curs 1-2 procese unitare chimice si biochimice

PROCESEUNITARECHIMICEPROCESEUNITARECHIMICEIBIOCHIMICEIBIOCHIMICENoNoiuniiuni introductiveintroductive

Ordonarea liniar a acestor procese de la intrarea n sistem amateriilor prime pn la ieirea produselor finite din sistemconstituie fluxultehnologic.

Totalitateaoperaiiloraplicateunuiprodus= procestehnologic

SchemadeprincipiuafluxuluitehnologicSchematehnologic seiaunconsiderareutilajelespecific

Mrimile caredescriustareasaumoduldeoperareasistemului =parametri Dacacetiasereferlaproceselefiziceichimicecarealctuiescprocesultehnologic=parametritehnologici (ex.T,p,c,t,etc.) Ansamblulvalorilorfixealeparametrilor= regimtehnologicCurs Procese unitare chimice i biochimice anul III/semestrul IIFacultatea de Inginerie Universitatea Vasile Alecsandri din Bacu

PROCESEUNITARECHIMICEPROCESEUNITARECHIMICEIBIOCHIMICEIBIOCHIMICENoNoiuniiuni introductiveintroductive

Curs Procese unitare chimice i biochimice anul III/semestrul IIFacultatea de Inginerie Universitatea Vasile Alecsandri din Bacu

nprincipiu,oriceprocesdefabricaiepoatefireduslaosecvencutreistadii: pregtireamaterieiprime;

procesulchimicpropriuzis; separareaproduselor;

Senumeteprocesunitar grupareaprocedeelordeobinerepecale industrial a produselor care au la baz o reacie chimicindividual. Reaciachimic reprezintfenomenulprincareunasaumaimultesubstane se transform n alte substane, fr a afecta naturaatomilorconstitueniaisubstanelortransformate.

nmediul nconjurtor pot fi observate numeroase reacii, deimajoritatea au o desfurare lent: ruginirea pieselor din oel,fermentaiaalcoolic,nverzireafrunzelordatoritformriiclorofilei,ardereacombustibililor.

PROCESEUNITARECHIMICEPROCESEUNITARECHIMICEIBIOCHIMICEIBIOCHIMICE


Clasificareareaciilorchimice Este dificil alegerea unui criteriu unic i bine definit de clasificare a reaciilor chimice.1. Dupgraduldecomplexitate:

reaciisingulare(simple)

reaciimultiple(consecutive)

reaciiparalele

reaciimixte

reaciiautocatalitice

reaciinlnuite

AA11 AA11 22AA11 AA11AA11 ++AA22 AA11 +A+A22

AA11 AA11 AA22

AA11 AA11 AA11 AA22

AA11 ++AA22 AA11 AA11++AA33 AA22

AA11 ++AA11 AA11 +A+A11

nnAA (A(A11))nn



Clasificareareaciilorchimice

2. Dupmolecularitate:

reacii monomoleculare n care se transform o singurmolecul de reactant, putnduse forma numai unul sau doiprodui

AA produproduii

AA BBAA B+CB+CAA 2B2B

reaciibimoleculare lacareparticipdoumoleculedereactant

2A2A produproduii A+BA+B produproduii reacii trimoleculare la care ar putea s participe sincron treimolecule

3A3A produproduii 2A+B2A+B produproduii A+B+CA+B+C produproduii



Clasificareareaciilorchimice3. Dupstareadeagregareareactaniloriproduilordereacie:

reaciiomogene(sedesfoarntrosingurfaz) ex.reaciade cracare termic a hidrocarburilor care se desfoar n fazgazoas reacii eterogene (au loc n dou sau mai multe faze) ex.sinteza acidului sulfuric la care reactanii se gsesc n fazgazoasilichid

4. Dupreversibilitate: reaciiireversibile reaciireversibile

5. Dupefectultermicalreaciei: reaciiendoterme(consumenergietermic) reaciiexoterme(genereazenergietermic)

D.p.d.v.termodinamictoatereaciilesuntreversibile,nspentruuneledinelereaciainvers are o vitez mult mai mic dectdect reaciadirect.



Stoechiometriareaciilorchimice

stoicheon = element metron = msur

ncazuluneireaciichimicecur reactaniip produidereacie,sepoatescrieurmtoareaecuaiechimic.

11AA11 ++22AA22 ++33AA33 ++ ++ rrAArr ==11AA11 ++22AA22 ++33AA33 ++ ++ppAApp

Stoechiometria reaciei exprim din punct de vedere cantitativrelaiacareexistintrespeciileparticipantelareacie,saualtfelspus,stoechiometria precizeaz rapoartele molare n care se combinreactaniiirespectivseformeazproduiidereacie.

i =coeficienistoechiometrici;Ai =speciichimice

Stoechiometria este partea chimiei care are ca obiect stabilirearelaiilorcantitativentrereactaniiproduiidereacie.




Formarestrns = =

=r

j

p

kkkjj AvAv

1 1

''

ncare: j coeficientulstoechiometricalreactantuluiAjk coeficientulstoechiometricalprodusului dereacieAkA1,...,Ar reactaniA1,,Ap produidereacie

Existiunaltmoddeexprimareaecuaiilorstoechiometrice.Pentruo reaciechimiccarearem reactani iproduide reacie sepoate scrieurmtoareaecuaiestoechiometric:

=

=m

jjj Av

10

Coeficienii stoechiometrici ai reactanilor sunt negativi , iar cei ai produilor de reacie sunt pozitivi.




Dacncadrulunuiprocesaulocreaciile:CO + 2H2 = CH3OH

CO2 + H2 = CO + H2O

,,,,, 524232213 AOHACOAHACOAOHCH =====isenoteazecuaiilestoechiometricecaptforma:

002

5432

321

=+=AAAA

AAA

celedoureaciifiindstoechiometricindependente



Mrimicaracteristicereaciilorchimice Pentrucaracterizareacantitativaevoluieiuneireaciichimiceseutilizeazurmtoarelemrimi: graduldeavansarealreaciei

randamentulreaciei selectivitateareaciei graduldetransformare

1. Gradul de avansare al reaciei () = raportul dintre diferenanumruluidemoli al reactantului nmomentul iniial i final icoeficientulstoechiometricalacestuia.

j

AA

v

nnjj

=0

ncare:n0Aj,nAjnumruldemolideAj nmomentuliniialifinalj coeficientulstoechiometricalspeciei



Mrimicaracteristicereaciilorchimice

2. Randamentul reaciei () = raportuldintre cantitateadeprodusformaticantitateainiialdereactantdereferin.

3. Selectivitatea reaciei () = raportuldintre cantitateadeprodusformaticantitateadereactantdereferintransformat.

4. Graduldetransformaresaugraddeconversie() =sedefinetenraportcureactantulvaloros (cheie) sau cu un reactant oarecare.

pentruoreaciecareconiner reactani(A1,...,Ar)ip produi(A1 ,, Ap ) gradul de transformare al reactantului Aj estedefinitderelaia:

0

0

j

j

A

AjAAj n

nn =



Mrimicaracteristicereaciilorchimiceo Gradul de transformare al componentului poate fi calculat curelaiile:

0

1

0

0

1

2

0

0

0

11

22

1

11

1...

Ar

AA

A

AA

A

AAA

nvv

nn

nvv

nnnnn

rr====

o De asemeneagraduldetransformare poateficalculatipebazanumruluidemoliaiproduilordereacie:

0

1

'

0

0

1

'2

0

0

1

'1

0

1

''

1

'2

'2

1

'1

'1

1...

Ap

AA

A

AA

A

AAA

nvv

nn

nvv

nn

nvv

nnpp

====



Mrimicaracteristicereaciilorchimiceo Relaiile anterioare servesc la stabilirea ecuaiilor de bilan demateriale.oNumrul de moli de reactani neconsumai sau de produi dereacielasfritulprocesuluirezultpebazarelaiilor:

1 1 1 1

2 2 1 1

0 0

0 02

1

A A A A

A A A A

n n nvn n nv

= =

1 1

1 1

0 0

1

0 0

1 1 1 1

r r

j j

rA A A A

r r rj

T A A A Aj j j

vn n nv

vn n n n

v

= = =

=

= =



Termodinamicareaciilorchimice

energiadevibraieaatomilorsauionilor;energialegturilordintreatomiintremolecule; energiadetranslaieirotaieamoleculelor;energiastrilorelectronice;

1.Energialiber aunuisisteminclude:

Deoarece pentru un sistem oarecare nu se poate determinavaloareaabsolutaenergieiinterne(U),nmodobinuitsedeterminvariaia energiei interne (U) la trecerea sistemului de la o stareenergetic(U1)laalta(U2).

12 UUU =



Termodinamicareaciilorchimice Variaia energiei interne este cauzat de schimbul de energientre sistem imediul exterior care se realizeaz prinmodificareapresiuniisauvolumului. Prinmodificareapresiunii sauvolumului, sistemulvaefectuaunlucrumecanic Lm concomitent cu schimbulde cldurQ. Sepoatescrieaadar:

mLQU =

QU =12 UU < )0(




12 UU > )0( >U Cndsistemulabsoarbeenergietransformareaesteendoterm

2. Entalpia este o funcie de stare definit ca o sum a energieiinterne i a lucrului mecanic necesar ocuprii de ctre sistem avolumuluisulapresiuneconstant:

PVUH += Variaia entalpiei unui sistem este determinat de stareainiialifinalaacestuia.




Dacnsistemarelocoreaciechimic vaaveaurmtoareaexpresie:

HR

= jjkkR HvHvH ''kj vv ',

kj HH ',

ncare:coeficieniistoechiometriciaireactantuluijiprodusuluidereaciek;

entalpiile reactantuluijirespectivaprodusuluidereaciek.

ncazulreaciilorexoterme ncazulreaciilorendoterme

0 HR



TermodinamicareaciilorchimiceDac se cunoate valoarea entalpiei unui component la otemperatur T1, valoarea entalpiei la temperatura T2 este dat derelaia:

ncare:H1,H2 suntentalpiile componentuluilatemperaturaT1 irespectivT2

Cpclduraspecificacomponentuluirespectiv.

+= 21

12

T

TpdTCHH

Pentru majoritatea substanelor cldura specific (Cp) poate fiexprimatprinecuaiiempiricedeforma:

...2 +++= cTbTaCp




9 ntruct valorile absolute ale entalpiilor compuilor chimici pot fimsurate, n calcule se utilizeaz valorile cldurilor de formare aleacestora.

9Cldura de formare sau entalpia de formare reprezint variaiaentalpieiunuisistemlasintezaunuimoldesubstandinelementelecomponente. Prin convenie entalpia de formare a elementelorchimiceesteegalcuzero.

9 Valorileentalpiilor de formareale compuilor chimici se gsesc nliteraturtabelatencondiiistandard(P=1atm,T=298K).



TermodinamicareaciilorchimiceLegea lui Hess

ConformlegiiluiHessclduradereacielapresiuneconstantsauvolumconstantnudepindedetraseulparcurscinumaidestareainiialifinalasistemului.Prinurmareclduradereaciepoatefi calculat ca o diferen ntre suma algebric a entalpiilor deformareareactanilor.

= =

=r

k

r

jjfjkfkTR HvHvH

1 1,

','

ncare: Hf,k entalpiadeformareaprodusuluidereaciek;Hf,j entalpiadeformareareactantuluij.



TermodinamicareaciilorchimiceLegea lui Kirchoff

Exprim dependenadetemperaturaclduriidereacie. Cldurade reacie lao temperatur T ipresiuneatmosfericestedatderelaia:

+= T pRTR dTCHH298

0298

0

ncare:clduraspecificaprodusuluidereaciek;

clduraspecificlapresiuneconstantareactantuluij;

clduradereaciencondiiistandard.

= pjjpkkp CvCvC '''pkC

pjC0298HR




Este o proprietate a materiei specific sistemelor izolate icaracterizeazcantitateadeenergiedepreciatraportatla1K. Pentru procese izoterme reversibile variaia entropiei poate fiexprimatprinrelaia:

n care: Q cantitatea de cldur schimbat;

3.Entropia

TQS =

n cazul proceselor reversibile care au loc n sisteme izolate, ncondiiiadiabatice:

0=S




Estedefinitcafiindparteamaximdinenergiaunuisistemcarepoatefitransformatnlucrumecanicefectuatdesistem.

4.Entalpialiber

Variaia entalpiei libere la presiune i presiune i temperaturconstantepoatefievaluatpebazarelaiei:

TSHG =

STHG +=




Reprezintderivataentalpieiliberenraportcunumruldemolidecomponenti dintrunsistem:

5.Potenialulchimic

Pentruunsistemformatdinncomponeni,entalpialiberpoatefiexprimatnfunciedepotenialelechimicealecomponenilor:

PTii n

G

,

=

=

=n

iiixG

1 n care: xi fraciamolar a componentului i;

Condiiadeechilibruchimicpentruoreaciechimiccareconinerreactaniip produidereacieseexprimprinecuaia:

6.Echilibrulchimic

= =

===P

K

r

jjjkkTR vvG

1 10''



Cineticareaciilorchimice

Reprezintcantitateadereactantconsumatsaudeprodusdereaciegeneratnunitateadetimp.

La reaciile omogene att reactanii ct i produii dereacieseaflderegulnfazgazoassaulichid.

ncazuluneireaciiomogene:

Vitezadereacie

1111 '' AvAv Vitezadereaciepoatefidefinitn raportcureactantulA1 saucuprodusuldereacieA1:

dtdn

Vv AA 11

1 =

sdm

molA3

1

sm

kmolA3

1

dtdn

Vv AA 11 ''

1=




Dac volumul masei de reacie este constant se poatesubstituinA1/VcuCA1:

Vitezadereacie

Pentrureaciieterogenevitezaestedefinitprincantitateadereactantconsumatsaudeprodusde reaciegenerat nunitateadetimpipeunitateadesuprafa(dereacie).

11

AA

dCvdt

= '1'1 AA dCv d t=




Ecuaiacineticpentruoreaciechimicelementaromogenlapresiuneconstantpoate fiscrissub formaunuiprodusadoifactori,unuldependentde temperatur iar cellaltdependentdecompoziie:

Ecuaiicinetice

Factorul dependent de temperatur reprezint constanta devitezareaciei,k.Cellaltfactorpoatefiexprimatcaunprodusdeconcentraii.Prinurmare, ecuaiacaptforma:

v=f1 (T)f2 (C1,C2,)

...221

1nn CkCv=




Puterile senumescordineparialedereacienraportcureactaniirespectivi.

Ecuaiicinetice

nnnn ,...,, 21

Sumaordinelorparialedereaciereprezintordinulglobaln:= inn

n tabelul urmtor sunt prezentate ecuaiile cinetice pentructevatipuridereacii.



CineticareaciilorchimiceEcuaiicinetice

curs 1-2 procese unitare chimice si biochimice

Documents