ПРОМЫШЛЕННАЯ СТЕХИОМЕТРИЯ

Общей экономической задачей каждого технологического участка химического предприятия является получение химических продуктов надлежащего качества и в достаточном количестве, чтобы их реализация приносила прибыль. С этим связано требование, чтобы все ресурсы использовались как можно более эффективно. Однако этого можно достичь только в том случае, если химический процесс сам по себе эффективен.

Отправным пунктом при рассмотрении эффективности любого химического процесса является его стехиометрия. Теоретически суммарная масса продуктов химического процесса должна быть равна суммарной массе реагентов, использованных в процессе, однако на практике дело обстоит не всегда так. Указанное требование известно под названием баланса масс. Оно вытекает непосредственно из закона сохранения материи.

На практике в любом процессе приходится использовать один или несколько реагентов в избыточном количестве. Кроме того, в результате протекания побочных реакций могут образовываться побочные продукты. Поэтому термин «баланс масс» часто понимается в том смысле, что суммарная масса материалов, использованных в начале процесса (и во время его проведения), должна быть равна суммарной массе всех целевых и побочных продуктов, а также неиспользованных реагентов и растворителей в конце процесса.

Необходимо также проводить различие между теоретическим балансом масс и фактическим балансом масс. Теоретический баланс масс включает предсказываемый выход целевого продукта. Он основан на вычислениях, выполняемых химиками-технологами, а также на экспериментальных определениях, проводимых в лабораторных условиях или на опытной промышленной установке.

Во многих процессах фактический баланс масс отличается от теоретического из-за неизбежных (а иногда преодолимых) потерь материалов. Эти потери могут быть обнаружены в результате сопоставления теоретического баланса масс с фактическим балансом масс.

В промышленности вместо понятия «реагенты» используются термины «исходные материалы», «сырьевые материалы» или просто «сырье». Чтобы какой-либо процесс был экономически оправдан, необходимо достичь оптимального выхода целевого продукта из сырьевых материалов. Оптимальный выход не обязательно должен совпадать с теоретическим выходом или даже с максимально достижимым выходом. Получение максимально достижимого выхода может, например, потребовать слишком большого расхода какого-либо дорогостоящего исходного материала или же слишком длительного проведения процесса, что делает его экономически невыгодным. При определении общей эффективности каждого процесса приходится учитывать целый ряд факторов, и ожидаемый выход является лишь одним из них. Во многих технологических процессах оптимальный выход целевого продукта соответствует использованию лишь некоторой части массы исходных материалов.

Фактический выход каждого конкретного химического процесса может зависеть от целого ряда факторов, к числу которых относятся:

температура

давление

скорость перемешивания присутствие катализатора чистота исходных материалов эффективность процедур извлечения продуктов

Мы подробно рассмотрим влияние подобных факторов на химические реакции, когда займемся изучением химического равновесия (гл. 7) и кинетики химических реакций (гл. 9).

Технологическая схема

Такая схема показывает последовательный расход материалов при протекании технологического химического процесса. Многие технологические схемы включают указание расхода и выхода материалов на каждой стадии процесса. Масса материалов, расходуемых на каждой стадии, должна совпадать с массой полученных продуктов. Такие материалы включают промывную воду, растворители и сточные воды. Общий баланс массы для всего процесса учитывает все расходуемые материалы (расход) и все полученные материалы (выход). Сумма всех первых должна быть равна сумме всех вторых.

На рис. 4.4 показана упрощенная технологическая схема получения едкого натра из карбоната натрия и извести в реакторе периодического действия. Эта технологическая схема основана на следующем процессе.

Получение едкого иатра (гидроксида натрия) из карбоната

1. Порцию раствора карбоната натрия массой 88 800 кг, содержащую 8480 кг заливают в реактор с мешалкой (каустификатор).

2. Затем в сосуд добавляют порцию негашеной извести массой 4480 кг. Это

Рис. 4.4. Технологическая схема получения из

количество является стехиометрическим. Смесь нагревают при перемешивании. В результате образуется смесь твердых и жидких веществ (взвесь).

3. Полученную взвесь сначала декантируют (осторожно сливают), чтобы удалить как можно больше жидкости. Оставшийся отстой промывают вдвое большим по массе количеством воды и затем отфильтровывают. Влажные твердые остатки на поверхности фильтра образуют так называемую фильтровальную лепешку.

Процесс описывается следующими уравнениями:

Лабораторные испытания показывают, что при соблюдении указанных условий в реакторе по истечении достигается 90%-ный выход.

Итак, повторим еще раз!

1. Количество вещества - это физическая величина. Ее единицей измерения является моль.

2. Молярная масса - это масса единицы количества вещества. Она связана с относительной молекулярной массой соотношением

3. Масса молей вещества равна

4. Число частиц в заданном количестве вещества может быть вычислено при помощи следующего соотношения:

где -постоянная Авогадро.

5. Эмпирическая формула соединения указывает простейшее соотношение между числом атомов каждого входящего в него элемента или простейшее соотношение между числом различных ионов, имеющихся в данном соединении.

6. Концентрация раствора определяется соотношением

7. Мольная доля компонента А в смеси двух веществ А и В определяется соотношением

8. Химическое уравнение можно интерпретировать на молекулярном либо на молярном уровне. Суммарное химическое уравнение реакции не дает сведений о механизме реакции.

9. Выход продукта химической реакции, вычисленной по ее стехиометрическому уравнению, называется теоретическим выходом.

10. Термин баланс масс означает, что суммарная масса всех материалов, поступающих в технологический химический процесс или в какую-либо стадию такого процесса, должна быть равна суммарной массе всех материалов, полученных в этом процессе либо на данной его стадии.