Файл: Пинаев Г.Ф. Основы теории химико-технологических процессов учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 120
Скачиваний: 0
Переставляя символы суммирования в (IV.6), получаем
|
2 |
А І |
2 W=0 |
|
|
|
/ = і |
|
І=І |
|
|
или эквивалентное ему |
со |
стехиометрическими |
коэффициен |
||
тами |
{ѵ;-*} |
|
|
|
|
|
2 |
Ѵ / Ч = °. |
|
(ІѴ.7) |
|
|
/=і |
|
|
|
|
где |
|
|
|
|
|
|
ѵ=2 |
|
/ = 1 ' 2 , -'S i |
|
(ІѴ-8) |
|
і = 1 |
|
|
|
|
Стехиометрическое уравнение (ІѴ.7) называют |
суммар |
||||
ным уравнением или линейной комбинацией (R—1) |
уравнений. |
||||
R-e |
уравнение в системе |
R уравнений химических |
реакций |
будет стехиометрически независимым (просто независимым),
если |
оно |
не |
является |
линейной |
комбинацией |
остальных |
||||||
(R—1) уравнений |
реакций, |
и стехиометрически |
зависимым |
|||||||||
(просто зависимым) |
в противном случае. |
|
|
R-и |
|
|||||||
В соответствии с (IV.8) признаком зависимой |
реак |
|||||||||||
ции служит выполнение равенств: |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
(=i |
|
|
|
|
|
|
где |
{X;} — |
некоторые |
числа, |
не все |
равные |
нулю. |
|
|
||||
Если |
VRJ |
в |
(IV.9) перенести вправо |
и |
появившееся перед |
|||||||
ним число |
(—1) |
обозначиться, то условие |
(IV.9) |
записываем |
||||||||
в форме, симметричной относительно всех"/? реакций: |
|
|||||||||||
|
|
|
|
2Ц |
|
= 0 , / = 1 , 2 |
s. |
|
|
|
(IV. 10) |
|
|
|
|
|
І=І |
|
|
|
|
|
|
|
|
Как и в (ІѴ.9), в (IV. 10) не |
все "kt |
равны |
|
нулю. |
|
зави |
||||||
Учитывая |
(IV. 10), |
можно |
говорить, что |
R реакций |
симы, если стехиометрические уравнения реакций удовлет
воряют соотношениям (IV. 10) |
при всех |
/ = 1 , |
2, |
s. |
Отсюда |
|
следует, что если R уравнений |
реакций |
(IV.4) |
между |
s веще |
||
ствами зависимы, |
то система R уравнений (IV. 10) |
разрешима |
||||
относительно [ \ } |
нетривиальным образом, т. е. \\) |
ф 0. |
44
Если оказывается, что одна или несколько {^} в (IV.10) равны 0, то это означает, что соответствующие і-е реакции не принадлежат системе зависимых реакций и не зависимы от
реакций, |
характеризуемых |
ненулевыми |
значениями { ^ } . |
Если |
среди нескольких |
(L) реакций |
имеются зависимые, |
то возникает задача определения наибольшего числа R не зависимых реакций (и выбор самих независимых реакций). Независимые R уравнений в системе из L>R уравнений на зывают базисными. Поэтому независимые реакции в системе L химических реакций называем базисными химическими ре акциями. Нетрудно убедиться, что если из набора L зависи мых уравнений реакций вычеркнуть любое, то оставшиеся (L—1) уравнений оказываются независимыми только в том случае, если среди них нет образующих свою зависимую под систему уравнений.
Рассмотрим способы установления зависимости или неза висимости системы L реакций. Эти способы основаны на использовании понятия ранга матрицы коэффициентов си стемы линейных уравнений.
Как известно, в произвольной системе линейных уравне ний наибольшее число независимых уравнений равно рангу матрицы коэффициентов системы уравнений. Учитывая это, составляем матрицу стехиометрических коэффициентов. Так, если.рассматривается система стехиометрических уравнений (IV.4), то матрица стехиометрических коэффициентов пред ставляет следующую таблицу:
|
"12 |
|
ѵ21 |
Ѵ 2 Г |
|
|
• v .. |
(IV. 11) |
|
|
|
|
ч |
|
Vtf| |
V R 2 - • -VRj- • |
-VRs |
Определение ранга матриц можно производить, преобра зуя исходную матрицу в треугольную вида:
' i l |
ѵ і 2 |
ѵ і з - |
|
К Я - 1 ) |
0 |
Ѵ 2 2 |
Ѵ 2 3 - |
• V,2(R-l) |
|
о |
о |
"33 |
•v.3 ( R - 1 ) |
|
0 |
0 |
0 |
'V(R-)(R-l) |
|
|
|
|
||
0 |
0 |
0 |
• |
0 |
IR |
Is |
|
"2R |
2s |
|
V3R |
3s |
(IV. 12) |
V(R-l)R' ' *V (R-l)s
"RR Rs
диагональные элементы которой.ненулевые, а элементы, рас положенные ниже диагонали, равны 0. Ранг треугольной
45
матрицы (IV. 12) |
равен R числу строк матрицы, а также чис |
лу базисных стехиометрических уравнений. |
|
Элементы |
{ѵ'..\ — преобразованные стехиометрические |
коэффициенты матрицы (IV.11), стехиометрические коэффи циенты базисных і-х уравнений.
Допускается следующее преобразование матриц: 1) лю бые строки можно менять местами; 2) элементы любой стро ки можно умножать на произвольное число Я, не равное О или оо; 3) к элементам любой строки і можно прибавлять ал гебраически элементы любой другой строки Г и записы вать получающиеся суммы в качестве элементов i'-й строки, оставляя элементы строки і без изменения; 4) вместо эле
ментов і'-й строки можно |
записать линейную комбинацию |
|
элементов і-й и Г-й |
строк |
с произвольными коэффициентами |
%і и Я,/, не равными |
0 или |
оо. |
Вопрос об адекватности |
или о стехиометрической полноте |
рассматриваемых реакций состоит в том, что в конкретных случаях требуется знать, достаточно ли предложенной систе мы R стехиометрических уравнений для .полного описания баланса всех веществ системы в ходе протекания химикотехнологического процесса. Этот вопрос решается на основе рассмотрения материального баланса компонентов в ходе хи
мических |
реакций. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
§ ІѴ.З. Материальный баланс |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
компонентов |
при |
протекании |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
химических |
реакций |
||||
|
Рассмотрим изменение числа молей вещества в физико- |
|||||||||||||||
химической системе |
при |
протекании |
;всеПо |
одной |
реакции |
|||||||||||
(IV.1). |
|
|
|
|
s различных |
|
|
|
{Aj}, |
|
|
|
|
|||
s, |
Если |
присутствует |
веществ |
/ = 1 , 2, |
{п0І}, |
|||||||||||
числа |
молей |
которых |
в |
начальный |
момент |
равны |
|
|||||||||
а |
по завершении |
реакции |
(IV. 1) составляют |
{«,•}, то для каж |
||||||||||||
дого вещества можно найти величину {Дп;-}: |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
bnJ |
|
= nl — n o r |
|
|
|
|
|
(IV. 13) |
||
|
Из |
определения |
стехиометрического |
уравнения |
следует, |
|||||||||||
что абсолютные |
изменения |
чисел |
молей |
компонентов |
Aj |
в |
||||||||||
реакции |
|
пропорциональны |
рациональным |
стехиометрическим |
||||||||||||
коэффициентам |
а; |
: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
I A " i l |
= |
I А я а | |
= |
. . . |
= |
I Ая/ |
1 = |
. . . = |
I А я , | |
= c |
o n s |
t . |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
а, |
|
|
|
|
|
|
(IV. 14) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
46
Поскольку для исходных веществ, расходуемых по реак
ции |
(IV. 1 ), |
справедливо Д п ; |
< 0 , для |
продуктов |
реакции, |
А п / - > 0 , для |
инертных веществ |
ànf=0, |
то из (IV. 14) |
исклю |
|
чаются инертные компоненты. |
|
|
|
||
При замене рациональных стехиометрических коэффици |
|||||
ентов |
ÜJ на |
алгебраические |
знак перед Ап} всегда совла |
||
дает |
со знаком алгебраического |
стехиометрического |
коэффи |
циента Vj. Поэтому вместо (IV.14) получаем выражение, со
держащее лишь алгебраические |
величины: |
|
|
|
|
|||||||||||
An-, |
|
|
Ап„ |
= |
|
|
An; |
|
|
|
|
An, |
|
, |
||
— = |
|
|
s_ |
|
|
|
|
|
1— = .. . = |
|
— =const. |
|||||
v1 |
|
. |
v2 |
|
|
|
|
v. |
|
|
|
|
|
vs |
|
(IV. 15) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Численное |
значение |
отношения (Дга; -:ѵу)>0 |
не |
зависит |
||||||||||||
от выбора компонента |
|
Ар |
но зависит |
от степени |
завершен |
|||||||||||
ности реакции, |
причем |
по |
мере |
увеличения |
завершенности |
|||||||||||
реакции |
это |
|
отношение |
возрастает. |
|
Указанное |
отношение |
|||||||||
является |
экстенсивной |
мерой полноты |
реакций (просто эк |
|||||||||||||
стенсивной полнотой) и обозначается |
у: |
|
|
|
|
|
||||||||||
y = |
Ans |
: Vj = |
(tij — n0J) |
: v,, |
/ = 1, |
2, |
..., |
s. |
(IV.16) |
|||||||
Величина |
y |
имеет |
размерность |
молей |
(эквимолей). |
|
||||||||||
Использование |
экстенсивной |
полноты |
реакции |
позволяет |
||||||||||||
по заданному |
значению |
Anj |
для |
одного |
компонента, |
участ |
||||||||||
вующего |
в реакции с |
известными |
стехиометрическими коэф |
фициентами, рассчитать {А п; } для всех остальных участков реакции, что существенно в технологических расчетах. Кроме
того, расчет у по (IV. 16) для поочередно выбираемых |
{Af, |
||||||||
позволяет |
по |
заданным |
значениям |
{ А л } } |
установить |
{ѵ; -}} |
|||
т. е. стехиометрию, |
или |
химизм |
реакции. |
Чтобы |
получить |
||||
значения |
{ ѵ ; |
- } , из |
различных {А п-}} |
выбирают |
наименьшее |
||||
и для такого |
компонента |
считают |
ѵ,- — ±il. |
После того |
как |
||||
{ Vj} определены по |
одному набору { Ап; -}, |
отвечающему |
вре |
мени реакции п , такой же обработке подвергают результаты, отвечающие времени тг и т. д., при разных температурах, давлениях и других изменившихся параметрах процесса. До
тех пор, |
пока справедливо |
(IV. 15) |
или |
(IV. 16), |
в системе |
||||
протекает |
всего |
одна реакция |
(IV.1). |
Если |
же |
значения |
|||
у, вычисленные |
согласно |
(IV.16) |
по |
разным |
AnJt |
начинают |
|||
заметно отличаться друг |
от |
друга, то |
значит: |
либо |
изменил |
ся химизм процесса и нужно рассчитать новые значения сте хиометрических коэффициентов реакций, либо в системе про текает более одной реакции.
Следующей важной характеристикой полноты процессов является условно-интенсивная мера полноты реакции £ (ин-
47
тенсивная полнота), которую удобнее всего задать одним из следующих способов:
Іс = У • Vos ; Ъ |
= у-п^; |
lg |
= y: |
m0 1 ; l x |
= у |
: m o s , |
(IV. 17) |
||
где |
Vos, n0v, |
moi, |
— |
суммарный |
объем |
системы, |
общее |
||
число |
молей, |
вещества, |
масса |
растворителя |
и суммарная |
||||
масса системы, взятые в начальный момент реакции. |
|
||||||||
Из |
(IV. 17) |
видим, что |
интенсивная полнота |
реакции есть |
величина, имеющая размерность концентрации. Нижний ин декс при I показывает, какому способу выражения концент раций отвечает выбранная интенсивная полнота реакции. При
желании |
| можно |
выразить иначе, чем (IV. 17), |
ориентируясь |
|
на иные |
способы |
выражения |
концентраций. |
|
Широкое распространение получила долевая полнота ре |
||||
акции т), определяемая выражением |
|
|||
|
|
г\ = |
У-Уо, |
(IV. 18) |
где уо — наибольшая теоретически достижимая величина эк стенсивной полноты реакции.
При определении величины у0 исходят из известного свой ства химических реакций: если исчерпался хотя бы один ком понент системы, то реакция прекращается. Тот компонент, который раньше других расходуется в реакции, называют ли митирующим. Для выявления лимитирующего компонента
поступают следующим образом. Зная количество |
молей { п 0 } ) |
|||||||||||||||
всех |
исходных |
компонентов |
реакции, |
рассчитывают |
экви- |
|||||||||||
мольные |
количества |
исходных |
компонентов |
{n*Q j } |
согласно |
|||||||||||
|
|
П*ОІ = |
"о; |
: а} |
= |
"о/ |
: (— |
ѵ/)> |
І = |
1, |
2, |
. . . . |
|
ft. |
(IV. |
19) |
Сравнивая |
(IV. 16) и (IV. 19), видим, что |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
y = nl.-n], |
|
/ = |
1, 2, |
|
|
ft. |
|
|
(IV.20) |
||||
Признаком |
лимитирующего |
компонента |
Aj |
является |
ра |
|||||||||||
венство |
п*. = 0, которое |
возможно |
в |
случае |
полного |
исчер |
||||||||||
пания |
компонента |
А{, |
и |
тогда |
получаем у0— |
n*0j, |
т. |
е. наи |
большая экстенсивная полнота у0 реакции равна исходному числу эквимолей лимитирующего компонента, откуда следует
Уо = min {п*0.}.
l<j<k<s
Для нелимитирующего компонента А} получаем
.(Я/*)шіп = Яад - Уо > 0.
48