Система химически взаимодействующих реальных газов

Синтез аммиака

1,5Н₂ + 0,5N2 ⇄ NН₃ + Q

Инерт – азот. Диапазоны варьирования технологических параметров:

температура 200 – 600 °С; давление 10 – 600 атм.

Начальные концентрации активных исходных веществ (% об.):

Н2	53	54	55	66	55
N2	43	42	41	40	39

Провести моделирование и установить количественную взаимосвязь между основными стехиометрическими и термодинамическими параметрами, определяющими исследуемую химически активную газовую систему:

зависимость коэффициента летучести газовой смеси от технологических параметров

К_е = f (Т, Р) при С_0i = const;

зависимость константы химического равновесия от технологических параметров

К_f = f (Т, Р) при С_0i = const;

зависимость концентрации целевого продукта в равновесной газовой смеси от технологических параметров С_{продукт} = f (Т, Р) при С_0i = const;

зависимость теплового эффекта химического превращения от технологических параметров Q = f (Т, Р) при С_0i = const;

зависимость равновесной степени превращения целевого компонента от основных технологических показателей процесса Х_р= f (Т, Р, С_0i).

Решение

В данной работе объектом исследования является система химически взаимодействующих реальных газов. Реальная система исследуются с использованием стехиометрической и термодинамической моделей реактора.

Балансный состав реакционной смеси газов моделируется стехиометрическим реактором. При моделировании задаются начальные концентрации исходных веществ и степень превращения целевого компонента. Равновесная степень превращения целевого компонента моделируется термодинамическим реактором.

При заданных соотношениях начальных концентраций реагентов водород - в недостатке. Выбираем целевым компонентом Н₂.

Условия проведения химического превращения задаются температурой и давлением процесса. Как объем перерабатываемых веществ, так температура и давление процесса – это традиционные технологические параметры для любого процесса химической технологии.

Проведем анализ системы при с_0Н2 = 53%, шаг Т = 100°С, Р = 10, 100, 200, 400, 600 атм.

Т	Ке при Р=10	Ке при Р=100	Ке при Р=200	Ке при Р=300	Ке при Р=400	Ке при Р=500	Ке при Р=600
200	0,973	0,755	0,562	0,425	0,344	0,311	0,299
400	0,988	0,885	0,787	0,703	0,643	0,576	0,527
600	0,993	0,932	0,872	0,817	0,769	0,725	0,686

Т	Кр при Р=10	Кр при Р=100	Кр при Р=200	Кр при Р=300	Кр при Р=400	Кр при Р=500	Кр при Р=600
200	0,68374	0,88092	1,18316	1,56607	1,93647	2,13952	2,22368
400	0,02656	0,01591	0,01791	0,02003	0,02223	0,02447	0,02671
600	0,02656	0,00266	0,00179	0,00191	0,00203	0,00215	0,00227

При изменении с₀ значения коэффициента летучести газовой смеси Ке и константы химического равновесия Кр не изменяются, т.е. зависят только от технологических параметров Т и Р.

Рис. 1  Зависимость коэффициента летучести от Т и Р

Коэффициент летучести характеризует меру отклонения реального газа от идеального Ке = f_i/p_i. На графике рис.1 видно, что при Р = 10 атм Ке → 1, т.е. свойства газа приближаются к свойствам идеального. С повышением давления отклонение увеличивается, Ке<<1. Рост температуры увеличивает коэффициент летучести

Рис. 2  Зависимость константы химического равновесия от Т и Р

Реакция экзотермическая, по принципу Ле Шателье повышение Т смещает равновесие реакции влево, что подтверждает график рис.2 (константа химического равновесия уменьшается. При повышении давления равновесие сдвигается в направлении образования веществ с меньшим объемом. Так, видно, что при Р = 10 атм кривая более крутая, чем при 100 атм и быстрее стремится к нулю. С повышением Р  равновесная кривая смещается вправо, т.е. процесс можно вести при больших Т и с большим выходом продукта

Анализ зависимости концентрации целевого продукта в равновесной газовой смеси от

технологических параметров С_{продукт} = f (Т, Р) при С_0i = const:

	Т	С при Р=10	С при Р=100	С при Р=200	С при Р=300	С при Р=400	С при Р=500	С при Р=600
	200	41,94	59,66	62,17	63,20	63,71	63,96	64,11
Со=53%	400	6,72	23,71	34,16	40,47	44,76	47,86	50,21
	600	6,72	6,72	8,61	12,38	15,81	18,94	21,79

	Т	С при Р=10	С при Р=100	С при Р=200	С при Р=300	С при Р=400	С при Р=500	С при Р=600
	200	42,82	61,16	63,77	64,84	65,37	65,64	65,79
Со=54%	400	6,72	24,11	34,82	41,30	45,72	48,93	51,35
	600	6,72	6,72	8,73	12,56	16,06	19,25	22,15

	Т	С при Р=10	С при Р=100	С при Р=200	С при Р=300	С при Р=400	С при Р=500	С при Р=600
	200	43,69	62,68	65,40	66,51	67,07	67,34	67,50
Со=55%	400	6,72	24,51	35,47	42,13	46,69	50,00	52,50
	600	6,72	6,72	8,85	12,74	16,30	19,55	22,51

	Т	С при Р=10	С при Р=100	С при Р=200	С при Р=300	С при Р=400	С при Р=500	С при Р=600
	200	44,56	64,22	67,05	68,22	68,80	69,08	69,25
Со=56%	400	6,72	24,90	36,11	42,96	47,65	51,07	53,66
	600	6,72	6,72	8,96	12,92	16,54	19,84	22,86

	Т	С при Р=10	С при Р=100	С при Р=200	С при Р=300	С при Р=400	С при Р=500	С при Р=600
	200	45,42	65,78	68,73	69,95	70,56	70,86	71,03
Со=57%	400	6,72	25,28	36,74	43,77	48,60	52,13	54,81
	600	6,72	6,72	9,08	13,09	16,76	20,13	23,20

Рис. 3.1.  Зависимость концентрации продукта в смеси от Т, Р при С₀=53 % об

.

Рис. 3.2.  Зависимость концентрации продукта в смеси от Т, Р при С₀=54 % об.

Рис. 3.3.  Зависимость концентрации продукта в смеси от Т, Р при С₀=55 % об

Рис. 3.4.  Зависимость концентрации продукта в смеси от Т, Р при С₀=56 % об

Рис. 3.5.  Зависимость концентрации продукта в смеси от Т, Р при С₀=57 % об

На графиках рис. 3.1 - 3.5 видно, что с ростом Т концентрация продукта снижается (то же показал анализ Кр). Кривые при разных давлениях показывают, что повышение давления повышает концентрацию продукта в смеси.