- •Учреждение образования
- •Предисловие
- •Условные обозначения
- •1. Химическое производство
- •1.1. Химико-технологический процесс, основные понятия и определения
- •1.2. Структура и состав химического производства
- •1.3. Показатели химического производства и химико-технологического процесса
- •1.4. Расчет технологических показателей
- •1.5. Примеры расчета и контрольные задания
1.4. Расчет технологических показателей
Способы выражения составов газообразных, жидких и твердых веществ и их смесей
Исходными реагентами, а также конечными продуктами могут быть вещества, находящиеся в твердом, жидком и газообразном состояниях. На практике используют различные способы выражения концентраций и составов, а также переход от одних единиц, характеризующих состав, к другим.
Для газообразных веществ масса их смеси определяется по формуле
(12)
где V1, V2, …, Vi объемы газообразных компонентов, л, м3; 22,4 – объем, который занимает 1 моль (кмоль) газа при нормальных условиях (Т = 273 К, Р = 101,3 кПа), л, м3; М1, М2, …, Мi молярные массы газообразных компонентов, г/моль, кг/кмоль.
Средняя молярная масса газовой смеси (при аддитивности ее свойств) равна
Мсмеси = (13)
Концентрацию компонентов газовых смесей выражают чаще всего в объемных долях или объемных процентахОбъемная доля численно совпадает с молярной долей данного компонента.
Зависимость между давлением P, объемом V и температурой Т (К) вещества в газообразном состоянии определяется уравнением состояния газа (уравнением Менделеева – Клапейрона):
PV = nRT = RT, (14)
где n – химическое количество газа, моль, кмоль; R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль · К); m – масса газа, г, кг; М – молярная масса газа, г/моль, кг/кмоль.
Если газ объемом V находится при одних условиях (Р, Т) и необходимо определить его объем V1 или его массу при других условиях (Р1, Т1), то используют следующие формулы:
1) для расчета объема
(15)
2) для расчета массы
(16)
где V – объем газа при заданных условиях, м3; Vн. у – объем газа, приведенный к нормальным условиям, м3.
Раствор – однородная система переменного состава, содержащая два и большее число компонентов. Компонент, взятый в избытке и в том же агрегатном состоянии, что и сам раствор, принято считать растворителем, а компонент, взятый в недостатке, – растворенным веществом.
В жидком состоянии реагенты и продукты чаще всего находятся в виде растворов. Для растворов необходимо знать их количественный состав, который может выражаться следующими способами:
массовая доля растворенного вещества А ((А));
молярная концентрация С(А), моль/л.
молярная концентрация эквивалента Смоль-экв/л;
молярная доля растворенного вещества N(А).
Массовая доля растворенного вещества – это величина, равная отношению массы вещества mА, кг, к массе раствора mр-ра, кг:
(А) = (17)
где mр-ра = mА + mр-ля.
Массовую долю выражают в долях единицы или в процентах (мас. %).
Молярная концентрация равна отношению химического количества растворенного вещества n(А), моль, к объему раствора V, л:
С(А) = (18)
Химическое количество вещества выражается соотношением
n(А) = (19)
где m(А) – масса вещества А, г, кг; М(А) – молярная масса вещества А, г/моль, кг/кмоль.
Если известна масса m и плотность раствора, то его объем V рассчитывается по формуле
V = (20)
Молярная концентрация эквивалента (нормальная концентрация) равна отношению химического количества вещества эквивалента nэкв(А), моль, к объему раствора V, л:
С =(21)
Химическое количество вещества эквивалента выражается соотношением
nэкв(А) = (22)
Молярная доля растворенного вещества это величина, равная отношению химического количества растворенного вещества к общему числу моль всех веществ в растворе:
N(А) = (23)
Молярная доля выражается в долях единицы или в процентах (моль %).
Расчеты при разбавлении и смешении двух растворов В1 и В2 с содержанием растворенных веществ соответственно 1 и 2 удобно производить с помощью так называемого правила креста, наглядное представление о котором дает следующая схема 2:
В1 1 2
В2 2 1
В точке пересечения прямых записывают содержание вещества в смешанном растворе (мас. %). Содержание веществ в исходных смешиваемых растворах 1 и 2 (мас. %) указывают с левой стороны креста, причем 1 > 2. Разность 1 соответствует числу массовых частей раствора В2, необходимого для смешения с 2 частями раствора В1. При разбавлении раствора водой 2 = 0.
В химической промышленности широкое распространение получили процессы с использованием твердых веществ. Их состав чаще всего выражается:
в массовых долях или массовых процентах
в молярных долях (рассчитывается по формуле (23)).