Окисление аммиака

Тольяттинский Государственный Университет

Контрольная работа

По дисциплине:

«Общая химическая технология»

по теме:

«Окисление аммиака»

Тольятти 2009 г.

1.Задание

2.Материальный баланс

3.Количественный состав

4.Тепловой эффект при 100°С

4.1. Тепловой эффект при 300°С

5. Физическое тепло реагентов

6. Суммарная величина статей прихода тепла

7. Температура в зоне реакции

8.Физическое тепло продуктов

9.Тепловой баланс

10.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 °C.

Конверсия NO — 90%.

NH₃ содержит 1% влаги, подаётся с избытком 1,08 при температуре 100 °C.

Расчёт вести на 1 т NO — содержащего газа.

Выполнение расчетов по заданию 10^го варианта

2. Материальный баланс процесса

1) приведенная мольная масса NO — содержащего газа:

М = (0,001Ч17)+(0,259Ч2)+(0,74Ч28) = 21,254

2) объем 1000 кг этого газа при нормальных условиях:

21,254 кг — 22,4 м³

1000 кг — V

V = 1053, 91 м³

3) состав газа :

1053,91 м³ — 100%

V_NO — 0,1%

V_NO= 1,0539 м³

n_NO кмоль

m_NO= 0,047Ч30 = 1,41 кг

V_H2= 272,96 м³

n_H2 кмоль

m_H2= 12,19Ч2 = 24,37кг

V_N2 = 779,9 м³

кмоль

= 34,82Ч28 = 974,87 кг

4) количество конвертированного газа NO

1,0539Ч0,9 = 0,95 м³

5) количество оставшегося NO

1,0539 — 0,95 = 0,1 м³

n_NO = 0,1/22,4 = 0,0047 кмоль

m_NO = 0,0047Ч30 = 0,14кг

6) 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

V_NH31,4 м³

7) с учетом избытка аммиака должно быть подано

1,4Ч1,08 = 1,5 м³

кмоль

= 0,067Ч17 = 1,15кг

8) количество аммиака вступившего в реакцию

На окисление четырёх объёмов аммиака необходимо шесть объёмов NO. На окисление 0,95 м³ NO необходимо

1,26 м³

1,26/22,4 Ч17= 0,96кг

9) количество образовавшихся Н₂О и NО

По уравнению реакции из шести объемов NО получается шесть объемов Н₂О. Следовательно, в данном случае получится 0, 95 м³(6NО), и 0, 95 м³ (6H₂O),

n_H2O = 0,95/22,4 = 0,042кмоль

= 0,04Ч18 = 0,76кг

10) полученные данные сводятся в таблицу материального баланса

3. Количественный состав продуктов

В условиях реакции все продукты получаются в газовой фазе. Состав газовых смесей принято выражать в объемных процентах

1053,91 м³ — 100%

1,26 м³ — х х = 10,026%

H₂О_г — 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.

1) величины теплот образования веществ, принимающих участие в реакции.

Н_обр.NH₃ = -46,19 кДж/кмоль Н_обр.H₂О_г = -241,84 кДж/кмоль Н_обр.NO = 90,37кДж/кмоль тепловой эффект реакции при стандартных условиях (20⁰С)

Н₂₉₃ = 4*(-46,19) + 6*90,37 +6*(-241,84) = -1094 кДж Реакция экзотермическая. Н₂₉₃= -1094кДж

4.1 Тепловой эффект реакции при температуре в зоне реакции

Пересчет величины теплового эффекта реакции к конкретным условиям проводится:

1) 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.

1) нахождение значений теплосодержащих веществ по справочным данным

По справочным данным значения теплосодержаний веществ при 20⁰С и при 300⁰С следующие:

2) изменение теплосодержания веществ, участвующих в реакции, при 300⁰С по отношению к стандартному состоянию их (при 20⁰С).

Н_NH3 = 11 800 — 3620*0,2= 11 076 кДж/кмоль Н_NO = 8860 — 2900*0,2 = 8280 кДж/кмоль Н_N2 = 8800 — 2870*0,2 = 8226 кДж/кмоль Н_H2O = 10 330 — 3320*0,2 = 9666 кДж/кмоль

3) теплосодержание начальных и конечных веществ при температуре 300⁰С по отношению к стандартному Н_н = 4*11 076 + 6*8280 = 93 984 кДж Н_к = 5*8226 + 6*9666 = 99 126 кДж

4) тепловой эффект реакции при 300⁰С Н₅₇₃ = Н₂₉₃ — (Н_к — Н_н)

Н₅₇₃ = Н₂₉₃ — (99 126- 93 984) = -1094 +5142 = 4048,4 кДж Реакция эндотермическая.

Н₅₇₃ = 4048,4кДж

5) тепловой эффект реакции при 300⁰С на 0,022 кмоль NО Н₅₇₃ = (4048,4 *0,022)/2 = 44,53 кДж

5. Физическое тепло реагентов

1) теплоемкость веществ по справочным данным С_NH3 = 33,2 кДж/кмоль*град

C_N2 = 28,7 кДж/кмоль*град С_NO = 29,0 кДж/кмоль*град

2) физическое тепло компонентов материального потока на входе в аппарат:

Q_Ф = n*c*t

Q_фNH3 = 0,067*39,4*100 = 263,98 кДж

Q_фNO = 0,047*29,9*100 = 140,53 кДж

Q_фN2 = 34,82*29,4*300 = 307 112,4 кДж Общее количество физического тепла составляет 307 516,91 кДж

6. Суммарная величина статей прихода тепла

4048,4 + 102 775,3 = 311 565,31кДж

7. Температура в зоне реакции

1) предполагая, что температура в зоне реакции 300⁰С, находим соответствующие значения теплоемкостей продуктов С_NH3 = 39,4кДж/моль*град С_H2О = 34,5 кДж/моль*град С_NO = 29,9 кДж/моль*град

C_N2 = 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 температура в зоне реакции

= 302,73°С

8. Физическое тепло продуктов

Q_фNH3 = 0,05*39,4*300 = 591кДж

Q_фNO = 0,022*29,9*300 = 197,34 кДж

Q_фN2 = 34,82*29,4*300 = 307 112,4кДж

Q_фH2O = 0,042*34,5*300 = 448,56 кДж

Итого: 308 404,7 кДж

9. Тепловой баланс процесса

Полученные расчетные данные представляются в виде таблицы

Потери тепла в данном расчете составляет 0,25% от прихода. Практически, потери тепла от реактора могут составлять до 20%.

10. Изменение свободной энергии системы

G = H — T*S

Численные значения энтропии

S_NH3 = 192,5 кДж/моль*град

S_Н2О = 188,4 кДж/моль*град

S_N2= 191, 5 кДж/моль*град

S_NO =210, 62 кДж/моль*град

S = 4*192,5 + 6*188,4 — 5*210,62 — 6*191,5 = 1804,5 кДж/кмоль*град

G = -1094 — [293*1804] = -529 812,5 кДж/кмоль Отрицательное значение термодинамического потенциала свидетельствует о том, что протекание реакции не вызывает затруднений.