Стехиометрический материальный баланс

Теоретический (стехиометрический) материальный баланс рассчитывают на основе стехиометрических уравнений реакции. Часто стехиометрический баланс составляется для реакции, выражающей полный ход процесса и являющейся суммой промежуточных этапов, т. е. для такой реакции, которой в действительности не существует. Удобнее всего составлять материальный баланс, отнеся все расчеты к 1 моль или 1 кмоль основного исходного вещества. После этого по числу моль или кмоль находят объемы и массы исходных веществ и продуктов (кг, т, м³, л).

Стехиометрические коэффициенты в химических уравнениях показывают количество моль компонентов, вступивших в химическое взаимодействие. Их можно выразить в массовых величинах, умножая стехиометрические коэффициенты на молярную массу. Например, окисление диоксида серы описывается уравнением SO₂ + 0,5O₂ ® SO₃. Молярные массы, г/моль или кг/кмоль: SO₂ – 64; O₂ – 32; SO₃ – 80, и это же уравнение с «массовыми» стехиометрическими коэффициентами будет иметь вид 64SO₂ + 16O₂ ® 80SO₃. В такой записи очевиден материальный баланс: суммарная масса исходных веществ равна массе продукта.

Рассмотрим пример: в производстве азотной кислоты определить количество HNO₃, образующейся из 1 т аммиака. В химико-технологическом процессе протекают следующие реакции:

- окисление аммиака

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂О (26)

(принимаем, что NH₃ полностью окисляется до NO);

- окисление оксида азота

2NO + O₂ = 2NO₂; (27)

- хемосорбция диоксида азота

3NO₂ + Н₂О = 2HNO₃ + NO. (28)

В абсорбционную колонну подается кислород, и образующийся оксид азота повторно окисляется до NO₂ по реакции (27).

Таким образом, образование азотной кислоты представлено стехиометрическими уравнениями (26-28). Умножим первое из них на 1, второе – на 3, третье – на 2 и сложим их. Получим суммарное стехиометрическое уравнение (брутто-уравнение)

NH₃ + 2O₂ = HNO₃ + H₂О. (29)

Конечно, такая реакция не известна. Но стехиометрическое уравнение показывает, в каких соотношениях реагенты вступают во взаимодействие друг с другом, и этому определению отвечает уравнение (29). Умножим стехиометрические коэффициенты в (29) на мольные массы соответствующих компонентов (г/моль или кг/кмоль) (NH₃ – 17; O₂ – 32; HNO₃ – 63; Н₂О – 18) и получим

17NH₃ + 64O₂ = 63HNO₃ + 18H₂О. (30)

Из уравнения (30) видно, что для производства 63 кг азотной кислоты надо затратить 17 кг аммиака, а на 1 т (1 000 кг) азотной кислоты пойдет 17 × 1000 / 63 = 270 кг NH₃.

Удобство записи суммарного стехиометрического уравнения очевидно.