PROCESE TEHNOLOGICE ȘI PROTECȚIA MEDIULUI Lector dr. Adriana Urdă, 2014-2015

1.Tipuri de procese tehnologice; poluarea în procesele chimice; efectele poluării;

indicatori de eficiență în procesele chimice; bilanțul de materiale; bilanțul energetic.

Bibliografia generală a cursului: 1. Emilian A. Bratu – Operaţii unitare în ingineria chimică, vol. I – III, Editura Tehnică,

Bucureşti, 1984 – 1985

2. A. Urdă, E. Angelescu, I. Săndulescu – Chimie Tehnologică Generală, partea I, Editura

Universităţii din Bucureşti, 2002 (reeditat 2005)

3. A. Urdă – Procese catalitice în protecţia mediului, Editura Universităţii din Bucureşti,

2005

4. G. C. Suciu – Ingineria prelucrării hidrocarburilor, vol 4, Editura Tehnică, Bucureşti,

1993

Obiective generale ale cursului Cursul are ca obiective principale: studiul unor operații unitare din chimia

tehnologică, studiul unor procese chimice din industria chimică anorganică, de prelucrare a

petrolului și organică. Vor fi studiate principiile care stau la baza realizării proceselor chimice

și metodele moderne de minimizare a emisiilor poluante pentru fiecare proces studiat.

Obiectivele primului curs Primul curs are ca obiective:

- înțelegerea noțiunilor de mărime fizică și unitate de măsură (utilizate pentru

măsurarea parametrilor importanți în procesele chimice) și transformări între diverse unități

de măsură;

- clasificarea proceselor tehnologice în funcție de reacțiile care se desfășoară, criterii

termodinamice, hidrodinamice și de realizare practică;

- discuții privind poluarea în procesele chimice, efectele poluării – în procesele

chimice pot să apară compuși poluanți ai atmosferei, apelor sau solului; este important să îi

recunoaștem și să știm efectele pe care le produc asupra mediului;

- definirea și utilizarea indicatorilor de eficiență în procesele chimice –conversie,

selectivitate și randament;

- definirea și înțelegerea bilanțului de materiale și a bilanțului energetic – sunt

importante pentru determinarea consumului de materii prime, randamentului de produse

finite, consumului de energie; se pot realiza pentru întregul proces sau pentru fiecare etapă a

procesului.

Cuprins 1. Mărimi și unități de măsură

2. Tipuri de procese tehnologice

3. Poluarea în procesele chimice

4. Indicatori de eficiență în procesele chimice

5. Bilanțul de materiale (legea conservării masei)

6. Bilanțul energetic (legea conservării energiei)

2

1. Mărimi şi unităţi de măsură [1] Mărimea: proprietate calitativă şi cantitativă a unei mulţimi de obiecte, fenomene

etc., care pot fi ordonate într-un şir, cu ajutorul unui criteriu de comparaţie.

Exprimarea calitativă şi cantitativă completă:

- natura mărimii – de ex. lungime, temperatură etc.;

- valoarea mărimii;

- unitatea de măsură (valoarea aleasă ca bază de comparaţie);

- precizia utilă a măsurării;

- metoda de măsurare (pentru obţinerea preciziei necesare);

- instrumentul de măsurare (corespunzător metodei adoptate).

Unele mărimi nu sunt măsurabile (nu sunt suficient definite sau nu există unitate de

măsură - ex. mirosul, gradul de inteligenţă etc.) .

România este membră a "Convenţiei Metrului“ din 1883, iar Sistemul Internaţional de

unităţi de măsură (S.I.) este obligatoriu în România din 1961.

S.I. se bazează pe șapte mărimi şi unităţi de măsură fundamentale; restul de mărimi

şi unităţi de măsură folosite sunt derivate din cele fundamentale:

Mărime fundamentală Unitate de măsură Simbol

Lungime metru m

Masă kilogram kg

Timp secundă s

Temperatură kelvin K

Cantitate de substanţă mol mol

Intensitate curent electric amper A

Intensitate luminoasă candelă cd

Reguli privind mărimile și unitățile lor de măsură:

Unităţile care poartă numele unor mari fizicieni (Newton, Joule, Watt, Ampere etc.)

se scriu cu litere mici (newton, joule, watt, amper), iar simbolurile cu litere mari (N,

J, W, A);

Mărimile derivate se obțin din cele fundamentale: ex. viteza = lungime / timp;

Unitatea de măsură pentru mărimile derivate este tot derivată: m/s;

Pentru valori mai mari sau mai mici se folosesc prefixe;

Nu se folosesc mai multe prefixe consecutive (ex.: micromilimetru, 10-6

milimetru, ci

nanometru).

Multipli Submultipli

deca (da) 10 deci (d) 10-1

hecto (h) 102 centi (c) 10

-2

kilo (k) 103 mili (m) 10

-3

mega (M) 106 micro (μ) 10

-6

giga (G) 109 nano (n) 10

-9

tera (T) 1012

pico (p) 10-12

peta (P) 1015

femto (f) 10-15

exa (E) 1018

atto (a) 10-18

3

Problemă rezolvată Să se determine unitățile de măsură pentru constantele a, b și R din ecuația van der

Waals:

𝒑 +𝒂

𝑽𝟐 ∙ 𝑽 − 𝒃 = 𝑹𝑻 sau 𝒑𝑽𝟑 − 𝒑𝒃𝑽𝟐 + 𝒂𝑽 − 𝒂𝒃 − 𝑹𝑻𝑽𝟐 = 𝟎

Rezolvare: fiecare termen al ecuației trebuie să aibă în S.I. dimensiunile (unitățile de

măsură) corespunzătoare produsului de mărimi:

𝑷𝒓𝒆𝒔𝒊𝒖𝒏𝒆 ∙ 𝑽𝒐𝒍𝒖𝒎

𝒎𝒐𝒍 𝟑

adică 𝑵

𝒎𝟐∙

𝒎𝟑

𝒎𝒐𝒍 𝟑

𝟏 𝑵 = 𝟏 𝒌𝒈 ∙𝒎

𝒔𝟐, deci obținem pentru ecuația de mai sus: 𝒌𝒈∙𝒎

𝒎𝟐∙𝒔𝟐∙

𝒎𝟗

𝒎𝒐𝒍𝟑=

𝒌𝒈∙𝒎𝟖

𝒔𝟐∙𝒎𝒐𝒍𝟑

Dimensiunile constantei a se obțin din termenul aV, împărțind dimensiunile obținute

mai sus la dimensiunile volumului molar:

𝒌𝒈 ∙ 𝒎𝟖

𝒔𝟐 ∙ 𝒎𝒐𝒍𝟑

𝒎𝟑

𝒎𝒐𝒍 =

𝒌𝒈 ∙ 𝒎𝟓

𝒔𝟐 ∙ 𝒎𝒐𝒍𝟐

Dimensiunile constantei b se obțin fie din termenul al doilea:

𝒌𝒈∙𝒎𝟖

𝒔𝟐∙𝒎𝒐𝒍𝟑∕

𝒌𝒈∙𝒎

𝒔𝟐∙𝒎𝟐 ∙ 𝒎𝟑

𝒎𝒐𝒍 =

𝒎𝟑

𝒎𝒐𝒍

fie din termenul al patrulea:

𝒌𝒈 ∙ 𝒎𝟖

𝒔𝟐 ∙ 𝒎𝒐𝒍𝟑

𝒌𝒈 ∙ 𝒎𝟓

𝒔𝟐 ∙ 𝒎𝒐𝒍𝟐 =

𝒎𝟑

𝒎𝒐𝒍

deci are dimensiuni de volum volar.

Dimensiunile constantei R se obțin din ultimul termen:

𝒌𝒈 ∙ 𝒎𝟖

𝒔𝟐 ∙ 𝒎𝒐𝒍𝟑 𝑲 ∙

𝒎𝟑

𝒎𝒐𝒍

𝟐

=𝒌𝒈 ∙ 𝒎𝟐

𝒔𝟐 ∙ 𝒎𝒐𝒍 ∙ 𝑲

2. Tipuri de procese tehnologice [4] În industria chimică, orice fabricaţie se realizează printr-un proces sau flux

tehnologic, reprezentând o succesiune logică de etape prin care materiile prime sunt

prelucrate şi transformate în produse.

Procesele tehnologice pot fi clasificate, în funcție de diverse criterii, în mai multe

categorii.

1. După tipul reacţiilor chimice:

simple: A B

complexe:

o paralele A B

C

o consecutive: A B C

2. După natura reacţiilor chimice:

redox (homolitice – ruperea simetrică a legăturii, formare de radicali);

acido-bazice (heterolitice - ruperea asimetrică a legăturii, formare de

ioni).

4

3. După sensul de deplasare:

reversibile: A B

ireversibile: A B

4. După faza în care se află reactanţii:

omogene (reactanţii se află în aceeaşi fază – gaz, lichid);

eterogene (două sau mai multe faze: g-l; g-s; l-l; l-s; s-s).

5. După modul de realizare în timp (regimul de funcționare):

periodice (discontinue): se desfăşoară în şarje; condiţiile de reacţie (p,

T etc.) se modifică în timp;

continue: materiile prime şi produşii circulă în mod continuu; condiţii

de reacţie constante în timp; mai avantajoase;

procese combinate: unele etape decurg continuu, altele periodic.

6. După regimul hidrodinamic (de curgere):

cu amestecare completă: agitare intensă, reactanţii se amestecă cu

produşii de reacţie (procesul se desfășoară în vase de tip autoclavă cu

amestecare continuă);

cu curgere ideală: reactanţii nu se amestecă cu produşii, concentraţia

produşilor creşte treptat în direcţia curgerii curentului de reactant.

Reactor cu amestecare

Reactor cu curgere

Fig. 1. Tipuri de reactoare chimice (și de procese chimice) în funcție de regimul de curgere.

7. După regimul termic:

procese izoterme: temperatura constantă în întreg reactorul;

procese adiabate: sistemul nu face schimb de căldură cu exteriorul;

procese politerme: temperatura se schimbă neuniform de-a lungul

reactorului (este parţial îndepărtată sau cedată).

8. După natura termică (influenţează echilibrul chimic):

procese exoterme (în proces rezultă căldură);

procese endoterme (în proces se consumă căldură).

9. După direcţia de curgere a reactanţilor (în procese eterogene):

procese în echicurent (reactanții circulă în același sens în reactor)

procese în contracurent (reactanții circulă în sensuri opuse în reactor);

procese în curent încrucişat (unii dintre reactanți circulă intr-o direcție

(de ex. pe orizontală), iar alții în altă direcție (de ex. pe verticală).

Reactanți

Reactanți

Produși

Produși

5

Circulație în echicurent

Circulație in contracurent

Circulație în curent încrucișat

Fig. 2. Tipuri de procese în funcție de direcția de curgere a reactanților.

10. După existența recirculării:

procese aciclice (cu ciclu deschis): sunt procese în care substanțele trec

prin instalație o singură dată, după care sunt evacuate (reactanții

netransformați nu sunt recirculați în proces). Exemplu: instalația de

obținere a HNO3 diluat:

Fig. 3. Instalația de obținere a acidului azotic diluat.

procese cu recirculare (cu ciclu închis): procese in care o parte din

fluxul de materii prime introduse (mai precis, reactanții netransformați)

este recirculat pentru mărirea conversiei. Exemplu: instalația de

obținere a amoniacului:

Fig. 4. Instalația de obținere a amoniacului.

3. Poluarea in procesele chimice [5] În procesele chimice poluarea apare datorită eliminării (accidentale sau nu) a unor

compuși chimici dăunători. Eliminarea acestor compuși poate produce poluarea aerului (cel

mai frecvent), a apelor sau a solului.

Poluarea reprezintă prezenţa (în aer, apă sau sol) a unor substanţe străine în

concentraţii suficient de ridicate pentru a produce efecte nedorite.

3. 1. Poluarea atmosferei se poate produce:

o cu poluanţi gazoşi (CO2, NOx, SOx, H2S etc.)

o cu poluanţi lichizi (hidrocarburi, solvenţi etc.)

6

o cu poluanţi solizi (pulberi)

Fig. 4. Împărțirea atmosferei în zone, pe verticală.

Atmosfera terestră reprezintă stratul de aer care înconjoară planeta, fără o limită

superioară precisă, care constituie o componentă fundamentală pentru viaţa pe Pământ. În

acest strat aerul ocupă circa 96% din volum, restul de 4% revenind apei în stare de vapori.

Atmosfera este caracterizată de lipsa omogenităţii atât din punct de vedere al caracteristicilor

fizice, cât şi al celor chimice. Atmosfera constă din câteva zone, care se extind pe verticală

dinspre suprafaţa Pământului spre spatiul exterior: troposfera (0-11 km), stratosfera (11-50

km), mezosfera (50-85 km), termosfera (85-500 km) şi exosfera (peste 500 km). Zona care

influenţează vremea şi clima, şi în care sunt emişi şi dispersaţi cei mai mulţi dintre poluanţi,

este troposfera. Următorul strat, stratosfera, este relativ izolat de troposferă deoarece

transferul vertical dintre aceste două zone este foarte lent. În stratosferă se găseşte stratul de

ozon (la o înălţime de 20-40 km), care protejează Pământul de radiaţia ultravioletă provenită

de la Soare.

3.1.1. Poluarea atmosferei cu poluanți gazoși

Principalii poluanţi gazoşi ai atmosferei care provin din procese industriale sunt:

- CO2 – Dioxidul de carbon este unul dintre componenţii atmosferei, dar este

considerat a fi poluant datorită creşterii concentraţiilor sale peste valorile medii normale, iar

aceste creşteri provin în cea mai mare parte din arderea combustibililor fosili. Valoarea

maximă normală a concentraţiei sale in aer este de 0,036 % vol, dar valorile sunt în creştere,

ceea ce duce la manifestarea efectului de seră.

7

Fig. 5. Concentrația CO2 în atmosferă (co2now.org, februarie 2015).

- CO – Monoxidul de carbon este prezent în gazele de ardere incompletă a

combustibililor fosili, în gazele de cocserie, gazele de eşapament. Este deosebit de toxic,

blochează hemoglobina şi, în acest fel, transportul oxigenului în sânge prin formarea

carboxihemoglobinei (hemoglobina are o afinitate pentru CO de 200 de ori mai mare decât

pentru oxigen).

- NOx – Oxizii de azot (mai ales NO, cu o concentraţie mică de NO2) provin din

arderea combustibililor fosili, din traficul auto, fabricarea acidului azotic şi a îngrăşămintelor

cu azot. Sunt toxici, în special NO2, care provoacă probleme respiratorii, iar în concentraţii

mari asfixie prin distrugerea alveolelor pulmonare. Produc, de asemenea, apariţia smogului

fotochimic, participă la distrugerea stratului de ozon şi determină în mare măsură căderea

ploilor acide.

- SO2 – Poluarea cu dioxid de sulf apare datorită arderii combustibililor cu sulf,

metalurgiei neferoase şi industriei chimice. Este un iritant puternic. Concentraţii mari pot

cauza probleme ale sistemului respirator. La concentraţii foarte mari apare asfixie mortală sau

bronhopneumonie chimică, care poate fi fatală după câteva zile.

- H2S – Hidrogenul sulfurat provine de la rafinăriile de petrol şi din procesele de

cocsificare a cărbunelui. Este extrem de toxic, iar efectele nocive sunt mai pronunţate la om

decât la alte vieţuitoare. Afectează sistemele nervos, cardiovascular, gastrointestinal şi ocular,

fiind susceptibil de a fi considerat otravă cumulativă.

- Hidrocarburi gazoase – Poluarea cu hidrocarburi provine de la scăpările din

instalaţiile de extracţie şi prelucrare a ţiţeiului şi din arderea incompletă a combustibililor în

motoarele cu ardere internă. Cele mai multe hidrocarburi gazoase au o toxicitate redusă.

Metanul şi etanul sunt asfixianţi simpli, în timp ce omologii superiori au acţiune asupra

sistemului nervos central. Olefinele, diolefinele şi acetilenele inferioare sunt atât asfixianţi cât

şi anestetice, iar efectele ulterioare ale inhalării cresc cu lungimea catenei de carbon.

- Halogeni – Toși sunt nocivi, dar mult mai nociv decât clorul este fluorul, prezent în

atmosfera din vecinătatea fabricilor de aluminiu şi superfosfaţi. Fluorul gazos este extrem de

8

coroziv şi iritant pentru ochi. Inhalarea, chiar la concentraţii extrem de scăzute, irită sistemul

respirator.

- CFC – Clorofluorocarburile au fost sintetizate în 1928 şi considerate iniţial ca total

netoxice. Au fost utilizați ca agenţi frigorifici, pentru obţinerea polistirenului expandat, a

spumelor poliuretanice etc. Gradul mare de persistenţă în atmosferă a dus la creşterea

continuă a concentraţiei CFC în aer. Implicarea lor în mecanismul distrugerii stratului de

ozon din stratosferă a impus luarea unor măsuri drastice, cum ar fi cele impuse de Protocolul

privind substanţele care atacă stratul de ozon (Montreal, Canada) din 1987, vizând reducerea

cu 50 % a CFC în anii următori adoptării Protocolului şi interzicerea completă a fabricării şi

utilizării lor (din 1996 în S.U.A. şi 1997 în Uniunea Europeană). Dacă în structura

moleculelor de CFC sunt introduşi atomi de hidrogen pentru a micşora conţinutul de clor,

hidroclorofluoro-carbura (HCFC) rezultată este mai uşor degradabilă în straturile inferioare

ale atmosferei, înainte de a intra în stratosferă. HCFC cu doi atomi de carbon sunt înlocuitorii

cei mai folosiţi pentru CFC, dar pe măsură ce creşte conţinutul de hidrogen creşte şi

inflamabilitatea, ceea ce limitează unele dintre aplicaţiile HCFC. Aceşti compuşi sunt

programaţi să fie înlocuiţi până în anii 2020 – 2030 (în funcţie de compus), deoarece au

influență negativă asupra stratului de ozon din stratosferă.

3.1.2. Poluarea atmosferei cu poluanți lichizi

Acest tip de poluare a atmosferei este mai redus ca intensitate și se datorează în

principal folosirii solvenţilor organici, a insecticidelor şi pesticidelor în agricultură ca

dispersii.

- Hidrocarburile lichide utilizate ca solvenţi au efecte diferite în funcţie de natura

lor. Alcanii lichizi îndepărtează grăsimea de pe suprafaţa de piele expusă şi produc iritații și

îmbolnăviri. În general, însă, alcanii sunt cei mai puţin toxici dintre hidrocarburi. Dintre

cicloalcani, cei nesaturaţi sunt mai toxici decât cei saturaţi, iar inhalarea vaporilor produce

iritaţii. Aromatele sunt cele mai toxice dintre hidrocarburi, iar inhalarea vaporilor lor conduce

la intoxicaţii acute. Aromatele policiclice nu sunt suficient de volatile pentru a fi periculoase

prin inhalare (cu excepţia celor rezultate din piroliza tutunului), dar se cunoaşte că anumite

produse industriale bogate în aceste hidrocarburi, cum este de exemplu gudronul de cărbune,

produc cancer prin contact repetat timp îndelungat cu pielea.

- Solvenţii cloruraţi – utilizarea lor a fost limitată sau interzisă pe plan mondial ca

urmare a inluenței lor negative asupra stratului de ozon stratosferic. În această categorie se

găsesc tetraclorura de carbon, cloroformul, tricloretilena, tricloretanul, percloretilena

(utilizată în curăţarea uscată a hainelor). Clorura de metilen este suspectată de a fi agent

cancerigen.

3.1.3. Poluarea atmosferei cu poluanți solizi

În atmosferă, poluanţii lichizi sau solizi suferă modificări:suprafaţa şi volumul ocupat

cresc de câteva ori, ceea ce conduce la o creștere importantă a activității chimice, iar

particulele fine au o stabilitate foarte mare, deci creşte gradul de poluare prin acumulare în

timp.

Poluanţii în stare solidă provin din activităţi industriale şi din traficul auto, şi se

prezintă sub formă de funingine, pulberi industriale şi aerosoli. Au fost introduși termenii de

PM10 și PM2,5 (de la particulate matter - în limba engleză), ce desemnează particulele în

suspensie cu un diametru de sub 10 μm, respectiv 2,5 μm. Valorile au fost alese deoarece

peste 50% din aceste particule se depun în căile respiratorii sub laringe în timpul respiraţiei.

- Funinginea provine din arderea incompletă a combustibililor solizi şi din utilizarea

carburanţilor.

- Negrul de fum provine din întreprinderile producătoare şi din industria cauciucului,

cernelurilor tipografice etc.

9

- Pulberile industriale – de foarte multe tipuri, ex. pulberi metalurgice sau din

industria cimentului.

- Aerosolii (suspensii coloidale ale unor particule foarte fine de solid sau a unor

picături foarte fine de lichid, într-un gaz) - provin în special din metalurgia neferoasă, din

faza de obţinere, dar şi din cea de utilizare. Cei mai toxici sunt consideraţi cei de plumb şi

mercur.

3.2. Poluarea apelor Poluarea apelor reprezintă o alterare a calităţilor fizice, chimice sau biologice ale apei,

alterare produsă direct sau indirect de o activitate umană, în urma căreia apele devin

improprii pentru folosirea normală.

Din punct de vedere al persistenţei în apă, poluanţii pot fi clasificaţi astfel:

o poluanţi biodegradabili, care pot fi metabolizaţi şi neutralizaţi de fauna şi

flora acvatică;

o poluanţi nebiodegradabili, care se menţin ca atare în ape şi se acumulează

în timp.

Poluanţii biodegradabili tipici sunt cei biologici (de exemplu, dejecţiile anumalelor

din crescătorii). Caracterul biodegradabil nu presupune, însă, existenţa lor în ape în cantităţi

oricât de mari. Degradarea lor se face prin intermediul unor procese de oxidare, deci prin

consum de oxigen. Atât timp cât concentraţia poluanţilor biodegradabili este sub un anumit

prag, ei sunt uşor oxidaţi şi apa se autopurifică. Dincolo de acest prag, însă, necesarul de

oxigen depăşeşte disponibilul din apă, iar lipsa de oxigen duce la dispariţia florei şi faunei

acvatice.

Cantitatea de poluanţi biodegradabili se măsoară prin intermediul unei mărimi numite

“consum biologic de oxigen la 5 zile” (CBO5), această perioadă fiind necesară pentru

degradarea poluanţilor. Cu cât valoarea CBO5 pentru o apă este mai mică, cu atât aceasta este

mai curată. Un alt indicator al poluării apei cu compuși organici este CCO (consumul chimic

de oxigen).

Poluanţii nebiodegradabili sunt, în general, săruri ale metalelor grele (substanţe

anorganice), insecticide, detergenţi (substanţe organice), substanţe petroliere sau radioactive.

Posibilitatea diluării cu cantităţi mari de apă este nepractică, deoarece în cazul unor substanţe

toxice de tipul ionilor de mercur sau de fosfor radioactiv, chiar dacă prin diluare se ajunge la

concentraţii mai mici decât cele maxim admise, aceste substanţe se acumulează în organisme

devenind toxice.

3.3. Poluarea solului Solul reprezintă, la ora actuală, principalul factor de care depinde producţia de hrană a

omenirii. La suprafaţa sa s-a format, pe parcursul timpului, un strat de humus care constituie,

de fapt, stratul fertil al solului.

Degradarea solului constă în pierderea, mai ales prin eroziune, a stratului de humus.

Poluarea solului constă mai ales în schimbarea compoziţiei sale, calitative şi cantitative, care

afectează evoluţia normală a vieţuitoarelor. Ambele procese sunt extrem de grave, deoarece

formarea humusului este un proces foarte lent, în timp ce distrugerea sa poate avea loc foarte

rapid. Poluarea solului se poate produce:

o cu poluanţi din atmosferă sau ape, prin depunere

o cu produse petroliere, pesticide etc.

La ora actuală nu există procedee eficiente de depoluare a solului, majoritatea

proceselor recomandând îndepărtarea stratului de sol poluat și depozitarea lui sau arderea, în

cazul în care poluantul arde și poate fi distrus în acest mod.

4. Indicatori de eficiență în procesele chimice [4]

10

Eficiența proceselor chimice se măsoară prin trei indicatori principali: conversia

materiei prime, selectivitatea pentru un anumit produs de reacție și randamentul în produsul

de reacție urmărit (produsul principal).

Conversia materiei prime se calculează astfel:

𝐶 =𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑡𝑎𝑡𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑒 𝑝𝑟𝑖𝑚ă 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑡ă

𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑡𝑎𝑡𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑒 𝑝𝑟𝑖𝑚ă 𝑖𝑛𝑡𝑟𝑜𝑑𝑢𝑠ă î𝑛 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠∗ 100 (%)

Selectivitatea pentru un anumit produs de reacție se calculează astfel:

𝑆 =𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑡𝑎𝑡𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑒 𝑝𝑟𝑖𝑚ă 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑡ă î𝑛 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑠𝑢𝑙 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙

𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑡𝑎𝑡𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑒 𝑝𝑟𝑖𝑚ă 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑡ă î𝑛 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠∗ 100 (%)

Randamentul pentru produsul principal de reacție se calculează astfel:

𝑅 =𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑡𝑎𝑡𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑠 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙 𝑜𝑏ț𝑖𝑛𝑢𝑡ă

𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑡𝑎𝑡𝑒𝑎 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑒𝑡𝑖𝑐ă 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑠 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙 𝑐𝑒 𝑝𝑜𝑎𝑡𝑒 𝑓𝑖 𝑜𝑏ț𝑖𝑛𝑢𝑡 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙ă∗ 100 (%)

Problemă rezolvată Într-un cuptor se supune arderii un amestec de metan (50 moli/min) și aer. Produsele

de reacție conțin: metan netransformat = 1,5 moli/min; CO2 = 38 moli/min; CO = 10

moli/min. Să se determine conversia metanului în procesul de ardere, selectivitatea pentru

CO2 și randamentul în CO2.

Rezolvare: se scriu reacțiile de transformare a metanului în proces:

CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O, respectiv: CH4 + 3/2 O2 → CO + 2 H2O

Conversia CH4 va fi: 𝑪𝑪𝑯𝟒=

50−1,5

50∙ 100 = 𝟗𝟕, 𝟎%

Ținând cont de faptul că un mol de CO2 se formează dintr-un mol de metan,

selectivitatea pentru CO2 va fi:

𝑺𝑪𝑶𝟐=

38

48,5∙ 100 = 𝟕𝟖, 𝟒%

Randamentul în CO2 va fi: 𝑹𝑪𝑶𝟐=

38

50= 𝟕𝟔, 𝟎%

5. Bilanțul de materiale (legea conservării masei) [2,3]

La determinarea consumului de materii prime sau a randamentului pentru produsele

finite trebuie efectuate în prealabil calcule de bilanț de materiale, bazate pe legea conservării

masei și pe raporturile stoechiometrice (exprimate prin formule și ecuații chimice):

materiale intrate + materiale existente = materiale ieşite + materiale rămase

în care toți termenii ecuației reprezintă cantități sau debite de masă. Diferența:

Acumulare (A) = materiale intrate – materiale ieşite =

materiale rămase – materiale existente

În procesele continue acumularea este nulă (egală cu 0), și bilanțul de materiale se

reduce la:

mi = me

11

unde mi = masa materialelor intrate, iar me = masa materialelor ieşite.

În practică există întotdeauna pierderi de materiale, și masa produselor obținute este

întotdeauna mai mică decât masa materiilor prime intrate, deci:

mi = me + mp

unde mp = masa pierderilor.

Bilanțul de materiale poate fi general (realizat pentru întreaga instalație și toate

materialele prezente) sau parțial (pentru întreaga instalație și un singur material, pentru o

parte din instalație și toate materialele etc.).

Problemă rezolvată Calculați debitul (în kg/min) și compoziția efluentului (fluxul de ieșire) din

amestecătorul figurat mai jos:

70% (masă) apă 90% (masă) apă

30% (masă) NaCl 10% (masă) NaCl

10 kg/min 1 kg/min

Rezolvare: pentru calcului debitului de efluent realizăm bilanțul de materiale general,

pe întregul sistem:

Materiale intrate = materiale ieșite

adică: 10 kg/min + 1 kg/min = 11 kg/min

Pentru calculul compoziției vom face bilanțul parțial, pentru NaCl, pe întregul sistem:

0,30 ∙ 10 (kg/min) + 0,1 ∙ 1 (kg/min) = 3,1 kg/min

Dacă 11 kg/min reprezintă 100%, atunci 3,1 kg/min vor reprezenta 28.18% (NaCl),

iar apa restul (11-3,1 = 7,9 kg/min, deci 71.82%).

6. Bilanțul energetic (legea conservării energiei) [4] Bilanțul energetic se bazează pe legea conservării energiei, după care într-un sistem

închis suma tuturor formelor de energie este constantă.

Bilanţul termic se determină pe baza bilanţului de materiale, utilizând efectele

calorice ale reacţiilor chimice şi ale transformărilor fizice care au loc în aparate şi ţinând cont

de căldura introdusă şi ieşită cu produşii de reacţie sau prin pereţii aparatelor. Ecuaţia

bilanţului termic este de forma:

'''''' erfglsirfgls QQQQQQQQQQQQ

în care: Qs, Ql, Qg sunt căldurile introduse cu reactanții solizi, lichizi şi gazoși;

Qs', Ql', Qg' sunt căldurile evacuate cu produsele de reacție solide, lichide sau gazoase;

Qf şi Qf' sunt căldurile proceselor fizice însoţite de degajare, respectiv absorbţie de

căldură;

Qr şi Qr' sunt căldurile reacţiilor exoterme şi respectiv endoterme;

Qi este căldura furnizată utilajului dintr-o sursă externă;

Qe este căldura pierdută în atmosferă şi utilaje.

12

Valorile entalpiei (cantității de căldură) a materialelor Qs, Ql, Qg şi Qs',Ql', Qg' sunt

denumite adesea conţinut caloric. Entalpia este calculată în mod uzual separat pentru fiecare

din materialele care intră şi părăsesc instalaţia sau utilajul, utilizând ecuaţia:

tcmQ

adică produsul dintre masa materialului m, capacitatea sa calorică medie c şi temperatura t.

Căldura degajată, repectiv absorbită, în procesele fizice de transformare de fază

(căldura latentă de topire, condensare etc.) se calculează astfel:

𝑄 = 𝑚 ∙ 𝑟

în care r este căldura latentă corespunzătoare transformării de fază.

Căldura reacţiilor exoterme, Qr, principale sau secundare, se calculează pentru fiecare

reacţie, din ecuaţia reacţiei. De exemplu, pentru o reacţie exotermă de sinteză, de tipul:

A + B = D + Qr

căldura de reacţie dintre A şi B se calculează ca produsul dintre numărul de moli de D şi

efectul caloric al reacţiei, ΔHr.

În mod similar se calculează căldura consumată în reacţiile endoterme, Qr'.

Problemă rezolvată Calculați cantitatea de căldură necesară încălzirii a 10 kg de apă de la 20°C la 80°C,

cunocând capacitatea calorică medie a apei c = 4186,8 J/(kg ∙ grad).

Rezolvare:

Q = m ∙ c ∙ Δt = 10 ∙ 4186,8 ∙ (80-20) = 2,512 ∙106 J

Rezumatul cursului 1 Mărimile sunt de două feluri: fundamentale (lungime, masă, timp, temperatură,

cantitate de substanță, intensitatea curentului electric și intensitatea luminoasă) și derivate

(toate celelalte). Unitățile lor de măsură fac parte din aceleași două categorii. Pot fi folosiți

multipli sau submultipli ai unităților de măsură, pentru a evita utilizarea numerelor foarte

mari sau foarte mici.

Procesele chimice pot fi clasificate în funcție de criterii ce țin seama de reacțiile

implicate în proces (simple sau complexe, omogene sau eterogene, reversibile sau

ireversibile, redox sau acido-bazice), de regimul termic (exoterme sau endoterme,

izoterme sau adiabatice) sau hidrodinamic al procesului (cu amestecare perfectă sau

curgere tip piston), sau de realizarea lui practică (periodice sau continue, în echicurent sau

contracurent, cu sau fără recirculare).

Procesele chimice pot conduce la poluarea atmosferei (cu compuși gazoși, lichizi

sau solizi), a apelor (cu poluanți biodegradabili sau nebiodegradabili) sau a solului, cu efecte

negative asupra mediului ambiant.

Există trei indicatori ai eficienței proceselor chimice: conversia materiei prime,

selectivitatea pentru un anumit produs și randamentul pentru un produs principal.

Bilanțul de materiale este o exprimare a legii conservării masei, iar bilanțul

energetic exprimă legea conservării energiei. În procesele continue, acumularea de substanță

este nulă. Într-un sistem închis, suma tuturor formelor de energie este constantă.

Bibliografie Curs 1

13

1. Bratu E. A. – Operații unitare în ingineria Chimică, Vol.1, Editura Tehnică,

București, 1984, p. 31-59

2. Bratu E. A. – Operații unitare în ingineria Chimică, Vol.1, Editura Tehnică,

București, 1984, p. 60-106

3. Kasatkin A.G. – Procese și aparate principale în tehnologia chimică, Editura

Tehnică, 1953, p. 26-30

4. Urdă A. – Chimie Tehnologică Generală, Editura Universității din București,

2002, p. 22-24, p. 29-30

5. Urdă A. – Procese Catalitice în Protecția Mediului, Editura Universității din

București, 2005, p. 12-32, p. 153-162