Ισοζύγια Μάζας και Ενέργειας

Για όσους θέλουν να λύσουν ασκήσεις μαζί με τον κώδικα python, παραθέτω τις δύο ακόλουθες ασκήσεις, παρακαλώ η κανονική λύση να φαίνεται καθαρά, δε χρειάζεται να είναι σε word αρκεί να είναι ευανάγνωστη:

Άσκηση 1

Το οξείδιο του αιθυλενίου παράγεται από την καταλυτική οξείδωση του αιθυλενίου:

2C₂H₄ + O₂ ---> 2C₂H₄O

Μια ανεπιθύμητη ανταγωνιστική αντίδραση είναι η καύση του αιθυλενίου:

C₂H₄ + 3O₂ ---> 2CO₂ + 2H₂O

Η τροφοδοσία στον αντιδραστήρα (όχι η φρέσκια τροφοδοσία στη διεργασία) περιέχει 3 mol αιθυλενίου ανά mol οξυγόνου. Η μετατροπή του αιθυλενίου σε ένα μόνο πέρασμα είναι 20% και για κάθε 100 mol αιθυλενίου που καταναλώνονται στον αντιδραστήρα, 90 mol οξειδίου του αιθυλενίου προκύπτουν στα προϊόντα του αντιδραστήρα. Για το διαχωρισμό των προϊόντων χρησιμοποιείται μια διεργασία πολλαπλών μονάδων:

το αιθυλένιο και το οξυγόνο ανακυκλώνονται στον αντιδραστήρα, το οξείδιο του αιθυλενίου πωλείται ως προϊόν και το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό απορρίπτονται.

(α) Υποθέστε μια ποσότητα του ρεύματος τροφοδοσίας του αντιδραστήρα ως βάση υπολογισμού, σχεδιάστε και αποτυπώστε όλα τα δεδομένα στο διάγραμμα ροής, πραγματοποιήστε μια ανάλυση βαθμού ελευθερίας και γράψτε τις εξισώσεις που θα χρησιμοποιούσατε για να υπολογίσετε (i) τις μοριακές ροές αιθυλενίου και οξυγόνου στη νωπή τροφοδοσία, (ii) το ρυθμό παραγωγής οξειδίου του αιθυλενίου και (iii) τη συνολική μετατροπή του αιθυλενίου. Μην κάνετε υπολογισμούς.

(β) Υπολογίστε τις ποσότητες που προσδιορίζονται στο μέρος (α), χειροκίνητα και με κώδικα python.

(γ) Υπολογίστε τις μοριακές παροχές αιθυλενίου και οξυγόνου στη νωπή τροφοδοσία που απαιτούνται για την παραγωγή 1 τόνου ανά ώρα οξειδίου του αιθυλενίου, προσαρμόστε ανάλογα τον κώδικα σας στη Python ώστε να κάνει με ένα κώδικα τους υπολογισμούς για το β και γ.

Άσκηση 2

Το αιθάνιο χλωριώνεται σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας:

C₂H₆ + Cl₂ -----> C₂H₅Cl + HCl

Μέρος του μονοχλωροαιθανίου του προϊόντος χλωριώνεται περαιτέρω σε μια ανεπιθύμητη δευτερεύουσα αντίδραση:

C₂H₅Cl + Cl₂ -----> C₂H₄Cl₂ + HCl

1. Ας υποθέσουμε ότι ο κύριος στόχος σας είναι να μεγιστοποιήσετε την εκλεκτικότητα της παραγωγής μονοχλωροαιθανίου σε σχέση με την παραγωγή διχλωροαιθανίου. Θα σχεδιάζατε τον αντιδραστήρα για υψηλή ή χαμηλή μετατροπή αιθανίου; Εξηγήστε την απάντησή σας. ( Υπόδειξη: Εάν το περιεχόμενο του αντιδραστήρα παρέμενε στον αντιδραστήρα για αρκετό χρονικό διάστημα ώστε να καταναλωθεί το μεγαλύτερο μέρος του αιθανίου της τροφοδοσίας, ποιο θα ήταν πιθανότατα το κύριο συστατικό του προϊόντος); Ποια πρόσθετα στάδια επεξεργασίας θα πρέπει σχεδόν σίγουρα να πραγματοποιηθούν για να καταστεί η διεργασία οικονομικά ορθή;
2. Πάρτε ως βάση τα 100 mol C₂H₅Cl που παράγονται. Υποθέστε ότι η τροφοδοσία περιέχει μόνο αιθάνιο και χλώριοe και ότι όλο το χλώριο καταναλώνεται και πραγματοποιήστε μια ανάλυση βαθμού ελευθερίας με βάση τα ισοζύγια ατομικών ειδών.
3. Ο αντιδραστήρας έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να αποδίδει 15% μετατροπή του αιθανίου και εκλεκτικότητα 14 mol C₂H₅Cl/mol C₂H₄Cl₂, με αμελητέα ποσότητα χλωρίου στο αέριο προϊόν. Υπολογίστε την αναλογία τροφοδοσίας (mol Cl₂/mol C₂H₆) και την κλασματική απόδοση μονοχλωροαιθανίου.
4. Ας υποθέσουμε ότι ο αντιδραστήρας έχει κατασκευαστεί και τεθεί σε λειτουργία και η μετατροπή είναι μόνο 14%. Η χρωματογραφική ανάλυση δείχνει ότι δεν υπάρχει Cl₂ στο προϊόν αλλά υπάρχει ένα άλλο είδος με μοριακό βάρος μεγαλύτερο από αυτό του διχλωροαιθανίου. Προσφέρετε μια πιθανή εξήγηση για τα αποτελέσματα αυτά.