Окисление аммиака
Тольяттинский Государственный
Университет
Контрольная работа
По дисциплине:
«Общая химическая технология»
по теме:
«Окисление аммиака»
Тольятти 2009г.
Содержание
1.Задание
.Материальный баланс
.Количественный состав
.Тепловой эффект при 100°С
.1. Тепловой эффект при 300°С
. Физическое тепло реагентов
. Суммарная величина статей прихода тепла
. Температура в зоне реакции
.Физическое тепло продуктов
.Тепловой баланс
.Изменение свободной энергии системы
тепловой баланс
реакция окисление аммиак
1. Задание
Определить количественный состав продуктов, тепловой эффект реакции и
температуру в зоне реакции, изменение энергии Гиббса.
Представить материальный и тепловой балансы процесса.
4NH3 + 6NO → 5N2 + 6H2O
Схема движения материальных потоков:
Состав NO - содержащего газа: NO - 0,1%;Н2 - 25,9%;N2 - 74%.
Температура 300°С.
Конверсия NO - 90%.
NH3 содержит 1% влаги, подаётся с
избытком 1,08 при температуре 100°С.
Расчёт вести на 1т NO -
содержащего газа.
Выполнение расчетов по заданию 10го варианта
2. Материальный баланс процесса
1) приведенная мольная масса NO - содержащего газа:
М = (0,001×17)+(0,259×2)+(0,74×28) =
21,254
2) объем 1000 кг этого газа при нормальных условиях:
,254 кг - 22,4 м3
кг - V
V = 1053,
91 м3
) состав газа :
1053,91м3 - 100%
VNO - 0,1%
VNO= 1,0539 м3
nNO кмоль
mNO= 0,047×30 = 1,41 кг
VH2=
272,96 м3
nH2
кмоль
mH2=
12,19×2
= 24,37кг
VN2 = 779,9м3
кмоль
= 34,82×28 =
974,87 кг
4) количество конвертированного газа NO
1,0539×0,9
= 0,95 м3
) количество оставшегося NO
1,0539 - 0,95 = 0,1м3
nNO = 0,1/22,4 = 0,0047 кмоль
mNO = 0,0047×30 = 0,14кг
) теоретическая потребность в аммиаке
Потребность в аммиаке определятся на основании реакции химического
взаимодействия. На шесть объемов оксида азота необходимо четыре объема NH3, тогда на 0, 047 м3 NO теоретически необходимо
VNH31,4 м3
) с учетом избытка аммиака должно быть подано
,4×1,08
= 1,5м3
кмоль
= 0,067×17 = 1,15кг
) количество аммиака вступившего в реакцию
На окисление четырёх объёмов аммиака необходимо шесть объёмов NO. На окисление 0,95м3 NO необходимо
1,26м3
1,26/22,4 ×17= 0,96кг
) количество образовавшихся Н2О и NО
По уравнению реакции из шести объемов NО получается шесть объемов Н2О. Следовательно, в
данном случае получится 0, 95м3(6NО), и 0, 95 м3 (6H2O),
nH2O =
0,95/22,4 = 0,042кмоль
10) полученные данные сводятся в таблицу материального баланса
Приход
|
Расход
|
Вещество
|
кг
|
м3
|
кмоль
|
Вещество
|
кг
|
м3
|
кмоль
|
NH3
|
1,15
|
1,5
|
0,067
|
H2Ог
|
0,76
|
0,95
|
0,042
|
H2
|
24,37
|
272,96
|
12,19
|
H2
|
24,37
|
272,96
|
12,19
|
N2
|
974,87
|
779,9
|
34,82
|
N2
|
974,87
|
779,9
|
34,82
|
NO
|
1,41
|
1,0539
|
0,047
|
NO
|
0,46
|
0,368
|
0,022
|
ИТОГО:
|
1001,8
|
1055,4
|
47,124
|
NH3
|
0,96
|
1,26
|
0,05
|
|
|
|
|
ИТОГО:
|
1001,8
|
1055,4
|
47,124
|
3. Количественный состав продуктов
В условиях реакции все продукты получаются в газовой фазе. Состав газовых
смесей принято выражать в объемных процентах
,91 м3 - 100 %
,26м3 - х
х = 10,026 %
H2Ог - 10,026%об.
N2 - 82,31 %об.
NО -
3,88 %об.
NH3 - 13,29%об.
4.Тепловой эффект реакции при
стандартных условиях(20°С)
Тепловой эффект реакции определяется на основании закона Гесса.
) величины теплот образования веществ, принимающих участие в реакции.
DНобр.NH3 = -46,19 кДж/кмоль
DНобр.H2Ог = -241,84 кДж/кмоль
DНобр.NO =
90,37кДж/кмоль
2) DН293 = 4*(-46,19) +
6*90,37 +6*(-241,84) = -1094 кДж
Реакция экзотермическая. DН293= -1094кДж
4.1 Тепловой эффект реакции при
температуре в зоне реакции
Пересчет величины теплового эффекта реакции к конкретным условиям
проводится:
) пользуясь точными уравнениями температурной зависимости теплоемкостей;
2) при помощи теплосодержаний.
Проводим расчет при помощи значений теплосодержаний.
Допустим, в данном случае, температура в зоне реакции 3000С.
) нахождение значений теплосодержащих веществ по справочным данным
По справочным данным значения теплосодержаний веществ при 200С
и при 3000С следующие:
Вещества
|
DН, кДж/кмоль
|
|
1000C
|
3000C
|
NH3
|
3620
|
11800
|
N2
|
2870
|
8800
|
H2O
|
3320
|
10330
|
NO
|
2900
|
8860
|
2) изменение теплосодержания веществ, участвующих в реакции, при 3000С
по отношению к стандартному состоянию их (при 200С).
DНNH3 = 11800 - 3620*0,2= 11076 кДж/кмоль
DНNO = 8860 - 2900*0,2 = 8280 кДж/кмоль
DНN2 = 8800 - 2870*0,2 = 8226 кДж/кмоль
DНH2O = 10330 - 3320*0,2 = 9666 кДж/кмоль
3) теплосодержание начальных и конечных веществ при температуре 3000С
по отношению к стандартному
åDНн = 4*11076 + 6*8280 = 93984 кДж
åDНк = 5*8226 + 6*9666 = 99126 кДж
4) тепловой эффект реакции при 3000С
DН573 = DН293
- (åDНк
- åDНн)
DН573 = DН293
- (99126- 93984) = -1094 +5142 = 4048,4 кДж
Реакция эндотермическая.
DН573 = 4048,4кДж
5) тепловой эффект реакции при 3000С на 0,022 кмоль NО
DН573 = (4048,4 *0,022)/2 = 44,53 кДж
5. Физическое тепло реагентов
1) теплоемкость веществ по справочным данным
СNH3 = 33,2 кДж/кмоль*град
CN2
= 28,7 кДж/кмоль*град
СNO = 29,0 кДж/кмоль*град
2) физическое тепло компонентов материального потока на входе в аппарат:
QФ = n*c*t
QфNH3 = 0,067*39,4*100 = 263,98 кДж
QфNO = 0,047*29,9*100 = 140,53 кДж
QфN2 = 34,82*29,4*300 = 307112,4 кДж
Общее количество физического тепла составляет 307516,91 кДж
6. Суммарная величина статей прихода
тепла
4048,4 + 102775,3 = 311565,31кДж
7. Температура в зоне реакции
1) предполагая, что температура в зоне реакции 3000С, находим
соответствующие значения теплоемкостей продуктов
СNH3 = 39,4кДж/моль*град
СH2О = 34,5 кДж/моль*град
СNO = 29,9 кДж/моль*град
CN2
= 29, 4 кДж/моль*град
2) среднее значение теплоемкости продуктов
= (0,067*39,4 + 0,042*34,5 + 0,047*29,9 +
34,82*29,4)/47,124=21,84 кДж/моль*град
1) температура в зоне реакции
= 302,73°С
8. Физическое тепло продуктов
QфNH3 = 0,05*39,4*300 = 591кДж
QфNO = 0,022*29,9*300 = 197,34 кДж
QфN2 = 34,82*29,4*300 = 307112,4кДж
QфH2O = 0,042*34,5*300 = 448,56 кДж
Итого: 308404,7 кДж
Полученные расчетные данные представляются в виде таблицы
Статьи прихода
|
кДж
|
Статьи расхода
|
кДж
|
DНр-ции
|
44,53
|
QфNH3
|
591
|
QфNH3
|
263,98
|
QфH2О
|
448,56
|
QфNO
|
140,53
|
QфN2
|
307112,4
|
QфN2
|
307112,4
|
QфNO
|
197,34
|
ИТОГО:
|
307561,4
|
Qпотерь
|
787,86
|
|
|
ИТОГО:
|
308335,4
|
Потери тепла в данном расчете составляет 0,25 % от прихода. Практически,
потери тепла от реактора могут составлять до 20%.
10. Изменение свободной энергии
системы
DG = DH - T*DS
Численные значения энтропии
SNH3
= 192,5 кДж/моль*град
SН2О = 188,4 кДж/моль*град
SN2=
191, 5 кДж/моль*град
SNO =210, 62 кДж/моль*град
DS =
4*192,5 + 6*188,4 - 5*210,62 - 6*191,5 = 1804,5 кДж/кмоль*град
DG =
-1094 - [293*1804] = -529812,5 кДж/кмоль
Отрицательное значение термодинамического потенциала свидетельствует о
том, что протекание реакции не вызывает затруднений.