ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΜΑΖΑΣ ΜΕ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ

Transcript

1 ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΜΑΖΑΣ ΜΕ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ 1

2 2 ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΜΑΖΑΣ ΜΕ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ Βασικές έννοιες Στοιχειομετρία-Στοιχειομετρικοί συντελεστές-στοιχειομετρική αναλογία Περιοριστικό αντιδρών Αντιδρών σε περίσσεια Μετατροπή (κλάσμα, %) Απόδοση αντίδρασης Εκλεκτικότητα Έκταση αντίδρασης ξ Ε. Παυλάτου, 2018

3 3 Ε. Παυλάτου, 2016 Η στοιχειομετρία ασχολείται με τις ποσότητες των στοιχείων ή των ενώσεων που αντιδρούν. Οι ποσοτικές πληροφορίες αναφέρονται σε mol και όχι g. Στοιχειομετρία Μετατρέπουμε τη μάζα σε mol και εφαρμόζουμε τη στοιχειομετρία aa + bb cc + dd i.e. a moles A αντιδρούν με b moles του B και δίνουν c moles του C και d moles του D. a,b,c,d στοιχειομετρικές ποσότητες

4 4 Μη στοιχειομετρικές ποσότητες ΠΑ+Περίσσεια Περιοριστικό αντιδρών: Το αντιδρών που είναι στοιχειομετρικά στη μικρότερη ποσότητα Αντιδρών σε περίσσεια: Το αντιδρών που είναι στοιχειομετρικά σε μεγαλύτερη ποσότητα από το περιοριστικό αντιδρών. C Περίσσεια Α = (n τροφ n στοιχ )/n στοιχ

5 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΑΠΟΔΟΣΗ - ΕΚΛΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ Βαθμός μετατροπής είναι το κλάσμα της τροφοδοσίας (ή ενός υλικού της τροφοδοσίας) που μετατρέπεται σε προϊόντα. Όταν ο βαθμός μετατροπής αναφέρεται σε περιοριστικό αντιδρών, τότε ορίζεται ως βαθμός μετατροπής της αντίδρασης. Απόδοση: Υπάρχουν πολλοί ορισμοί. f moles moles reacted fed (τροφοδοσίας) Ο λόγος των mol (ή της μάζας) του επιθυμητού τελικού προϊόντος προς τα mol (ή τη μάζα) του βασικού αντιδρώντος της τροφοδοσίας. (καταν. αντιδρ.) Ο λόγος των mol (ή της μάζας) του επιθυμητού τελικού προϊόντος προς τα mol (ή τη μάζα) του βασικού αντιδρώντος που καταναλώνεται. Ο λόγος των mol (ή της μάζας) του επιθυμητού τελικού προϊόντος που λαμβάνεται προς τη θεωρητική ποσότητα που θα λαμβανόταν για 100% μετατροπή. ΑΔΙΑΣΤΑΤΟ!! Ως εκλεκτικότητα ορίζεται το κλάσμα των moles ενός συγκεκριμένου προϊόντος προς τα moles ενός άλλου προϊόντος (συνήθως μη επιθυμητού παραπροϊόν).

6 kmol/h ακετυλενίου (C 2 H 2 ) και 50.0 kmol/h H 2 τροφοδοτούνται σε ένα αντιδραστήρα: C 2 H Η 2 C 2 H 6 Ποιο είναι το περιοριστικό αντιδρών; Ποιο είναι το αντιδρών σε περίσσεια; Περίσσεια %; Ασκήσεις 5.6 Him, , , 5.2.4

7 7 Ε. Παυλάτου, 2018 ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΜΑΖΑΣ ΜΕ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ Him To αντιμόνιο λαμβάνεται από τον αντιμονίτη σύμφωνα με την αντίδραση Sb 2 S Fe 2Sb + 3 FeS Εισέρχονται kg Sb 2 S 3, kg Fe και παράγονται με θέρμανση kg Sb. (a) Π.Α.? (b) % περίσσεια αντιδρ. (c) Βαθμός μετατροπής (κλάσμα) (d) % μετατροπής με βάση το Sb 2 S 3 (e) Απόδοση kg Sb/kg Sb 2 S 3(τροφοδ) Ar: Sb =121.76, S =32.07, Fe =55.85

8 Ε. Παυλάτου,

9 ΕΚΤΑΣΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ Για μια ένωση ή στοιχείο που συμμετέχει σε μια χημική αντίδραση ισχύει: n i = n i,0 + ν i *ξ Όπου n i : mol της ένωσης στο τέλος της αντίδρασης n i,0 : mol της ένωσης πριν την αντίδραση ξ: η έκταση της αντίδρασης (mol) Η έκταση της αντίδρασης ξ (mol) λαμβάνει θετικές τιμές για τα προϊόντα και για τα αντιδρώντα. αρνητικές τιμές

10 ΕΚΤΑΣΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ Βοηθητικό μέγεθος που χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με τους στοιχειομετρικούς συντελεστές για να υπολογιστούν οι ποσότητες των προϊόντων αντιδρώντων σε μια χημική αντίδραση (όπου συνήθως δεν καταναλώνεται όλη η ποσότητα των αντιδρώντων, δηλαδή μετατροπή ΟΧΙ 100%). Συμβολίζεται συνήθως με το γράμμα ξ. Εκφράζει το πόσο έχει προχωρήσει η χημική αντίδραση. Μετριέται σε mol. Δηλώνει πόσα mol ενός αντιδρώντος έχουν αντιδράσει. Με βάση τη στοιχειομετρία υπολογίζονται σε συνάρτηση του ξ: α) οι ποσότητες των υπολοίπων αντιδρώντων που αντέδρασαν και β) οι ποσότητες των προϊόντων που έχουν παραχθεί.

11 Ισοζύγιο Μάζας Xημικής Ένωσης/ χημικού είδους ό ώ ύ ό ή ό ό συστατικού έ σ ύ ό ό συστατικού από ττ ύ ό ή ύ ό ή ό ά ύ ό ή Ισοζύγιο μάζας χημικής ένωσης σε μεταβατική (μη μόνιμη) κατάσταση Ισοζύγιο μάζας χημικής ένωσης σε μόνιμη κατάσταση

12 ό ί μάζας έ ί ή Ισοζύγιο Μάζας Xημικού Στοιχείου ό ό μάζας έ ί ή Ισοζύγιο χημικού στοιχείου σε μόνιμη κατάσταση ΠΡΟΣΟΧΗ! Ισοζύγιο μάζας χημικού στοιχείου μπορεί να γίνει σε όλα τα συστήματα σε moles ή σε kg ανεξάρτητα αν στο σύστημα συμβαίνει χημική αντίδραση Xρησιμοποιείται και για τον έλεγχο της ορθότητας των υπολογισμών Ισοζύγιο χημικού στοιχείου σε μη μόνιμη κατάσταση

13 ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΜΑΖΑΣ ΜΕ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ Σύγκριση χημικού στοιχείου και χημικής ένωσης ΙΣΧΥΕΙ OΤΙ ΕΙΣΡΟΗ = ΕΚΡΟΗ ; Χωρίς Χημική Αντίδραση Με Χημική Αντίδραση ΣΥΝΟΛΙΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ μάζα NAI NAI mol NAI OXI ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ μάζα χημικού στοιχείου NAI NAI mol χημικού στοιχείου NAI NAI μάζα χημικής ένωσης NAI OXI mol χημικής ένωσης NAI OXI

14 14 Ε. Παυλάτου, 2017 Βαθμοί ελευθερίας + Πράσινο, - Κίτρινο MOΡΙAKH ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΤΟΜΙΚΗ ΒΑΣΗ ΕΚΤΑΣΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΑΡ. ΑΓΝΩΣΤΩΝ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ + ΑΡ. ΑΝΕΞ. ΧΗΜ. ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ + ΑΡ. ΑΓΝΩΣΤΩΝ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ + ΑΡ. ΑΓΝΩΣΤΩΝ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ + ΑΡ. ΙΣΟΖΥΓΙΩΝ ΑΤΟΜΙΚΩΝ ΕΙΔΩΝ ΑΡ. ΑΝΕΞ. ΧΗΜ. ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ - (ΑΡ. Ξ) + ΑΡ. ΙΣΟΖΥΓΙΩΝ ΜΑΖΑΣ ΜΟΡΙΑΚΩΝ ΕΙΔΩΝ - ΑΡ. ΙΣΟΖΥΓΙΩΝ ΜΑΖΑΣ ΜΗ ΑΝΤΙΔΡΩΝΤΩΝ - ΑΡ. ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ ΜΕ ΑΝΤΙΔΡΩΝΤΑ ΚΑΙ Ξ - ΑΡ. ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΩΝ - ΑΡ. ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΩΝ - ΑΡ. ΜΗ ΑΝΤΙΔΡΩΝΤΩΝ - ΑΡ. ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΩΝ -

15 15 ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ Ε. Παυλάτου, 2017 Το ακρυλονιτρίλιο παράγεται σύμφωνα με την αντίδραση F C 3 H 6 + NH 3 + 3/2O 2 C 3 H 3 N + 3H 2 O Η τροφοδοσία έχει σύσταση 10.0 % mol προπυλένιο, 12.0% αμμωνία και 78% αέρα. Επιτυγχάνεται μια μετατροπή 30.0% του περιοριστικού αντιδρώντος. Με βάση 100 mol τροφοδοσία, προσδιορίστε το Π.Α., την περίσσεια των υπόλοιπων αντιδρώντων και τη σύσταση του προϊόντος.

16 16 Ε. Παυλάτου, 2017 ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ F mol ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ (αντιδραστήρας) mol C 3 H 6 /mol mol NH 3 /mol mol air/mol mol O 2 /mol air mol N 2 /mol air 100 mol Βάση Κλάσμα μετατροπής 30% στο περιορ. Αντιδρών Περ. αντιδρών? % περίσσεια? C 3 H 6 + NH 3 + 3/2O 2 C 3 H 3 N + 3H 2 O Mol προϊόντων? C 3 H 6 + NH 3 + 3/2O 2 C 3 H 3 N + 3H 2 O n C3H6 (mol C 3 H 6 ) n NH3 (mol NH 3 ) n O2 (mol O 2 ) n N2 (mol N 2 ) n C3H3N (mol C 3 H 6 N) n H2O (mol H 2 O)

17 17 ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ- ΑΠΟΔΟΣΗ/ΕΚΛΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ C 2 H 6 C 2 H 4 + H 2 (1) C 2 H 6 + H 2 2 CH 4 (2) Ε. Παυλάτου, 2018 F Οι παραπάνω αντιδράσεις λαμβάνουν μέρος σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας σε μόνιμη κατάσταση. Η τροφοδοσία περιλαμβάνει 85.0% mole αιθάνιο και το υπόλοιπο αδρανή (Ι). Ο βαθμός μετατροπής (κλάσμα) του αιθανίου είναι και η εκλεκτικότητα του αιθυλενίου Υπολογίστε τη σύσταση (%mol) προϊόντος και την εκλεκτικότητα του αιθυλενίου ως προς μεθάνιο.

18 18 ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ- ΑΠΟΔΟΣΗ/ΕΚΛΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ Ε. Παυλάτου, 2018 F mol ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ mol C 2 H 6 /mol (αντιδραστήρας) mol I/mol 100 mol Βάση n 1 (mol C 2 H 5 ) n 2 (mol C 2 H 4 ) n 3 (mol H 2 ) n 4 (mol CH 4 ) n 5 (mol I) Απόδοση αιθυλενίου= %μετατροπή αιθανίου =0.501 ΣΥΣΤΑΣΗ ΕΞΟΔΟΥ? ΕΚΛΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ ΑΙΘΥΛΕΝΟΥ ΣΕ ΑΙΘΑΝΙΟ

19 19 ΙΣΟΖΥΓΙΑ -ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ F 4.7 Ε. Παυλάτου, kmol/min αιθάνιο εισάγεται σε αντιδραστήρα αφυδρογόνωσης. Η ροή εξόδου του H2 είναι 40 kmol/min. Καθορίστε τους βαθμούς ελευθερίας και την παροχή εξόδου C2H6 C2H4 + H2 100 Kmol/min C 2 H 6 ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ 40 kmol/min H 2 (αντιδραστήρας) ṅ 1 kmol/min C 2 H 6 ṅ 2 Kmol/min C 2 H 4 Ανάλυση 1. Μοριακά ισοζύγια 2. Στοιχειακά ισοζύγια 3. Έκταση αντίδρασης

20 20 ΚΑΥΣΕΙΣ ΑΤΕΛΗΣ ΚΑΥΣΗ Ε. Παυλάτου, 2017 F CH 4 +3/2 Ο 2 CΟ + 2H 2 Ο (1) CH 4 +2 Ο 2 CΟ 2 + 2H 2 Ο (2) Το μεθάνιο καίγεται σε αέρα μέσα σε αντιδραστήρα καύσης συνεχούς λειτουργίας σε μόνιμη κατάσταση. Οι αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα είναι οι παραπάνω. Η τροφοδοσία περιέχει 7.80 % mol CH4, 19.4% O2 και 72.8 % N2. To κλάσμα μετατροπής του μεθανίου είναι 90% και το προϊόν περιλαμβάνει 8mol CO2/1 mol CO. 1) Σχεδιάστε διάγραμμα ροής. Ανάλυση βαθμών ελευθερίας 2) Προσδιορίστε τη μολαρική σύσταση προϊόντος/εξόδου/καυσαερίων με ισοζύγια 3) ΙΣΟΖΥΓΙΑ: ΜΟΡΙΑΚΑ, ΑΤΟΜΙΚΑ ΚΑΙ ΕΚΤΑΣΗΣ.

21 21 ΚΚΑΥΣΕΙΣ ΑΤΕΛΗΣ ΑΥΣΗ 100 mol ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ (αντιδραστήρας) mol CH 4 /mol mol O 2 /mol mol N 2 /mol Ε. Παυλάτου, 2017 n CH4 (mol CH 4 ) n CO (mol CO) 8n CO (mol CO 2 ) n H2O (mol H 2 O) n O2 (mol O 2 ) n N2 (mol N 2 ) 100 mol Βάση Έξοδος: 8/1 mol CO2/CO %μετατροπή μεθανίου =90% ΒΑΘΜΟΙ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑΣ? ΣΥΣΤΑΣΗ ΕΞΟΔΟΥ? (μοριακή, ατομική, έκταση)

22 22 Ε. Παυλάτου, 2018 ΚΚΑΥΣΕΙΣ ΑΤΕΛΗΣ ΑΥΣΗ 100 mol ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ (αντιδραστήρας) mol CH 4 /mol mol O 2 /mol mol N 2 /mol 0.78 (mol CH 4 ) 0.78 (mol CO) 6.24 (mol CO 2 ) 14.0 (mol H 2 O) 5.75 (mol O 2 ) 72.8 (mol N 2 )

23 23 Ε. Παυλάτου, 2017 ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΗ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΜΟΡΙΑΚΑ ΙΣΟΖΥΓΙΑ: 1 ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΑΤΟΜΙΚΑ ΙΣΟΖΥΓΙΑ: ΠΟΛΛΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΕΚΤΑΣΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ: ΧΗΜ. ΙΣΟΡ., ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΕΠΙΛΥΣΗ, ΠΟΛΛΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ (ΚΥΡΙΩΣ)

24 CH O 2 CO H 2 O ΑΣΚΗΣΗ (έλεγχος ισοζυγίων) 100 mol CH mol O 2 ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ (αντιδραστήρας) 40 mol CH mol O 2 60 mol CO mol H 2 O ΕΡΩΤΗΜΑΤΑ Βαθμός μετατροπής μεθανίου = ; Βαθμός μετατροπής οξυγόνου = ; Καταστρώστε τις σχετικές εξισώσεις με βάση την έκταση τις αντίδρασης ξ για τα CH 4, O 2, CO 2 και H 2 O. Υπολογίστε το ξ. Πόσα ανεξάρτητα ισοζύγια σε μοριακή βάση μπορούν να καταγραφούν; Πόσα ανεξάρτητα ισοζύγια σε ατομική (στοιχειακή) βάση μπορούν να καταγραφούν; Να ελεγχθεί αν τα ισοζύγια C, H, O, O 2 είναι σωστά. Σύσταση καυσαερίων σε υγρή και σε ξηρή βάση

25 ΚΑΥΣΕΙΣ 25

26 26 ΚΑΥΣΕΙΣ Ε. Παυλάτου, 2018 Περίσσεια 50% Moles τροφοδοσίας= 1.5 Moles Θεωρητικά Περίσσεια αέρα= Moles τροφοδοσιας Moles θεωρητικα αερα Moles Θεωρητικά αέρα

27 27 Ε. Παυλάτου, 2018 Υπολογισμοί περίσσειας αέρα Ένα αέριο μείγμα περιέχει 60.0 mole% N2, 15.0 CO2 και 10.0% O2 και Η2Ο. Υπολογίστε τη μολαρική σύσταση σε ξηρή βάση. 100 mol/h βουτάνιο εισέρχεται σε αντιδραστήρα και καίγεται με αέρα παροχής 5000 mol/h. Υπολογίστε % περίσσεια αέρα.

28 28 1. ΚΑΥΣΕΙΣ ΜΕ ΠΕΡΙΣΣΕΙΑ F Ε. Παυλάτου, 2018 Αιθάνιο καίγεται με 50% περίσσεια αέρα. Το κλάσμα μετατροπής του αιθανίου είναι 90%, όπου το 25% μετατρέπεται σε CO kαι το υπόλοιπο προς σχηματισμό CO2. Να υπολογίσετε τη μολαρική σύσταση εξόδου σε ξηρή βάση και τον λόγο moles νερού προς ξηρό προϊόν. 100 mol Βάση 50% ΠΕΡΙΣΣΕΙΑ ΑΕΡΑ %μετατροπή ΑΙΘΑΝΙΟΥ=90% % ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΣΕ CO =25% ΒΑΘΜΟΙ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑΣ? ΣΥΣΤΑΣΗ ΕΞΟΔΟΥ? MOLES ΝΕΡΟΥ/ΞΗΡΗ ΒΑΣΗ?

29 29 Ε. Παυλάτου, ΚΑΥΣΕΙΣ ΜΕ ΠΕΡΙΣΣΕΙΑ F mol Βάση ΑΕΡΙΩΝ ΕΞΟΔΟΥ 50% ΠΕΡΙΣΣΕΙΑ ΑΕΡΑ ΛΟΓΟΣ Η/C=? % ΠΕΡΙΣΣΕΙΑ ΑΕΡΑ?

30 30 ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗ ΣΥΝΟΛΙΚΟ ΚΛΑΣΜΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ (Μάζα περιοριστικού αντιδρώντος στη νέα τροφοδοσία)- (μάζα αντιδρώντος στο προϊόν της συν. διεργασίας) Μάζα αντιδρώντος στη νέα τροφοδοσία ΚΛΑΣΜΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΣΕ ΕΝΑ ΠΕΡΑΣΜΑ Μάζα περιοριστικού αντιδρ. που εισάγεται στον αντιδραστ.- μάζα αντιδρ. που εξέρχεται από τον αντιδραστ. Μάζα αντιδρ. που εισάγεται στον αντιδραστ.

31 ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗ Φρέσκια Τροφοδοσία n 1 mol A Μ n 2 mol A ΑΝΤΙΔΡΑ n 3 mol A ΔΙΑΧΩΡΙ Προϊόν ΣΤΗΡΑΣ ΣΤΗΣ n 4 mol A Ανακύκλωση n 5 mol A Συνολικός βαθμός μετατροπής συστήματος: (n 1 -n 4 )/n 1 Βαθμός μετατροπής αντίδρασης (βαθμός μετατροπής στον αντιδραστήρα): (n 2 -n 3 )/n 2

32 32 ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣΜΕ ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗ C 3 H 8 C 3 Η 6 + H 2 Ε. Παυλάτου, 2018 F Η αφυδρογόνωση του προπανίου γίνεται σε ένα αντιδραστήρα με συνολικό κλάσμα μετατροπής του προπανίου 95%. Τα προϊόντα της αντίδρασης διαχωρίζονται σε 2 ρεύματα, το πρώτο που περιέχει Η2, προπυλένιο και το 0.555% του προπανίου που εξέρχεται από τον αντιδραστήρα και λαμβάνεται ως προϊόν. Το δεύτερο ρεύμα που περιέχει το υπόλοιπο προπάνιο που δεν αντέδρασε και 5% του προπυλενίου του πρώτου ρεύματος, ανακυκλώνεται στον αντιδραστήρα. Να σχεδιαστεί το διάγραμμα ροής και να γίνει ανάλυση βαθμών ελευθερίας. Να υπολογιστεί η (i) σύσταση του προϊόντος, (ii) ο λόγος moles ανακυκλ/mole νέας τροφοδ. και το (iii) ποσοστό μετατροπής σε ένα πέρασμα. Βάση 100 mol Νέας τροφοδοσίας.

33 33 ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕ ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗ Ε. Παυλάτου, 2018 F Φρέσκια Τροφοδοσία 100 mol C 3 H 8 Μ C 3 H 8 C 3 Η 6 + H 2 n 1 mol C 3 H 8 ΑΝΤΙΔΡΑ n 3 mol C 3 H 8 n 2 mol C 3 H 6 ΣΤΗΡΑΣ n 4 mol C 3 H 6 n 5 mol H 2 ΔΙΑΧΩΡΙ ΣΤΗΣ Προϊόν n 6 mol C 3 H 8 (=0.555%n 3 ) n 7 mol C 3 H 6 n 8 mol H 2 Ανακύκλωση n 9 mol C 3 H 8 n 10 mol C 3 H 6 (=5%n 7 ) 100 mol Βάση % συνολική μετατροπή προπανίου =95% ΒΑΘΜΟΙ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑΣ? ΣΥΣΤΑΣΗ ΕΞΟΔΟΥ-προїόντος? (n6, n7, n8) ΛΟΓΟΣ (n9+n10)/100 Μετατροπή απλής διαδρομής ΠΡΟΠΑΝΙΟ (n1-n3)/n1?

34 34 Ε. Παυλάτου, 2018 ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕ ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗ Φρέσκια Τροφοδοσία 100 mol C 3 H 8 Μ 995 mol C 3 H 8 ΑΝΤΙΔΡΑ 900 mol C 3 H mol C 3 H 6 ΣΤΗΡΑΣ mol C 3 H 6 95 mol H 2 ΔΙΑΧΩΡΙ ΣΤΗΣ Προϊόν 5 mol C 3 H 8 95 mol C 3 H 6 95 mol H 2 Ανακύκλωση 895 mol C 3 H mol C 3 H 6

35 35 Ε. Παυλάτου, 2016 ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕ ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗ ΚΑΙ ΚΑΘΑΡΙΣΜΟ

36 ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕ ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗ ΚΑΙ ΚΑΘΑΡΙΣΜΟ 36 F Μεθανόλη παράγεται σύμφωνα με την παραπάνω αντίδραση. Η νέα τροφοδοσία περιέχει Η2, CO2, mol I αδρανή. Τα προϊόντα του αντιδραστήρα περνούν από συμπυκνωτή που απομακρύνεται σχεδόν όλη η ποσότητα μεθανόλης και νερού που παράγονται και τίποτε από τα αντιδρώντα ή αδρανή. Τα τελευταία ανακυκλώνονται στον αντιδραστήρα. Για αποφυγή συσσώρευσης αδρανών ένα ρεύμα καθαρισμού απορρίπτεται από το ρεύμα ανακύκλωσης. Η τροφοδοσία στον αντιδραστήρα περιέχει 28.0 CO2, 70.0 H2 και 2.00 mol I. H μετατροπή απλής διαδρομής για το υδρογόνο είναι 60.0%. Υπολογίστε τη μολαρική ροή και σύσταση της νέας τροφοδοσίας, την τροφοδοσία στον αντιδραστήρα, το ρεύμα ανακύκλωσης και καθαρισμού για μια παραγωγή μεθανόλης 155 kmol/h.

37 37 Ε. Παυλάτου, 2017 ΚΑΥΣΕΙΣ ΜΕ ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗ ΚΑΙ ΚΑΘΑΡΙΣΜΟ F F 4.7.3? Νέα Τροφοδοσία? Συσταση τροφοδοσίας στον αντιδραστήρα? Ανακύκλωση? Καθαρισμός

38 38 F 4.60 Ε. Παυλάτου, 2017 ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕ ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗ ΚΑΙ ΚΑΘΑΡΙΣΜΟ Μεθανόλη παράγεται από CO και H2 σε καταλυτικό αντιδραστήρα. Η νέα τροφοδοσία περιλαμβάνει 32% CO, 64% Η2 και 4.0% N2. Το ρεύμα αναμιγνύεται με ένα ρεύμα ανακύκλωσης Me l;ogo 5/1 (5 μέρη ανακύκλωσης προς 1 μέρος φρέσκιας τροφοδοσίας) και μπαίνει στον αντιδραστήρα με 13.0 % Ν2. Το ποσοστό μετατροπής απλού περάσματος είναι μικρό. Τα προϊόντα του αντιδραστήρα πηγαίνουν στον συμπυκνωτή όπου εξάγονται δύο ρεύματα. Το ένα υγρό ρεύμα περιλαμβάνει όλη την υγρή μεθανόλη και το άλλο CO, H2 και N2 από τον αντιδραστήρα. Το αέριο χωρίζεται σε 2 ρεύματα, το ένα απομακρύνεται και το άλλο ανακυκλώνεται. Με βάση 100mol/h ΝΕΑΣ/ΦΡΕΣΚΙΑΣ τροφοδοσίας (a) Επιλύστε το σχετικό διάγραμμα ροής (b) Yπολογίστε την παραγωγή μεθανόλης, το ρεύμα και τη σύσταση του καθαρισμού, το ποσοστό ολικής μετατροπής και απλού περάσματος. (c) Οφέλη ανακύκλωσης και καθαρισμού

39 39 Φρέσκια Τροφοδοσία 100 mol 32 mol CO 64 mol H 2 4 mol N 2 Ε. Παυλάτου, 2017 ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕ ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗ ΚΑΙ ΚΑΘΑΡΙΣΜΟ Μ1 600 mol n 1 mol CO n 2 mol H 2 78 mole N 2 Ανακύκλωση 500 mol n 9 mol CO n 10 mol N 2 (500-n 9 -n 10 ) mol H 2? ΡΥΘΜΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ n2 μεθανόλης? Ρεύμα καθαρισμού, σύσταση? Συνολικό κλάσμα μετατροπής και μερικό?? Οφέλη ανακύκλωσης και καθαρισμού? ΑΝΤΙΔΡΑ ΣΤΗΡΑΣ Μ2 n 3 mol CH 3 OH n 4 mol CO n 5 mol H 2 78 mole N 2 n 4 mol CO n 5 mol H 2 78 mole N 2 Απόρριψη n 6 mol CO n 7 mol H 2 n 8 mol N 2 ΣΥΜΠΥΚ ΝΩΤΗΣ F 4.60 Προϊόν n 3 mol CH 3 OH

40 40 ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕ ΠΕΡΙΣΣΕΙΑ Ε. Παυλάτου, 2018 F 4.71 Υγρή μεθανόλη τροφοδοτείται με παροχή 12.0 L/h σε αντιδραστήρα που καίγεται με περίσσεια αέρα. Τα προϊόντα καύσης αναλύονται στην εξής ξηρή βάση CH3OH 0.45%, CO2 9.03% και CO 1.81 %. (a) Σχεδιάστε το διάγραμμα ροής της διεργασίας και υπολογίστε τους βαθμούς ελευθερίας. (b) Υπολογίστε το ποσοστό μετατροπής της μεθανόλης, την περίσσεια αέρα, και τη μολαρική σύσταση του νερού στα προϊόντα καύσης. (c) Αν τα προϊόντα καύσης απελευθερώνονται σε ένα δωμάτιο. Τι προβλήματα θα αντιμετωπίσετε και τι μέτρα θα λάβετε? CΗ 3 ΟΗ + (3/2) O 2 CO H 2 O (1) CΗ 3 ΟΗ + O 2 CO + 2 H 2 O (2)

41 41 ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕ ΠΕΡΙΣΣΕΙΑ Ε. Παυλάτου, mol/h CH 3 OH ṅ ΧΗΜΙΚΗ 3 mol/h H 2 O ṅ 1 mol/h O 2 ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ 3.76ṅ 1 mol/h N 2 (αντιδραστήρας)? ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΗΣ? ΒΑΘΜΟΙ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑΣ? ΣΥΝΤ. ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΜΕΘΑΝΟΛΗΣ? ΠΕΡΙΣΣΕΙΑ ΑΕΡΑ ΣΤΗΝ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ? ΠΟΣΟΣΤΟ ΝΕΡΟΥ ΣΤΟ ΠΡΟΙΟΝ? ΠΡΟΙΟΝΤΑ ΝΑ ΑΠΟΔΟΘΟΎΝ ΣΕ ΔΩΜΑΤΙΟ. ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΔΡΑΣΕΙΣ??? ṅ 2 mol/h DG (dry gas) mol CH 3 OH/mol DG mol CO 2 /mol DG mol CO/mol DG x mol N 2 /mol DG ( x) mol O 2 /mol DG

42 42 Ε. Παυλάτου, mol/h CH 3 OH mol/h H ΧΗΜΙΚΗ 2 O 2627 mol/h DG (dry gas) mol/h O 2 ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ mol CH 3 OH/mol DG mol/h N 2 (αντιδραστήρας) mol CO 2 /mol DG mol CO/mol DG mol N 2 /mol DG mol O 2 /mol DG Βαθμός μετατροπής μεθανόλης = = 96.0% Περίσσεια αέρα = 29.1% Λόγος mol νερού προς mol καυσαερίων = mol H 2 Ο / mol καυσαερίων

43 43 ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕ ΠΕΡΙΣΣΕΙΑ Ε. Παυλάτου, 2016 H Παραγωγή οξικού οξέος HAc Ca(Ac) 2 + H 2 SO 4 CaSO4 + 2HAc 10% περίσσεια H 2 SO 4 Η αντίδραση προχωρά κατά 90% Τα προϊόντα διαχωρίζονται.?ποσό ανακύκλωσης με βάση 1000kg τροφοδοσίας 1 h? Kg HAc

44 44 Ε. Παυλάτου, 2017 H

45 45 ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ- ΣΥΣΤΑΣΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ Ε. Παυλάτου, 2018

46 1 η ΣΕΙΡΑ ΑΣΚΗΣΕΩΝ 1. (20%) Ο αριθμός Reynolds Re είναι ένας αδιάστατος αριθμός ο οποίος για ένα ρευστό που ρέει στο εσωτερικό ενός σωλήνα ορίζεται ως εξής: Re = Duρ / μ όπου D η διάμετρος του σωλήνα, u η ταχύτητα του ρευστού, ρ η πυκνότητα του ρευστού και μ το ιξώδες του ρευστού. Όταν η τιμή του αριθμού Re είναι μικρότερη από 2100, η ροή είναι στρωτή και οι ροϊκές γραμμές ομαλές. Για τιμές του αριθμού Reynolds μεγαλύτερες από την τιμή 2100, η ροή είναι τυρβώδης και χαρακτηρίζεται από έντονη ανακίνηση. Υγρή μεθυλαιθυλοκετόνη (ΜΕΚ) ρέει μέσα σε σωλήνα εσωτερικής διαμέτρου 2.067*(1-a/200) inches με μέση ταχύτητα 0.48 ft/s. Σε θερμοκρασία ρευστού 20 o C, η πυκνότητα της υγρής ΜΕΚ είναι g/cm 3 και το ιξώδες 0.43 centipoise. Υπολογίστε τον αριθμό Reynolds και σχολιάστε αν η ροή είναι στρωτή ή τυρβώδης. Αναφέρετε αναλυτικά τους υπολογισμούς σας. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΧΗΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ, Ακ. Έτος

47 1 η ΣΕΙΡΑ ΑΣΚΗΣΕΩΝ 2. (40%) Ο φρέσκος χυμός πορτοκαλιού περιέχει συνήθως 10-15% w/w διαλυμένα στερεά σε νερό. Προκειμένου να περιορισθεί το κόστος μεταφοράς, ο χυμός συμπυκνώνεται. Η συμπύκνωση πρέπει να πραγματοποιείται σε ειδικά σχεδιασμένο εξατμιστήρα που λειτουργεί σε χαμηλή πίεση, προκειμένου να μειωθεί η θερμοκρασία βρασμού, η οποία με τη σειρά της μειώνει την απώλεια συστατικών γεύσης και αρώματος. Επειδή η απώλεια της γεύσης και του αρώματος είναι αναπόφευκτη, κάποια ποσότητα φρέσκου χυμού πορτοκαλιού (που ονομάζεται "cutback"), παρακάμπτοντας τον εξατμιστήρα, αναμιγνύεται με το προϊόν του εξατμιστήρα. Σε συγκεκριμένη μονάδα τροφοδοτείται φρέσκος χυμός πορτοκαλιού 10000*(1+a/100) kg/h, περιεκτικότητας 12% w/w σε διαλυμένα στερεά, ενώ το ποσοστό που παρακάμπτει τον εξατμιστήρα ανέρχεται σε 10% w/w. Το προϊόν του εξατμιστήρα περιέχει 80% w/w διαλυμένα στερεά. (α) Σχεδιάστε το διάγραμμα ροής της διαδικασίας. (β) Προσδιορίστε όλα τα διακριτά συστήματα στα οποία μπορούν να εφαρμοστούν ισοζύγια μάζας. (γ) Προσδιορίστε τους βαθμούς ελευθερίας για κάθε διακριτό σύστημα. (δ) Καταγράψτε τα ισοζύγια μάζας. (ε) Προσδιορίστε τον ρυθμό εξάτμισης, τον ρυθμό παραγωγής του τελικού προϊόντος και τη σύσταση του τελικού προϊόντος. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΧΗΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ, Ακ. Έτος

48 1 η ΣΕΙΡΑ ΑΣΚΗΣΕΩΝ 3. (40%) Ακολουθεί το διάγραμμα ροής μίας διαδικασίας δυο επιμέρους διεργασιών (Δ1, Δ2) που λειτουργούν σε μόνιμη κατάσταση. Στη διαδικασία αυτή δεν πραγματοποιείται κάποια χημική αντίδραση. Υπολογίστε τη ροή και τη σύσταση (σε Α, Β και C) όλων των ρευμάτων του διαγράμματος ροής. 100 g/s g A/g g B/g 475 g/s (800-2a) g/s g A/g g B/g Δ1 M Δ g A/g g B/g g C/g 200 g/s g A/g g B/g g C/g ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΧΗΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ, Ακ. Έτος