Расчет химического равновесия и термодинамический анализ реакционной системы (стр. 2 из 3)

Решение:

Проведем предварительный расчет процесса. Для этого необходимо ввести допущение, что побочных реакций не протекает, селективность процесса по целевому продукту 100%, то есть упрощенная схема реакции имеет вид:

Для определения параметров процесса необходимо определить термодинамические данные веществ, участвующих в реакции:

Для изопентана:

Т, К	∆Н, кДж/моль	S,Дж/моль*К
298	-154,47	343,59
300	-154,68	344,34
400	-163,64	383,34
500	-171,00	420,74
600	-176,86	456,39
700	-181,33	490,28
800	-184,64	522,37
900	-186,82	552,79
1000	-188,03	581,62

Для изобутилена:

Т, К	∆Н, кДж/моль	S,Дж/моль*К
298	-16,90	293,59
300	-17,03	294,18
400	-22,72	322,92
500	-27,61	349,87
600	-31,71	375,26
700	-35,02	399,15
800	-37,66	421,66
900	-39,62	442,96
1000	-40,96	463,13

Для метана:

Т, К	∆Н, кДж/моль	S,Дж/моль*К
298	-74,85	186,27
300	-74,89	186,52
400	-77,95	197,44
500	-80,75	207,15
600	-83,26	216,15
700	-85,35	224,68
800	-87,11	232,80
900	-88,49	240,58
1000	-89,54	248,03

Для воды, которая служит инертным разбавителем в данном процессе:

Т, К	∆Н, кДж/моль	S,Дж/моль*К
298	-241,84	188,74
300	-241,84	188,95
400	-242,84	198,70
500	-243,84	206,48
600	-244,76	212,97
700	-245,64	218,66
800	-246,48	223,76
900	-247,19	228,36
1000	-247,86	232,67

На основании полученных результатов определяем для температурного диапазона термодинамические параметры процесса, константу равновесия и степень конверсии реагентов:

,

Т, К	,Дж/моль	, Дж/К моль	Кр0	Кр, кПа
298	62718,16	136,27	0,0001	0,01
300	62760,00	136,36	0,0002	0,02
400	62969,20	137,03	0,0860	8,71
500	62634,48	136,27	3,7567	380,65
600	61881,36	135,02	46,2817	4689,49
700	60960,88	133,55	267,4475	27099,12
800	59873,04	132,09	978,1709	99113,17
900	58701,52	130,75	2647,6177	268269,87
1000	57530,00	129,54	5772,6704	584915,83

Для данного процесса степень конверсии рассчитывается по формуле:

Рассчитаем равновесную степень конверсии при давлении 1 атм, отсутствии инертных разбавителей. Результаты расчетов приведены в таблице:

Т, К	х
298	0,01
300	0,01
400	0,28
500	0,89
600	0,99
700	1,00
800	1,00
900	1,00
1000	1,00

График зависимости представлен на рисунке:

Как видно, для ведения процесса подходит температура в интервале от 600 до 800К.

Состав равновесной смеси при изменении температуры ведения процесса представлен в таблице:

Т, К	Мол. доля в равновесной смеси
	изопентан	изобутилен	метан	вода
298	0,9772	0,0114	0,0114	0,0000
300	0,9753	0,0124	0,0124	0,0000
400	0,5608	0,2196	0,2196	0,0000
500	0,0589	0,4705	0,4705	0,0000
600	0,0053	0,4973	0,4973	0,0000
700	0,0009	0,4995	0,4995	0,0000
800	0,0003	0,4999	0,4999	0,0000
900	0,0001	0,5000	0,5000	0,0000
1000	0,0000	0,5000	0,5000	0,0000

Поскольку процесс идет с повышением числа молей газа, имеет смысл создавать вакуум. Рассчитаем для диапазона давлений 0,1-1,2 атм и интервала температур 600-800К и отсутствии инертных разбавителей равновесную степень конверсии реагента:

Р, атм	Р, кПа	х (Т=600K)	х (Т=700K)	х (Т=800K)
0,1	10,1325	0,9989	0,9998	0,9999
0,2	20,2650	0,9978	0,9996	0,9999
0,3	30,3975	0,9968	0,9994	0,9998
0,4	40,5300	0,9957	0,9993	0,9998
0,5	50,6625	0,9946	0,9991	0,9997
0,6	60,7950	0,9936	0,9989	0,9997
0,7	70,9275	0,9925	0,9987	0,9996
0,8	81,0600	0,9915	0,9985	0,9996
0,9	91,1925	0,9904	0,9983	0,9995
1	101,3250	0,9894	0,9981	0,9995
1,1	111,4575	0,9883	0,9979	0,9994
1,2	121,5900	0,9873	0,9978	0,9994

Зависимость состава равновесной смеси от давления при температуре 800К показана в таблице:

Мол. доля в равновесной смеси
Р, атм	изопентан	изобутилен	метан	вода
0,1	0,0000	0,5000	0,5000	0,0000
0,2	0,0001	0,5000	0,5000	0,0000
0,3	0,0001	0,5000	0,5000	0,0000
0,4	0,0001	0,4999	0,4999	0,0000
0,5	0,0001	0,4999	0,4999	0,0000
0,6	0,0002	0,4999	0,4999	0,0000
0,7	0,0002	0,4999	0,4999	0,0000
0,8	0,0002	0,4999	0,4999	0,0000
0,9	0,0002	0,4999	0,4999	0,0000
1	0,0003	0,4999	0,4999	0,0000
1,1	0,0003	0,4999	0,4999	0,0000
1,2	0,0003	0,4998	0,4998	0,0000

Однако проводить процесс при вакууме опасно, в связи с высокой взрывоопасностью. Гораздо удобнее применять для ведения процесса инертные разбавители.

Рассчитаем зависимость равновесной степени конверсии от степени разбавления водой – инертным разбавителем при 800К, 700К, 600К и пониженном давлении 0,5атм. Результаты расчетов приведены в таблице.

n	х (Т=600K)	х (Т=700K)	х (Т=800K)
0	0,9946	0,9991	0,9997
1	0,9964	0,9994	0,9998
5	0,9985	0,9997	0,9999
10	0,9991	0,9998	1,0000
15	0,9994	0,9999	1,0000
20	0,9995	0,9999	1,0000
25	0,9996	0,9999	1,0000
30	0,9997	0,9999	1,0000
35	0,9997	0,9999	1,0000
40	0,9997	1,0000	1,0000
45	0,9998	1,0000	1,0000
50	0,9998	1,0000	1,0000

Рассчитаем зависимость равновесной степени конверсии от степени разбавления водой – инертным разбавителем при 800К, 700К, 600К и пониженном давлении 1атм. Результаты расчетов приведены в таблице.

n	х (t=600K)	х (t=700K)	х (t=800K)
0	0,9894	0,9981	0,9995
1	0,9929	0,9988	0,9997
5	0,9969	0,9995	0,9999
10	0,9982	0,9997	0,9999
15	0,9987	0,9998	0,9999
20	0,9990	0,9998	1,0000
25	0,9992	0,9999	1,0000
30	0,9993	0,9999	1,0000
35	0,9994	0,9999	1,0000
40	0,9995	0,9999	1,0000
45	0,9995	0,9999	1,0000
50	0,9996	0,9999	1,0000