6.1.1 Výpočet rovnovážného složení z hodnoty rovnovážné konstanty

Acetylen reaguje s benzenem za vzniku styrenu podle rovnice

displaymath

Rovnovážná konstanta této reakce v plynné fázi má při teplotě 1040 K hodnotu 4,457 pro standardní stav = 101,325 kPa. Vypočítejte složení rovnovážné směsi za atmosférického tlaku:
1. při ekvimolárním nástřiku výchozích složek,
2. při 100% ním přebytku acetylenu,
3. obsahuje-li vstupní směs 35 mol.% acetylenu, 40 mol.% benzenu, 25 mol.% styrenu.

Výsledek

1. xstyren = 40,04 mol.%, xbenzen = xacetylen= 29,98 mol.% .
2. xstyren = 31,28 mol.%, xbenzen = 12,48 mol.%, xacetylen = 56,24 mol.% .
3. xstyren = 39,90 mol.%, xbenzen = 32,85 mol.%, xacetylen = 27,25 mol.% .

Postup

Použijeme rovnici (f° = 101,3 kPa)

displaymath

ve které vyjádříme rovnovážná látková množství benzenu, acetylenu a styrenu pomocí vstupního látkového množství těchto reakčních komponent a rozsahu reakce ξ

displaymath

kde νi je stechiometrický koeficient složky i.

Řešení

Při volbě standardního stavu = 101,325 kPa a pro ideální chování systému má v daném případě rovnovážná konstanta tvar

displaymath

Celkový tlak je roven fugacitě plynů ve standardním stavu .

1. Ekvimolární nástřik
Za základ výpočtu vezmeme 1 mol benzenu. Látkovou bilanci uspořádáme do tabulky:

displaymath

Po dosazení má rovnice pro rovnovážnou konstantu tvar

displaymath

Po úpravě dostaneme kvadratickou rovnici

displaymath

a jejím řešením rozsah reakce ξ = 0,5719 molu. (Druhý kořen rovnice ξ2 = 1,4281 nemá fyzikální význam.) Rovnovážné složení můžeme vyjádřit molárními procenty jednotlivých složek. Pro styren platí

displaymath

Analogicky pro obsah acetylenu a benzenu:

displaymath

2. Přebytek acetylenu
Ve výchozí směsi je relativně méně benzenu, a proto zvolíme jako klíčovou složku benzen. Při látkové bilanci musíme vzít v úvahu, že v nástřiku je dvojnásobné množství acetylenu, ale obou látek se při reakci spotřebuje stejné množství (podle stechiometrie reakce). Látková bilance je uvedena v tabulce:

displaymath

Po dosazení má rovnice pro rovnovážnou konstantu tvar

displaymath

Její úpravou získáme kvadratickou rovnici pro rozsah reakce

displaymath

která má řešení ξ = 0,7148 molu. Složení rovnovážné směsi vypočítáme stejně, jako v předcházejícím případě:

displaymath

Z výsledků vyplývá, že přebytek jedné z výchozích složek způsobí vyšší přeměnu druhé výchozí složky. Molární zlomek produktu v rovnovážné směsi je však nižší, protože je směs ředěna nadbytečným acetylenem.

3. Obecný nástřik

Protože výchozí směs obsahuje i produkt, musíme tuto skutečnost zahrnout do látkové bilance. Jako základ výpočtu zvolíme 1 mol výchozí směsi, která obsahuje 0,35 molu acetylenu, 0,4 molu benzenu a 0,25 molu styrenu. Pro látkovou bilanci proto platí následující tabulka:

displaymath

Výraz pro rovnovážnou konstantu má tvar

displaymath

Po úpravě získáme kvadratickou rovnici

displaymath

z níž vypočítáme rozsah reakce ξ = 0,1064 molu. Složení rovnovážné směsi vypočteme stejně jako v předcházejících případech

displaymath

Z výsledku vyplývá, že přítomnost produktu ve výchozí směsi způsobí snížení rozsahu reakce ("posune rovnováhu doleva").