te obowiązują we wszystkich procesach technologicznych. W procesach, w których przebiega reakcja chemiczna obowiązują też prawa stechiometrii, termodynamiki i kinetyki chemicznej.

Procesy chemiczne mogą być prowadzone w sposób okresowy lub ciągły. Procesy okresowe stosuje się gdy wytwarza się małe ilości produktów np. w przemyśle farmaceutycznym. Produkcja wielkotonażowa prowadzona jest w sposób ciągły.

Instalacja produkcyjna składa się z wielu urządzeń, w których przeprowadzamy operacje i procesy jednostkowe. Wyobraźmy sobie instalację produkcyjną złożoną z mieszalnika, w którym przygotowuje się np. mieszaninę nitrującą, reaktora, w którym przeprowadza się reakcję nitrowania toluenu oraz z separatora, w którym oddziela się produkt od

Tworząc bilanse masowe należy dokładnie zdefiniować, w jakich jednostkach określa się wielkości biorące udział w bilansie oraz podać wymiary tych jednostek. Natężenia przepływu (strumień) masy można wyrażać w jednostkach masy na jednostkę czasu lub liczbie moli na jednostkę czasu. Mówimy wtedy o strumieniu masowym lub molowym. Nie wolno ich mieszać. Pamiętajmy, że sumujemy ze sobą wartości w tych samych jednostkach.

Udziały masowe lub molowe poszczególnych składników w strumieniu można przedstawić w postaci ułamków lub procentów masowych (dawniej wagowych) albo molowych. W mieszaninach gazowych procent lub ułamek molowy mają taka samą wartość jak procent i ułamek objętościowy. W obliczeniach bilansowych przedstawionych w tym skrypcie stosuje się jednostkę Nm^3. Jest to ilość gazu, która w warunkach normalnych (0oC, 0,1Mpa) zajmuje objętość 1 m^3. W tych warunkach objętość molowa większości gazów wynosi prawie 22,4m^3 /kmol w praktyce można stosować przeliczenie 1 kmol gazu = 22,4 Nm^3.

Przystępując do tworzenia bilansu należy wybrać dogodną dla danego przypadku podstawę bilansowania. Podstawą może być przedział czasu np. godzina, doba lub ilość wybranego składnika np. 100 kg HNO 3 czy 1 mol.

Jeśli w strumieniu występuje kilka składników (związków chemicznych) i jeśli bilansujemy układ, w którym nie zachodzą reakcje chemiczne, to dla każdego składnika spełnione jest równanie; Sw xws = So xos (2.5) Sw - strumień masy wprowadzany do urządzenia xws - ułamek masowy składnika s w strumieniu Sw So - strumień masy odprowadzany z urządzenia Xos - ułamek masowy składnika s w strumieniu odprowadzanym So

Jeśli bilansujemy układ, w którym zachodzą reakcje chemiczne to jednostki masowe zamieniamy na mole, obliczamy ilość wymaganego produktu zgodnie ze stechiometrią reakcji a następnie otrzymaną wartość w molach przeliczamy na jednostki masy.

Celem sporządzanego bilansu jest otrzymanie w wyniku jego rozwiązania nieznanych wartości strumieni, ich składów i innych parametrów. W tym celu układamy tyle równań bilansowych ile mamy niewiadomych. Równania muszą mieć sens fizyczny oraz, muszą być jednoznaczne.

W celu sporządzenia prawidłowo bilansu materiałowego czy energetycznego należy postępować zgodnie z wymienionymi poniżej zasadami [2]:

1. Narysować schemat procesu, określić obszar bilansowania.
2. Zaznaczyć strumienie (natężenie przepływu) i ich skład.
3. Określić wartości znane.
4. Określić wartości nieznane.
5. Określić liczbę niezależnych równań bilansowych i sprawdzić, czy układ tych równań można rozwiązać. Jeżeli nie, znaleźć dodatkowe dane lub założyć ich wartości.
6. Wybrać układ jednostek.
7. Ułożyć układ równań bilansowych do rozwiązania.
8. Rozwiązać układ równań.
9. Sprawdzić poprawność rozwiązania.

Przykłady tworzenia bilansów materiałowych prostych operacji i procesów jednostkowych przedstawiono w rozdziale 3.

3. Przykłady bilansów materiałowych wybranych operacji i procesów

jednostkowych – zadania z rozwiązaniami

Zadanie 1 Do kolumny rektyfikacyjnej o działaniu ciągłym wprowadza się mieszaninę octanu etylu (OE) i kwasu octowego (KO) z szybkością 100kg/godz. (strumień S – ciecz surowa). Zawartość estru jako składnika lotniejszego wynosi w cieczy surowej 24% masowych, w destylacie 93% masowych, w cieczy wyczerpanej 3% masowych. Obliczyć natężenia przepływu destylatu (D) i cieczy wyczerpanej (W.

Dane : S = 100kg/godz.; xOES = 24%; xOE D- 93%; xOEW = 3%.

Niewiadome : D – natężenie przepływu destylatu, W – natężenie przepływu cieczy wyczerpanej

Rozwiązanie: Bardzo pomocne przy rozwiązywaniu zadań jest umieszczenie danych w tabelce. Liczba kolumn = liczba strumieni + 1. W naszym zadaniu są 3 strumienie więc liczba kolumn to 4 = 3 +1. W wierszu pierwszym wpisujemy nazwy strumieni: S, D, W; w wierszu 2 wpisujemy natężenie przepływu dla danego strumienia w podanych jednostkach, tu w kg/godz; w następnych wierszach wpisujemy ułamki masowe poszczególnych składników odpowiednio dla danego strumienia. W naszym zadaniu mamy 2 składniki i dwa ułamki masowe dla każdego strumienia.

Obliczamy ułamki masowe kwasu octowego w poszczególnych strumieniach: 1- xOES = xKOS xKOS =76%; xKOD = 7%; xKOW = 97%

Bilans masowy kolumny: S = D + W (1) Bilans estru S xOES = D xOED + W xOEW (2)

Mamy 2 równania z 2 niewiadomymi. Z równania (1) wyznaczamy D = S – W i podstawiamy do (2). S xS = [S – W] xD + W xW

Po przekształceniu otrzymamy: W = S(xD – xS)/(xD – xW)

Podstawiając wartości liczbowe otrzymamy: W =77,2 kg/godz. D = 22,8 kg/godz.

S D W

kg/godz 100 x (^) OE 0,24 0,93 0, x (^) KO

Zadanie 2 Do oczyszczania gazów odlotowych z zanieczyszczeń gazowych takich jak ditlenek siarki, tlenki azotu, siarkowodór itp. Stosuje się urządzenia zwane skruberami. W tych urządzeniach zanieczyszczenia gazowe są pochłaniane w roztworach wodnych lub w wodzie. Jakie powinno być masowe natężenie przepływu wody (strumień S1) przez skruber do absorpcji ditlenku siarki, jeżeli we wprowadzonym do niego powietrzu (strumień S3) znajduje się 12% objętościowych SO 2 , a gaz po absorpcji (strumień S4) może mieć najwyżej 0,02% objętościowych SO 2. Woda wypływająca z absorbera powinna zawierać 10g SO 2 na 100g H 2 O. Do skrubera wpływa 7000 m^3 /h powietrza z SO2. Gęstość powietrza g = 1,29 kg/m^3.

S 1 S 4

S 2 S 3

Oznaczamy S 1 – natężenie przepływu wody czystej wprowadzanej do absorbera S 2 – natężenie przepływu wody wylotowej zawierającej SO 2 S 3 – natężenie przepływu powietrza z SO 2 S 4 – natężenie przepływu powietrza wylotowego, oczyszczonego

Dane : S 3 natężenie przepływu powietrza wlotowego = 7000 m^3 /h, = gęstość powietrza = 1, kg/m^3 ; ułamek objętościowy SO 2 w powietrzu wlotowym xV3S = 0,12, ułamek objętościowy SO 2 w powietrzu wylotowym xV4S =0,0002, xV4P – ułamek objętościowy powietrza w strumieniu wylotowym.

Niewiadome: S1 – natężenie przepływu wody czystej, S 2 natężenie przepływu wody wylotowej z SO2, S 4 natężenie przepływu powietrza wylotowego

Rozwiązanie Bilans masowy skrubera: S 1 + S 3 = S 2 + S 4 (1) Bilans masowy SO 2 (xS – ułamki masowe/masowe SO 2 ) S 3 x3S = S 2 x2S + S 4 x4S (2) Bilans masowy powietrza S 3 x3P = S 4 x4P (3) x4P = 1 - x4S (4) x3P = 1 – x3S (5)

Przeliczamy przepływ objętościowy powietrza na masowy – strumień S 3. W strumieniu S 3 obok powietrza jest SO 2. Przepływ powietrza w strumieniu S 3 obliczamy:

7000(xV3P) = 7000(1 – xV3S ) = 7000(1-0,12) 1.29 [m^3 /h*kg/m^3 ] = 7950 kg/godz.

Zawartość SO 2 w strumieniu S3: 7000*0,12 = 840 m^3 /h

S 1 S 2 S 3 S 4

kg/godz. X woda 1 -- -- X SO 2 -- X pow -- --

Rozwiązanie: Bilans całkowity: S 1 + S 2 = S 3 + S 4 (1) Bilans acetonu S 1 x1A = S 3 x3A + S 4 x4A (2) Bilans wody S 1 x1W = S 3 x3W (3)

Brakujące składy wyznaczamy ze wspólczynnika podzału i zależności xi = 1 k = xRA/xEA = 8, x4A = x3A/8,75 = 0,28:8,75 = 0, x1W = 1 – x1A = 0, x3W = 1 – x3W = 0,

Wstawiamy dane do równań 1 – 3: otrzymujemy 3 równania z trzema niewiadomymi: 1000 + S 2 = S 3 + S 4 (1) 1000*0,50 = S 3 * 0,28 + S 4 0,032 (2) 10000,50 = S 3 *0,72 (3)

Po rozwiązaniu S 2 = 2,57 kg/s chlorobenzenu

Zadanie 4 W procesie krystalizacji nasycony roztwór wodny azotanu sodowego NaNO 3 przepływający w ilości 5000 kg/godz. przez krystalizator o działaniu ciągłym ochładzany jest od temperatury początkowej 363 K do temp. końcowej 313 K. Należy przyjąć, że w krystalizatorze jednocześnie z ochładzaniem następuje odparowanie wody w ilości 3% masy początkowej roztworu. Obliczyć masę produktu krystalizującego w ciągu godziny oraz wydajność procesu. Stężenie nasyconego wodnego roztworu soli wynosi: w temp. 363 K – 165 kg NaNO 3 /100 kg H 2 O w temp. 313 K – 105 kg NaNO 3 /100 kg H 2 O

S

S1 S

S

Oznaczamy S1 – strumień nasyconego roztworu NaNO 3 wprowadzany do krystalizatora [kg/godz.] S2 – strumień nasyconego roztworu NaNO 3 odprowadzany z krystalizatora [kg/godz.] S3 – strumień wykrystalizowanego NaNO 3 [kg/godz.] S4 – strumień odparowanej wody [kg/godz.] x1A – ułamek masowy azotanu sodu w strumieniu S1, x2A - ułamek masowy azotanu sodu w strumieniu S

Dane: S1 = 5000 kg/godz.;

S 1 S 2 S 3 S 4

kg/godz. 5000 X (^) NaNO3 -- X (^) woda --

Rozwiązanie: Bilans całkowity S1 = S2 + S3 + S4 (1) S4 = 0,03 · S1 (2) Bilans azotanu amonu S1 x1A = S2x2A + S3 (3) Obliczamy ułamki masowe z definicji x1A = 165/265 = 0,62 (4) x2A = 105/205 = 0,51 (5) Po rozwiązaniu równań otrzymamy: S2 = 3570 kg/godz., S3 = 1280 kg/godz., S4 = 150 kg/godz.

Obliczamy wydajność procesu jako stosunek masy azotanu sodu wydzielonego w postaci kryształów do masy wprowadzonego azotanu w strumieniu S1. W = [1280/3100]100 = 41%.

Zadanie 5 Obliczyć ilość zużytego powietrza w suszarce przy usuwaniu z wilgotnego materiału 100 kg wody w ciągu godziny jeżeli wilgotność początkowa powietrza wynosi 0,8% masowych a końcowa 2,7% masowych. Obliczyć także jakie jest masowe natężenie przepływu mokrego materiału jeżeli w ciągu godziny uzyskuje się 360 kg wysuszonego materiału o wilgotności 0,5%. Dane wpisane są do tabelki.

S 4 S 3

S 1 S 2

Oznaczamy: S 1 - natężenie przepływu mokrego materiału, S 2 – natężenie przepływu wysuszonego materiału, S 3 – natężenie przepływu suchego powietrza, S 4 – natężenie przepływu mokrego powietrza X1W – ułamek masowy wody w mokrym materiale, X2W – ułamek masowy wody w suchym materiale, X3W – ułamek masowy wody w suchym powietrzu, X4W – ułamek masowy wody w mokrym powietrzu,

Rozwiązanie Bilans całkowity: S 1 + S 3 = S 2 + S 4 (1) Z treści zadania: S 1 – S 2 = 100 kg/godz. (2) Bilans powietrza S 3 x3P = S 4 x4P (3) x4P = 1 - x4W (4) x3P = 1 – x3W (5)

Po podstawieniu danych i rozwiązaniu otrzymamy: Potrzebna masa powietrza = 5121 kg/godz.; natężenie przepływu mokrego materiału 460 kg/godz..

S 1 S 2 S 3 S 4

kg/godz. 360 X woda 0,005 0,008 0, X materiał -- -- X pow -- --

Zadanie 7 Obliczyć współczynnik nadmiaru technicznego fosforanu wapnia zawierającego 80% Ca 3 (PO 4 ) 2 potrzebny dla wyprodukowania 1 tony superfosfatu zawierającego 90% Ca(H 2 PO 4 ) 2. Rozwiązanie: Reakcja: Ca 3 (PO 4 ) 2  Ca(H 2 PO 4 ) 2 Masy molowe: 310 234

Obliczamy masę Ca(H 2 PO 4 ) 2 w 1 t superfosfatu: Korzystamy z proporcji: 1 t - 100% mSF - 90% mSF = 1*90/100 = 0,9 t

Obliczamy masę Ca 3 (PO 4 ) 2 potrzebną na otrzymanie 0,9 t Ca(H 2 PO 4 ) 2 : Ze stechiometrii równania (1) wiadomo że: 310 kg pozwala otrzymać 234kg

Układamy proporcję: 310 - 234 mW - 0,9 t mW = 310*0,9/234 = 1,19 t

Obliczamy w jakiej ilości technicznego fosforanu wapnia jest 80% Ca 3 (PO 4 ) 2 mT - 100% 1,19 t - 80% mT = 1,19/0,8 = 1,49 t

Współczynnik nadmiaru fosforanu do superfosfatu wynosi: f = 1,49/1 = 1,

Zadanie 9 Obliczyć wydajność procesu otrzymywania 65% kwasu azotowego z amoniaku. Stwierdzono, że dla otrzymania 1 tony 65% kwasu azotowego potrzeba 186,2 kg amoniaku.

Rozwiązanie: Przebieg reakcji przedstawia równanie:

NH 3 O^2 NO O^2 NO 2 H^2 O HNO 3 Masa cząsteczkowa amoniaku – 17; masa cząsteczkowa kwasu azotowego – 63.

Obliczamy ile 100% kwasu azotowego można wyprodukować z 186,2 kg amoniaku: 17 kg - 63 kg 186,2 kg - m kg m = 186,2*63/17 = 690 kg

Wydajność procesu: W = [650/690]*100 = 94,2%

Zadanie 10 Na otrzymanie 1 t wapna zawierającego 85% CaO zużywa się 1,7 t wapniaka zawierającego 94% masowych CaCO 3. Obliczyć wydajność produktu.

Rozwiązanie: Przebieg reakcji przedstawia równanie:

CaCO 3  CaO + CO 2

Masa czast. 100 56 44

Obliczamy masę CaO zawartą w 1 t wapna: mCaO = 1000*0,85 = 850 kg

Obliczamy masę CaCO 3 potrzebną dla otrzymania 850 kg CaO: m (^) CaCO 3 850 10056 1518 kg

Obliczamy jaką ilość wapniaka zawiera 1518 kg CaCO 3. Mwapn = 1518/0,94 = 1614 kg

Wydajność procesu wypalania wapniaka: W = 1614* 100/1700 = 95%

Zadanie 11 Spalaniu poddano 1000 kg siarki surowej o zawartości 95% S. Ile m^3 powietrza należy doprowadzić w celu otrzymania ditlenku siarki, jeżeli współczynnik nadmiaru powietrza = 1,8.

Rozwiązanie: Równanie spalania siarki:

S + O 2 = SO 2 Masa atomowa siarki = 32.

Z powyższego równania wynika, że do spalenia 32 kg siarki należy doprowadzić 1 kmol tlenu tzn. 22,4 m^3.

W 1000 kg surowca znajduje się czystej siarki: 1000*0,95 = 950 kg więc z proporcji: 1000 - 100% x - 95%

Teoretyczne zapotrzebowanie tlenu dla spalenia obliczonej ilości siarki wynosi: 950 - 32 Vo - 22, VO = 22,4*950/32 = 665 m^3

Praktyczne zużycie tlenu jest większe, gdyż współczynnik nadmiaru powietrza = 1,8. Vo’ = Vo* = 665*1,8 = 1197 m^3

Ta obliczona ilość tlenu znajduje się w powietrzu, którego objętość obliczymy z następującej zależności: Vpow = 4,76*1197 = 5698 m3.

Zadanie 12 Gaz prażalny o temperaturze 300 C i pod ciśnieniem 760 mmHg zawiera 9% SO 2. Ile m^3 tego gazu należy użyć teoretycznie do wyprodukowania 1000 kg H 2 SO 4 78%.

Przebiega reakcja utleniania tlenku azotu i w strumieniu S2 otrzymujemy mieszaninę produktów i nieprzereagowanych substratów o nieznanej liczbie moli z wyjątkiem azotu, który nie bierze udziału w reakcji:

S2: n 1 NO 2 + n 2 NO + n 3 O 2 + 124,5 N 2

równanie technologiczne:

10,5NO + 15O 2 + 124,5 N 2 n 1 NO 2 + n 2 NO + n 3 O 2 + 124,5 N 2 ( 1 )

aby rozwiązać zadanie oznaczamy jako n ilość moli tlenku azotu, który przereagował i za ni w strumieniu S2 podstawiamy odpowiednie ilości moli:

Np. NO 2 powstało tyle ile przereagowało NO więc: n 1 = n NO nieprzereagowane pozostało w strumieniu S2: n 2 = 10,5 – n, nieprzereagowany tlen: n 3 = 15 – n/ więc ilość moli w S2 wynosi: nNO 2 + (10,5 – n) NO + (15 – n/2) O 2 + 124,5 N 2

Aby obliczyć n korzystamy z definicji ułamka molowego dla NO w strumieniu S2, którego wartość jest znana i równa x2NO =0,

n 10 , 5 n 15 n/ 2 124 , 5 0 , 012 10 ,^5 n

n = 8,8 podstawiamy do równania ( 1 )

10,5NO + 15O 2 + 124,5 N 2 8,8NO 2 + 1,7NO + 10,6O 2 + 124,5 N 2

wydajność reakcji liczymy ze wzoru:

p

r NOteor

NO n

n n w n 2

(^2) lub x 100%

gdzie nNO2 - liczba moli otrzymanego ditlenku azotu nNO2teor – liczba moli ditlenku azotu, który powstanie gdy reakcja przebiegnie w 100% nr = liczba moli NO, który przereagował np = liczba moli NO początkowa, przed reakcją w = 0,84 lub 84%

Obliczamy natężenie masowe przepływu strumienia S2: Mcz NO = 30g/mol; Mcz NO 2 – 46g/mol

8,8 x 46 + 1,7 x 30 + 10,6 x 32 + 124,5 x 28 = 4281g/h

Skład strumienia S2 w ułamkach masowych: xNO= 0,02; xNO2=0,09; xO2 = 0,08 xN2 = 0,

Zadanie 14 Gaz surowy o składzie w procentach molowych 40% H 2 , 42% CO, 2% CO 2 i 16% N 2 poddano konwersji z parą wodną. Zastosowano nadmiar pary wodnej w stosunku molowym do wodoru w

gazie przed konwersją równy 5 :1. Temperatura procesu 420 C i należy przyjąć, że w konwertorze reakcja osiąga stan równowagi. Po konwersji mieszanina gazów jest kierowana do kondensatora gdzie skrapla się parę wodną (S3) i oddziela od suchych gazów odlotowych (S4). Obliczyć skład suchego gazu po reakcji i stopień konwersji tlenku węgla w procentach. Stała równowagi w warunkach procesu K = 113. Przyjąć za podstawę bilansu 100 moli gazu surowego przed konwersją.

Rozwiązanie: Reakcja zachodzi bez zmiany objętości i dlatego jest obojętne czy do równania wprowadzimy ciśnienia cząstkowe, czy stężenia poszczególnych składników wyrażone za pomocą ułamków molowych lub objętościowych.

Skład gazu przed konwersją: 40moli H 2 , 42moli CO, 2mole CO 2 i 16moli N 2 Równanie technologiczne zapisujemy uwzględniając wszystkie składniki obecne w układzie: n 1 CO + n 2 H 2 + n 3 CO 2 + n 4 N 2 + n 5 H 2 O n 6 CO + n 7 H 2 + n 8 CO 2 + n 9 N 2 + n 10 H 2 O (2) Oznaczamy jako x ilość moli tlenku węgla, który przereagował i za n podstawiamy odpowiednie ilości moli: n 1 = 42 n 4 = n 9 = 16 n 7 = 40 + x n 2 = 40 n 5 = 200 n 8 =2 + x n 3 = 2 n 6 = 42 – x n 10 = 200-x Powyższe wielkości wstawiamy do równania (2): 42CO + 40H 2 + 2CO 2 + 16N 2 + 200H 2 O (42 – x)CO + (40 + x)H 2 (2 + x)CO 2 + 16N 2 + (

• x)H 2 O Skład gazu w stanie równowagi ustali się zgodnie z wartością stałej K.

K 422 xx 20040 x x 113

po rozwiązaniu x = 41,8 moli

Skład gazu po konwersji: 81,8moli H 2 , 0,2moli CO, 43,8mole CO 2 i 16moli N 2 , pary wodnej 158,2 po ochłodzeniu i wykropleniu pary wodnej pozostaje: 57,70% H 2 , 0,14% CO, 30,89% CO 2 i 11,27% N 2 Stopień konwersji CO określa się z równania:

p

p k n

n n

gdzie np - liczba moli CO początkowa, przed reakcją; nk – liczba moli CO końcowa, po reakcji α = 99,5%

Reakcja konwersji tlenku węgla jest odwracalna: CO + H 2 O CO 2 + H 2 Stałą równowagi reakcji konwersji określa wzór:

CO HO

K CO H

2

2 2