2.2.2. Примеры расчета

Пример 2.2-1. Определить влияние избытка водяного пара в исходной смеси на равновесную степень превращения этилена в обра­тимой реакции синтеза этанола С₂Н₄ 4- Н₂0 <=> С₇Н^ОН. Давление процесса Р= 3 МПа, константа равновесия А^ = 0,068 МПа'моль­ное соотношение Л = Н₂0/С₂Н₄ в исходной смеси составляет I; 4; 9.

Решение. Уравнение удобно представить в общем виде: А + В <=> К. где А - С₂Н₄, В - Н₂0 и Я - С₂Н₅ОН. Константа равновесия реакции

= V^в) ^и К_р = С_К/(С_АС_ЕР). Здесь Р_к, />_А, />_в, С_к, С_А, С_в - парциальные давления и концентрации в молярных долях компонен­тов реакции, Р - общее даштение процесса. Поскольку в реакции из­меняется общее количество веществ, для расчета концентраций следу­ет использовать уравнение (2.8):

_с _С_А0(1 -я_р) ^ ^ _ С_Л0(д - х_тн) ^ С_АОх_р

^{А 1} " ^АО^р ^{В 1} ~ ^АО^равн ¹ ~~ ^АО^р

Константу равновесия [см. уравнение (2.19)| выражаем через х_р:

х_р(1-С_АОх_р)

^р с_мт ■ _Хр)(х - _Хрзвн) ■

В этих уравнениях С_А0 - исходная концентрация этилена, равная для вариантов расчета соответственно 0,5; 0,2 и 0,1 молярной доли. После подстановки С_А0 и X в эти уравнения из решения последнего (оно второго порядка относительно х ) находим: х — 0,08 для Л = 1, х_р = 0,17 для X = 4 и х_р « 0,35 для I = 9.

Пример 2.2-2. Дня окисления хлорводорода 4НС1 + 0₂ <=> 2С1₂ + Н₂0 используется смесь, содержащая в объемных долях, %: 0₂ - 32,4; НС1 - 67,6. Реакция протекает при ^-0,1 МПа. К моменту равнове­сия в газе содержится 31,4% объемной доли хлора. Рассчитать равно­весную степень превращения кислорода, состав равновесной смеси и значение константы равновесия.

Решение. Реакция сопровождается изменением объема или количе­ства вещества, поэтому для расчета равновесных концентраций веществ следует воспользоваться уравнением (2,8). При известной концентрации хлора С_с,₂ = 0,314 молярной доли найдем равновесную степень превращения кислорода х_р.'С*

'О2,0*р

Ау ^у0₂

1 +

-Ог.с^р

откуда х_р = 0,42.

*р=

Равновесные концентрации остальных компонентов определим аналогично: С_0г = 0,22, С_НС1 - 0,152 и С_Нг0 = 0,314. Константу- равно­весия найдем по уравнению (2.19):

= 832 МПа-¹.

равн2.2.3. Задачи

2.2-1. Вывести уравнение дня расчета равновесной степени превраще­ния реагента А по известной величине К_с для реакции 2А К.

2.2-2. Вывести уравнение для расчета равновесной степени превраще­ния реагента А в газофазной реакции по известным значениям кон­станты равновесия К_р и давления Р в системе для реакции А + В II.

2.2-3. Вывести уравнение для расчета равновесного состава компонен­тов реакции синтеза аммиака по известным значениям константы рав­новесия АГ_р и давления Р в системе.

2.2-4. Рассчитать константу равновесия для реакции С0₂ + С <=> СО, если известно, что для углекислого газа величина АС⁰ = = -394572 Дж/моль и для монооксида углерода Аб° = -137334 Дж/моль.

2.2-5. Найти константы равновесия при температурах 500 и 2000 К для реакции

Н₂0 + СО о Н₂0 + С0₂, если ДСздо - —20,2 и АС^ООО ⁼ 25,3 кДж/моль.

2.2-6. Рассчитать константу равновесия синтеза аммиака, если выход аммиака равен 0,15. Синтез проводится под давлением 3-10⁷ Па. Азо- товодородная смесь поступает на синтез в соотношении 1:3.

2.2-7. Рассчитать константу равновесия синтеза хлористого водорода из водорода и хлора, если равновесная степень превращения по хлору равна 0,65. Синтез проводится под давлением 3-Ю⁵ Па. Реакционная смесь взята в стехиометрическом соотношении.

2.2-8. Рассчитать константу равновесия и равновесные концентрации окисления диоксида серы на ванадиевом катализаторе, если кислоро

-

да в смеси находится в 2 раза больше, чем требуется по стехиометрии. Степень превращения диоксида серы равна 0,99. Процесс проводится под атмосферным давлением. Исходная концентрация 50₂ составляет 10% объемных долей.

2.2-9. Рассчитать константу равновесия и равновесные концентрации реакции восстановления диоксида углерода на графите, если степень превращения диоксида углерода равна 0,96. Процесс проводится под атмосферным давлением.

2.2-10. Константа равновесия реакции

СН₃СООН + С₂Н₅ОН о СН₃СООС₂Н₅ + н₂о

равна четырем. Рассчитать равновесный состав реакционной смеси, если для реакции взяты 1 моль кислоты и 1,5 моль спирта.

2.2-11. Рассчитать константу равновесия при температуре 573 К, рав­новесную степень превращения х_рА и равновесный состав смеси для жидкофазной реакции

если Д//573 = -24,5 кДж/моль,

= -58 кДж/(кмольграл), С_до = 2 кмоль/м³, С_т = 2 моль/м³, С_ко — 0.

2.2-12. Определить равновесную степень превращения реагента А и производительность по продукту Я для реакции 2А <=> И + протека­ющей в газовой фазе, если константа равновесия К_с= 0,36, температу­ра проведения реакции Т= 400 К, парциальное даатенис компонента в исходной смеси Р_А0 = 0,1 МПа, обьемный расход через реактор 2 м ^?/с, выход но продукту Е_к = 0,9.

2.2-13. Определить константу равновесия, равновесную степень пре­вращения компонента А и состав равновесной реакционной смеси дчя реакции

А + 2В ЗК,

если = -11,2 кДж/моль, С_А0 = 1 кмоль/м³, С_Б0 = 2 кмоль/м³, Т= 373 К.

2.2-14. В газовой фазе протекает реакция А <=> 211. Вычислить равно­весную степень превращения компонента А при давлении Р= 5 МПа, если = 2,05 МПа"¹.

2.2-15. Обратимая реакция А + В 2Я протекает при температуре 298 К и характеризуется тепловым эффектом Л= —30000 кДж/кмоль и изменением удельной энтропии ~ -80 кДжДкмоль-К). Опре­делить, во сколько раз изменится равновесная степень превращения реагентов, если соотношение начальных концентраций реагентов С_А0 : С_в0 изменится от 0,5 до 0,25.

2.2-16. Обратимая реакция А + В <=> И 4- 8 характеризуется следующи­ми термодинамическими параметрами: АЯ^₃₀ = -59 500 кДж/кмоль, АХ*₁₀= -175,5 кДжДкмоль-К). Определить, состав равновесной реак­ционной смеси, если С_А0 = С_Б0= 1,5-10~² кмоль/м³; температура про­ведения процесса Т— 330 К.

2.2-17. Обратимая реакция первого порядка А <=> Я характеризуется следу­ющими термодинамическими параметрами: А = -26 000 кДж/кмоль, А_р 29§ - 17,5. Определить во сколько раз изменится значение равновес­ной степени превращения х_рА, если температуру проведения процесса изменить с 298 до 348 К. Считать, что и не зависят от темпе­ратуры.

2.2-18. Для обратимой реакции 2А <=> Я + 8 АС7?_9? - -5620 кДж/кмоль. Определить равновесный состав смеси при температуре 298 К, если С_А0 = 0,2 кмоль/м, С_ко = С^ = 0.

2.2-19. Для обратимой реакции А + В <=> Я + 5 константы скорости пря­мой и обратной реакций, л/(моль-с), могут быть рассчитаны по уравне­ниям: к, = 6,2-10⁴ ехр[—27 600ДД7)], к_х = 7,5-105 схр|-32 ОООДД7)]. Определить состав равновесной реакционной смеси, если С_А0 = С_во = = 2 кмоль/м³, Т= 500 К.

2.2-20. Для реакции гидрирования бензола С₆Н₆ + ЗН₂ <-> С₆Н_п, про­водимой при начальном мольном соотношении реагентов Н₂:С₆Н₆ - 10:1, равновесная степень превращения бензола равна 0,95. Рассчитать состав равновесной смеси.

2.2-21. Рассчитать равновесную степень превращения оксида утлерода А_р в газофазной реакции СО + И₂0 С0₂ + Н₂, протекающей при давлении 0,5 МПа. Исходное реагенты взяты в стехиометрическом со­отношении. Константа равновесия реакции к = 8. Найти также моль­ное отношение Н₂0:С0, необходимое для увеличения х_р на 10%.

2.2-22. Рассчитать равновесное содержание фосгена, образующегося из оксида углерода и хлора, но следующим данным:

Вариант 1 2345678910

Температура, К 500 550 600 650 700 750 800 850 900 1000 Количество:

= Iv,_y г., 71

4 4) 0 —г) 441Н») 85

(¹⁺1г) 85

Я \ П Г, / 98