Príklad 2 - Neutralizácia

Transcript

1 Príklad 2 - Neutralizácia 3. Bilančná schéa 1. Zadanie príkladu 3 = = 400 kg a k = 1 3 = 1600 kg w 1 = 0.1 w 3 =? w 1B = 0.9 w 3B =? w 3 =? 1 - vodný H 2SO w 3D =? roztok 4 V zariadení prebieha proces neutralizácie. ieša sa 400 kg vodneho roztoku kyseliny sírovej, s koncentráciou 10 % h., s 1200 kg vodného roztoku KOH o koncentrácii 4 h. %. Predpokladajte, že stupeň preeny liitujúceho reaktanta je rovný jednej. Vypočítajte stupeň preeny neklúčovej zložky, jej koeficient nadbytku a zloženie produktového prúdu. REKOR 3 - produktový prúd 2 - vodný roztok KOH 2 = 1200 kg w 2 = 0.04 w 2B = 0.96 r = 0 kg Platí Zákon zachovania hotnosti r - reakčný prúd ELKOVÝ VIZUÁLNY OBRZ "entálna integrácia inforácií"... čítanie 4. Riešenie syntéza vizualizácia Prúdy 1 2 r 3 Zložky : H2SO4 1*w1 - (-1)*ξ* B: H2O 1*w1B 2*w2B 2*ξ* B 3*w3B analýza logika predstavivosť : KOH - 2*w2 (-2)*ξ* 3*w D: K2SO4-1*ξ*D 3*w3D S 1 2 r

2 B - 2 : Príklad 2 V zariadení prebieha proces neutralizácie. ieša sa 400 kg vodneho roztoku kyseliny sírovej, s koncentráciou 10 % h., s 1200 kg vodného roztoku KOH o koncentrácii 4 h. %. Predpokladajte, že stupeň preeny liitujúceho reaktanta je rovný jednej. Vypočítajte stupeň preeny neklúčovej zložky, jej koeficient nadbytku a zloženie produktového prúdu. Odporúčaný postup riešenia príkladov z ateriálových bilancií.. Čítať zadanie príkladu, aj niekoľkokrát, veľi pozorne. Je vhodné si predstaviť každé slovo, slovné spojenie z textu príkladu do podoby obrázkov, plné "farieb, pohybu a radosti zo života" na "entálnej obrazovke a vytvoriť si z nich celkový obraz. Na základe tejto vizuálnej analýzy a syntézy identifikovať počet zariadení, všetky vstupujúce a vystupujúce prúdy, počet bilancovaných zložiek a základ výpočtu. ransforovať takto získané inforácie z textu príkladu do ateatických sybolov, hodnôt, jednotiek a vzťahov do Bilančnej schéy. Zostaviť ateriálové bilancie a poocné vzťahy, riešiť tento bilančný systé, overiť a kritický "logický oko" posúdiť výsledky. Základ výpočtu: * Základ výpočtu je spravidla definovaný na vstupe resp. výstupe, buď ako nožstvo prúdu alebo zložky v prúde. * Pri ateriálových bilanciách s reakciou ôže byť základo výpočtu aj rozsah reakcie alebo zdrojový člen zložky (nožstvo zložky, ktoré vznikne alebo zanikne v cheickej reakcii) * Vzhľado k jeho hodnote sa dopočítavajú nožstvá neznáych prúdov a zložiek. * V prípade, že základ výpočtu nie je definovaný, je nutné si ho voliť. Spravidla na vstupe alebo výstupe, kde býva naviac inforácií o bilancovano systée.

3 Bilančná schéa: 3 = = 400 kg a k = 1 3 = 1600 kg w 1 = 0.1 w 3 =? w 1B = 0.9 w 3B =? w 3 =? 1 - vodný roztok H 2 SO 4 w 3D =? REKOR 3 - produktový prúd 2 - vodný roztok KOH 2 = 1200 kg w 2 = 0.04 w 2B = 0.96 r = 0 kg Platí Zákon zachovania r - reakčný prúd hotnosti Zložky: -H 2 SO 4 B-H 2 O -KOH D-K 2 SO 4 Stechioetrická rovnica: H 2 SO KOH K 2 SO 4 2 H 2 O (-1)*ξ (-2)*ξ ξ 2*ξ n r = 0*ξ kol (-1)*ξ* (-2)*ξ* ξ* D 2*ξ* B r = 0 kg

4 Riešenie Na základe inforácii zo zadanie je nutné sa rozhodnúť, či sa výpočet zrealizuje v jednotkách hotnosti a hotnostných zlokoch, alebo látkových nožstvách a ólových zlokoch. 1. krok výpočtu Zostavenie ateriálovej bilancie, analýza inforácií zo zadania... Bilančná schéa poskytne potrebné inforácie na zostavenie ateriálovej bilancie. Stechioetrická rovnica (rovnice) je dôležitá pri zápise zdrojových členov (pozri na "zdrojový" stĺpec r) reaktantov a produktov do ateriálovej bilancie. ateriálová bilancia reaktora (prvý pohľad): Prúdy 1 2 r 3 Zložky n1 n1 : H 2 SO 4 1 *w 1 - (-1)*ξ* 3 *w 3 40?? B: H 2 O 1 *w 1B 2 *w 2B 2*ξ* B 3 *w 3B ?? n1 n1 : KOH - 2 *w 2 (-2)*ξ* 3 *w 3-48?? D: K 2 SO 4-1*ξ* D 3 *w 3D?? S 1 2 r 3 a = a = Stupeň preeny liitujúcej (kľúčovej) zložky (reaktanta) je rovný podľa zadania jednej... ato inforácia naznačuje, že si bude nutné najprv zistiť liitujúci reaktant a jeu priradený stupeň preeny (a k = 1). Študenti, s pravdepodobnosťou hraničiacou s istotou ste si všili, že ateriálovú bilanciu budee počítať v jednotkách hotnosti. prečo nie? Ponúkané údaje zo zadania nás ta pria logicky "dotláčajú"... V zdrojových (reakčných) členoch ná budú teraz zanikať resp. vznikať "kilogray" reaktantov a produktov, a preto je nutné, aby boli ich látkové nožstvá v zdrojových členoch prenásobené príslušnou ólovou hotnosťou. ólové hotnosti zložiek: = kg/kol B = = D = 18 kg/kol kg/kol kg/kol Konverzia reakcie je 100 % - ná. Do reaktora vstupujú 40 kg kyseliny sírovej a 48 kg hydroxidu Stupeň preeny draselného. Konverzia reakcie je 100 % - ná. liitujúcej zložky je V prípade, že je zadaná konverzia reakcie (v %) a nie stupeň 1 preeny konkrétneho reaktanta, je konverzia vzťahovaná na a k = 1 kľúčovú zložku (k), ktorá á byť vždy liitujúci reaktanto.

5 2. krok výpočtu Zistenie liitujúceho reaktanta Určenie liitujúceho reaktanta je ožné na základe inforácii zo zadania. Poznáe vstupné hotnosti oboch reaktantov a nebude probléo si číselne zistiť charakteristické hodnoty látkových nožstiev oboch reaktantov pri ktorých by úplne zreagovali, keby reakcia prebehla pre každý z nich až do konca. Výpočet charakteristických hodnôt, pri ktorých by oba reaktanty úplne zreagovali. n 1 1 n 2 2 n 1 n B 2B B kol kol en s nižšou hodnotou je liitujúci reaktant kol Liitujúci reaktanto je kyselina sírová kol a < a a = a k = 1 3. krok výpočtu Výpočet rozsahu reakcie: Rozsah reakcie si vypočítae z prepočtového vzťahu edzi rozsaho reakcie a už znáeho stupňa preeny kyseliny sírovej. 1 n kol 4. krok výpočtu Výpočet teoretického rozsahu reakcie: eoretický rozsah reakcie si vypočítae poocou liitujúcej zložky. Je taký rozsaho reakcie, kedy liitujúca zložka zreaguje úplne (a k = 1). Je teda axiálne ožný rozsaho reakcie. V našo prípade je jeden liitujúce reaktant - kyselina sírová. 1 n kol nožstvo liitujúceho (kľúčového) reaktanta (n k, vstup ) je zároveň teoretický nožstvo reaktanta (n i ). Platí to aj prirodzene aj vtedy, keby se počítali v jednotkách hotnosti... 1 = 1 = 40 kg

6 5. krok výpočtu Výpočet zdrojových členov: H 2 SO KOH K 2 SO 4 2 H 2 O (-1)*ξ* (-2)*ξ* ξ* D 2*ξ* B r = 0 kg r r rd rb r = -40 kg = kg/kol rb = kg B = 18 kg/kol r = kg = kg/kol rd = kg D = kg/kol x = kol 6. krok výpočtu Zloženie vystupujúcej zesi ateriálová bilancia: Prúdy 1 2 r 3 Zloženie vystupujúceho prúdu: Zložky : H 2 SO 4 1 *w 1 - (-1)*ξ* - w 3 = B: H 2 O 1 *w 1B 2 *w 2B 2*ξ* B 3 *w 3B w 3B = : KOH - 2 *w 2 (-2)*ξ* 3 *w 3 w 3 = D: K 2 SO 4-1*ξ* D 3 *w 3D w 3D = S 1 2 r krok výpočtu Stupeň preeny KOH: Úpravou prepočtovho vzťahu edzi rozsaho reakcie a stupňo preeny vodíka, alebo z definičného vzťahu:

7 8. krok výpočtu eoretické nožstvá reaktantov a ich koeficienty nadbytkov eoretické nožstvo reaktanta je také nožstvo liitujúceho reaktanta, ktoré by sa spotrebovalo v reakcii úplne. (a k = a i = 1) eoretické nožstvá reaktantov (H 2 SO 4 a KOH ) sa vypočítajú z úpravy vzťahu na výpočet teoretického rozsahu reakcie kg kg Koeficient nadbytku reaktanta je definovaný ako podiel skutočného nožstva reaktanta vstupujúceho do reakcie (systéu) k teoretickéu nožstvu reaktanta. kn i i, vstup i k je reaktant liitujúcou (kľúčovou) zložkou, sú obe nožstvá rovnaké a koeficient nadbytku reaktanta je rovný jednej (bez ohľadu na to, aký je jeho stupeň preeny). Koeficient nadbytku nekľúčovej zložky je vždy väčší ako jedna. kn kn