ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΜΑΖΑΣ ΜΕ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ

. ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΜΑΖΑΣ ΜΕ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΣΩΤΗΡΗΣ ΤΣΙΒΙΛΗΣ, Καθ. ΕΜΠ 67

ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑ Από τη χημική αντίδραση προκύπτουν ποιοτικές και ποσοτικές πληροφορίες πχ. 1 C 7 H 16 + 11 O 2 7 CO 2 + 8 H 2 O Η στοιχειομετρία (1, 11, 7, 8) ασχολείται με τις ποσότητες των στοιχείων ή των ενώσεων που αντιδρούν. Οι ποσοτικές πληροφορίες αναφέρονται σε mol και όχι g. Μετατρέπουμε τη μάζα σε mol και εφαρμόζουμε τη στοιχειομετρία Το καρβίδιο του ασβεστίου (CaC 2 ) που χρησιμοποιείται στην παρασκευή ακετυλενίου, παρασκευάζεται κατά τη θέρμανση οξειδίου του ασβεστίου (CaO) και άνθρακα (C) σε υψηλή θερμοκρασία. 2 CaO + 5 C 2 CaC 2 + CO 2 Διατίθενται 1150 kg CaO. Πόσα kg C απαιτούνται για την πλήρη αντίδραση του CaO και πόσα kg CaC 2 θα παραχθούν; MB: CaO 56, CaC 2 64 68

ΜΗ ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΚΕΣ ΑΝΑΛΟΓΙΕΣ Στην πράξη σπάνια χρησιμοποιούνται τα αντιδρώντα στις στοιχειομετρικές τους αναλογίες. 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. Περίσσεια = (n feed n st )/n st 69

Aσκήσεις ΜΗ ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΚΕΣ ΑΝΑΛΟΓΙΕΣ 20.0 kmol/h ακετυλενίου (C 2 H 2 ) και 50.0 kmol/h H 2 τροφοδοτούνται σε ένα αντιδραστήρα: C 2 H 2 + 2 Η 2 C 2 H 6 Ποιο είναι το περιοριστικό αντιδρών; Ποιο είναι το αντιδρών σε περίσσεια; Περίσσεια %; 80 g C 7 H 16 αντιδρούν με 500 g O 2 σύμφωνα με την αντίδραση: C 7 H 16 + 11 O 2 7 CO 2 + 8 H 2 O Ποιο είναι το περιοριστικό αντιδρών; Ποιο είναι το αντιδρών σε περίσσεια; Περίσσεια %; Αν η αντίδραση είναι πλήρης, πόσα g CO 2 και Η 2 Ο θα παραχθούν; 70

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 Ο λόγος των mol (ή της μάζας) του επιθυμητού τελικού προϊόντος προς τα mol (ή τη μάζα) του βασικού αντιδρώντος (έχει τη μεγαλύτερη εφαρμογή). Ο λόγος των mol (ή της μάζας) του επιθυμητού τελικού προϊόντος προς τα mol (ή τη μάζα) του βασικού αντιδρώντος που καταναλώνεται (είναι ο λόγος των στοιχειομετρικών συντελεστών). Ο λόγος των mol (ή της μάζας) του επιθυμητού τελικού προϊόντος που λαμβάνεται προς τη θεωρητική ποσότητα που θα λαμβανόταν για 100% μετατροπή (ουσιαστικά είναι ο βαθμός μετατροπής της αντίδρασης μικρότερη εφαρμογή). Ως εκλεκτικότητα ορίζεται το κλάσμα των moles ενός συγκεκριμένου προϊόντος προς τα moles ενός άλλου προϊόντος (συνήθως μη επιθυμητού παραπροϊόν). fed 71

ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΑΠΟΔΟΣΗ - ΕΚΛΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ Άσκηση To αντιμόνιο (Sb) παράγεται με θέρμανση αντιμονίτη (Sb 2 S 3 ) με σκραπ σιδηρου και απομάκρυνση του λιωμένου Sb από τον πυθμένα του αντιδραστήρα: Sb 2 S 3 + 3 Fe 2 Sb + 3 FeS Θερμαίνονται μαζί 0.600 kg Sb 2 S 3 και 0.250 kg Fe και παράγονται 0.200 kg Sb. (α) Περιοριστικό αντιδρών; (β) Aντιδρών σε περίσσεια; (γ) To % ποσοστό του αντιδρώντος σε περίσσεια; (δ) Βαθμός μετατροπής αντίδρασης; (ε) Βαθμός μετατροπής με βάση το Sb 2 S 3 ; (ζ) Απόδοση σε kg Sb/kg Sb 2 S 3 της τροφοδοσίας του αντιδραστήρα; AB: Sb 121.76, S 32.07, Fe 55.85 72

ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΑΠΟΔΟΣΗ - ΕΚΛΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ Sb 2 S 3 + 3 Fe 2 Sb + 3 FeS 1.766 g mol Sb 2 S 3 Σε περίσσεια Στοιχ. Απ. 1.492 g mol Αντέδρασαν: 0.821 g mol 4. 476 g mol Fe Περιορ. Αντιδρών Αντέδρασαν: 2.463 g mol ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ (αντιδραστήρας) 2.463 g mol FeS 0.945 g mol Sb 2 S 3 2.013 g mol Fe 1.642 g mol Sb Στοιχ. 2.984 g mol Μαύρα στοιχεία: Ότι πραγματικά τροφοδοτήθηκε εξήλθε από τον αντιδραστήρα Κόκκινα στοιχεία: Πληροφοριακά στοιχεία 73

ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΑΠΟΔΟΣΗ - ΕΚΛΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ Περίσσεια Sb 2 S 3 = (1.766 1.492) = 0.184 ή 18.4% 1.492 reacted Βαθμός μετατρ. αντίδρ. (ΠΑ, Fe Sb) = f moles 2.463 moles 4.476 = 55.0% fed reacted 0.821 1.766 Βαθμός μετατροπής(sb 2 S 3 Sb) = = 46.5% Απόδοση 1) mol (ή kg) Sb προς mol Sb 2 S 3 που τροφοδοτήθηκαν 1.642/1.766 = 0.93 mol Sb / mol Sb 2 S 3 (1.642*121.8)/(1.766*339.7) = 0.333 kg Sb / kg Sb 2 S 3 2) mol (ή kg) Sb προς mol Sb 2 S 3 που καταναλώθηκαν 1.642/0.821 = 2.0 mol Sb / mol Sb 2 S 3 (1.642*121.8)/(0.821*339.7) = 0.717 kg Sb / kg Sb 2 S 3 Εκλεκτικότητα = mol Sb προς mole FeS = 1.642 mol Sb/2.463 mol FeS = 0.666 mole Sb /mole FeS f moles moles fed 74

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. 75

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 ενώσης πριν την αντίδραση ξ: η έκταση της αντίδρασης (mol) Η έκταση της αντίδρασης ξ (mol) λαμβάνει θετικές τιμές για τα προϊόντα και αρνητικές τιμές για τα αντιδρώντα. 76

ΕΚΤΑΣΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ Άσκηση Σύνθεση Αμμωνίας: Ν 2 + 3 Η 2 2 ΝH 3 Τα δεδομένα των ροών φαίνονται στο παρακάτω διάγραμμα ροής. Να υπολογιστούν τα n N2 mol/s N 2, και n H2 mol/s H 2 100 mol/s N 2 300 mol/s H 2 1 mol/s Ar 2 ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ (αντιδραστήρας) 120 mol/s NH 3 n N2 mol/s N 2 n H2 mol/s H 2 1 mol/s Ar 2 n N2 = 40 mol/s N 2 n H2 = 120 mol/s H 2 77

ΑΣΚΗΣΗ Το ακρυλονιτρίλιο (C 3 H 6 N) παράγεται σύμφωνα με την παρακάτω αντίδραση και επιτυγχάνεται μια μετατροπή 30.0% του περιοριστικού αντιδρώντος. C 3 H 6 + NH 3 + 3/2O 2 C 3 H 3 N + 3H 2 O Με βάση τα δεδομένα του παρακάτω διαγράμματος ροής βρείτε το περιοριστικό αντιδρών, την περίσσεια των υπολοίπων αντιδρώντων, την ποσότητα και τη σύσταση του προϊόντος. 100.0 mol ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ (αντιδραστήρας) 10.0 mol C 3 H 6 12.0 mol NH 3 78.0 mol air 0.210 mol O 2 /mol air 0.790 mol N 2 /mol air n mol 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) 78

ΑΣΚΗΣΗ 100.0 mol ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ (αντιδραστήρας) 10.0 mol C 3 H 6 12.0 mol NH 3 78.0 mol air/mol 0.210 mol O 2 /mol air 0.790 mol N 2 /mol air 101.5 mol 7.0 (mol C 3 H 6 ) 9.0 (mol NH 3 ) 11.9 (mol O 2 ) 61.6 (mol N 2 ) 3.0 (mol C 3 H 6 N) 9.0 (mol H 2 O) 79

ΑΣΚΗΣΗ Οι παρακάτω αντιδράσεις γίνονται σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας, μόνιμης κατάστασης. C 2 H 6 C 2 H 4 + H 2 (1) C 2 H 6 + H 2 2 CH 4 (2) H τροφοδοσία περιλαμβάνει 85.0 mol % αιθάνιο (C 2 H 6 ) και 15 mol % αδρανή (Ι). Ο βαθμός μετατροπής του αιθανίου είναι 0.501 και η απόδοση σε αιθυλενίο (mol C 2 H 4 / mol C 2 H 6 ) 0.471. Υπολογίστε τη μολαρική σύσταση του προϊόντος και την εκλεκτικότητα του αιθυλενίου ως προς το μεθάνιο (CH 4 ). 100.0 mol ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ 0.850 mol C 2 H 6 /mol (αντιδραστήρας) 0.150 mol I/mol n mol n 1 (mol C 2 H 6 ) n 2 (mol C 2 H 4 ) n 3 (mol H 2 ) n 4 (mol CH 4 ) n 5 (mol I) 80

ΑΣΚΗΣΗ 100.0 mol ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ 0.850 mol C 2 H 6 /mol (αντιδραστήρας) 0.150 mol I/mol 140.0 mol 42.4 (mol C 2 H 6 ) 40.0 (mol C 2 H 4 ) 37.4 (mol H 2 ) 5.2 (mol CH 4 ) 15.0 (mol I) 81

ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΜΑΖΑΣ ΜΕ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ Ισοζύγιο μάζας χημικού στοιχείου Μόνιμη κατάσταση Μη μόνιμη κατάσταση 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. 82

ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΜΑΖΑΣ ΜΕ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ Ισοζύγιο μάζας χημικής ένωσης Μόνιμη κατάσταση Μη μόνιμη κατάσταση 83

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 84

ΑΣΚΗΣΗ 100 kmol/min αιθάνιο εισάγεται σε αντιδραστήρα αφυδρογόνωσης με στόχο την παραγωγή αιθυλενίου. C 2 H 6 C 2 H 4 + H 2 H ροή H 2 στην έξοδο είναι 40 kmol/min. Καθορίστε τους βαθμούς ελευθερίας και επιλύστε το σχετικό διάγραμμα ροής: α) με ατομικά ισοζύγια, β) με χρήση της έκτασης της αντίδρασης και γ) με μοριακά ισοζύγια 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 85

ΑΣΚΗΣΗ Υπολογισμός βαθμών ελευθερίας Ατομική (στοιχειακή) βάση + Άγνωστες μεταβλητές + 2 (ṅ 1, ṅ 2 ) - Ατομικά ισοζύγια μάζας (αντιδρώντων συστατικών) - 2 (C, H) - Ισοζύγια μη αντιδρώντων (αδρανών) συστατικών - 0 - Άλλες εξισώσεις - 0 Βαθμοί ελευθερίας +2-2-0-0=0 86

ΑΣΚΗΣΗ Υπολογισμός βαθμών ελευθερίας Με βάση την ΕΚΤΑΣΗ της αντίδρασης + Άγνωστες μεταβλητές + 2 (ṅ 1, ṅ 2 ) + Αριθμός (ανεξαρτ.) χημικών αντιδράσεων (αριθμός ξ) + 1 - Αριθμός αντιδρώντων συστατικών - 3 (C 2 H 6, C 2 H 4, H 2 ) - Αριθμός αδρανών συστατικών -0 - Άλλες εξισώσεις -0 Βαθμοί ελευθερίας +2+1-3-0-0=0 87

ΑΣΚΗΣΗ Υπολογισμός βαθμών ελευθερίας Μοριακή βάση + Άγνωστες μεταβλητές + 2 (ṅ 1, ṅ 2 ) + Χημικές αντιδράσεις (ανεξάρτητες) + 1 - Μοριακά ισοζύγια μάζας (αριθμός διαφορετικών μορίων) - 3 (C 2 H 6, C 2 H 4, H 2 ) - Άλλες εξισώσεις -0 Βαθμοί ελευθερίας +2+1-3-0=0 88

ΑΣΚΗΣΗ 100 Kmol/min C 2 H 6 ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ 40 kmol/min H 2 (αντιδραστήρας) 60 kmol/min C 2 H 6 40 Kmol/min C 2 H 4 Σχολιασμός μεθόδων επίλυσης ισοζυγίων Ατομική βάση: Συνήθως η 1 η μας επιλογή Έκταση αντίδρασης: Πολύ καλό εργαλείο επίλυσης Μοριακή βάση: Πιο σύνθετοι υπολογισμοί. Μόνο για απλά συστήματα μιας αντίδρασης. 89

ΑΣΚΗΣΗ (παράλληλες αντιδράσεις) Μεθάνιο καίγεται με αέρα σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας και μόνιμης κατάστασης. CH 4 + (3/2) O 2 CO + 2 H 2 O CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O ΔΕΔΟΜΕΝΑ: Σύσταση τροφοδοσίας: 7.80% mol CH 4, 19.4% O 2 και 72.8% N 2. Βαθμός μετατροπής μεθανίου: 90%. Στο προϊόν ισχύει: (mol CO 2 )/(mol CO) = 8. Καθορίστε τους βαθμούς ελευθερίας και επιλύστε το σχετικό διάγραμμα ροής: α) με μοριακά ισοζύγια, β) με ατομικά ισοζύγια και γ) με χρήση της έκτασης της αντίδρασης Ποια είναι η μολαρική σύσταση του προϊόντος (καυσαερίων). 100 mol ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ (αντιδραστήρας) 0.078 mol CH 4 /mol 0.194 mol O 2 /mol 0.728 mol N 2 /mol n CH4 (mol CH 4 ) n CO (mol CO) n CO2 (mol CO 2 ) n H2O (mol H 2 O) n O2 (mol O 2 ) n N2 (mol N 2 ) 90

ΑΣΚΗΣΗ (παράλληλες αντιδράσεις) 100 mol ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ (αντιδραστήρας) 0.078 mol CH 4 /mol 0.194 mol O 2 /mol 0.728 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 ) 91

CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O ΑΣΚΗΣΗ (έλεγχος ισοζυγίων) 100 mol CH 4 250 mol O 2 ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ (αντιδραστήρας) 40 mol CH 4 130 mol O 2 60 mol CO 2 120 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 92

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 93

ΑΣΚΗΣΗ (με ανακύκλωση) Αφυδρογόνωση προπανίου σύμφωνα με την αντίδραση: C 3 H 8 C 3 H 6 + H 2 ΔΕΔΟΜΕΝΑ: Συνολικός βαθμός μετατροπής προπανίου: 95% n 6 mol C 3 H 8 (=0.555%n 3 ) n 10 mol C 3 H 6 (=5%n 7 ) Καθορίστε τους βαθμούς ελευθερίας των διακριτών συστημάτων. Επιλύστε το σχετικό διάγραμμα ροής. Λόγος (βαθμός) ανακύκλωσης (mol ανακύκλωσης / mol φρέσκιας τροφοδοσίας) Βαθμός μετατροπής προπανίου στον αντιδραστήρα Mολαρική σύσταση προϊόντος. Φρέσκια Τροφοδοσία 100 mol C 3 H 8 Μ 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 ) 94

ΑΣΚΗΣΗ (με ανακύκλωση) Φρέσκια Τροφοδοσία 100 mol C 3 H 8 Μ 995 mol C 3 H 8 ΑΝΤΙΔΡΑ 900 mol C 3 H 8 4.75 mol C 3 H 6 ΣΤΗΡΑΣ 99.75 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 8 4.75 mol C 3 H 6 95

ΑΣΚΗΣΗ (με ανακύκλωση και καθαρισμό/απόρριψη) Μεθανόλη παράγεται από CO και H 2 σε καταλυτικό αντιδραστήρα σύμφωνα με την αντίδραση: CO + 2 H 2 CH 3 OH ΔΕΔΟΜΕΝΑ: Η φρέσκια τροφοδοσία περιλαμβάνει 32% CO, 64% Η 2 και 4.0% N 2. Το ρεύμα αναμιγνύεται με ένα ρεύμα ανακύκλωσης 5/1 (5 μέρη ανακύκλωσης προς 1 μέρος φρέσκιας τροφοδοσίας) και μπαίνει στον αντιδραστήρα με 13.0% σε Ν 2. Τα προϊόντα του αντιδραστήρα πηγαίνουν στον συμπυκνωτή όπου εξάγονται δύο ρεύματα. Το ένα υγρό ρεύμα περιλαμβάνει όλη την υγρή μεθανόλη και το άλλο τα CO, H 2 και N 2. Το αέριο προϊόν του συμπυκνωτή χωρίζεται σε 2 ρεύματα, το ένα απομακρύνεται (απορρίπτεται) και το άλλο ανακυκλώνεται. Με βάση 100 mol φρέσκιας τροφοδοσίας: Επιλύστε το σχετικό διάγραμμα ροής Συνολικός βαθμός μετατροπής CO Bαθμός μετατροπής CO στον αντιδραστήρα Οφέλη ανακύκλωσης και καθαρισμού 96

ΑΣΚΗΣΗ (με ανακύκλωση και καθαρισμό/απόρριψη) Φρέσκια Τροφοδοσία 100 mol 32 mol CO 64 mol H 2 4 mol N 2 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 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 Προϊόν n 3 mol CH 3 OH 97

ΑΣΚΗΣΗ (με ανακύκλωση και καθαρισμό/απόρριψη) Φρέσκια Τροφοδοσία 100 mol 32 mol CO 64 mol H 2 4 mol N 2 Μ1 600 mol 174.5 mol CO 347.1 mol H 2 78 mole N 2 Ανακύκλωση 500 mol 142.5 mol CO 74 mol N 2 283.1 mol H 2 ΑΝΤΙΔΡΑ ΣΤΗΡΑΣ Μ2 24.3 mol CH 3 OH 150.2 mol CO ΣΥΜΠΥΚ 298.4 mol H 2 ΝΩΤΗΣ 78 mole N 2 150.2 mol CO 298.4 mol H 2 78 mole N 2 Απόρριψη (4/74)*500 = 27.0 mol 7.7 mol CO 15.3 mol H 2 4 mol N 2 Προϊόν 24.3 mol CH 3 OH 98

ΚΑΥΣΗ Η ταχεία αντίδραση καυσίμου με οξυγόνο Η σημασία της δεν οφείλεται στην αξία των προϊόντων (CO 2,H 2 O και πιθανά CO, SO 2 ), αλλά στην απελευθέρωση σημαντικών ποών ενέργειας. Ανάλυση καυσαερίων: Υγρή βάση CO 2 Ξηρή βάση CO O 2 Ξηρή βάση Υγρή βάση N 2 SO 2 H 2 O 99

ΚΑΥΣΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΥΣΑΕΡΙΩΝ Υγρή βάση Ξηρή βάση 5.1% CO 2 5.7% CO 2 1 (1 0.099) 1.8% CO 2.0% CO 8.4% O 2 9.4% O 2 72.6% N 2 80.5% N 2 2.2% SO 2 2.4% SO 2 9.9% H 2 O Αν δίνεται η σύσταση των καυσαερίων σε ξηρή βάση (οπότε δεν υπάρχουν πληροφορίες για το νερό), πρέπει να προστεθεί η εκροή του νερού (W) και να γίνει ο υπολογισμός της από τα ισοζύγια μάζας. 100

ΚΑΥΣΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΟΙ ΟΡΟΙ Θεωρητικός αέρας Ο αέρας που αντιστοιχεί στο Ο 2 που απαιτείται στοιχειομετρικά για την πλήρη καύση (αέρας = 21% Ο 2, 79% Ν 2 ) Περίσσεια αέρα Το επιπλέον ποσοστό σε σχέση με τον θεωρητικό αέρα. Μετριέται πάντα σε σχέση με την ποσότητα του καυσίμου που μπορεί να καεί και όχι με αυτήν που πράγματι καίγεται. Μερική καύση (ατελής καύση) Όταν δεν καίγεται πλήρως το καύσιμο σε CO 2, αλλά παράγεται και CO. Σε περίπτωση μερικής καύσης (CO), η περίσσεια υπολογίζεται σαν να ήταν πλήρης η καύση (μόνο CO 2 ). 100 mol/h βουτάνιο εισέρχεται σε αντιδραστήρα και καίγεται με αέρα παροχής 5000 mol/h. Πόση είναι η % περίσσεια του αέρα; 101

ΑΣΚΗΣΗ ΚΑΥΣΗ ΑΙΘΑΝΙΟΥ Αιθάνιο καίγεται σύμφωνα με τις αντιδράσεις: C 2 H 6 + (7/2) O 2 2 CO 2 + 3 H 2 O (1) C 2 H 6 + (5/2) O 2 2 CO + 2 H 2 O (2) ΔΕΔΟΜΕΝΑ 50% περίσσεια αέρα Βαθμός μετατροπής αιθανίου: 90% Το 25% του αιθανίου μετατρέπεται σε CO και το υπόλοιπο σε CO 2. ΖΗΤΟΥΜΕΝΑ α) Να σχεδιαστεί το διάγραμμα ροής β) Καθορίστε τους βαθμούς ελευθερίας και επιλύστε το σχετικό διάγραμμα ροής γ) Μολαρική σύσταση εξόδου (καυσαερίων) σε υγρή βάση δ) Μολαρική σύσταση εξόδου (καυσαερίων) σε ξηρή βάση ε) Λόγος mol νερού προς mol ξηρών καυσαερίων 102

ΑΣΚΗΣΗ ΚΑΥΣΗ ΑΙΘΑΝΙΟΥ 100 mol C 2 H 6 50% Περίσσεια αέρα n 0 mol αέρα 0.210 mol O 2 /mol air 0.790 mol N 2 /mol air ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ (αντιδραστήρας) n 1 (mol C 2 H 6 n 2 (mol O 2 ) n 3 (mol N 2 ) n 4 (mol CO) n 5 (mol CO 2 ) n 2 (mol H 2 O) 100 mol C 2 H 6 50% Περίσσεια αέρα 2500 mol αέρα 0.210 mol O 2 /mol air 0.790 mol N 2 /mol air ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ (αντιδραστήρας) 10 (mol C 2 H 6 ) 232 (mol O 2 ) 1975 (mol N 2 ) 45 (mol CO) 135 (mol CO 2 ) 270 (mol H 2 O) 103

ΑΣΚΗΣΗ ΚΑΥΣΗ ΜΕΘΑΝΟΛΗΣ Υγρή μεθανόλη (CH 3 ΟΗ) πυκνότητας 0.792 kg/l τροφοδοτείται με παροχή 12.0 L/h σε αντιδραστήρα και καίγεται με περίσσεια αέρα (σύσταση αέρα: 0.210 mol O 2 /mol air, 0.790 mol N 2 /mol air). Τα προϊόντα καύσης περιέχουν (μολαρική σύσταση) σε ξηρή βάση CH 3 OH 0.45%, CO 2 9.03% και CO 1.81 %. ΖΗΤΟΥΜΕΝΑ α) Καταγράψτε τις αντιδράσεις καύσης της μεθανόλης β) Σχεδιάστε το διάγραμμα ροής της διεργασίας γ) Καθορίστε τους βαθμούς ελευθερίας και επιλύστε το διάγραμμα ροής. δ) Υπολογίστε τον βαθμό μετατροπής της μεθανόλης ε) Υπολογίστε την περίσσεια του αέρα στ Υπολογίστε το λόγο mol νερού προς mol καυσαερίων 104

ΑΣΚΗΣΗ ΚΑΥΣΗ ΜΕΘΑΝΟΛΗΣ (1 ος τρόπος επίλυσης) CΗ 3 ΟΗ + (3/2) O 2 CO 2 + 2 H 2 O (1) CΗ 3 ΟΗ + O 2 CO + 2 H 2 O (2) 296.6 mol/h CH 3 OH ṅ ΧΗΜΙΚΗ 3 mol/h H 2 O ṅ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ 2 mol/h DG (dry gas) ṅ 1 mol/h O 2 0.0045 mol CH 3 OH/mol DG 3.76ṅ 1 mol/h N 2 (αντιδραστήρας) 0.0903 mol CO 2 /mol DG 0.0181 mol CO/mol DG x mol N 2 /mol DG (0.8871-x) mol O 2 /mol DG 4 άγνωστοι (ṅ 1, ṅ 2, ṅ 3, x) 4 ισοζύγια (C, H, O, N 2 ) Βαθμοί ελευθερίας (DF) = 4-4 = 0 105

ΑΣΚΗΣΗ ΚΑΥΣΗ ΜΕΘΑΝΟΛΗΣ (1 ος τρόπος επίλυσης) 296.6 mol/h CH 3 OH 569.6 mol/h H ΧΗΜΙΚΗ 2 O 2627 mol/h DG (dry gas) 574.3 mol/h O 2 ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ 0.0045 mol CH 3 OH/mol DG 2160.5 mol/h N 2 (αντιδραστήρας) 0.0903 mol CO 2 /mol DG 0.0181 mol CO/mol DG 0.822 mol N 2 /mol DG 0.0651 mol O 2 /mol DG Βαθμός μετατροπής μεθανόλης = [(296.6-2627*0.0045)/296.6] = 96.0% Περίσσεια αέρα = [(574.3 -(296.6*1.5)]/(296.6*1.5) = 29.1% Λόγος mol νερού προς mol καυσαερίων = 569.6/(2627+569.6) = = 0.178 mol H 2 Ο / mol καυσαερίων 106

ΑΣΚΗΣΗ ΚΑΥΣΗ ΜΕΘΑΝΟΛΗΣ (2 ος τρόπος επίλυσης) CΗ 3 ΟΗ + (3/2) O 2 CO 2 + 2 H 2 O (1) CΗ 3 ΟΗ + O 2 CO + 2 H 2 O (2) ΒΑΣΗ: 1h n 2 mol DG (dry gas) 296.6 mol CH 3 OH n ΧΗΜΙΚΗ 3 mol H 2 O 0.0045n ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ 2 mol CH 3 OH n 1 mol O 2 0.0903n (αντιδραστήρας) 2 mol CO 2 3.76n 1 mol N 2 0.0181n 2 mol CO 3.76n 1 mol N 2 (0.8871n 2-3.76n 1 ) mol O 2 3 άγνωστοι (n 1, n 2, n 3 ) 4 ισοζύγια (C, H, O) Βαθμοί ελευθερίας (DF) = 3-3 = 0 107

ΑΣΚΗΣΗ ΚΑΥΣΗ ΜΕΘΑΝΟΛΗΣ (2 ος τρόπος επίλυσης) ΒΑΣΗ: 1h 2627 mol DG (dry gas) 296.6 mol CH 3 OH 569.6 mol H ΧΗΜΙΚΗ 2 O 11.8 mol CH ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ 3 OH 574.3 mol O 2 237.2 mol CO (αντιδραστήρας) 2 2160.5 mol N 2 47.5 mol CO 2160.5 mol N 2 171.0 mol O 2 Βαθμός μετατροπής μεθανόλης = [(296.6-11.8)/296.6] = 96.0% Περίσσεια αέρα = [(574.3 -(296.6*1.5)]/(296.6*1.5) = 29.1% Λόγος mol νερού προς mol καυσαερίων = 569.6/(2627+569.6) = = 0.178 mol H 2 Ο / mol καυσαερίων 108