Особливості реальних хімічних реакцій і виробничих процесів

У багатьох випадках рівняння хімічних реакцій лише принципово виражають перебіг процесів. Вони не перебігають до кінця, і для розрахунків за допомогою рівнянь необхідно введення додаткових кількісних характеристик. Причинами неповного перебігу можуть бути:

- встановлення в системі хімічної рівноваги;

- перебіг побічних процесів за участю одного з реагентів;

- припинення процесів до досягнення повного перетворення, наприклад, внаслідок повільного перебігу на кінцевої дільниці.

Для характеристики перебігу хімічних реакцій при їх неповному перебігу на практиці використовують наступні показники:

- ступінь перетворення (конверсія) вхідних речовин;

- вихід продукту.

Ступінь перетворення (конверсії) є безрозмірною величиною, що характеризує частку вхідних речовин, що увійшли у реакцію. Якщо співвідношення кількостей реагентів відрізняється від стехіометричного, ступінь перетворення розраховується по речовині, кількість якої є найменшою за стехіометрією. Ступінь перетворення розраховують по формулі:

 

, (2.1)

 

де М₀ – початкова кількість реагенту, по якому розраховують ступінь перетворення;

М – поточна кількість реагенту у масі під час відбору проби.

Приклад 4.1.

В реакцію:

 

CH₃OH + C₂H₅COOH = C₂H₅COOCH₃ + H₂O (2.2)

 

уведено:

- метанолу (CH₃OH, М = 32 г/моль) – 5 г;

- пропіонової кислоти (C₂H₅COOH, М = 74 г/моль) – 6 г.

Після проведення реакції залишилось 2,66 г метанолу і 0,6 г пропіонової кислоти. Визначити, за якою речовиною слід розраховувати ступінь конверсії ї розрахувати її.

Розв’язання:

а) розрахуємо кількість молів реагентів, що уведені до реакції:

- метанол: моль;

- пропіонова кислота: моль;

б) співвідношення реагентів, що вступають до реакції у відповідності до рівняння (1.42) складає 1:1. У реакцію введено співвідношення 0,156:0,081 = 1,98:1, що відрізняється від стехіометричного. Метанол знаходиться у надлишку, тому ступінь конверсії слід розраховувати по пропіонової кислоті, якої не вистачає до стехіометричної кількості;

в) ступінь перетворення (конверсії) у відповідності з формулою (2.1), складає:

 

 

Вихід є безрозмірною величиною, що характеризує частку продуктів реакції, що створилися у порівнянні з тим, що випливає з рівняння хімічної реакції. Він розраховується по формулі:

 

, (2.3)

 

где М – кількість продукту, що одержано у процесі на практиці (г, кг, моль);

М_теор. – теоретична кількість продукту, що може бути отримана, виходячи з рівняння реакції.

Величина М_теор. може бути розрахована двома способами:

ü в розрахунку на повну кількість вхідних речовин, що уводяться в реакцію;

ü в розрахунку на кількість вхідних речовин з врахуванням конверсії. В останньому випадку вказують, що вихід розрахований у розрахунку на речовини, що прореагували.

Приклад 4.2.

Взаємодія хлору з бензолом перебігає у відповідності з рівняннями:

 

С₆Н₆ + Cl₂ = C₆H₅Cl + HCl, (2.4)

 

С₆Н₆ + 2 Cl₂ = C₆H₅Cl₂ + 2HCl. (2.5)

 

У реакцію уведено суміш з мольним співвідношенням бензол (С₆Н₆): хлор = 1: 1. Після повного витрачення хлору одержана суміш речовин, що містить:

- бензол: 10 % мольн.;

- хлорбензол (C₆H₅Cl): 80 % мольн.

- діхлорбензоли (C₆H₅Cl₂): 10 % мольн. Визначити ступінь конверсії бензолу і вихід по хлорбензолу і діхлорбензолам. Втратами речовин у процесі взаємодії зневажити.

Розв’язання:

а) розрахуємо склад суміші продуктів. Якщо обрати 1 моль суміші, то вона буде містити, у відповідності зі складом,:

- бензолу: 0,1 моль;

- хлорбензолу: 0,8 моль;

- діхлорбензолів: 0,1 моль.

б) оскільки усі ці продукти отримані з бензолу, то кількість бензолу, що уведена у реакцію, буде дорівнювати сумарній кількості молів продуктів, що призведені з бензолу, тобто, 1 моль. Звідси, за визначенням, конверсія бензолу складає:

 

 

в) обчислимо виходи у розрахунку на повну кількість бензолу. У цьому випадку теоретична кількість хлорбензолу і діхлорбензолів, у відповідності до рівнянь (1.44) і (1.45) складе 1 моль з 1 моль бензолу. Звідси виходи складуть:

- по хлорбензолу: 0,8/1 = 0,8 = 80 %;

- по діхлорбензолам: 0,1/1 = 0,1 = 10 %;

г) обчислимо виходи у розрахунку на бензол, що увійшов у реакцію. Конверсія бензолу 90%, тобто, кількість бензолу, що увійшла у реакції, складає 0,9 моль. Звідси виходи:

- по хлорбензолу: 0,8/0,9 = 0,889 = 88,9%;

- по діхлорбензолам: 0,1/0,1 = 0,111 = 11,1 %

Якщо в хімічної реакції не відбувається змін об’єму – за основу для розрахунків конверсії можна обирати концентрації вхідних речовин (в кг/м³ або кмоль/м³). Якщо в реакції не відбувається виділення газоподібних продуктів, вихід можна розраховувати по масової концентрації в %. Виділення газоподібних продуктів у цьому випадку зменшує загальну масу і дає завищені результати.

На практиці для фіксації мас реагентів, складу кінцевої маси і розрахунків виходів і конверсії складається таблиця завантажень. Така таблиця складається для кожного лабораторного експерименту і фіксується в лабораторному журналі. У виробництві такі таблиці входять до складу операційних листків, де фіксуються всі особливості проведення технологічного процесу (його ведуть апаратники) і у операційному журналі, який веде майстер або технолог цеху.

Структура таблиці завантажень наведена у табл. 4.1

 

Таблиця 2.1 – Структура таблиці завантажень

 

Найменування продуктів, що завантажені	Мол маса	Мас. Частка, %	Маса, кг (г)	Кмоль (моль)	Густи-на, кг/м^3	Об’єм, м^3 (см^3)
Техн.	100 %

 

 

Зміст граф:

а) в графу 1 поміщають:

- назву кожного продукту, що завантажується (технічного продукту),

- назви кожного з компонентів (у тому числі – домішок), що входять до його складу

б) в графу 2 поміщають молярні маси (г/моль) кожного з компонентів кожного з продуктів, що завантажується (крім домішок);

в) в графу 3 поміщають масові долі кожного з компонентів у складі кожного технічного продукту;

г) в графу 4 поміщають масу кожного технічного продукту

д) в графу 5 поміщають масу кожного компонента кожного технічного продукту(100 % речовини, що реагує);

е) в графу 6 поміщають кількість молів кожного компонента кожного технічного продукту (крім домішок);

д) в графу 7 поміщають густину кожного рідкого технічного продукту (її визначають експериментально, або розраховують, спираючись на довідникові дані);

е) в графу 8 поміщають об’єм кожного рідкого технічного продукту.

На базі такої таблиці становляться прозорими кількості усіх компонентів та співвідношення між ними і легко розраховуються вихід і конверсія, виходячи з експериментальних даних по результатам операцій.

Приклад 2.3

В реактор синтезу 2-нітроанізолу було завантажено:

- метанолу (вміст основної речовини: 99%, води: 1 %) - 2000 кг;

- їдкого натру (NaOH) – 480 кг 53 % водного розчину;

- 2-нітрохлорбензолу (2-НХБ, С₆H₄ClNO₂, М = 157,5 г/моль, вміст основної речовини 99%, домішок 1 %) – 630 кг.

При нагріві перебігає реакція:

 

C₆H₄ClNO₂ + NaOH + CH₃OH = C₆H₄(NO₂)(OCH₃) + NaCl + H₂O. (2.6)

 

Після завершення процесу вміст 2-нітроанізолу (C₆H₄(NO₂)(OCH₃), М = 153 г/моль) у кінцевої масі склав 17,8 %. Скласти таблицю завантажень і визначити вихід з 2-нітроанізолу.

Розв’язання:

а) оскільки серед продуктів реакції немає газоподібних речовин, то маса продуктів, що одержані наприкінці процесу, дорівнює початковій масі:

 

М₀ = 2000+480+630 = 3110 кг;

 

б) розраховуємо масу 100%-го 2-нітрохлорбензолу, оскільки він самий буде реагувати:

 

M_2-НХБ = 630×0,99 = 623,7 кг;

 

в) розраховуємо масу 100%-го NaOH: M=480×53/100 = 254,4 кг; по залишку – розраховуємо кількість води

г) розраховуємо кількість молів і об’єми кожної з рідких речовин

Результати розрахунків вносимо у таблицю завантажень (табл. 1.6). З неї випливає, що найменша кількість у порівнянні зі стехіометрією спостерігається у 2-НХБ;

д) розраховуємо кількість 2-нітроанізолу в масі в кг і молях:

 

вихід 2-нітроанізолу по 2-НХБ:

 

Таблиця 2.2– Таблиця завантажень на операцію синтезу