Материальный баланс (МБ)

1.4. Группа III. Зависимость МБ от разновидности процесса.
МБ составляется в зависимости от вида процесса:

1. 
   МБ для идеальных процессов.
   

В расчетах идеальных процессов принимают следующие допущения:
1) вещества исходных компонентов и продуктов процесса поступают и расходуются в стехиометрических соотношениях (хим. реакции);
2) все химические реакции протекают необратимо до полного превращения исходных веществ в продукты реакции (А+В  С+D).
Исходную информацию задают в виде: (ИД – исходные данные)
а) состав исходных компонентов (веществ, входящих в компоненты);
б) перечень химических реакций (для веществ компонентов).
Этой информации достаточно для нахождения: (ИВ - искомые величины)
а) удельных расходов исходных компонентов;
б) удельных выходов продуктов процесса.
Примеры: 1) расчет процессов полного горения (идеальный вариант);
2) газификация углерода (тв. топлива) (лабораторный вариант):

Паровая C + H2O  CO + H2 – Qэнд (118000 кДж) CO+ H2O  CO2 + H2 + Qэкз (43000 кДж) C + 2 H2O  CO2 + 2 H2 – Qэнд (75000 кДж)	Кислородная С + O2  CO2 + Qэкз (409500 кДж) CO2 + С 2 CO – Qэнд (161000 кДж) 2 С + O2  2 CO + Qэкз (248500 кДж)
(В скобках тепловой эффект реакции при 20°С)

Реально после завершения процесса газификации в составе смеси содержатся CO₂, H₂, CO, CН₄.

2. 
   МБ для равновесных процессов.
   

П родукты реакции имеют равновесный состав и реакция идет как в прямом, так и обратном направлениях: А+В С+D
ИД:
а) состав исходных компонентов (веществ, входящих в компоненты);
б) перечень химических реакций (для веществ компонентов);
в) термодинамические параметры продуктов процесса T, p и т.д.
ИВ:
а) удельные расходы исходных компонентов;
б) удельные выходы продуктов процесса.
Решение.
Используется 3 группы уравнений:

1. 
   уравнения МБ для химический элементов (1.6), (1.7) (см. МБ для химических элементов);
   
2. 
   уравнения физико-химических равновесий;
   
3. 
   уравнения нормировки (МБ основных процессов, отдельных стадий или отдельных реакций процесса) – выбор зависит от сложности термодинамической системы, образующейся из продуктов процесса.
   

Возможно несколько вариантов решения.

1. 
   Продукты процесса образуют гомогенную смесь идеальных газов.
   

В этом случае используются уравнение закона действующих масс (уравнение для k_p) и закон Дальтона: р_см = р_i (где р_i – парциальные давления компонентов смеси).
Пример – неполное сгорание природного газа  7 реакций (основные и промежуточные).

2. 
   Продукты процесса – идеальные газы и реальные газы - конденсированные вещества (тв., жид.), не образующие связи между собой и с газами  случай более сложный.
   

При решении используют р_i или С_i (концентрации), константы равновесия k_p или объемно-молярные концентрации k_С и параметры состояния p, v, T – для идельногазовой фазы. Для реальных газов – коэффициенты летучести f_i и активности _i ; в качестве параметров используются приведенные параметры состояния , и соответственные состояния .
Пример: процесс получения аммиака.
N ₂ + 3 H₂ 2 NH₃



-диаграмма
(табл.)


k_p = (в первом приближении); k_f = ;
= k_ k_p

3. 
   Продукты процесса – смесь реальных газов – задача еще более сложная.
   
4. 
   П родукты процесса – идеальный раствор. Используются объемно-мольные концентрации k_С.
   

.
5) Продукты – реальный раствор – вместо k_С – коэффициент активности k_ .
6
Г-газовая
среда
P_I – шлак
P_II– целевой
продукт
(сталь, чугун,
стекло….)