Общая химическая технология

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

Домашнее задание

«Общая химическая технология»

Вариант № 10

Омск 2014

Тема 1

Задача 1

Вычислить тепловой эффект реакции Са (ОН)₂ = СаО + Н₂О_г

при 298 К; а) при р = const; б) при V = const.

Дано. Имеется реакция Са (ОН)₂ = СаО + Н₂О_г

Требуется: вычислить тепловой эффект реакции при 298 К: а) при р = const; б) при V = const.

Решение:

Из справочных данных находим стандартные энтальпии образования Н^о_обр(Са (ОН)₂) = -986,6;

Н^о_обр (СаО) = - 635,5 кДж/моль;

Н^о_обр(Н₂О)_(г) = - 241,82 кДж/моль.

Тепловой эффект данной химической реакции рассчитываем по формуле:

Н^о_{реакции}==Н^о_обр(СаО) + Н^о_обр(Н₂О)_(г)-Н^о_обр(Са (ОН)₂)

Н^о_{реакции} = - 635,5 — 986,6 + 241,82= -1380,28 кДж/моль По известному значению теплового эффекта реакции Н при постоянном давлении можно рассчитать тепловой эффект реакции U при постоянном объеме:

U _{реакции} = H _{реакции} — nRT,

где n — изменение числа молей газообразных продуктов реакции и исходных веществ (n = n прод. — n исх.вещ.).

n = (0+1) — 0 = 1.

Значение: R = 8,314 Дж/моль К. Т = 298 К.

кДж/моль.

Ответ: тепловой эффект реакции при 298 К:

а) при р = const; Н^о_{реакции} = -1380,28 кДж/моль б) при V = const. U _{реакции} = -1382,76 кДж/моль.

Задача 2

Вычислить тепловой эффект образования глицерина С₃Н₈О₃ (ж) при 298 К и стандартном давлении, если известна теплота его сгорания при этой температуре и стандартном давлении.

Решение:

Н^сгор _{глицерина} рассчитываем по формуле Менделеева:

Q_в = 33 900С + 125 550Н + 10880(S — O)

С, Н, S-O — содержание химических элементов в процентах.

Найдем содержание С, Н, O в процентах, для чего составим пропорцию:

Масса 1 моля С₃Н₈О₃ 92 г, что составляет 100%

Масса углерода в 1 моле С₃Н₈О₃ 3· 12 г, что составляет С Откуда С =3· 12·100/92=0,39

Аналогично находим содержание водорода и кислорода Н=0,087; O=0,52

Q_в = 33 900 ^. 0,39 + 125 550 ^. 0,087 — 10 880 ^. 0,52 = 13 221+ 10 923 — 5658 = 18 486 кДж/кг = 1701 кДж/моль.

Реакцию горения глицерина можно записать:

С₃Н₈О_{3 (ж)} + 3,5O₂ = 3CO₂ + 4H₂O_(ж) + 1700 кДж/моль Запишем выражение для теплового эффекта реакции при условии, что Н^о_обр(О₂)=0

— 1701кДж/моль = 3Н^о_обр(СО₂) +4Н^о_обр(Н₂О_(ж)) -Н^о_обр С₃Н₈О₃ .

откуда Н^о_обр С₃Н₈О₃ = 1701 + 3(- 393,5) + 4(- 285,8) = - 622,7 кДж/моль.

Эта величина близка к справочной (- 668,6 кДж/моль). Следовательно, задача решена верно.

Ответ: тепловой эффект образования глицерина С₃Н₈О₃ (ж) при 298 К и стандартном давленииН^о_обр С₃Н₈О₃ = - 622,7 кДж/моль.

Задача 3

Рассчитать изменении энтропии при охлаждении 50 кг этанола при постоянном давлении в интервале температур от 373 до 143, если известны его температуры плавления и кипения, теплоемкости в твердом, жидком и газообразном состоянии, теплоты плавления и испарения.

Дано.

Т₁ = 373К

Т₂ = 143К.

т = 50 кг Из справочных данных находим:

= 46г/моль Т_конд = 351 К Т_крист = 159 К

= 72 Дж/моль^,К,

= 111 Дж/моль^,К,

= 158 Дж/моль^.К, Н_крист = 4,81 кДж/моль, Н_конд = 39 кДж/моль.

Решение:

Общее изменение энтропии этанола складывается из изменения энтропии при:

охлаждении от 373 до 351 К (температуры конденсации),

конденсации при 351 К, охлаждения от 351 до 159 К (температуры кристаллизации),

кристаллизации при 159 К охлаждения твердого этанола от 159 до 143 К.

Таким образом, для одного моля этанола можно записать:

S_общ =

Находим число молей в 50 кг этанола.

n = 50 000: 46 = 1087 молей Таким образом, общее изменение энтропии в реакционной системе составит:

S = 1087 ^. -246,5? -268 кДж/К Ответ: изменении энтропии при охлаждении 50 кг этанола при постоянном давлении в интервале температур от 373 до 142 S? -268 кДж/К Задача 4

Определить U^o, H^o, A^o, G^o и S^o при стандартных условиях и 298,2 К для реакций Са (ОН)₂ = СаО + Н₂О_г

Дано: Имеется реакция Са (ОН)₂ = СаО + Н₂О_г

Решение:

Из справочных данных находим стандартные энтальпии, энтропии образования ДН^о_обр(Са (ОН)₂) = -986,6 кДж/моль; ДS^о_обр(Са (ОН)₂) = 76,1 Дж/моль К ДН^о_обр (СаО) = - 635,5 кДж/моль; ДS^о_обр (СаО) = 39,7 Дж/моль К ДН^о_обр(Н₂О)_(г) = - 241,82 кДж/моль. ДS^о_обр(Н₂О)_(г) = 188,72 Дж/моль К Тепловой эффект данной химической реакции рассчитываем по формуле:

ДН^о_{реакции}==ДН^о_обр(СаО) + ДН^о_обр(Н₂О)_(г)-Д Н^о_обр(Са (ОН)₂)

ДН^о_{реакции} = - 635,5 — 986,6 + 241,82= -1380,28 кДж/моль

U _{реакции} = H _{реакции} — nRT,

где n — изменение числа молей газообразных продуктов реакции и исходных веществ (n = n прод. — n исх.вещ.).

n = (0+1) — 0 = 1.

R = 8,314 Дж/моль К.

Т = 298,2 К.

U _{реакции} = -1380,28 — -1382,76 кДж/моль.

Следующим действием находим S^о_{реакции}

S^о_реак = S^о_обр(СаО) + S^o_обр (Н₂О)_г -S^о_обр (Са (ОН)₂)

S^о_реак = 39,7 +188,72 -76,1 =152,32 Дж/моль К.

Затем вычисляем свободную энергию Гиббса

G^o_реак=Н^о_реак-ТS^о_реак= -1380,28 + 298,2· 152,32:1000 = - 1335 кДж/моль.

Теперь рассчитаем свободную энергию Гельмгольца

A^о_{реакции} = G^o_{реакции} — n RT = - 1335 -= -1337 кДж/моль.

Ответ: при стандартных условиях и 298,2 К

ДН^о_реак= -1380,28 кДж/моль

U _реак = -1382,76 кДж/моль.

A^о_реак= -1337 кДж/моль.

G^o_реак= - 1335 кДж/моль.

S^о_реак = 152,32 Дж/моль К.

тепловой реакция глицерин этанол Задача 5

На основании справочных данных и Н^о₀ определить константу равновесия К_р реакции NO₂ = NO + 0,5O₂ при температуре 800 К.

Дано: Имеется реакция NO₂ = NO + 0,5O₂

Решение:

Из справочника находим:

Далее находим:

= _кон. — _нач,

= -210 — 0,5· 205,2 + 242,4 = -70,2 Дж/моль^. К;

Н^о_{о реакции} = Н^о_о кон — Н^о_о нач = 89,9 — 36,3= 53,6 кДж/моль;

lgK_p(атм.) = -=

К_р = 1,47

Ответ: Константа равновесия К_р при температуре 800 К равна К_р = 1,47.

ТЕМА 2

Задача 1

Каковы расходные коэффициенты компонентов сырья (т/т) в процессе получения целевого продукта при парциальном окислении сырья? Какой объем воздуха необходим для проведения процесса? Какова интенсивность работы реактора? Принять массовое содержание кислорода в воздухе 23%. Условия процесса:

Решение:

Процесс описывается целевой реакцией:

СН₂=СН-СН₃+ О₂ > CH₂=CH-CHO+Н₂О

Пропен акролеин

1. Как следует из уравнения реакции, в реакционной смеси мольное соотношение С₃Н₂О и Н₂О = 1:1 или на 56 г С₃Н₄О приходится 18 г Н₂О. Следовательно, доля С₃Н₂О составляет = 56/74 = 0,76, а доля Н₂ = 1 — 0,76 = 0,24. Тогда в тонне синтез-газа будет находиться 760 кг С₃Н₂О и 240 кг Н₂О. Будем расчет компонентов сырья вести по водяному пару.

2. Найдем теоретическое количество пропена, для чего составим пропорцию:

Из 42 кг С₃Н₆ можно получить 18 кг Н₂О из М кг С₃Н₆ можно получить 240 кг Н₂О, откуда М_{пропена}=

Тогда теоретическая масса кислорода составит:

М_кисл. = 1000 — 560 = 440 кг

3. По закону Авогадро найдем объем кислорода, составив пропорцию:

32 кг кислорода занимают объем 22,4 м³

440 кг кислорода занимают объем Y м³,

откуда

Y = 440 · 22,4: 32 = 308 м³

4. Учитывая, что в воздухе содержится 23% об. кислорода, найдем соответствующий ему объем воздуха

V_возд = 308: 0,23 = 1339 м³

5. С учетом выхода целевого продукта (84%), получим расходные коэффициенты по пропену и воздуху:

К_{пропена} = 560: 0,84 = 667 кг/т =0,667 т/т К_возд = 1339: 0,84 = 1594 м³/т = 2,06т/т Масса 1 м³ воздуха 0,129 т

6. Объем реактора составит:

V_р = d²: 4 ^. h = 3,14 ^. 3,2²: 4 ^. 16,8 = 135 м³,

Следовательно, интенсивность работы реактора по метану равна:

И = 40 000: 135= 296 кг/м^{3 .} ч Ответ:

Расходные коэффициенты по пропену и воздуху:

К_{пропена} = 0,667 т/т К_возд = 2,06т/т Объем воздуха необходим для проведения процесса V_возд = 1339 м³

Интенсивность работы реактора по метану И = 296 кг/м^{3 .} ч

Задача 2

Какое количество воды и воздуха потребуется для проведения паровой и воздушной конверсии 300 т природного газа? Просчитайте тепловой эффект в каждом варианте конверсии. Подберите такое соотношение воздуха и пара, чтобы общий тепловой эффект процесса был равен нулю.

Углеводородный состав природного газа:

1. Рассчитаем массу каждого углеводородного компонента природного газа.

— масса СН₄ составит: 300 ^. 0,868 = 260,4 т;

— масса С₂Н₆ составит: 300 ^. 0,045 = 13,5 т;

— масса С₃Н₈ составит: 300 ^. 0,03 = 9 т;

— масса С₄Н₁₀ составит: 300 ^. 0,02 = 6 т;

— масса С₅Н₁₂ составит: 300 ^. 0,032= 9,6 т;

2. Запишем уравнения реакций паровой конверсии природного газа.

СН₄ + Н₂О = СО + 3Н₂

С₂Н₆ + 2Н₂О = 2СО + 5Н₂

С₃Н₈ + 3Н₂О = 3СО + 7Н₂

С₄Н₁₀ + 4Н₂О = 4СО + 9Н₂

С₅Н₁₂ + 5Н₂О = 5СО + 11Н₂

3. Рассчитаем количество воды, необходимой для конверсии метана. Для этого составим пропорцию:

для конверсии 16 т метана требуется 18 т воды для конверсии 260,4 т метана требуется Х т воды, откуда Х = 260,4 ^. 18: 16 = 292,95 т

4. Рассчитаем количество воды, требуемой для конверсии этана. Для этого составим пропорцию:

для конверсии 30 т этана требуется 36 т воды для конверсии 13,5 т этана требуется Y т воды, откуда

Y = 13,5 ^. 36: 30 = 16,2 т

5. Рассчитаем количество воды, требуемой для конверсии пропана. Для этого составим пропорцию:

для конверсии 44 т пропана требуется 54 т воды для конверсии 9 т пропана требуется Z т воды, откуда

Z = 9 ^. 54: 44 = 10,04 т

6. Рассчитаем количество воды, требуемой для конверсии бутанов. Для этого составим пропорцию:

для конверсии 58 т бутанов требуется 72 т воды для конверсии 6 т бутанов требуется S т воды, откуда

S =6 ^. 72: 58 = 7,45 т

7. Рассчитаем количество воды, требуемой для конверсии пентанов. Для этого составим пропорцию:

для конверсии 72 т пентанов требуется 90 т воды для конверсии 9,6 т пентанов требуется F т воды, откуда

F =9,6 ^. 90: 72 = 12 т

8. Общее количество воды, необходимое для паровой конверсии природного газа составит:

292,95+ 16,2 + 10,04 + 7,45+12 = 338,64 т

9. Запишем уравнения реакций воздушной конверсии природного газа.

СН₄ + 0,5О₂ = СО + 2Н₂

С₂Н₆ + О₂ = 2СО + 3Н₂

С₃Н₈ + 1,5О₂ = 3СО + 4Н₂

С₄Н₁₀ + 2О₂ = 4СО + 5Н₂

С₅Н₁₂ + 2,5О₂ = 5СО + 6Н₂

10. Рассчитаем количество кислорода, требуемого для конверсии метана. Для этого составим пропорцию:

для конверсии 16 т метана требуется 16 т кислорода для конверсии 260,4 т метана требуется D т кислорода, откуда

D = 260,4 т

11. Рассчитаем количество кислорода, требуемое для конверсии этана. Составим пропорцию:

для конверсии 30 т этана требуется 32 т кислорода для конверсии 13,5 т этана требуется Е т кислорода, откуда Е = 13,5 ^. 32: 30 = 14,4 т

12. Рассчитаем количество кислорода, требуемого для конверсии пропана. Для этого составим пропорцию:

для конверсии 44 т пропана требуется 48 т кислорода для конверсии 9 т пропана требуется U т кислорода, откуда

U = 9 ^. 48: 44 = 9,82 т

13. Рассчитаем количество кислорода, требуемого для конверсии бутанов. Для этого составим пропорцию:

для конверсии 58 т бутанов требуется 64 т кислорода для конверсии 6 т бутанов требуется З т кислорода, откуда З = 6 ^. 64: 58 = 6,62 т

14. Рассчитаем количество кислорода, требуемого для конверсии пентанов. Для этого составим пропорцию:

для конверсии 72 т пентанов требуется 80 т кислорода для конверсии 9,6 т пентанов требуется B т кислорода, откуда

B = 9.6 ^. 80: 72 = 10,67 т

15. Общее количество кислорода, необходимого для воздушной конверсии 300 т природного газа составит:

М_кисл. = 260,4 + 14,4 + 9,82 + 6,62+10,67 = 301,91 т

16. Найдем необходимое количество воздуха для конверсии, составив пропорцию:

301,91 т составляет 23%

L т составляет 100%,

откуда

L = 301,91: 0,23 = 1313 т

17. Далее найдем такое соотношение воздуха и пара, чтобы тепловой эффект процесса был равен 0. Запишем термохимические уравнения конверсии компонентов природного газа:

метана:

СН₄ + 0,5О₂ = СО + 2Н₂ + 35 кДж/моль СН₄ + Н₂О = СО + 3Н₂ — 206 кДж/моль этана:

С₂Н₆ + О₂ = 2СО + 3Н₂ + 136,3 кДж/моль С₂Н₆ + 2Н₂О = 2СО + 5Н₂ — 348 кДж/моль пропана:

С₃Н₈ + 1,5О₂ = 3СО + 4Н₂ + 227,5 кДж/моль С₃Н₈ + 3Н₂О = 3СО +7Н₂ — 499 кДж/моль бутанов:

С₄Н₁₀ + 2О₂ = 4СО + 5Н₂ + 317 кДж/моль С₄Н₁₀ + 4Н₂О = 4СО +9Н₂ — 651 кДж/моль Пентанов:

С₅Н₁₂ + 2,5О₂ = 5СО + 6Н₂ + 396 кДж/моль

С₅Н₁₂ + 5Н₂О = 5СО + 11Н₂ -813 кДж/моль

Тепловой эффект паровой конверсии

— 206 — 348 — 499 — 651 -813 = -2517кДж/моль Тепловой эффект воздушной конверсии

35+ 136,3+ 227,5+ + 317 + 396=1111,8 кДж/моль Разделим тепловой эффект второй реакции на тепловой эффект первой реакции конверсии метана и получим:

Х_метана = 206: 35 = 5,886

Аналогично рассчитаем соотношения тепловых эффектов конверсии остальных компонентов природного газа.

Х_этана = 348: 136,3 = 2,553

Х_{пропана} = 499: 227,5 = 2,193

Х_бутана = 651: 317 = 2,054

Х_{пентана} = 813: 396 = 2,053

18. Средневзвешенное соотношение тепловых эффектов в процессе равно:

Х_ср = 5,886 · 0,868 + 2,553 · 0,045 + 2,193 · 0,03 + 2,054 · 0,02 +2,053· 0,032

Х_ср = 5,109 + 0,115 + 0,066 + 0,041 + 0,066 = 5,397

19. Таким образом, в первую реакцию должно быть направлено в 5,397 раз больше природного газа, чем во вторую. Далее составим пропорцию:

(5,397 + 1) частей соответствует 300 т природного газа одна часть соответствует Р т природного газа, откуда Р = 300: 6,397 = 46,9 т природного газа Это значит, что в паровую конверсию должно быть направлено 46,9 т природного газа, а в воздушную — 300 — 46,9 = 253,1 т.

20. Составим еще одну пропорцию:

на конверсию 300 т природного газа требуется 338,64 т водяного пара на конверсию 46,9 т природного газа требуется Q т водяного пара, из которой следует, что

Q = 46,9 ^. 338,67: 300 = 52,95 т водяного пара

21. Составим еще одну пропорцию:

на конверсию 300 т природного газа требуется 1313 т воздуха на конверсию 253,1 т природного газа требуется W т воздуха, откуда

W = 253,1^. 1313: 300 = 1108 т воздуха Таким образом, для того, чтобы при паровоздушной конверсии 300 т природного газа данного состава тепловой эффект процесса был равен нулю, соотношение воздуха и водяного пара должно быть 1108: 52,95 = 20,93 т/т.

Ответ:

Соотношение воздуха и пара, чтобы общий тепловой эффект процесса был равен нулю равно 20,93 т/т.

Для проведения паровой и воздушной конверсии 300 т природного газа потребуется воды 52,95 т и воздуха 1108 т Тепловой эффект паровой конверсии -2517кДж/моль Тепловой эффект воздушной конверсии 1111,8 кДж/моль

Задача 3

Определить массу ионов Са²⁺ и Мg²⁺ исходя из условий:

Решение:

1. Один ммоль-эквивалент Са²⁺ равен 20 мг. Тогда масса ионов Са²⁺ в 150 л воды составит:

М (Са²⁺) = 20 ^. 4,3 ^. 150 = 12 900 мг = 12,9 г

2. Один ммоль-эквивалент Mg²⁺ равен 12 мг. Тогда масса ионов Mg²⁺ в 150 л воды составит:

M (Mg²⁺) = 12 ^. 3,5 ^. 150 = 6300 мг = 6,3 г Ответ:

Масса ионов Са²⁺ в 150 л воды составит: М (Са²⁺) = 12,9 г Масса ионов Mg²⁺в 150 л воды составит: M (Mg²⁺) = 6,3 г