Реферати українською » Химия » Рівноважний склад газу в металургійних реакціях


Реферат Рівноважний склад газу в металургійних реакціях

Міністерство освіти і науки Російської Федерації

Федеральне агентство за освітою

Державне освітнє установа вищого професійної освіти

Магнітогорський державний технічний університет ім.Г.И.Носова

Контрольна робота з дисципліни "Фізична хімія металургійних процесів"

">Равновесний склад газу металургійних реакціях"

>Магнитогорск, 2010


Завдання №1

Для реакції водяного газу

>CO + H2O = CO2 + H2

Визначити можливе напрям реакції і рівноважний склад газу за температур :

>t = 700° З

>t2 = 800° З

>t3 = 900° З

>t4 = 1000° З

якщо вихідна газова суміш містить 23% ЗІ і 27% H2O, 20% CO2 і 30% H2.

Рішення:

>Равновесний склад газу реакції водного газу

>CO + H2O = CO2 + H2

Ця реакція має місце у багатьох процесах горіння палива, визначаючи значною мірою склад газу доменної печі при взаємодію водяної пари з коксом при мокрому і сухому гасінні.

Рівновага реакції кількісно характеризується константою рівноваги:


Ця систематрехкомпонентная і однофазна, тому

З =k –f + n = 3 – 1 + 1 = 3

Отже, рівноважний склад газу залежить від трьох чинників: температури Т і2-х вихідних концентрацій.

>Константа рівноваги реакції то, можливо розрахована по емпіричному рівнянню:

За умовою завдання відомий вихідний склад газу:

23%CO

27% H2O

Отже, в 100 міль вихідного газу утримувалося стільки ж міль кожного компонента:

>ni = %і

Припустимо, що з деякою температуріt° З реакція можлива у напрямку і на момент досягнення рівноваги відреагує Х міль ЗІ з Х міль H2O і з'явився Х міль H2 і Х міль СО2. Тоді при рівновазі кількості молей газів ( про.%)


(>23-Х) міль ЗІ (>27-Х) міль H2O

(>20+Х) міль СО2 (>30+Х) міль H2

Вирішуючи рівняння (3) щодо Х що за різних температурах, отримуємо два значення кореня рівняння (3), які у таблиці 1.

Таблиця 1.

>t° З >Кр >Х1 міль Х2 міль % ЗІ % H2O % CO2 % H2.
700 1,645 3,24 202 19,8 23,7 23,2 33,2
800 1,080 0,67 1322 22,3 26,3 20,7 30,7
900 0,760 -1,46 -365 24,5 28,5 18,5 28,5
1000 0,566 -3,23 -177 26,2 30,2 16,8 26,2

З таблиці слід, що тільки коріньХ1 має фізичний сенс. За знаком цього кореня оцінюємо можливі напрями реакції кожної температурі. Негативні значення викликані протіканням реакції вліво. Напрям процесу можна визначити відомим рівнянню ізотерми реакції:

G =RT (>lnПр –lnКр) (4)

При 700, 800 ° ЗКр >Пр G < 0 , пряма реакція

При 900, 1000 ° ЗКр <Пр G < 0 , зворотна реакція

Температура, коли він вихідна суміш перебуває у рівновазі :


Таблиця 1 ілюструє вплив температури на рівноважний склад газу. Підвищення температури викликає збільшення концентрації вихідних речовин, тобто. рівновагу зміщується у напрямі. Це притаманно екзотермічних реакцій. Оцінимо середнє теплового ефекту реакції

Порівнюючи це рівняння з рівнянням 2, отримуємо

>Равновесная температура для вихідної суміші можна знайти і графічно:

Малюнок 1. До визначенню рівноважної температури.


Завдання №2

>Равновесний склад газу реакціїБела-Будуара

>Ств + CO2 =2СО

Ця реакція має місце переважають у всіх процесах взаємодії газової фази компанії з рішучим вуглецем в коксохімічному виробництві й металургії. Оскільки системадвухкомпонентная ідвухфазная, то варіантність:

З =k –f + n = 2 – 2 + 2 = 2

тобто. рівноважний склад залежить від2-х параметрів ( Т і Р )

%>COравн = (>Т,Р)

>Преобразуем рівняння №1, одержимо:

Р * %>CO +Кр *100%СО -100 *Кр = 0 (4)

Рішення всіх цих рівнянь щодо %ЗІ розв'язує квадратного рівняння. Одне з коріння цієї рівняння позитивний, а інший завжди негативний і немає фізичного сенсу.

Результати підрахунків рівноважного складу газу в різних тисках представлені у таблиці №2.

Таблиця 2.Равновесний склад газу.

>t° З >Кр Про. %>CO при тисках (>атм.)
0,5 1,0 3,5
402 0,0001 1,26 0,89 0,48
579 0,0445 27,5 19,0 10,7
690 0,7152 67,8 56,1 36,1
829 10,53 95,7 92,0 79,2
936 54,74 99,1 98,2 94,3

Дані розрахунку представлені малюнку №2

Малюнок 2.Равновесний склад газу в різних тисках.

З таблиці 2 й малюнку 2 слід, що коли підвищення температури викликає збільшення %ЗІ, тобто. усунення рівноваги реакції вправо, що вирізнялоендотермических процесів.


H = + 8920 * 2,3 * 8,31 = 170 488 Дж,

збільшення тиску зміщує рівновагу вліво,т.к. у цьому напрямі зменшується кількість міль газів.

На малюнку 2изобари %ЗІ =ср(Т) ділять полі графіка на частини: ліву праву відизобари. У кожній із цих частин рівновагу реакції відсутня можливо необоротне перебіг процесу чи реакції вправо (у правій частині) й у лівої частини вчених у напрямку.

>2СО =Ств +СO2


Завдання №3

>Рассчитать рівноважний склад газу реакціях відновлення оксидів заліза воднем імонооксидом вуглецю

Рівняння і константи рівноваги реакцій:

відновленнямонооксидом вуглецю

1.3Fe2>O3 +CO =2Fe3>O4 +CO2 >lg K1 =2726/T + 2,14

2. Fe3>O4 +CO =3FeO +CO2 >lg K2 = ->1850/T + 2,10

3.FeO +CO = Fe +CO2lg K3 =688/T – 0,90

4. Fe3>O4 +CO = Fe +CO2 >lg K4 =54/T – 0,155

відновлення воднем

>1a.3Fe2>O3 + H2 =2Fe3>O4 + H2>O >lg K1a =813/T + 3,02

>2a. Fe3>O4 + H2 =3FeO + H2>O >lg K>2a = ->3736/T + 3,85

>3a.FeO + H2= Fe + H2>Olg K>3a = ->1225/T + 0,85

>4a. Fe3>O4 + H2= Fe + H2>Olg K>4a = ->1859/T + 1,59

У будь-якій із наведених реакцій газ –восстановитель У перетворюється на оксид ВО, у газової фазі:

1. %У>равн + %ВО>равн = 100 2. Дор = %ВО>равн / %У>равн

Вирішуючи систему рівнянь (1) і (2), одержимо: %У>равн = 100 / (1 + До)

Значення константи рівноваги Дор реакції визначаються з емпіричних рівнянь, наведених вище. Результати розрахунку наведені у таблицях 3 і 4 і рис. 3-8.


Таблиця 3.Равновесний склад газу реакціях відновлення оксидів залізамонооксидом вуглецю

>Темпе-ратура

>Константа рівноваги Дор

%>CO>равн у реакції

>t, >oЗ

K1

K2

K3

K4

1 (*103)

2 3 4
300 7914000 0,07 2,0 0,87 0,05 93,1 33,4 53,5
400 1554000 0,22 1,33 0,84 0,1 81,7 43,0 54,3
500 465000 0,51 0,98 0,82 0,2 66,3 50,6 55,3
600 183000 0,96 0,77 0,81 0,5 51,0 56,4 55,7
700 87630 1,58 0,64 0,80 1,1 38,8 60,9 56,0
800 48030 2,38 0,55 0,79 2,1 29,6 64,5 56,2
900 29171 3,33 0,49 0,78 3,4 23,1 67,3 56,4
1000 19160 4,43 0,44 0,77 5,2 18,4 69,6 56,8
1200 9809 6,98 0,37 0,76 10,2 12,5 73,0 56,9
1300 7402 8,39 0,34 0,75 13,4 10,6 74,4 60,0

Таблиця 4Равновесний склад газу реакціях відновлення оксидів заліза воднем

>Темпе-ратура

>Константа рівноваги Дор

%H>2равн у реакції

>t, >oЗ

K>1a

K>2a

K>3a

K>4a

>1a (*103)

>2a >3a >4a
300 203600 0.01 0,05 0,02 0,5 98,8 95,1 97,8
400 125300 0.02 0,11 0,07 0,8 98,2 90,3 93,7
500 87450 0.10 0,18 0,15 1,1 91,1 84,4 86,7
600 66260 0,35 0,28 0,29 1,5 74,3 78,1 77,6
700 53160 0,96 0,39 0,48 1,9 51,0 71,9 67,7
800 44430 2,20 0,51 0,72 2,3 31,2 66,2 58,1
900 38290 4,39 0,64 1,02 2,6 18,2 61,0 49,7
1000 33780 7,83 0,77 1.75 3,0 11,3 56,4 42,6
1200 26660 19,7 1,04 2,13 3,6 4,8 48,9 32,0
1300 18500 25,0 1,50 2,70 4,0 3,4 45,0 28,0

З даних таблиці №3 і №4 побудуємо графіки.


Малюнок 3.Равновесний склад газу реакціях відновлення оксидів залізамонооксидом вуглецю.

Малюнок 4.Равновесний склад газу реакціях відновлення оксидів заліза воднем.

У ентропійних методах розрахунку константи рівноваги


>lnKp = -H0т /RT +S0т/ R -H /RT +S/ R - А / Т + У

деH0т і >S0т - парниковий ефект реакції й зміна ентропії за нормальної температури Т;

H і P.S –середні значення теплового ефекту реакції та ентропії в досліджуваному інтервалі температур.

Залежність рівноважного складу газу від температури у кожній із наведених реакцій визначається зміною константи рівновагиКр, тобто. рівняннямизобари реакціїd(lnKp) /dT =H0т /RT2 і здатні якісно – за правилом ЛеШателье. У реакціяхендотермических (>Н > 0) підвищення зміщує становище рівноваги у напрямку, тобто. у бік зниження концентраціїгаза-восстановителя.

>Равновесний склад газу реакціях відновлення оксидів заліза воднем й CO наведено на малюнках 3-6. На всіх по осі ординат представлений об'ємний відсоток газу відновлювача, тому полі кожного малюнка, крім див. мал.6, обмежена згориасимптотой %У = 100.

Лінії ( % У =(t) ) на рис. 3, 4, 5, 6, 7, описують рівновагуендотермических реакцій - убутні криві, а екзотермічних реакцій – зростаючі.

По емпіричним рівнянням залежності константи рівноваги реакції від температури видуlg Ka =A/T + B можна розрахувати середні значення теплового ефекту реакції H та ентропії P.S:

H = - 2,3 R A , Дж ; P.S = 2,3 R B,Дж/К

Середні значення теплового ефекту реакції H та ентропіїSв інтервалі температур 300-1300проЗ.


Таблиця 5.

Реакція 1 2 3 4 За
М,кДж -52,0 35,3 -13,1 -1,04 -15,5 71,3 23,4 35,5
P.SДж/К 40,9 40,1 -17,2 -2,96 57,7 73,5 16,2 30,4

Реакції 1,3, 4, 1а –>екзотермические, а реакції 2, 2а, За, 4а –ендотермические.

У реакціях відновлення оксидів залізамонооксидом вуглецю М342, а воднем МЗа, що зумовлює відповідної відмінності у темпі кривих на малюнках 3 і 4.

У системі Fe –O відомі оксидиFeO, Fe3>O4, і Fe2>O3, у тому числімонооксид заліза стійкий лише за температурі вище 570проЗ.Равновесние склади газу, наведені у таблицях 3 і 4, в реакціях з участю цього оксиду не реалізуються, і малюнках 3 і 4 криві 2, 3, 2а і За виконані пунктирно приt < 570проЗ. При температурі вище 570проЗ не реалізуються лінії реакцій 4 і 4а.

Реакції 1 і 1а відновлення вищого оксиду заліза відзначаються високою значенням константи рівноваги (>Кр " 1), тому протікають необоротно у напрямку, і рівноважна (залишкова) концентрація газу відновлювача становить тисячні частки відсотка (рис. 5).Различний темп кривих у цьому малюнку пояснюється різницею теплових ефектів реакцій 1 і 1а.

>Равновесние криві на рис. 3, 4, 5 ділять поля малюнків на області стійкості окремих конденсованих фаз. Вище рівноважної кривою фактичний відсоток газу відновлювача більше рівноважного, і стійкою фазою є відновлена форма оксиду заліза, а під кривою – окислена форма. Отже, на названих малюнках показані області стійкості окремих фаз.

Відновлення оксидів залізамонооксидом вуглецю. На рис. 3 представлений рівноважний склад газу реакціях відновлення Fe3>O4 іFeO газом ЗІ. Номери кривих відповідають номера рівняння реакції. Для реакцій 2, 3 і 4 криві поділяють думку точці "Про" з координатами: 570проЗ повагою та 61 %ЗІ, й у рівновазі з газової фазою перебувають металеве залізо, і оксидиFeO і Fe3>O4. У системі із трьох компонентів (>Fe-C-O) рівновагу 4 фазбезвариантно ( З = До –f + 1 = 3-4+1=0), тому склад газу та температура фіксовані.

Відновлення оксидів заліза воднем. На рис. 4 представлений рівноважний склад газу реакціях відновленняFeO і Fe3>O4 воднем. Усі криві мають регресний характер внаслідокендотермичности реакцій.Различний темп кривих викликаний різним тепловим ефектом реакцій. Координати безваріантної точки ">O1": 570>oЗ – 80 % H2.

Порівняння діаграм рівноважного складу газу реакціях відновлення оксидів заліза воднем імонооксидом вуглецю представлене рис. 5 і шість. Всім оксидів залізаравновесние криві відновлення воднем імонооксидом вуглецю перетинаються за нормальної температури 810проЗ. Під час цієї температурі хімічне спорідненість водню й CO до кисню однаково, тому водень імонооксид вуглецю мають однаковою схильністю в реакціях відновлення будь-яких оксидів, зокрема,FeO, Fe3>O4 і Fe2>O3. При температурі нижчій за 810 проЗ хімічне спорідненість ЗІ до кисню більше, ніж в водню, тому залишкова концентрація газу відновлювача нижчий за реакціях відновлення оксидів залізамонооксидом вуглецю. При температурах, перевищують 810 проЗ, сильнішимвосстановителем є водень. Його залишкова концентрація в реакціях 1а, 2аи3а менше, ніж в ЗІ в реакціях 1, 2 і трьох (рис. 5 і шість).


Малюнок 5. Порівняння діаграм рівноважного складу газу реакціях відновлення оксидів заліза воднем імонооксидом вуглецю.

Малюнок 6. Порівняння діаграм рівноважного складу газу реакціях відновлення оксидів заліза воднем імонооксидом вуглецю.

Відновлення оксидів заліза твердим вуглецем. Твердий вуглець (графіт) - універсальнийвосстановитель оксидів. Реакції відновлення оксидів вуглецем графіту (коксом) прийнято називати прямим відновленням на відміну реакцій відновлення газом, званих непрямим відновленням. У доменному процесі частка прямого відновлення оксидів заліза становить 30-40 %. Рівняння реакцій:

>2в. Fe3>O4 +Cтв = 3FeO +CO

>3в.FeO +Cтв = Fe +CO

Утрехкомпонентной системі Fe – З –O рівновагу чотирьох фаз (три твердих + газ)одновариантно (>С=К-f + n = 3 – 4 +2 = 1) , тобто. склад газу та температура визначаються тиском. При Р=constC=0 і рівновагу можливе лише за єдиному значенні температури.Равновесное значення температури можна знайти як координату точки перетину кривою %>CОравн =(t) на рис. 3 зизобарой реакціїСтв + ЗІ2 =2 ЗІ з завдання 2 (рис. 2). Так визначають температуру початку прямого відновлення оксиду вуглецем. Накладення ізобар малюнка 2 на діаграму рис.3 представлене див. мал.7. У цьому малюнку видно, що температура початку відновлення конкретного оксиду залежить від загального тиску, збільшуючись з його підвищенням.

Малюнок 7. Визначення температур початку відновлення Fe3>O4 іFeO твердим вуглецем.


Схожі реферати:

Навігація