В простейшем случае такие задачи описывают реакции горения газовых смесей. При этом количество воздуха, необходимое для процесса горения, рассчитывают по стехиометрическим уравнениям реакций. Решение включает следующие этапы:
· рассчитывают мольное и массовое количество каждого компонента исходного газового потока;
· записывают уравнения всех химических превращений, возможных в данной системе;
· по химическим уравнениям рассчитывают количество воздуха, необходимое для реакций горения, а также количество продуктов реакций;
· рассчитывают материальный баланс процесса.
Задача 9
Рассчитать материальный баланс процесса горения смеси веществ No = 3000 кмоль/ч состава nN2=0,2; nC2H6=0,4; nC2H4=0,3; nCO2=0,1 в воздухе (избыток воздуха - 15%). Хi = 1.
Решение
1. Рассчитываем мольный расход каждого компонента горючего газа (табл. 1.15).
Таблица 1.15.
Мольный расход компонентов горючего газа
| Вещество | Mi, кг/кмоль | ni | ni,0, кмоль/ч |
| N2 | 0,2 | 3000×0,2=600 | |
| C2H6 | 0,4 | 3000×0,4=1200 | |
| C2H4 | 0,3 | 3000×0,3=900 | |
| CO2 | 0,1 | 3000×0,1=300 | |
| ВСЕГО |
2. По стехиометрическим уравнениям реакций рассчитываем количество кислорода, необходимое для полного сгорания компонентов смеси:
- по реакции (1): 2С2Н6+7О2=4СО2+6Н2О
NO2,1 = 
NC2H6, 0= 1200=4200 (кмоль/ч);
- по реакции (2): С2Н4+3О2=2СО2+2Н2О
NO2,2 = 
NC2H4, 0 = 900=2700 (кмоль/ч);
3. Суммарное количество кислорода, необходимое для обеих реакций, с учетом избытка:
NO2,возд = (NО2,1+ NО2,2) ×1,15 = (4200+2700) ×1,15 = 6900×1,15 = 7935 (кмоль/ч);
4. Рассчитываем мольный расход азота, пришедшего в реактор из воздуха вместе с кислородом NN2,возд:
NN2,возд= 
NO2,возд= 7935=29850,71 (кмоль/ч);
5. Так как в исходном газовом потоке уже присутствовал азот, его общее количество на входе в реактор составит:
NN2,общ= NN2,возд+ NN2,0= 29850,71 +600=30450,71 (кмоль/ч);
6. Избыточное количество кислорода на выходе из реактора:
NO2 = NO2,возд. - (NO2,1 + NO2,2) = 7935- 6900=1035 (кмоль/ч);
7. Количество азота, вышедшее из реактора, остается неизменным: NN2 = NN2,общ.
8. Количество образовавшихся продуктов:
- по реакции 1: 2С2Н6+7О2=4СО2+6Н2О
NСO2,1 = 
NC2H6, 0 = 1200 = -2400 (кмоль/ч);
NН2O,1 = 
NC2H6, 0 = 1200 = -3600 (кмоль/ч);
- по реакции 2: С2Н4+3О2=2СО2+2Н2О
NСO2,2 = 
NC2H4, 0 = 900 = -1800 (кмоль/ч);
NН2O,2 = NC2H4, 0 = 900= -1800 (кмоль/ч);
10. Суммируем аналогичные продукты по обеим реакциям:
NСO2(1+2)= -NСO2,1 - NСO2,2 = -2400-1800= -4200 (кмоль/ч);
11. С учетом СО2, поступающего на вход реактора, его суммарное количество на выходе составит: NСO2 = NСO2,0 - (-NСO2,(1+2)) = 4200+300=4500 (кмоль/ч);
12. Суммарное количество воды на выходе из реактора: NН2O = 0-(-NН2O,(1+2) )= 3600+1800= 5400 (кмоль/ч).
Результаты расчета сводим в таблицу материального баланса (табл.1.16). При решении задачи на компьютерах с помощью пакета Excel решение выполняется в такой же таблице.
Таблица 1.16.
Материальный баланс при одновременном протекании нескольких реакций
| В-во | Mi, кг/кмоль | Приход | Реакции | Расход | ||||
| ni,0, кмоль/ч | mi,0, кг/ч | ni,1 | ni,2 | ni,хр, кмоль/ч | ni,кмоль/ч | mi,кг/ч | ||
| C2H6 | - | - | - | |||||
| C2H4 | - | - | - | |||||
| CO2 | -4 | -2 | -4200 | |||||
| О2 | ||||||||
| Н2О | - | - | -6 | -2 | -5400 | |||
| N2 | 30450,71 | 852619,88 | - | - | - | 30450,71 | 852619,88 | |
| ВСЕГО | 40785,71 | 41385,71 |
Задача 10
Рассчитать материальный баланс процесса горения смеси веществ Vo = 50000 м3/ч состава gN2=0,2; gC2H6=0,2; gC2H4=0,05; gCH4=0,5; gCO24=0,05 в воздухе (избыток – 15%). Хi=1.
Решение
Пример решения задачи в пакете EXCEL представлен в табл.1.17.
Таблица 1.17.
Если реакция проходит с изменением объема, а реакционная смесь содержит нестехиометрическое содержание веществ, рассчитывают коэффициент изменения объема смеси.
Пример
Рассчитать коэффициент изменения объема и долю стехиометрической смеси для реакции А+3ВÛ2R, если исходная газовая смесь содержит (кмоль/м3):
СA,0= 2, СB,0 = 6, СR,0 = 0,33.
Решение
nA = 1, nВ = 3, nR = 2, nS = 0;
aB = 
; aR = 
;
x = 
= 
-0,48019
Пример
· Рассчитать коэффициент изменения объема и долю стехиометрической смеси для реакции SO2+0,5O2 Û SO3, если исходная газовая смесь имеет состав (мол. доли): SO2 - 0,09; O2 - 0,11; N2 - 0,80;
Решение
nA = 1, nВ = 0,5, nR = 1, nS = 0;
aО2 = 
; aSO3 = 
;
x = 
= 
-0,22502
