Влияние температуры на состояние равновесия

Влияние состава реакционной смеси на смещение равновесия

Влияние давления на смещение равновесия

Управление состоянием равновесия единичной химической реакции

1. Если реакция идет без изменения объема, то изменение давления не влияет на состояние равновесия.

2. Если реакция идет с увеличением объема, то увеличение давления смещает равновесие в сторону исходных реагентов.

3. Если реакция идет с уменьшением объема, то увеличение давления смещает равновесие в сторону продукта.

1. Увеличение количества исходных реагентов вызывает смещение равновесия в сторону продукта. На практике обычно увеличивают содержание менее ценного вещества (при этом ключевой компонент находится в недостатке).

2. Для смещения равновесия в сторону продуктовнеобходимо отводить продукты из зоны реакции.

3. Изменениеколичества газообразного инертного вещества оказывает влияние в том случае, когда в реакции принимают участие газообразные компоненты. Если реакция идет с увеличением объема, то при увеличении количества инертного вещества равновесие смещается в сторону продукта; если с уменьшением объема, то в сторону исходных реагентов; если без изменения объема, то инертное вещество не влияет на смещение равновесия.Надо привести примеры.

1. Для экзотермических реакций увеличение температуры приводит к смещению равновесия в сторону исходных веществ.

2. Для эндотермических реакций увеличение температуры приводит к смещению равновесия в сторону продуктов.

Например, для реакции

смещение равновесия в сторону продукта произойдет при понижении температуры, повышении общего давления, увеличении концентрации кислорода, уменьшении концентрации инертного вещества (азота), удалении продукта из реакционной зоны.

Методика расчёта равновесного состава реакционной смеси на примере единичной реакции

Предположим, что в реакторе протекает единичная реакция:

aA+bB↔cC +dD.

Для расчёта состава равновесной смеси необходимо составить материальный баланс и установить связь между начальными мольными долями компонентов и равновесной степенью превращения ключевого компонента.Примем, что суммарный мольный поток равен 1 моль/с.

Таблица 4.1 – Материальный баланс для единичной реакции.

Вещества	А	В	С	D	∑
Начальный мольный поток
Производи-тельность
Конечный мольный поток					или

Конечная мольная долярассчитывается как отношение конечного мольного потока вещества к суммарному конечному мольному потоку по формулам:

(4.20)

где коэффициент W показывает: во сколько раз изменился суммарный конечный мольный поток по отношению к начальному мольному потоку.

(4.21)

Для расчёта равновесного состава нужно решить уравнение:

(4.22)

При условии F=0, из уравнения получаем значение равновесной степени превращения X=XE (индекс Е от английского слова equilibrium), подставляя полученное значение ХЕ в выражения для конечных мольных долей (4.20), получим равновесный состав реакционной смеси:

Управление состоянием равновесия сопряжённых реакций

При проведении сложных процессов одновременно могут протекать две или более реакции, параллельные, последовательные, последовательно-параллельные. Как правило, только одна из них является предпочтительной, т.е. приводит к образованию целевого продукта, в результате протекания остальных реакций образуются нежелательные побочные продукты.

В этом случае для управления равновесным состоянием подбирают такие условия (температура, давление, концентрации веществ), при которых равновесие целевой реакции смещено в сторону продуктов, а побочных реакций – в сторону исходных веществ.

Методика расчёта равновесного состава реакционной смеси сопряжённых реакций

Предположим, что в реакторе могут одновременно протекать 2 реакции(параллельные).

1) a1A+b1B=cC

2) a2A+b2B=dD

Примем, что суммарный мольный поток равен единице и мольные доли продуктов в исходной смеси равны нулю.

Таблица 4.2 – Материальный баланс для сопряженных (параллельных) реакций

Вещества	А	В	С	D	∑
Начальный мольный поток
Производи-тельность					+
Конечный мольный поток					w

Для расчёта мольных долей компонентов в конечной смеси нужно разделить мольный поток каждого компонента на коэффициент изменения числа молей, который равен:

(4.23)

Для расчёта равновесного состава составим систему из двух уравнений:

(4.24)

Для нахождения X1 и X2 надо решить систему трансцендентных уравнений с условием:.

Для выполнения равенства F1 и F2=0, необходимо, чтобы концентрация вещества С была больше концентрации компонента D.

Рассмотрим зависимость равновесного состава от температуры для параллельных экзотермических реакций.

Рисунок 4.3 – Зависимость констант равновесия от температуры для параллельных экзотермических обратимых реакций

Рисунок 4.4 – Зависимость равновесной концентрации ключевого компонента от температуры для параллельных экзотермических обратимых реакций

Рисунок 4.5 – Зависимость равновесной концентрации продуктов от температуры для параллельных экзотермических обратимых реакций

Рассмотрим зависимость равновесного состава от температуры для параллельных реакций с разными тепловыми эффектами (экзо- и эндотермической).

Рисунок 4.6 – Зависимость констант равновесия от температуры для параллельных экзо- и эндотермической обратимых реакций

Рисунок 4.7 – Зависимость равновесной концентрации ключевого компонента от температуры для параллельных экзо- и эндотермической обратимых реакций

Рисунок 4.8 – Зависимость равновесной концентрации продуктов от температуры для параллельных экзо- и эндотермической обратимых реакций
Предварительная оценка технически и экономически обоснованных диапазонов изменения микрокинетических параметров при осуществлении ХТП производится на основе расчета равновесного состава. Определяются диапазоны температур, давлений, концентраций компонентов в сырье, при которых возможно достижение заданных технологических показателей качества ХТП (степени превращения, конечной концентрации и выхода продукта, производительности и т.д.), также оценивается влияние изменения различных микрокинетических параметров на экономические показатели (общие затраты на производство, себестоимость продукта и т.д.). Комплексный анализ позволяет предварительно выбрать условия проведения процесса.

Особенности расчёта равновесного состава реакционной смеси в случае проведения гетерогенных процессов

В гетерогенных процессах, как и в гомогенных, условием химического равновесия является равенство ∆G=0 (при постоянных температуре и давлении).

Для реакции:

aA(г)+bB(т)↔cC(г)+dD(г),

в которой компонент В находится в твердом состоянии, остальные вещества – в газообразном, константу равновесия можно выразить:

- давление насыщенного пара компонента В, являющееся постоянной величиной.

Если ввести новую постоянную величину в константу равновесия:

, (4.25)

получим выражение для константы равновесия гетерогенной реакции:

. (4.54)

По данной зависимости можно проанализировать, как влияет на дифференциальную селективность концентрация исходного вещества и температура.

1. Влияние концентрации.

а) Если порядки параллельных реакций одинаковы, то дифференциальная селективность не зависит от концентрации.

б) Если, то, тогда с уменьшением концентрации дифференциальная селективность уменьшается до нуля, ас увеличением - растет и стремится к единице.

в) Если, то,тогда влияние концентрации на селективность будет обратным. С уменьшением концентрации дифференциальная селективность стремится к единице, ас увеличением -уменьшается до нуля.

Для газофазных реакций влияние давления на селективность аналогично влиянию концентрации исходного вещества.

Вывод:параллельные реакции выгодно проводить при высоких значениях концентрации исходного вещества и высоких давлениях, в том случае, если порядок целевой реакции более высокий, чем побочных.

2. Влияние температуры.

При постоянной концентрации характер влияния температуры на селективность будет зависеть только от соотношения энергии активации основной и побочной реакций.

. (4.57)

Дифференциальная селективность зависит от концентраций двух реагентов: при уменьшении концентрации вещества Аи увеличении концентрации С -

Дата добавления: 2014-10-17