ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ

Transcript

1 ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ

2 2 ΕΝΘΑΛΠΙΑ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥ ΕΝΩΣΗΣ Ο θερμοτονισμός ή η θερμότητα της αντίδρασης εκφράζει τη μεταβολή ενέργειας λόγω της χημικής αντίδρασης Η απαιτούμενη ενέργεια για το σχηματισμό 1 mole μιας ένωσης από τα συστατικά της στοιχεία. Π.χ. C(s)+ ½ O2 CO(g) Συμβολισμός ΔĤ f Πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού είναι η ενθαλπία σχηματισμού σε πρότυπες συνθήκες (Τ=25 ο C, P=1 atm) Συμβολισμός ΔĤ ο f H ενθαλπία σχηματισμού των μεμονωμένων στοιχείων (π.χ. O2, Η2 ) σε πρότυπες συνθήκες ορίζεται ότι είναι μηδέν. Ενθαλπίες σχηματισμού των διαφόρων ενώσεων υπάρχουν στον Πίνακα Ζ.1 στο παράρτημα.

3 ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΕΝΘΑΛΠΙΑΣ ΜΕ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ 3

4 4 ΕΝΘΑΛΠΙΑ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΔĤrxn(T,P) <0 εξώθερμη ΔĤrxn(T,P) > 0 ενδόθερμη Ισχύει για: Στοιχειομετρικές αναλογίες Πλήρης αντίδραση Προϊόντα και αντιδρώντα σε ίδιες Τ, P (Συνήθως ΔĤrxn=f(T)) Μονάδες: kj/mol ενός αντιδρώντος ή ενός προϊόντος

5 5 ΝΟΜΟΣ HESS Εάν μια αντίδραση μπορεί να προκύψει από άλλες αντιδράσεις με απλές αλγεβρικές πράξεις (πρόσθεση, αφαίρεση, πολλαπλασιασμό με σταθερά) τότε οι ίδιες αλγεβρικές πράξεις μπορούν να εφαρμοστούν στις αντίστοιχες ενθαλπίες αντίδρασης και να υπολογιστεί η ενθαλπία της ζητούμενης αντίδρασης Χρήσιμος για τον έμμεσο υπολογισμό της ενθαλπίας μιας αντίδρασης από άλλες αντιδράσεις των οποίων οι ενθαλπίες είναι γνωστές

6 6 ΝΟΜΟΣ HESS Ο υπολογισμός της ενθαλπίας σχηματισμού CO είναι δύσκολο να γίνει πειραματικά γιατί ένα μέρος του άνθρακα μετατρέπεται σε CO2. Επιθυμητή αντίδραση Γ:C(s)+ ½ O2 CO(g) Για τον λόγο αυτό μπορούμε να την υπολογίσουμε έμμεσα με το νόμο του Hess και δύο άλλες αντιδράσεις: A:C(s)+ O2 CO2 ΔĤ 1 ο rxn= kj/mol B:CO + ½ O2 CO2 ΔĤ 2 ο rxn= kJ/mol Γ = ΔĤ 1 ο rxn - ΔĤ 2 ο rxn = kJ/mol

7 7 Ενθαλπία καύσης Καύση: Ταχεία αντίδραση με O2(οξείδωση) σε υψηλή θερμοκρασία C(s)+ O2(g) CO2(g) C2H6(g)+ 7/2 O2(g) 2 CO2(g) + 3 H2O(l) Πρότυπη ενθαλπία καύσης ΔĤ ο c είναι η ενθαλπία της αντίδρασης τέλειας καύσης για Τ= 25 ο C και P =1 atm (Πίνακας Ζ.1, Παράρτημα) Ισχυρά εξώθερμος χαρακτήρας της αντίδρασης (ΔĤοc< 0) για την παραγωγή θερμότητας

8 8 Ενθαλπία καύσης Ως προϊόντα της καύσης θεωρούνται κυρίως CO2(g), H2O(l) αλλά και SO2 αν υπάρχει S, HCl αν υπάρχει Cl ΔĤ ο c=0 για Ο2, CO2, H2O και άλλα προϊόντα καύσης Θερμογόνος (θερμαντική) δύναμη καυσίμου ορίζεται ως (- ΔĤοc) Ανώτερη θερμογόνος δύναμη (ΑΘΔ) - Όταν το Η2Ο είναι σε υγρή μορφή (νερό) Κατώτερη (ή καθαρή) θερμογόνος δύναμη (ΚΘΔ) -Όταν το Η2Ο είναι σε αέρια μορφή (ατμός) Η διαφορά τους είναι η θερμότητα εξάτμισης του νερού

9 ΠΙΝΑΚΕΣ ΦΥΣΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ

10 ΠΙΝΑΚΕΣ ΕΙΔΙΚΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ (C p )

11 11 ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΜΕ ΜΕΘΟΔΟ ΔH R ΚΛΕΙΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΝΟΙΚΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ

12 12 ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΜΕΘΟΔΟ ΔH f Πρότυπες συνθήκες αναφοράς για στοιχεία σε 25 ο C και P=1 atm

13 ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ

14 14 Δίνεται η οξείδωση της αμμωνίας σύμφωνα με την αντίδραση 100 mol/s ΝH3 και 200 mol/s Ο2 στους 25 o C εισέρχονται σε αντιδραστήρα όπου η αμμωνία καταναλώνεται πλήρως. Τα αέρια εξέρχονται από τον αντιδραστήρα στους 300 ο C. Υπολογίστε τον ρυθμό θερμότητας που απάγεται ή προσφέρεται στον αντιδραστήρα υποθέτοντας ότι η πίεση είναι σταθερή και ίση με 1 atm. Q=-19,700 KW

15 15

16 16 Ε. Παυλάτου, 2017 Q=-15,300 KJ

17 17 ΑΔΙΑΒΑΤΙΚΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ Η αφυδρογόνωση της αιθανόλης σε ακεταλδεύδη γίνεται σε αδιαβατικό αντιδραστήρα. Η τροφοδοσία είναι στους 400 ο C και ο βαθμός μετατροπής είναι 30%. Ποια είναι η θερμοκρασία εξόδου του αντιδραστήρα και υποθέστε τα 100 mol αιθανόλης ως βάση υπολογισμού. Δίνονται: cp αιθ= *10-5 Τ-8.749*10-8 Τ *10-12 Τ 3 cp Η2= 28.84* *10-5 Τ *10-8 Τ *10-12 Τ 3 cp ακεταλ= *10-4 Τ+8.050*10-8 Τ *10-12 Τ 3 ΔΗ f, αιθ= ΚJ/mol, ΔΗ f, ακετ= ΚJ/mol

18 18 ΑΔΙΑΒΑΤΙΚΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ C 2 H 5 OH CH 3 CHO(v) + H 2 Τ= 185 ο C

19 19 Ε. Παυλάτου, 2016 Η αφυδρογόνωση της αιθανόλης σε ακεταλδεύδη γίνεται σε αντιδραστήρα. Η τροφοδοσία έχει ρυθμό 150 mol/s στους 300 ο C και περιέχει 90% αιθανόλη και το υπόλοιπο είναι ακεταλδεύδη. Ο ρυθμός παροχής θερμότητας είναι 2440 KW, ενώ η θερμοκρασία εξόδου είναι 253 ο C. (i) Να προσδιορίσετε τους βαθμούς ελευθερίας. (ii) Να υπολογίσετε τον βαθμό μετατροπής της αιθανόλης. X=0.319

20 20 Στη μικροηλεκτρονική εφαρμόζονται διεργασίες χημικής απόθεσης από ατμό (chemical vapor deposition CVD) για να αποτεθεί λεπτό υμένιο SiO2 σε υπόστρωμα Si (wafers). H αντίδραση που λαμβάνει χώρα είναι η ακόλουθη όπου αντιδρά το σιλάνιο με οξυγόνο SiH 4 (g) + O 2 (g) SiO 2 (s) + 2H 2 (g) Η τροφοδοσία περιλαμβάνει O 2 και SiH 4 με λόγο 8.00 mol O 2 /1 mol SiH 4 στους 298 Κ και απόλυτη πίεση 3.00 tοrr. Τα προϊόντα της αντίδρασης βρίσκονται στους 1375Κ και πίεση (απόλυτη) 3.00 torr. Το σιλάνιο της τροφοδοσίας καταναλώνεται πλήρως. (α) Έχοντας ως βάση υπολογισμών 1 m3 τροφοδοσία, υπολογίστε τη μολαρική σύσταση εισόδου και εξόδου από τον αντιδραστήρα καθώς και την έκταση της αντίδρασης. (β) Υπολογίστε την πρότυπη θερμότητα της αντίδρασης και υπολογίστε τη θερμότητα kj που απάγεται ή προσφέρεται στον αντιδραστήρα (KW) αν η παροχή εισόδου είναι 27.5m 3 /h). Δίνονται 1. Θεωρήστε ιδανική συμπεριφορά αερίων

21 21 Ε. Π7υλάτου, 2017 (a)σύσταση τροφοδοσίας, προϊόντων ξ=??? (b) Q=???, 27.5 m 3 /h Q= ΚW

22 22 Η αιθανόλη παράγεται από αντίδραση του αιθυλενίου με νερό. Όμως μέρος του προϊόντος μετατρέπεται σε διαθυλαιθέρα. Η τροφοδοσία στον αντιδραστήρα έχει σύσταση 53.7 % mol C2H4, 36.7% H2O και το υπόλοιπο άζωτο και εισέρχεται στους 310 ο C. O αντιδραστήρας λειτουργεί ισοθερμοκρασιακά. Ο βαθμός μετατροπής του αιθυλενίου είναι 5% και η εκλεκτικότητα της αιθανόλης (moles αιθανόλης/moles αιθυλενίου που αντέδρασαν) είναι 0.9. (i) Να υπολογίσετε τους βαθμούς ελευθερίας (ii) Να υπολογίσετε τη θερμότητα που προσφέρεται ή απορροφά ο αντιδραστήρας (iii) Γιατί είναι τόσο χαμηλή η εκλεκτικότητα του επιθυμητού προϊόντος? Τι θα προτείνατε σε μια βιομηχανική γραμμή παραγωγής? Για τον διαιθυλεθέρα έχω τα δεδομένα:

23 23 ΔΗf, αιθ= kj/mol cp αιθ= *10-5 Τ-8.749*10-8 Τ *10-12 Τ 3 Q=-1.3 ΚJ

24 Ατμοί μεθανόλης καίγονται με περίσσεια αέρα σε καταλυτικό αντιδραστήρα. Αρχικά υγρή μεθανόλη στους 25 o C εξατμίζεται σε 1.1 atm και θερμαίνεται στους 100 o C. Ο ατμός αναμιγνύεται με τον αέρα που έχει ήδη προ-θερμανθεί στους 100 ο C και το αέριο μίγμα εισέρχεται στον αντιδραστήρα στους 100 ο C και p=1 atm. Τα προϊόντα της καύσης εξέρχονται στους 300 o C και p=1 atm. H ανάλυση των αερίων εξόδου σε ξηρή βάση είναι 4.8% CO 2, 14.3% Ο 2 και 80.9% N 2. (a) Υπολογίστε το ποσοστό περίσσειας του αέρα και το σημείο δρόσου των καυσαερίων. (b) Με βάση υπολογισμού 1g-mol μεθανόλης που καίγεται, υπολογίστε τη θερμότητα (kj) που απαιτείται για εξάτμιση και θέρμανση του μίγματος τροφοδοσίας καθώς και το ποσό της θερμότητας (kj) που απάγεται ή προσφέρεται στον αντιδραστήρα Δίνονται 24

25 a) Περίσσεια αέρα? (200%) Σημείο δρόσου του παραγόμενου αερίου (Tδρόσου = 44.1 ο C) b) Με βάση 1gmol μεθανόλης, Q=? Εξατμιστήρας, και Αντιδραστήρας? Q1, 2=? 40.33, 534 ΚJ 25

26 PERRY S CHEMICAL ENGINEERS HANDBOOK ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΧΗΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ, Ακ. Έτος

27 Contents (1/3) PERRY S CHEMICAL ENGINEERS HANDBOOK

28 28. Αέρας στους 50 ο C και με 10% σχετική υγρασία εισάγεται σε ξηραντήρα με παροχή 11.3 m 3 /min και εξέρχεται κορεσμένος. Ο ξηραντήρας λειτουργεί αδιαβατικά. 1. Υπολογίστε την απόλυτη υγρασία και τον όγκο υγρασίας του αέρα που εισέρχεται στον ξηραντήρα. 2. Υπολογίστε τη θερμοκρασία και την παροχή εξόδου του ξηρού αέρα (kg/min). 3. Υπολογίστε τον ρυθμό (kg/min) που εξατμίζεται το νερό στον ξηραντήρα.

29 Στερεό προϊόν (π.χ. ζάχαρη) που περιέχει υγρασία περνάει από έναν ξηραντήρα. Ξηρός θερμός αέρα εισάγεται στον ξηραντήρα με παροχή 400kg/min, ο οποίος χρησιμοποιείται για την απομάκρυνση της υγρασίας που περιέχει το στερεό προϊόν. Στην έξοδο του ξηραντήρα ο υγρός αέρας έχει θερμοκρασία 50 o C και 2.44 % wt υδρατμούς, ο οποίος στη συνέχεια εισάγεται σε συμπυκνωτή που ψύχεται στους 10 o C. Η πίεση παραμένει σταθερή σε όλο το σύστημα και ίση με 1 atm. Υπολογίστε τον ρυθμό (kg/min) που εξατμίζεται το νερό στον ξηραντήρα. Υπολογίστε τη θερμοκρασία υγρού θερμομέτρου, τη σχετική υγρασία, το σημείο δρόσου και την ειδική ενθαλπία του αέρα (kj/kg) στην έξοδο του ξηραντήρα. Υπολογίστε την απόλυτη υγρασία και την ειδική ενθαλπία του αέρα (kj/kg) στην έξοδο του συμπυκνωτή. Υπολογίστε τον ρυθμό συμπύκνωσης του νερού (kg/min) και τον ρυθμό μεταφοράς θερμότητας από τον συμπυκνωτή (kw). Θεωρείστε ότι η ειδική ενθαλπία του νερού (H 2 O (l))στους 10 o C είναι H=42.0 kj/kg. Δίδεται η τάση ατμών του νερού σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας: ln p*= /(t )όπου p* σε mm Hg και T σε o C. 29