bte13 bruno ei - unizg.hr(množinama), ako je njihov omjer (molovi a prisutni, molovi b prisutni)...

Bilanca tvari procesa s jednom procesnom jedinicom i kemijskom reakcijom

OSNOVNI POJMOVI

Teorijski temelj bilanci tvari za procese s kemijskom reakcijom je:

stehiometrija.

Stehiometrija je teorija množina prema kojoj jedna kemijska tvar reagira s drugom.

Riječ stoichiometrij je u kemiju uveo 1792 godine Jeramias Benjamin, a dolazi od grčkih riječi stoicheion = osnovni sastojak i metrien = mjerenje.

B. Zelić: Bilanca tvari i energije e-mail: [email protected]

Bilanca tvari

Temeljni pojmovi u stehiometriji su:

- stehiometrijska jednadžba,

- stehiometrijski koeficijent,

- stehiometrijski omjer,

- stehiometrijska množina,

- limitirajući reaktant itd.


Bilanca tvari


Stehiometrijska jednadžba kemijske reakcije je izjednačavanje reaktivnog broja molekula ili množine tvari reaktanata i produkata koje sudjeluju u reakciji.

2 SO2 + O2 ® 2 SO3

Brojevi u stehiometrijskoj jednadžbi su: stehiometrijski koeficijenti.

Stehiometrijski omjer dviju tvari koje sudjeluju u reakciji je omjer njihovih stehiometrijskih koeficijenata.


Bilanca tvari


Za dva reaktanta se kaže da su prisutna u stehiometrijskim količinama(množinama), ako je njihov omjer (molovi A prisutni, molovi B prisutni) jednak stehiometrijskom omjeru dobivenom iz stehiometrijske jednadžbe.

Limitirajući-ograničavajući reaktant u reakciji je onaj koji prvi nestaje i koji je prisutan u manjoj količini (množini) od stehiometrijske količine (množine) prema drugom reaktantu. Drugi reaktant se u tom slučaju naziva reaktant u suvišku. Reaktant u suvišku je onaj kojega ima više od ograničavajućeg reaktanta.

S

S

Suvišak reaktanta n nn-

=


Bilanca tvari


Konverzija reaktanta je dio reaktanta koji se u kemijskom procesu promijenio obzirom na početnu ili ulaznu (množinu) reaktanta.

A,0 AA

A,0

A,ul A,izlA

A,ul

n nX

n

n nX

n

-=

-=


Bilanca tvari


Stupanj reakcije dio reaktanta koji se stvarno izmijenio u kemijskoj reakciji obzirom na teorijski moguću količinu.

i i,0

i

n nx

b-

=


Bilanca tvari


βi = ni ako je tvar Ai produktβi = -ni ako je tvar Ai reaktantβi = 0 ako je tvar Ai inert

Iskorištenje je omjer množine ili mase nastalog produkta i množine produkta, koja bi nastala prema stehiometrijskim omjerima, odnosno odgovarajuće mase teorijski mogućeg produkta.

P

P

stvarno nastali molovi teorijski moguće nastali molovi tvari

nIn

=


Bilanca tvari


Selektivnost

Selektivnost je omjer množine ili mase nastalog produkta i množineili mase neželjenog produkt.

produkt neželjeniP

produkt željeniP

molovi molovi

nn

S =


Bilanca tvari


BILANCE MOLEKULA, BILANCE ATOMA I STUPANJ REAKCIJE :

U procesima s kemijskom reakcijom se bilance tvari rješavaju pomoću tri metode. To su: metoda bilance atoma, metoda bilance molekula i metoda stupnja reakcije.


Bilanca tvari


Metoda bilance molekula:

Opći oblik bilance molekula u procesu s kemijskom reakcijom:

Bilanca se postavlja za reaktante ili produkte.

Množina ili masa molekula reaktanta (produkta) na ulazu u proces nije jednaka masi ili množini molekula molekula reaktanta (produkta) na izlazu iz procesa.


Bilanca tvari


ULAZ TVARI IZLAZ TVARI POTROŠNJA TVARI REAKCIJOM= +

Metoda bilance atoma:

Opći oblik bilance atoma u procesu s kemijskom reakcijom:

Množina ili masa atoma tvari na ulazu u proces je jednaka masi ili množini atoma tvari na izlazu iz procesa.


Bilanca tvari


ULAZ TVARI IZLAZ TVARI=

Metoda stupnja reakcije:

Opći oblik bilance tvari u procesu s kemijskom reakcijom:

b je koeficijent. β = ni ako je tvar Ai produkt; ni je stehiometrijski koeficijent,β = -ni ako je tvar Ai reaktant,β = 0 ako je tvar Ai inert.


Bilanca tvari


IZLAZ TVARI ULAZ TVARI= β × ξ+

Primjer : Metan sagorijeva s kisikom pri čemu se dobiva ugljičnidioksid i voda. Sirovi metan sadrži 20 % CH4; 60 % O2 i 20 % CO2.U procesu se ostvaruje 90 %-tna konverzija ograničavajućegreaktanta. Treba izračunati sastav produkta pomoću bilance atoma,bilance molekula i stupnja reakcije.

Rješenje:Procesna shema:

F = 100 kmol/hxCH4

F = 0,2xO2

F = 0,6xCO2

F = 0,2REAKTOR

P = ?xCH4

P = ?xO2

P = ?xCO2

P = ?xH20

P = ?

Baza: 100 mola plina na ulazu u proces – F

Reakcija: OH 2COO 2CH 2224 +®+


Bilanca tvari

Ovo je problem s tri nepoznanice, jer se množina metana u produktumože izračunati pomoću podatka da je konverzija metana 90 %.

( )

4 4

4

4

4

4

CH , ulaz CH , izlazCH

CH , ulaz

CH , izlaz

CH , izlaz

20 1-0,9

2 mol

n nX

n

n

n

-=

= ×

=


Bilanca tvari

Metoda bilance molekula:

Bilanca CO2 :

X

CH mol 1CO mol 1

ACH4

2 reakcijom nastao ,CO

izlaz ,CO reakcijom nastao ,CO ulaz ,CO

42

222

••=

=+

nn

nnn

reakcijom nastao ,CO2

n = 18 molova izlaz ,CO2

n = 38 molova Bilanca H2O :

X

CH mol 1OH mol 1

ACH4

2 reakcijom nastala ,OH

izlaz , OH reakcijom nastala ,OH ulaz , OH

42

222

••=

=+

nn

nnn

reakcijom nastala , OH2

n = 18 molova izlaz ,OH2

n = 38 molova Bilanca O2 :

X

CH mol 1O mola 2

ACH4

2 reakcijom nastao ,O

izlaz , O reakcijom nastao ,O ulaz , O

42

222

••=

=-

nn

nnn

reakcijom nastao , O2

n = 36 molova izlaz ,O2

n = 24 molova B. Zelić: Bilanca tvari i energije e-mail: [email protected]

Bilanca tvari

Metoda bilance atoma: Bilanca ugljika C: nC, ulaz = nC, izlaz

izlaz,CO

izlaz,CO2

izlaz ,CH4

ulaz,CO2

ulaz ,CH4

2

2424

mola 2 molova 20 molova 20

CO mol 1C mol 1

CH mol 1C mol 1

CO mol 1C mol 1

CH mol 1C mol 1

n

nnnn

+=+

•+•=•+•

izlaz,CO2

n = 38 molova Bilanca vodika H: nH, ulaz = nH, izlaz

izlaz ,OH

izlaz , OH2

izlaz ,CH4

ulaz ,CH4

2

244

2 mola 2 4 molova 20 4

OH mol 1H mola 2

CH mol 1H mola 4

CH mol 1H mola 4

n

nnn

•+•=•

•+•=•

izlaz O,H2

n = 36 molova Bilanca kisika O: nO, ulaz = nO, izlaz

molova 36 2 molova 38 2 2 molova 20 2 molova 06 2 izlaz ,2O

izlaz , O2HO2H mol 1

H mola 2izlaz ,2CO

2CO mol 1

O mola 2izlaz ,2O

2O mol 1

O mola 2ulaz ,2CO

2CO mol 1

O mola 2ulaz ,2O

2O mol 1

O mola 2

•+•+•=•+•

•+•+•=•+•

n

nnnnn

izlaz ,O2

n = 24 molova B. Zelić: Bilanca tvari i energije e-mail: [email protected]

Bilanca tvari

Metoda stupnja reakcije:

ξβulaz ,CH izlaz ,CH 44•+= nn

Kako je metan reaktant to je:

b = -nCH4 Þ - 1 pa je:

izlaz ,CHulaz ,CH 44 -ξ nn=

x = 18 mola Sada je moguće izračunati množine na izlazu: Ugljični dioksid CO2:

mola 18 1 molova 20

ξβ

izlaz ,CO

ulaz ,CO izlaz ,CO

2

22

•+=

•+=

n

nn

izlaz ,CO2n = 38 molova

Voda H2O:

mola 18 2 molova 0

ξβ

izlaz ,OH

ulaz ,OH izlaz ,OH

2

222

•+=

•+=

n

nn

izlaz , OH2n = 36 molova

Kisik O2:

mola 18 2 - molova 60

ξβ

izlaz ,O

ulaz ,O izlaz ,O

2

22

•=

•+=

n

nn

izlaz , O2

n = 24 mola


Bilanca tvari

Komponenta

n (mol)

xi

%

CH4 2 0,02 2 CO2 38 0,38 38 H2O 36 0,36 36 O2 24 0,24 24

100 1,00 100

Upotrebom sve tri metode dobiju se isti rezultati.Izbor metode ovisi o njegovu korisniku.Čini se da je najkraća metoda stupnja reakcije.

Sastav produkta se može prikazati tablično:


Bilanca tvari


3. Domaća zadaća

1. Reakcija u plinskoj fazi:

NO(g) +1/2O2(g) ® NO2(g)

se provodi uz 50 %-tnu konverziju limitirajućeg reaktanta. Ako se u proces uvodi plin sastava 12 % NO, 7 % O2, a ostatak je dušik, treba izračunati sastav plina na izlazu iz procesa pomoću bilance atoma, bilance molekula i bilance stupnja reakcije.

Bilanca procesa gorenja

Gorenje je brza reakcija oksidacije neke gorive tvari s kisikom.

Reakcija u kojoj nastaje CO se naziva djelomična ili nepotpuna, a reakcija u kojoj nastaje samo CO2 potpuna i kaže se da je gorenje potpuno.


Bilanca tvari

F PPROCES

gorivogorivi plin

sagorijevni ili dimni plin

Sastav sagorijevnog plina može biti izražen obzirom na:a) mokru bazu - plin sadrži vodenu paru ili b) suhu bazu - plin ne sadrži vodenu paru.


Bilanca tvari


Primjer : Ako sagorjevni plinovi sadrže 60 % N2, 15 % CO

2, 10 %

O2, a ostalo je vodena para, treba izračunati njegov sastav obzirom

na suhu bazu.

Rješenje:

Procesna shema:F = 100 molova

xN2F = 0,6

xO2F = 0,15

xCO2F= 0,1

xH2OF= 0,15

SUŠENJE PLINA

P = ?

xN2P = ?

xO2P = ?

xCO2P = ?

V = ?

Baza: 100 molova mokrog plina F


Bilanca tvari


Bilanca vode: xH2OF• F = V

V = 15 mola Ukupna bilanca: F = V + P P = 85 mola Bilanca dušika: xN2

F• F = xN2P • P

xN2P = 0,706

Bilanca kisika: xO2

F• F = xO2P • P

xO2P = 0,118

Bilanca ugljičnog dioksida: xCO2

F• F = x CO2P • P

x CO2P = 0,176

Suhi plin sadrži 70,6 % N2, 11,8 % O2 i 17,6 % CO2.


Bilanca tvari


Iz ekonomskih razloga je u procesima gorenja izvor kisika zrak koji obično ima slijedeći sastav: 78,03 % N2; 20,99 % O2; 0,94 % Ar; 0,03 % CO2 i 0,01 % H2, He, Ne, Kr, i Xe.

Pri približnim računanjima je dovoljno uzeti da je zrak je sastava79 % N2 i 21 % O2.

Prosječna molarna masa zraka je: = 29 kg/kmolu.M


Bilanca tvari


Suvišak zraka je jednak suvišku kisika.

2 2

2

O , O ,

O ,

Suvišak kisika ulaz teorijski

teorijski

n nn-

=

Teorijska množina kisika je ona količina kisika koja je potrebna da sav ugljik u procesu gorenja prijeđe u CO2, a sav vodik u vodu.

teorijskin2,O


Bilanca tvari


Teorijski zrak je količina zraka koja sadrži teorijski kisik.

Teorijski zrak ili teorijski kisik potreban za gorenje neke količine goriva ne ovisi o tome koliko će goriva stvarno izgorjeti nego o stehiometriji reakcije potpunog gorenja obzirom na količinu goriva na ulazu u proces.


Bilanca tvari


Primjer : Ako se u peć za gorenje uvodi 100 molova butana na sat i 5000 molova

zraka treba izračunati postotak suviška zraka!

Rješenje:

Procesna shema:F = 100 mol

xC4H10F = 1

GORENJE

P = ?

xN2P = ?

xO2P = ?

xCO2P = ?

xH2OP = ?

Z = 5000 molova

xO2 = 0,21

xN2 = 0,79

Baza: 100 mola butana na ulazu

Reakcija gorenja: OH 5CO 4 O 6,5HC 222104 +®+


Bilanca tvari


Teorijski kisik:

104104

2,O HC molova 100

HC molu 1O mola 6,5

2•=teorijskin

teorijskin ,O2

= 650 molova Teorijski zrak:

22

,zrak O molova 650O mol 0,21

zraka mol 1•=teorijskin

teorijskin ,zrak = 3095 mola

100mola 3095

mola 3095 - molova 5000 zraka suviška %

100 zraka suviška %teorijski zrak,

teorijski zrak,ulaz zrak,

•=

•-

=n

nn

% suviška zraka = 61,5 %


Bilanca tvari


Za računanje suviška zraka (kisika) je potrebno samo pretpostavitida sva količina goriva na početku (ulazu) potpuno izgori što znači dasu produkti gorenja samo CO2 i H2O, kako je pokazano uprethodnom primjeru. Suvišak zraka ovisi samo o teorijskom kisikukoji je jednak stehiometrijskom kisiku u reakciji potpunog gorenja,a ne ovisi o tome koliko je kisika stvarno potrošeno u reakciji i da lije reakcija gorenja nepotpuna.


Bilanca tvari


Primjer: Za zdravlje čovjeka je opasno kad dimni plin sadrži više od 15 % CO2. Ako dimni plin sadrži više od 15 % znači da proces gorenja nije dobro projektiran.Gorivi plin koji sadrži 100 % metana (CH4) gori sa 130 %-tnim suviškom zraka. Treba izračunati postotak CO2 u dimnom plinu i odgovoriti da li je proces gorenja dobro projektiran!


Bilanca tvari


Rješenje:

Procesna shema:F = 100 kmola

xCH4F

= 1

GORENJE

P = ?

xN2P = ?

xO2P

= ?

xCO2P

= ?

xH2OP

= ?

Z = ?

xO2 = 0,21

xN2 = 0,79

Baza: 100 kmola gorivog plina na ulazu

Reakcija gorenja: O2HCO2OCH 2224 +®+


Bilanca tvari


44

2 teorijski ,O

teorijski ,O2

teorijski zrak,

teorijski zrak,

teorijski zrak,ulaz , zrak

CH kmola 100CH kmol 1

O kmola 2

O kmol 21,0zraka kmol 1

100zraka suviška %

2

2

•=

•=

•-

=

n

nn

nnn

teorijski ,O2

n = 200 kmola

22

teorijski zrak, O kmola 200O kmol 21,0

zraka kmol 1•=n

teorijski ,zrakn = 952, 4 kmola

÷øö

çèæ +=

100suviška %1 teorijski , zrak ulaz , zrak nn

ulaz , zrakn = 2190 kmola

kmola 2190zraka kmol 1

O kmol 0,21 2ulaz ,O2

•=n

ulaz ,O2

n = 460 kmola

kmola 2190zraka kmol 1

N kmol 0,79 2ulaz ,N2

•=n

ulaz ,N2

n = 1730 kmola

Bilanca tvari



Kisik, dušik, ugljični dioksid i vodena para u dimnom plinu se računaju pomoću bilanci molekula: Bilanca kisika: izlaz ,Oreakcijom potrošen ,Oulaz ,O 222

nnn =- izlaz ,O2

n = 260 kmola Bilanca dušika: izlaz ,Nulaz ,N 22

nn = izlaz ,N2

n = 1730 kmola Bilanca ugljikovog dioksida:

44

2reakcijom nastao ,CO

izlaz ,COreakcijom nastao ,COulaz ,CO

CH kmola 100CH kmol 1CO kmol 1

2

222

•=

=+

n

nnn

izlaz ,CO2

n = 100 kmola Bilanca vode:

44

2reakcijom O,nastalaH

izlaz ,OHreakcijom nastala ,OHulaz ,OH

CH kmola 100CH kmol 1

OH kmola 2

2

222

•=

=+

n

nnn

izlaz ,OH2

n = 200 kmola


Bilanca tvari


Sastav dimnog plina prikazan tablično:

Komponenta

n (kmol)

xi

%

O2 260 0,114 11,4 N2 1730 0,755 75,5

CO2 100 0,044 4,4 H2O 200 0,087 8,7

2290 1,000 100,0


Bilanca tvari



4. Domaća zadaća

1. Čisti metan (CH4) gori u prisustvu 100 %-tnog suviška zraka. Ako je gorenje potpuno, a konverzija 90 %, treba izračunati sastav izlaznog suhog plina!

bte13 bruno ei - unizg.hr(množinama), ako je njihov omjer (molovi a prisutni, molovi b prisutni)...

Documents