Химия
8 класс
Вопрос
При производстве кальцинированной соды по методу Сольве происходит регенерация аммиака, при этом маточный раствор после кристаллизации гидрокарбоната смешивается с известковым молоком и полученная масса нагревается.
Можно ли было сэкономить некоторое количество Топлива в этом процессе, если использовать тепло реакции негашеной извести с водой и в раствор вместо известкового молока вводить негашеную известь.
Исходя из предположения, что фабрика ежедневно производит 12 т соды, вычислите:
а) какое количество негашеной извести, содержащей 96% $CaO$, следует использовать для регенерации аммиака из маточного раствора, полученного в итоге дневного производства соды, если избыток используемой негашеной извести должен составлять 2% от теоретически вычисленного количества $CaO$;
б) какое количество угля, необходимого для подогрева раствора, ежедневно можно сэкономить, вводя вместо известкового молока негашеную известь, если известно, что теплота сгорания угля равна 7200 ккал/кг (и только 70% этого тепла используется практически), а теплота реакции окиси кальция с водой составляет 15 ккал/моль.
Ответ
Процесс производства соды по методу Сольве в упрощенном виде можно записать следующими уравнениями:
$NH_3 + H_2O + CO_2 = NH_4HCO_3$,
$NH_4HCO_3 + NaCl = NaHCO_3 \downarrow + NH_4Cl$,
$2NaHCO_3 \overset {150 - 180^{\circ} C}{\rightarrow} Na_2CO_3 + H_2O + CO_2$.
Процесс регенерации аммиака из маточных растворов кристаллизации с помощью $CaO$ можно представить уравнением
$2NH_4Cl + CaO = 2NH_3 \uparrow + СаCl_2 + H_2O$.
Из уравнений приведенных реакций следует:
а) на 1 моль полученной соды затрачивается 2 моля хлористого аммония;
б) 1 моль $CaO$ необходим для регенерации аммиака из 2 молей $NH_4Cl$, что в количественном отношении выражается следующим образом: при производстве 10 г (1 моль) $Na_2CO_3$ 56 г $CaO$ (1 моль) реагируют со 107 г $NH_4Cl$ (2 моля).
При производстве
106 г $Na_2CO_3$ образуется 107 г $NH_4Cl$,
12 т $Na_2CO_3$ - $х$ т $NH_4Cl$,
$x = \frac{107 \cdot 12}{106} = 12,11$ т $NH_4Cl$.
Для регенерации аммиака из 12,11 т $NH_4Cl$ теоретически необходимо
$y = \frac{56 \cdot 12,11}{107} = 6,34$ т $CaO$.
Если негашеная известь содержит 96 % $CaO$, то ее понадобится
$z = \frac {6,34 \: т \cdot 100 %}{96 %} = 6,6$ т.
Поскольку для производства необходим 2 %-ный избыток негашеной извести, то реально ее потребуется на
$\frac {6,6 \cdot 2 %}{100 %} = 0,132$ т
больше, т. е. всего для регенерации аммиака из 12,11 т $NH_4Cl$ необходимо взять $6,6 \: т + 0,132 т = 6,732$ т негашеной извести.
Количество тепла, выделяющегося при реакции вычисленного количества негашеной извести (NULL,732 т) с водой, содержащейся в маточных растворах, рассчитывается о учетом содержания чистой $CaO$:
$m_{CaO} = \frac {6,732 \: т \cdot 96 %}{100 %} = 6,46$ т $CaO$.
При реакции 1 кмоля $CaO$ с водой выделяется $15 \cdot 10^3$ ккал тепла, отсюда вытекает следующее соотношение:
56 кг : 15000 ккал = 6460 кг : $q$,
$q = 1731 \cdot 10^3$ ккал.
Количество угля, при сгорании которого выделится такое количество тепла, рассчитывается в соответствии с приведенными в условиях данными: если тепло, выделяющееся при реакции сгорания, используется только на 70 %, то на проведение необходимых технологических операций остается
$m_1 = \frac {7200 \:ккал \cdot 70 %}{5040 \: ккал/кг} = 5040$ ккал на 1 кг угля.
Таким образом, для получения $1713 \cdot 10^3$ ккал потребуется сжечь
$m_2 = \frac {1731 \cdot10^3 ккал}{5050 \: \: ккал/кг} = 343,4$ кг угля
Применение негашеной извести указанной степени чистоты вместо известкового молока для регенерации аммиака из маточных растворов позволит сэкономить ежедневно 343,4 кг угля.