Химия

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

$1 см \cdot 1 см \cdot 0,009 см = 0,009 см^3$.

Объем свободного пространства при этом составит

$0,009 - 0,004 = 0,005 см^3$ на $1 см^2$ сетки.

Чтобы общий свободный объем пустот в сетке был равен $600 см^3$, катализатор должен иметь площадь

$\frac{600}{0,005} = 12 \cdot 10^4 \: см^2 = 12 м^2$ сетки.

При этом масса платины, использованной в катализаторе, составит

$12 \cdot 10^4 \cdot 0,004 \cdot 21,4 = 10,3 \cdot 10^3 \: г = 10,3$ кг.