Термодинамическое исследование технологического процесса

Содержание

 

Задание на курсовую

 

 

Введение…………………………………………………......................................5

1. Теоретическая часть………………………………..................................6
1. Общие теоретические представления о термодинамическом анализе……………………………………………………………………6
2. Получение уксусной кислоты. Способы получения уксусной кислоты………………………………………………………………….14

 

2. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ………………………………………….16
1. Расчет термодинамических характеристик по справочным данным………………………………………………………………….16

 

3. Анализ полученных результатов с целью определения возможности, направления и предела протекания процесса…………………………………………………………………..17
1. Расчет ΔH = f(T), ΔS = f(T), ΔG = (T), lnKp = f(1/T)…………………17

Заключение……………………………………………………………………...26

Список использованной литературы………………………………………..27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЗАДАНИЕ

НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

По курсу

«Основы физической химии»

Студенту

Ерошкину М.В.

(фамилия, инициалы)

Тема работы

Термодинамическое исследование технологического процесса

Исходные данные

Используются справочные данные для расчета энергетических

характеристик технологического процесса производства метанола

(Краткий справочник физико-химических  величин / под ред. Равделя А.А. и

Пономаревой А.М.- СтП..: Химия. 2009. 230 с.

2. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. - М: Высшая школа. -

2009.-388 с;

3. Краснов К.С. Физическая химия. - М.: Высшая школа. 2009 - 500 с

4. Краткий справочник физико-химических величин /Под ред. А.А. Равделя и

А.М. Пономаревой. СтП: Химия.- 2009 -230с

Графическая часть на

-

листах

Дата выдачи «

12

»

01

20

15

г.

Дата представления работы руководителю «

27

»

01

20

15

г.

Руководитель курсового проектирования (курсовая работа)

 

 

 

Введение

В курсовой работе предложен термодинамический расчет предположительного объекта автоматизации – химического процесса получения уксусной кислоты с целью предварительного определения возможности, направления и предела протекания процесса. На текущем этапе расчета необходимо определить изменение энтальпии, энтропии, температурного коэффициента теплового эффекта реакции, энергии Гиббса и логарифма константы равновесия в зависимости от температуры. Расчет перечисленных термодинамических характеристик производился на основе справочных данных.  

Основная цель термодинамических исследований  –  теоретическое обоснование возможности практической реализации выбранного способа производства, а также получение данных по предельной эффективности данного химического процесса.

 

1. Теоретическая  часть

1.1. Общие теоретические  представления о термодинамическом  анализе

Химическая термодинамика изучает применение законов термодинамики к химическим, физико-химическим явлениям, связанным с разработкой новых технологических процессов.

Главными задачами, которые решаются химической термодинамикой, являются:

1. Расчет физико-химических  и термодинамических величин  исходных и конечных веществ, получающихся в процессе.

2. Определение технологически  приемлемых условий, при которых  данный процесс становится термодинамически возможным.

3. Выбор оптимальных условий  проведения процесса.

4. Расчет материального  и теплового баланса разрабатываемой  технологии.

Тепловые балансы составляются на основе первого начала термодинамики. Анализ фазового и химического равновесия осуществляется на основе второго начала термодинамики.

В качестве объекта автоматизации может быть любая термодинамическая система. Термодинамическая система – это конкретный материальный объект, выделенный из окружающей среды с реально существующими и воображаемыми поверхностями раздела. Системой может быть, например, любая химическая реакция, протекающая как в реакторе, так и в лабораторной колбе. Система является гомогенной, если она однородна во всех точках. Если она имеет поверхность раздела, то в этом случае говорят о гетерогенной системе, состоящей из нескольких фаз.

Фаза – это совокупность однородных материальных частей системы, отделенных друг от друга поверхностями раздела.

В зависимости от взаимодействия с окружающей средой системы могут быть: изолированными, не обменивающимися с внешним миром ни энергией, ни веществом;  закрытыми (или замкнутыми) – обменивающимися только энергией и открытыми – обменивающимися и энергией и веществом.

Совокупность всех физических и химических свойств системы характеризует ее состояние. Отдельная величина, определяющая состояние системы, является термодинамическим параметром состояния. Всякое изменение, происходящее в системе и связанное с изменением хотя бы одного из термодинамических параметров состояния, называется термодинамическим процессом. Процессы, которые осуществляются при постоянном давлении, называются изобарными;  при постоянной температуре – изотермическими, а при постоянном объеме – изохорными. Процессы, при которых система не обменивается с окружающей средой теплотой, называются – адиабатными. Термодинамический процесс является обратимым, если допускается возможность возвращения системы в первоначальное состояние без того, чтобы в окружающей среде остались какие-либо изменения. В противном случае процесс является необратимым.  Общая мера материального движения, при его превращении из одного вида в другой, называется энергией. Различают различные формы движения, в связи с чем вводятся соответствующие им виды энергии: механическая, внутренняя, химическая. Полная энергия системы включает внешнюю и внутреннюю энергии. При взаимодействии системы с окружающей средой возможны два качественно различных способа передачи энергии – в форме работы и в форме теплоты. Работа, таким образом, является мерой энергии. Она представляет собой одну из форм передачи энергии от системы к системе. Теплота – это энергия, передаваемая одним телом другому при их взаимодействии, зависящая лишь от температуры этих тел и не связанная с переносом вещества от одного тела к другому. Теплоту, подводимую к системе, в термодинамике принято считать положительной, а отданную ей – отрицательной.

Аналитическое выражение первого начала связывает изменение внутренней энергии изолированной системыD, теплоту   и работу:

D.

Многие термодинамические расчеты в физической химии базируются на законе Гесса и его следствиях. По закону Гесса тепловой эффект химической реакции  Dне зависит от пути протекания процесса.

Если известны стандартные теплоты (энтальпии) сгорания участников реакции  D, то по следствию из закона Гесса стандартный тепловой эффект

DDD

(1)

Если известны стандартные теплоты (энтальпии) образования участников реакцииD то по следствию из закона Гесса стандартный  тепловой эффект

DDD

(2)

В уравнениях (1) и (2) индексы  относятся к исходным веществам и продуктам реакции, их число и может изменяться от 1 до и. Так, для реакции 

 

в которой вещества А и В – реагенты, L и E – продукты, тепловой эффект можно рассчитать как

  DDDDD

или            DDDDD.

В справочниках можно найти теплоты (энтальпии) образования и сгорания веществ, находящихся в стандартном состоянии .

При температурах, не равных 298 К, для расчета тепловых эффектов используют уравнение Кирхгофа:

DD

Интегрирование  уравнения Кирхгофа  (определенное и неопределенное) можно проводить при разных условиях. Например,  если , то тепловой эффект реакции можно рассчитать по формуле

DD

Для условия   D  нужно учитывать влияние температуры на теплоемкость веществ − участников реакции, которое отражают  эмпирические уравнения:

(3)

где   –  температурные коэффициенты. Коэффициент D в уравнении Кирхгофа определяется как

DDDDD

(4)

D

D

Обычно коэффициент используется для органических, коэффициент – для неорганических веществ, поэтому в уравнении (4) может отсутствовать третье или четвертое слагаемое. Для  реакций с участием органических и неорганических веществ в уравнении (4), как правило, присутствуют четыре слагаемых.

В диапазоне температур от стандартной (298 К) до уравнение Кирхгофа имеет вид

DDDD

DD

где D – стандартный тепловой эффект химической реакции, который рассчитывается по уравнению (2) при стандартной температуре.

Уравнения (1, 2 и 5) используются для расчета изобарного теплового эффекта (D); изохорный (D) можно рассчитать из соотношения

DDDDD.

Таким образом, связь изобарного и изохорного тепловых эффектов определяет соотношение

D,

в котором –  универсальная газовая константа;  – температура;D – изменение числа молей газообразных веществ в реакции

D,

где – суммарное число молей газообразных веществ в начальном состоянии, – суммарное число молей образовавшихся газообразных веществ.

Температурная зависимость теплоемкости по уравнению (3) используется для расчета количества тепла, затрачиваемого на нагревание:

(6)

где - число молей вещества.

Второе начало термодинамики оперирует понятием энтропии, связанной с термодинамической вероятностью состояния системы, состоящей из большого числа частиц (молекул и атомов), и устанавливает закон изменения энтропии при протекании самопроизвольных процессов. Энтропия – основная термодинамическая функция, с помощью которой можно предсказать направление естественных процессов, учитывая изменения как в системе, так и во внешней среде.

Аналитическое выражение  второго начала термодинамики для обратимых и необратимых процессов имеет вид

 

Знак равенства соответствует обратимым процессам: при обратимых процессах в изолированной системе энтропия остается постоянной. Знак неравенства соответствует необратимым процессам: при протекании необратимого процесса в изолированной системе энтропия возрастает. Неравенство является условием  самопроизвольности  данного процесса в изолированной системе.

Если процесс обратим, то в изолированной системе он будет протекать в том направлении, которое сопровождается увеличением энтропии. При самопроизвольном протекании процесса в изолированной системе  энтропия  увеличивается и одновременно система приближается к состоянию равновесия. Когда система достигнет состояния равновесия, все процессы прекратятся и энтропия будет максимальной, то есть равновесное состояние изолированной системы – это состояние с максимальной энтропией. Таким образом, в изолированных системах энтропия является критерием возможности и направления процесса, а так же состояния термодинамического равновесия. Ее изменение в химических процессах можно рассчитать по уравнению

DD

В диапазоне от 298 К до  изменение энтропии составит

DDDD

DD

В открытых системах в качестве критериев направления процесса и равновесия в системе используют свободную энергию Гиббса  и свободную энергию Гельмгольца  :

  и    .

Эти величины, в отличие от энтропии, относятся только к системе, их использование упрощает анализ изменений в системе и лежит в основе аппарата прикладной химической термодинамики.

Если при постоянной температуре меняется состояние исследуемой системы, соответствующие изменения свободных энергий Гиббса D  и Гельмгольца  D   составят

DDDиDDD.

Свободная энергия Гиббса системы в изобарно-изотермических условиях уменьшается при необратимых процессах и остается постоянной при обратимых процессах (критерий самопроизвольного протекания процесса):