Решение задач: Материальный баланс окисления SO2 и электролиз NaCl

Хорошо, давайте решим эти четыре задачи по порядку. Задача 16. Составить материальный баланс контактного аппарата для каталитического окисления SO2 в SO3 производительностью 10000 м3/ч исходного газа следующего состава [% (об.)]: SO2 - 8,5; O2 - 12,5; N2 - 79. Степень окисления SO2 в SO3 составляет 98% (SO2+ 1/2О2=SO3). Решение: 1. Определим объемный состав исходного газа: * Объем SO2 в исходном газе: \(10000 \text{ м}^3/\text{ч} \cdot 0,085 = 850 \text{ м}^3/\text{ч}\) * Объем O2 в исходном газе: \(10000 \text{ м}^3/\text{ч} \cdot 0,125 = 1250 \text{ м}^3/\text{ч}\) * Объем N2 в исходном газе: \(10000 \text{ м}^3/\text{ч} \cdot 0,79 = 7900 \text{ м}^3/\text{ч}\) 2. Рассчитаем количество SO2, вступившего в реакцию. Степень окисления SO2 составляет 98%, значит, в реакцию вступит: \(850 \text{ м}^3/\text{ч} \cdot 0,98 = 833 \text{ м}^3/\text{ч}\) SO2. 3. Рассчитаем количество SO2, оставшегося непрореагировавшим: \(850 \text{ м}^3/\text{ч} - 833 \text{ м}^3/\text{ч} = 17 \text{ м}^3/\text{ч}\) SO2. 4. Рассчитаем количество O2, вступившего в реакцию. Согласно стехиометрии реакции \(SO_2 + 1/2 O_2 = SO_3\), на 1 объем SO2 требуется 0,5 объема O2. Значит, потребуется O2: \(833 \text{ м}^3/\text{ч} \cdot 0,5 = 416,5 \text{ м}^3/\text{ч}\) O2. 5. Рассчитаем количество O2, оставшегося непрореагировавшим: \(1250 \text{ м}^3/\text{ч} - 416,5 \text{ м}^3/\text{ч} = 833,5 \text{ м}^3/\text{ч}\) O2. 6. Рассчитаем количество образовавшегося SO3. Согласно стехиометрии реакции, из 1 объема SO2 образуется 1 объем SO3. Значит, образуется SO3: \(833 \text{ м}^3/\text{ч}\) SO3. 7. Азот (N2) является инертным газом и его количество не изменяется: \(7900 \text{ м}^3/\text{ч}\) N2. 8. Составим материальный баланс. Приход: * SO2: \(850 \text{ м}^3/\text{ч}\) * O2: \(1250 \text{ м}^3/\text{ч}\) * N2: \(7900 \text{ м}^3/\text{ч}\) * Всего: \(10000 \text{ м}^3/\text{ч}\) Расход (отходящий газ): * SO2 (непрореагировавший): \(17 \text{ м}^3/\text{ч}\) * O2 (непрореагировавший): \(833,5 \text{ м}^3/\text{ч}\) * N2: \(7900 \text{ м}^3/\text{ч}\) * SO3 (образовавшийся): \(833 \text{ м}^3/\text{ч}\) * Всего: \(17 + 833,5 + 7900 + 833 = 9583,5 \text{ м}^3/\text{ч}\) Проверка баланса: Приход \(10000 \text{ м}^3/\text{ч}\) Расход \(9583,5 \text{ м}^3/\text{ч}\) Разница в объеме обусловлена уменьшением объема газа в результате реакции \(SO_2 + 1/2 O_2 = SO_3\), где из 1,5 объемов газа образуется 1 объем. Ответ: Материальный баланс контактного аппарата: Приход: * SO2: 850 м3/ч * O2: 1250 м3/ч * N2: 7900 м3/ч * Всего: 10000 м3/ч Расход (отходящий газ): * SO2: 17 м3/ч * O2: 833,5 м3/ч * N2: 7900 м3/ч * SO3: 833 м3/ч * Всего: 9583,5 м3/ч --- Задача 17. Рассчитать материальный баланс производства хлора методом электролиза водного раствора хлорида натрия: \(2NaCl + 2H_2O = 2NaOH + Cl_2 + H_2\). Концентрация NaCl в растворе 310 г/л. Плотность раствора при условиях электролиза 1,17 кг/л. Степень разложения 50%. Побочные процессы в расчет не принимать. Расчет вести на 1000 м3 хлора. Решение: 1. Переведем объем хлора в моли. При нормальных условиях (н.у.) 1 моль любого газа занимает 22,4 л (0,0224 м3). Количество молей Cl2: \(1000 \text{ м}^3 / 0,0224 \text{ м}^3/\text{моль} = 44642,86 \text{ моль}\) Cl2. 2. Рассчитаем теоретически необходимое количество реагентов по стехиометрии реакции. Реакция: \(2NaCl + 2H_2O = 2NaOH + Cl_2 + H_2\) Молярные массы: * NaCl: \(22,99 + 35,45 = 58,44 \text{ г/моль}\) * H2O: \(2 \cdot 1,008 + 16,00 = 18,016 \text{ г/моль}\) * NaOH: \(22,99 + 16,00 + 1,008 = 39,998 \text{ г/моль}\) * Cl2: \(2 \cdot 35,45 = 70,9 \text{ г/моль}\) * H2: \(2 \cdot 1,008 = 2,016 \text{ г/моль}\) Для получения 1 моля Cl2 требуется 2 моля NaCl и 2 моля H2O. * Теоретически необходимо NaCl: \(44642,86 \text{ моль Cl}_2 \cdot 2 \text{ моль NaCl/моль Cl}_2 = 89285,72 \text{ моль NaCl}\) * Теоретически необходимо H2O: \(44642,86 \text{ моль Cl}_2 \cdot 2 \text{ моль H}_2\text{O/моль Cl}_2 = 89285,72 \text{ моль H}_2\text{O}\) 3. Рассчитаем массу теоретически необходимого NaCl: Масса NaCl: \(89285,72 \text{ моль} \cdot 58,44 \text{ г/моль} = 5219999,9 \text{ г} \approx 5220 \text{ кг}\) NaCl. 4. Учтем степень разложения NaCl. Степень разложения NaCl составляет 50%, это означает, что только 50% от поданного NaCl вступает в реакцию. Значит, для получения необходимого количества Cl2, нужно подать в 2 раза больше NaCl. Масса NaCl, которую нужно подать: \(5220 \text{ кг} / 0,50 = 10440 \text{ кг}\) NaCl. 5. Рассчитаем объем раствора NaCl. Концентрация NaCl в растворе 310 г/л. Объем раствора: \(10440000 \text{ г} / 310 \text{ г/л} = 33677,42 \text{ л} \approx 33,68 \text{ м}^3\). 6. Рассчитаем массу раствора NaCl. Плотность раствора 1,17 кг/л. Масса раствора: \(33677,42 \text{ л} \cdot 1,17 \text{ кг/л} = 39402,6 \text{ кг}\). 7. Рассчитаем массу воды в исходном растворе. Масса воды в растворе: \(39402,6 \text{ кг} - 10440 \text{ кг} = 28962,6 \text{ кг}\). Количество молей воды в исходном растворе: \(28962,6 \text{ кг} \cdot 1000 \text{ г/кг} / 18,016 \text{ г/моль} = 1607687,6 \text{ моль}\). 8. Рассчитаем количество продуктов реакции. * Образовалось NaOH: \(89285,72 \text{ моль} \cdot 39,998 \text{ г/моль} = 3571257,1 \text{ г} \approx 3571,26 \text{ кг}\) NaOH. * Образовалось H2: \(44642,86 \text{ моль} \cdot 2,016 \text{ г/моль} = 89907,1 \text{ г} \approx 89,91 \text{ кг}\) H2. * Образовалось Cl2: \(44642,86 \text{ моль} \cdot 70,9 \text{ г/моль} = 3165000 \text{ г} \approx 3165 \text{ кг}\) Cl2. (Проверка: \(1000 \text{ м}^3 \cdot 3,165 \text{ кг/м}^3 = 3165 \text{ кг}\) при н.у.) 9. Рассчитаем количество непрореагировавших веществ. * Непрореагировавший NaCl: \(10440 \text{ кг} - 5220 \text{ кг} = 5220 \text{ кг}\) NaCl. * Вода, вступившая в реакцию: \(89285,72 \text{ моль} \cdot 18,016 \text{ г/моль} = 1608600 \text{ г} \approx 1608,6 \text{ кг}\). * Непрореагировавшая вода: \(28962,6 \text{ кг} - 1608,6 \text{ кг} = 27354 \text{ кг}\) H2O. 10. Составим материальный баланс. Приход: * Раствор NaCl: 39402,6 кг * NaCl: 10440 кг * H2O: 28962,6 кг * Всего: 39402,6 кг Расход: * Хлор (Cl2): 3165 кг (1000 м3) * Водород (H2): 89,91 кг * Раствор после электролиза (электролит): * NaOH: 3571,26 кг * NaCl (непрореагировавший): 5220 кг * H2O (непрореагировавшая): 27354 кг * Всего в растворе: \(3571,26 + 5220 + 27354 = 36145,26 \text{ кг}\) * Всего: \(3165 + 89,91 + 36145,26 = 39400,17 \text{ кг}\) Разница в суммарной массе (39402,6 кг приход и 39400,17 кг расход) обусловлена округлениями в расчетах. Ответ: Материальный баланс производства хлора на 1000 м3 Cl2: Приход: * Раствор NaCl: 39402,6 кг * В том числе NaCl: 10440 кг * В том числе H2O: 28962,6 кг * Всего: 39402,6 кг Расход: * Хлор (Cl2): 3165 кг (1000 м3) * Водород (H2): 89,91 кг * Раствор после электролиза: 36145,26 кг * В том числе NaOH: 3571,26 кг * В том числе NaCl (непрореагировавший): 5220 кг * В том числе H2O (непрореагировавшая): 27354 кг * Всего: 39400,17 кг --- Задача 18. Рассчитать материальный баланс нейтрализатора для получения аммиачной селитры производительностью 20 т NH4NO3 в час. В производстве применяется 47%-ная азотная кислота и 100%-ный газообразный аммиак. Потери азотной кислоты и аммиака в производстве составляют 1% от теоретически необходимого количества для обеспечения заданной производительности. Из нейтрализатора аммиачная селитра выходит в виде 60% раствора NH4NO3 в воде. Определить количество влаги, испарившейся в результате экзотермической реакции нейтрализации: \(HNO_3 + NH_3 = NH_4NO_3\). Решение: 1. Рассчитаем количество аммиачной селитры (NH4NO3) в молях. Производительность: 20 т/ч = 20000 кг/ч. Молярная масса NH4NO3: \(14,01 + 4 \cdot 1,008 + 14,01 + 3 \cdot 16,00 = 80,042 \text{ г/моль}\). Количество молей NH4NO3: \(20000000 \text{ г/ч} / 80,042 \text{ г/моль} = 249863,8 \text{ моль/ч}\). 2. Рассчитаем теоретически необходимое количество реагентов. Реакция: \(HNO_3 + NH_3 = NH_4NO_3\) Молярные массы: * HNO3: \(1,008 + 14,01 + 3 \cdot 16,00 = 63,018 \text{ г/моль}\) * NH3: \(14,01 + 3 \cdot 1,008 = 17,034 \text{ г/моль}\) * Теоретически необходимо HNO3: \(249863,8 \text{ моль/ч} \cdot 63,018 \text{ г/моль} = 15746999,9 \text{ г/ч} \approx 15747 \text{ кг/ч}\) HNO3. * Теоретически необходимо NH3: \(249863,8 \text{ моль/ч} \cdot 17,034 \text{ г/моль} = 4255000,0 \text{ г/ч} \approx 4255 \text{ кг/ч}\) NH3. 3. Учтем потери реагентов (1% от теоретически необходимого). * Фактический расход HNO3 (100%): \(15747 \text{ кг/ч} \cdot 1,01 = 15904,47 \text{ кг/ч}\)