Газофазная реакция синтеза аммиака

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Условие задачи для курсовой работы.

2. Решение задач в OpenOffice

2.1 Кинетика газофазной реакции, зависимость U,U1,U2=f(T,P,X).

2.2 Химическое равновесие, зависимость Za2,Zb2,Zc2,Zd2,X=f(T)

2.3 Расчет реактора полного смешения. Обратная задача, зависимость X,XA1,XA2=f(T).

3. Решение задачи в MathCAD. Материальный баланс химического реактора.

Заключение

Список использованных источников

1. Условие задачи для курсовой работы (исходные данные)

Процесс синтеза NH₃ протекает по уравнению реакции:

N₂ + 3H₂ = 2NH₃

Известно уравнение скорости синтеза аммиака, полученное Темкиным М.И. и Пыжевым В.М.:

Зависимость константы скорости реакции синтеза аммиака от температуры при 300 ат приведена ниже:

Т, ?С	425	450	475	500	525
k1•10-4, час-1	0,32	0,94	2,27	5,34	11,8

Кажущаяся энергия активации для железного катализатора, активированного Al₂O₃ и K₂O, составляет 14 ккал/моль.

После пересчета, с учетом константы равновесия, параметры уравнения Аррениуса:

для прямой реакции: k₀₁=0,184, E₁=57000 кДж/кмоль;

для обратной реакции: k₀₂=4,56•10¹⁰, E₂=165000 кДж/кмоль.

Рекомендуемый диапазон исследования:

· Температур от 700 до 925 К;

· Степеней превращения от 0 до 0,26;

· Давлений от 400 до 600 атм.

Рекомендуемый состав исходной смеси, в мольных долях:

· Водорода - 0,72

· Азота - 0,24

· Аммиака - 0,01

· Метана - 0,03.

В уравнение давление подставлять в атмосферах.

2. Кинетика

Химическая кинетика - учение о химическом процессе, его механизме и закономерностях развития во времени.

Как известно, системы, в которых происходит химическое превращение, могут быть открытыми или замкнутыми. Замкнутой называют систему, в которой отсутствует материальный обмен с окружающей средой. Важнейшей особенностью замкнутых систем является то обстоятельство, что изменение количества какого-либо химического соединения в таких системах происходит только в результате химического превращения.

Системы, в которых имеет место материальный обмен с окружающей средой, называются открытыми системами. В таких системах изменение количества вещества может происходить не только в результате химической реакции, но и в результате массообмена.

Реакции делятся на обратимые и необратимые. Необратимые реакции протекают только в одном направлении: от исходных веществ к продуктам, слева направо.

Обратимые реакции протекают одновременно как от исходных веществ к продуктам, так и наоборот.

Скоростью химической реакции но некоторому компоненту называют изменение в результате химической реакции количества (объема, массы) этого компонента в единицу времени в единице объема.

Скорость пропорциональна концентрациям реагирующих веществ, поскольку при этом повышается вероятность столкновения молекул реагирующих веществ в единице объема. В процессах, протекающих в газовой фазе, число столкновений молекул и, соответственно, актов химической реакции, возрастает также при увеличении давления, так как при увеличении давления в единице объема увеличивается число молекул, то есть растет, по сути дела, их концентрация.

Если в ходе реакции взаимодействуют два вещества, ключевым называют то одно из исходных веществ, которое находится в недостатке от стехиометрии.

Концентрации реагирующих веществ и скорость химической реакции выражают через степень превращения ключевого вещества.

Скорость газофазных реакций является функцией от летучестей реагирующих веществ. Однако в инженерных расчетах часто оказывается достаточным более грубое приближение идеальных газов, где вместо летучестей фигурируют парциальные давления.

Парциальное давление вещества в идеальной газовой смеси представляет собой произведение общего давления смеси на мольную долю компонента.

В кинетике обратимых газофазных реакций условно можно выделить случай простой кинетики и случай сложной кинетики для реакций, протекающих по многоэтапному механизму.

Прямая и обратная реакция также представляют собой, по сути дела, элементарные стадии обратимого химического процесса. Вклад каждой стадии в общую скорость процесса заранее непредсказуем, так как зависит от многих факторов. Чаще всего это температура, давление смеси, концентрации исходных веществ и степень превращения.

Значительно проще дело обстоит для случая простой кинетики, хотя в производстве простая кинетика встречается довольно редко.

Для простой кинетики общая скорость реакции представляет собой разность скоростей прямой и обратной стадий.

Скорость прямой стадии зависит от произведения константы скорости и парциальных давлений исходных веществ, взятых в степенях, равных соответствующим стехиометрическим коэффициентам исходных веществ.

Скорость обратной реакции - от произведения константы скорости и парциальных давлений конечных веществ, взятых в степенях, равных соответствующим стехиометрическим коэффициентам конечных веществ.

Степень, в которую возводят парциальные давления (или концентрации), называют порядкам реакции по данному веществу.

Сумма показателей степеней, в которые возведены парциальные давления, называется порядком реакции.

2.1 Кинетика газофазной реакции, зависимость U,U1,U2=f(T,P,X)

Зависимость U,U1,U2=f(T)

1,84E-001	57000	4,56E+010	165000	1	3	2	0	-2	0,26	500
	Т	К1	К2	W_	Za2_	Zb2_	Zc2_	Zd2_	U1_	U2_	U_	O
	700	0	0,02	0,88	0,2	0,51	0,15	0	0,05	0	0,05	0
	716	0	0,04	0,88	0,2	0,51	0,15	0	0,07	0	0,07	0
	732	0	0,08	0,88	0,2	0,51	0,15	0	0,08	0	0,08	0
	748	0	0,14	0,88	0,2	0,51	0,15	0	0,1	0	0,1	0
	764	0	0,24	0,88	0,2	0,51	0,15	0	0,12	0	0,12	0
	780	0	0,4	0,88	0,2	0,51	0,15	0	0,15	0,01	0,14	0
	796	0	0,67	0,88	0,2	0,51	0,15	0	0,18	0,01	0,17	0
	812	0	1,09	0,88	0,2	0,51	0,15	0	0,21	0,02	0,19	0
	828	0	1,76	0,88	0,2	0,51	0,15	0	0,25	0,03	0,22	0
	844	0	2,77	0,88	0,2	0,51	0,15	0	0,29	0,05	0,24	0
	860	0	4,29	0,88	0,2	0,51	0,15	0	0,34	0,08	0,26	0
	876	0	6,53	0,88	0,2	0,51	0,15	0	0,39	0,12	0,27	0
	892	0	9,81	0,88	0,2	0,51	0,15	0	0,45	0,19	0,26	0
	908	0	14,52	0,88	0,2	0,51	0,15	0	0,52	0,28	0,24	0
	924	0	21,21	0,88	0,2	0,51	0,15	0	0,59	0,4	0,19	0
	940	0	30,58	0,88	0,2	0,51	0,15	0	0,67	0,58	0,09	0
	956	0	43,54	0,88	0,2	0,51	0,15	0	0,75	0,83	-0,07	0

Зависимость U,U1,U2=f(P).

1,84E-001	57000	4,56E+010	165000	1	3	2		-2	0,26	900
	P_	К1	К2	W_	Za2_	Zb2_	Zc2_	U1_	U2_	U_	O_
	300	0	11,96	0,88	0,2	0,51	0,15	0,22	0,29	-0,07	0
	315	0	11,96	0,88	0,2	0,51	0,15	0,24	0,29	-0,04	0
	330	0	11,96	0,88	0,2	0,51	0,15	0,26	0,28	-0,02	0
	345	0	11,96	0,88	0,2	0,51	0,15	0,28	0,27	0	0
	360	0	11,96	0,88	0,2	0,51	0,15	0,29	0,27	0,03	0
	375	0	11,96	0,88	0,2	0,51	0,15	0,31	0,26	0,05	0
	390	0	11,96	0,88	0,2	0,51	0,15	0,33	0,26	0,08	0
	405	0	11,96	0,88	0,2	0,51	0,15	0,35	0,25	0,1	0
	420	0	11,96	0,88	0,2	0,51	0,15	0,37	0,25	0,12	0
	435	0	11,96	0,88	0,2	0,51	0,15	0,39	0,24	0,15	0
	450	0	11,96	0,88	0,2	0,51	0,15	0,41	0,24	0,17	0
	465	0	11,96	0,88	0,2	0,51	0,15	0,43	0,24	0,2	0
	480	0	11,96	0,88	0,2	0,51	0,15	0,45	0,23	0,22	0
	495	0	11,96	0,88	0,2	0,51	0,15	0,48	0,23	0,25	0
	510	0	11,96	0,88	0,2	0,51	0,15	0,5	0,22	0,27	0
	525	0	11,96	0,88	0,2	0,51	0,15	0,52	0,22	0,3	0
	540	0	11,96	0,88	0,2	0,51	0,15	0,54	0,22	0,32	0



Зависимость U,U1,U2=f(X).

1,84E-001	57000	4,56E+010	165000	1	3	2	0	-2	1200	500
	X_	К1	К2	W_	Za2_	Zb2_	Zc2_	Zd2_	U1_	U2_	U_	O_
	0	0	2971,56	1	0,24	0,72	0,01	0	99,32	2,18	97,15	0
	0,01	0	2971,56	1	0,24	0,71	0,01	0	65,45	3,27	62,18	0
	0,02	0	2971,56	0,99	0,24	0,71	0,02	0	48,18	4,39	43,78	0
	0,03	0	2971,56	0,99	0,23	0,7	0,02	0	37,72	5,56	32,17	0
	0,04	0	2971,56	0,98	0,23	0,69	0,03	0	30,71	6,75	23,96	0
	0,05	0	2971,56	0,98	0,23	0,68	0,03	0	25,7	7,99	17,71	0
	0,06	0	2971,56	0,97	0,23	0,68	0,04	0	21,93	9,26	12,67	0
	0,07	0	2971,56	0,97	0,22	0,67	0,04	0	19	10,57	8,43	0
	0,08	0	2971,56	0,96	0,22	0,66	0,05	0	16,66	11,93	4,73	0
	0,09	0	2971,56	0,96	0,22	0,66	0,05	0	14,75	13,33	1,42	0
	0,1	0	2971,56	0,95	0,22	0,65	0,06	0	13,16	14,78	-1,62	0
	0,11	0	2971,56	0,95	0,21	0,64	0,06	0	11,82	16,27	-4,45	0
	0,12	0	2971,56	0,94	0,21	0,63	0,07	0	10,67	17,81	-7,14	0
	0,13	0	2971,56	0,94	0,21	0,63	0,07	0	9,69	19,41	-9,72	0
	0,14	0	2971,56	0,93	0,21	0,62	0,08	0	8,82	21,06	-12,23	0
	0,15	0	2971,56	0,93	0,2	0,61	0,08	0	8,07	22,76	-14,69	0
	0,16	0	2971,56	0,92	0,2	0,6	0,09	0	7,4	24,52	-17,12	0



2.2 Химическое равновесие

Химическое равновесие - это состояние системы при котором скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции.

Расчет параметров химического равновесия представляет собой необходимый этап проектирования реактора. Равновесные параметры можно рассчитывать из термодинамических данных (термодинамический подход: К_р=10^{(полином)}). Однако удобнее всего для расчета равновесных параметров использовать уравнение скорости обратимой химической реакции, поскольку без этого уравнения расчет реактора все равно невозможен в принципе (кинетический подход, если есть кинетические данные).

Скорость обратимой химической реакции графически выражается функцией, которая имеет точку пересечения с осью температур. В этой точке скорость равна нулю, и, следовательно, наблюдается химическое равновесие. Скорость обратимой реакции (для простой кинетики) равна нулю:

N₂ + 3H₂ = 2NH₃

Корни алгебраического уравнения, как известно, можно находить либо аналитическим, либо численным способом. Как видно из уравнений, функция сложно зависит от степени превращения, поэтому аналитический способ поиска корня является весьма трудоемким, а для трансцендентных уравнений он вообще неприменим. Трансцендентные уравнения, как известно, в принципе невозможно разрешить относительно неизвестной. В нашем случае наиболее перспективным является численный метод вычисления корня.

Поведение системы, которая находится в химическом равновесии, описывается принципом Ле Шателье:

Если на систему, находящуюся в устойчивом состоянии, воздействовать извне, изменяя какое-нибудь из условий, определяющих положение равновесия, то в системе усилится то направление процесса, течение которого ослабляет влияние произведенного воздействия, и положение равновесия сместится в том же направлении.

С кинетической точки зрения принцип Ле Шателье можно объяснить свойствами кривых в окрестности точки равновесия на оси.

Для случая экзотермической реакции более изогнута кривая скорости обратной реакции U2, т.к. энергия активации обратной реакции больше, чем у прямой реакции.

Первоначально система находится в равновесии. Когда на систему оказывается внешнее воздействие (например, температура увеличивается на ?Тот Т до Т+?Т), скорости прямой и обратной реакции становятся неравными между собой. Причем скорость обратной реакции оказывается больше, чем скорость прямой реакции. Поскольку температура самопроизвольно меняться не может, (мы ее в этом случае меняем принудительно), единственной степенью свободы остается степень превращения ключевого вещества х_а.

Так как в результате внешнего воздействия больше оказалась скорость обратной реакции, наблюдаемая скорость станет неравной нулю, причем отрицательной. Процесс химического превращения пойдет в обратную сторону (от конечных веществ к исходным). Степень превращения будет уменьшаться до тех пор, пока скорости прямой и обратной реакции не сравняются при новой температуре Т+?Т.

Процесс выравнивания скоростей прямой и обратной реакций будет сопровождаться уменьшением степени превращения х_а, а также изменением формы и положения кривых U1 и U2.

Исследование окрестностей точки равновесия для экзотермической реакции

Следует отметить также, что при прочих равных условиях смещение под действием изменения температуры происходит тем сильнее, чем больше разность энергий активации прямой и обратной реакций.

Таким образом, система, находящаяся в равновесии (равновесие - частный случай стационарного режима), после изменения одного из параметров приходит в состояние, когда скорости не равны и начинается переходный режим. В переходном режиме изменяются ключевые параметры до тех пор, пока не сравняются скорости и установится новый стационарный (равновесный) режим.

Зависимость Za2,Zb2,Zc2,Zd2,X=f(T)

1,84E-001	57000	4,56E+010	165000	1	3	2		-2
	Т	X_	P_	К1	К2	W_	Za2_	Zb2_	Zc2_	U1_	U2_	U_	O_
	700	0,54	500	0	0,02	0,74	0,15	0,2	0,36	0	0	0	0
	714	0,52	500	0	0,04	0,75	0,15	0,22	0,35	0,01	0,01	0	0
	728	0,51	500	0	0,07	0,75	0,16	0,23	0,33	0,01	0,01	0	0
	742	0,5	500	0	0,11	0,76	0,16	0,25	0,32	0,01	0,01	0	0
	756	0,48	500	0	0,18	0,77	0,16	0,27	0,31	0,02	0,02	0	0
	770	0,46	500	0	0,29	0,78	0,17	0,29	0,3	0,02	0,02	0	0
	784	0,45	500	0	0,46	0,79	0,17	0,31	0,28	0,03	0,03	0	0
	798	0,43	500	0	0,71	0,79	0,17	0,33	0,27	0,05	0,05	0	0
	812	0,41	500	0	1,09	0,8	0,18	0,35	0,26	0,06	0,06	0	0
	826	0,4	500	0	1,66	0,81	0,18	0,37	0,25	0,08	0,08	0	0
	840	0,38	500	0	2,47	0,82	0,18	0,38	0,23	0,11	0,11	0	0
	854	0,36	500	0	3,64	0,83	0,18	0,4	0,22	0,14	0,14	0	0
	868	0,35	500	0	5,3	0,83	0,19	0,42	0,21	0,18	0,18	0	0
	882	0,33	500	0	7,62	0,84	0,19	0,44	0,2	0,24	0,24	0	0
	896	0,32	500	0	10,84	0,85	0,19	0,45	0,19	0,3	0,3	0	0
	910	0,3	500	0	15,24	0,86	0,2	0,47	0,18	0,38	0,38	0	0
	924	0,29	500	0	21,21	0,86	0,2	0,48	0,17	0,48	0,48	0	0

2.3 Расчет реактора полного смешения

Обратная задача.

Газофазные реакторы.

Расчет объема адиабатического реактора по заданной степени превращения. синтез аммиак реакция газофазный

При проектировании реакторов основной является задача по определению размеров реактора. Объем реактора можно рассчитать, зная время пребывания газовой смеси по уравнению:

где ф_n - время пребывания реакционной смеси внутри реактора, ед. врем;

V_p - объем реактора, м³;

V - объемный расход смеси через реактор при нормальных условиях, м³/с.

Время превращения в проточном реакторе полного смешения (РПС) рассчитывается по формуле:

где ф_n - время пребывания реакционной смеси внутри реактора, ед. врем;

Z_A1 - концентрация ключевого вещества на входе в реактор, мольная доля;

x_AK - конечная степень превращения вещества А на выходе реактора, доли единицы;

U_A(x_AK) - скорость химической реакции по веществу А, как функции от конечной степени превращения, м³ вещ.А/м³•с;

б - пересчетный коэффициент для согласования числителя и знаменателя (Коэффициент б зависит от размерности скорости реакции. Он должен быть таким, чтобы размерность в обеих частях уравнения была одинаковой и соответствовала бы времени. Для простоты изложения размерность скорости реакции равна м³ вещ.А/м³•с , и, следовательно, коэффициент б = 1).

Знание времени пребывания газовой смеси внутри реактора позволяет рассчитать объем реактора по заданному объемному расходу смеси и наоборот, объемный расход по заданному объему реактора.

Уравнение обычно называют уравнением материального баланса. Иногда в литературе это уравнение называют характеристическим.

Зависимость X,XA1,XA2=f(T).

K01	K02	E1	E2	A	B	C
1,84E-001	4,56E+010	57000	165000	1	3	2	-2
Za1	Zb1	Zc1
0,24	0,72	0,01
T	P_	К1	К2	W_	Za2_	Zb2_	Zc2_	U1_	U2_	U_		F_	X_	XA1_	XA2_	O_
700	500	0	0,02	0,91	0,21	0,57	0,11	0,1	0	0,1		0	0,54	0,05	0,19	0
714	500	0	0,04	0,9	0,21	0,55	0,12	0,1	0	0,1		0	0,52	0,06	0,21	0
728	500	0	0,07	0,89	0,21	0,53	0,14	0,1	0	0,1		0	0,51	0,07	0,23	0
742	500	0	0,11	0,88	0,2	0,51	0,15	0,1	0	0,1		0	0,5	0,08	0,26	0
756	500	0	0,18	0,87	0,2	0,49	0,16	0,1	0	0,1		0	0,48	0,1	0,28	0
770	500	0	0,29	0,86	0,2	0,47	0,17	0,1	0,01	0,1		0	0,46	0,11	0,29	0
784	500	0	0,46	0,85	0,19	0,46	0,18	0,11	0,01	0,1		0	0,45	0,13	0,31	0
798	500	0	0,71	0,85	0,19	0,45	0,19	0,12	0,02	0,1		0	0,43	0,14	0,32	0
812	500	0	1,09	0,84	0,19	0,44	0,19	0,13	0,03	0,1		0	0,41	0,16	0,32	0
826	500	0	1,66	0,84	0,19	0,44	0,2	0,15	0,05	0,1		0	0,4	0,17	0,33	0
840	500	0	2,47	0,84	0,19	0,44	0,19	0,17	0,07	0,1		0	0,38	0,19	0,33	0
854	500	0	3,64	0,85	0,19	0,45	0,19	0,2	0,1	0,1		0	0,36	0,2	0,32	0
868	500	0	5,3	0,85	0,19	0,45	0,19	0,24	0,14	0,1		0	0,35	0,21	0,31	0
882	500	0	7,62	0,85	0,2	0,46	0,18	0,29	0,2	0,1		0	0,33	0,22	0,31	0
896	500	0	10,84	0,86	0,2	0,47	0,17	0,36	0,26	0,1		0	0,32	0,22	0,29	0
910	500	0	15,24	0,86	0,2	0,48	0,17	0,44	0,34	0,1		0	0,3	0,22	0,28	0
924	500	0	21,21	0,87	0,2	0,49	0,16	0,53	0,44	0,1		0	0,29	0,22	0,27	0

3. Материальный баланс химического реактора

Необходим при проектировании и его проверке. Рассчитывается на ед. времени или на ед. продукции.

Играет важную роль в экономических подсчетах.

Рассмотрим материальный баланс проточного газофазного реактора.

Количество вещества определяется совокупностью структурных элементов (атомов молекул, ионов и т.п.). Количество вещества измеряют в молях.

Молем называют совокупность числа Авагадро (6,02-10²³) структурных элементов (молекул, атомов и т.п.).

1 моль ид. газа (при н.у.)=22,4 л.

V 1 кмоля ид. газа = 22,4 м³.

Молярной массой называют отношение массы вещества к количеству вещества.

Молярный объем - это отношение объема вещества к количеству вещества

Глубина протекания реакции - это количество пробегов реакции, выраженных в киломолях.

Стационарным режимом работы реактора называют режим, при котором все параметры процесса во времени не изменяются.

Условие стационарности заключается в том, что алгебраическая сумма скоростей подвода и отвода каждого из веществ равна нулю. Количество уравнений в системе равно количеству веществ, принятых в расчет, в том числе и инертных.

Мольная доля вещества это отношение мольного потока вещества к мольному потоку смеси.

Массовый поток смеси - это сумма массовых потоков компонентов.

Массовая доля вещества А представляет собой отношение массы вещества А к массе смеси.

Объемное (мольное) соотношение веществ в смеси - это отношение объема (числа киломолей) одного вещества к объему (числу киломолей) другого вещества.

Массовое соотношение веществ в смеси - это отношение массы одного вещества к массе другого вещества.

Производительность - это разность выходного и входного потока продукта.

Интенсивность это отношение производительности к объему реактора.

Расходный коэффициент показывает, сколько тонн исходного вещества требуется для производства одной тонны продукта.

Стехиометрический показатель (функционал) - это математическое выражение, увязывающее соотношение между реагирующими веществами в виде некоторого соотношения. В производстве рекомендуют поддерживать функционал в заданных границах для достижения наилучших результатов.

Ключевое вещество - это одно из исходных веществ, которое находится в недостатке от стехиометрии.

Степень превращения( конверсии) исходного вещества - это отношение количества вещества ( объема, массы), вступившего в химическое взаимодействие ( по всем реакциям), к количеству этого же вещества на входе в реактор.

Селективность - это отношение количества образовавшегося целевого продукта к количеству превращенного сырья с учетом стехиометрических соотношений

Масса продукта, образовавшегося в химической реакции, называется ее выходом

Выход продукта, вычисленный на основе химического уравнения, называется теоретическим выходом. Действительный выход, полученный в эксперименте или промышленном процессе, называется фактическим выходом. Когда фактический выход оказывается равным теоретическому, говорят, что реакция имеет количественный выход. Химическую реакцию, протекающую с количественным выходом, называют стехиометрическим процессом.

Выход (относительный) конечного продукта есть отношение фактического количества продукта к теоретически возможному количеству в расчете на поданное сырье.

Основные этапы решения задачи на материальный баланс:

1.Формализация условия (упрощение).

2.Определение перечня количества неизвестных.

3. Составление системы линейных уравнений.

4.Решение системы.

5. Проверка полученных результатов, оформление.

Решение задачи в MathCAD.

Заключение

Т.о. в данной курсовой работе для газофазной реакции синтеза аммиака были рассчитаны по исходным данным следующие задачи: кинетика, равновесие, реактор, материальный баланс.

Выше приведенные расчеты дополнены графиками, анализ которых позволяет наглядно оценить правильность выполнения задачи.

Список использованных источников

1. Луцко Ф.Н., Сороко В.Е., Прокопенко А.Н. Химико-технологические расчеты с применением MathCAD: учебное пособие. - СПб.: Изд-во СПбГТИ(ТУ), 2006. - 456 с.

Размещено на Allbest.ru