Химия

8 класс

В реактор для окисления аммиака введена газовая смесь

$NH_3$ и воздуха (NULL,9%

$O_2$ и 79,1 %

$N_2$ ) такого состава, чтобы на моль

$NH_3$ приходилось 1,88 моля

$O_2$ . Аммиак окисляется при этом практически количественно. Выход продукта, используемого в дальнейшем, составляет 95 %, причем никаких других окислов азота не образуется. Температура внутри реактора равна 1073 К, давление 1 атм. Производительность реактора - окисление 10 т аммиака в сутки. Катализатор представляет собой несколько слоев платиновой сетки, сплетенных из проволоки толщиной 0,009 см. На

$1 см^3$ сетки приходится 1024 звена. Плотность платины равна

$21,4 кг/дм^3$ . «Время реакции» определяется как время, в течение которого частицы реагентов находятся внутри объема, заполненного переплетениями платиновой проволоки; оно составляет 0,0001 с. Толщина одной сетки равна толщине проволоки. Вычислите: а) состав газовой смеси после реакции; б) общую массу платины в реакторе.

а. На 1 моль аммиака приходится 1,88 моля кислорода и, следовательно,

$\frac{1,88 \cdot 79,1}{20,9} = 7,12$ моля азота воздуха. Таким образом, на

$1,88 + 7,12 = 10$ молей газов приходится 18,8 %

$O_2$ , 10 %

$NH_3$ и 71,2 %

$N_2$ (по объему).

Цель процесса, происходящего в реакторе,- получение окиси азота. Часть аммиака (5 %) окисляется до свободного азота

$4NH_3 + 3O_2 = 2N_2 + 6H_2O$ ,

а 95 % аммиака взаимодействует с кислородом по уравнению (основной процесс)

$4NH_3 + 5O_2 = 4NO + 6H_2O$ .

В 100 молях исходной газовой смеси содержится 10 молей

$NH_3$ , 18,8 моля

$O_2$ и 71,2 моля

$N_2$ .

В результате основной реакции образуется

$10 \cdot 0,95 = 9,5$ молей

$NO$ ,

$10 \cdot 0,95 \cdot \frac{3}{2} = 14,25$ моля

$H_2O$ и на окисление

$10 \times 0,95 = 9,5$ молей аммиака затрачивается

$0,5 \cdot \frac{3}{4} = 11,9$ моля

$O_2$ . При побочной реакции образуется

$10 \times 0,05 \cdot \frac{1}{2} = 0,25$ моля

$N_2$ и 0,75 моля

$H_2O$ , а на сгорание 0,5 моля аммиака затрачивается

$0,5 \cdot \frac{3}{4} = 0,37$ моля

$O_2$ . Состав газовой смеси после реакции

$N_2$ :

$71,2 + 0,25 = 71,45$ моля,

$O_2$ :

$18,8 - 11,69 - 0,37 = 6,5$ моля,

$H_2O$ (пар) :

$14,25 + 0,75 = 15,0$ молей,

$NO$ : 9,5 моля.

Всего в смеси содержится 102,5 моля газов, из которых

$69,7$ %

$N_2$ ,

$6,3$ %

$O_2, 14,6$ % паров

$H_2O$ и

$9,3$ %

$NO$ .

б. За секунду окисляется

$10000 : 86400 = 0,116$ кг

$NH_3$ , что составляет

$\frac{0,116}{17} \cdot 22,4 \cdot \frac{1073}{273} = 0,600 м^3/с$ .

Следовательно, скорость пропускания газовой смеси через катализатор (в пересчете на все вещества) равна

$\frac{100 \cdot 0,6}{10} = 6,00 м^3/с$ , так как в смеси содержится 10 % этого газа. Для упрощения расчетов предположим, что объем газов в ястеме в ходе реакции не изменяется. Если время прохождения газа через поверхность сетки составляет 0,0001 с, то объем звеньев сетки должен быть таким, чтобы емкость заполнилась газом, проходящим со скоростью

$6 м^3/с$ за 0,0001 сек, т. е.

$V = 6 \cdot 10^{-4} м^3 = 600 см^3$ . Если мысленно представить себе сетку, то ее отрезок длиной 1 см будет содержать

$2n$ проволок, а на

$1 см^2$ поверхности сетки придется

$n^2$ звеньев сетки

$2n$ проволок образуют

$n^2$ звеньев,

$x$ проволок - 1024 звена.

Число проволок, образующих сетку, равно

$2n = 2 \sqrt{1024} = 64$ , т. е.

$n = 32$ . Объем проволоки, образующей

$1 см^2$ сетки, составит, таким образом,

$64 \cdot 1 \cdot \frac{\pi d^2}{4} = 64 \cdot 1 \cdot \frac{3,14 \cdot 0,009^2}{4} = 0,0040 см^3$ .

Если для простоты расчетов пренебречь толщиной переплетения нитей, то объем, который занимает сетка площадью

$1 см^2$ , будет равен