Общая химическая технология

Тип работы:
Контрольная
Предмет:
Химия


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

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 + Н2Ог

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

Дано. Имеется реакция Са (ОН)2 = СаО + Н2Ог

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

Решение:

Из справочных данных находим стандартные энтальпии образования

Нообр(Са (ОН)2) = -986,6;

Нообр (СаО) = - 635,5 кДж/моль;

Нообр2О)(г) = - 241,82 кДж/моль.

Тепловой эффект данной химической реакции рассчитываем по формуле:

Нореакции==Нообр(СаО) + Нообр2О)(г)ообр(Са (ОН)2)

Нореакции = - 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; Нореакции = -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:

Нсгор глицерина рассчитываем по формуле Менделеева:

Qв = 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 3·12г, что составляет С

Откуда С =3·12·100/92=0,39

Аналогично находим содержание водорода и кислорода

Н=0,087; O=0,52

Qв = 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:

С3Н8О3 (ж) + 3,5O2 = 3CO2 + 4H2O(ж) + 1700 кДж/моль

Запишем выражение для теплового эффекта реакции при условии, что

Нообр2)=0

-1701кДж/моль = 3Нообр(СО2) +4Нообр2О(ж)) -Нообр С3Н8О3.

откуда

Нообр 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 давленииНообр 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

Тконд = 351 К

Ткрист = 159 К

= 72 Дж/моль,К,

= 111 Дж/моль,К,

= 158 Дж/моль. К,

Нкрист = 4,81 кДж/моль,

Нконд = 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:

Sобщ =

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 Uo, Ho, Ao, Go и So при стандартных условиях и 298,2 К для реакций Са (ОН)2 = СаО + Н2Ог

Дано: Имеется реакция Са (ОН)2 = СаО + Н2Ог

Решение:

Из справочных данных находим стандартные энтальпии, энтропии образования

ДНообр(Са (ОН)2) = -986,6 кДж/моль; ДSообр(Са (ОН)2) = 76,1 Дж/моль К

ДНообр (СаО) = - 635,5 кДж/моль; ДSообр (СаО) = 39,7 Дж/моль К

ДНообр2О)(г) = - 241,82 кДж/моль. ДSообр2О)(г) = 188,72 Дж/моль К

Тепловой эффект данной химической реакции рассчитываем по формуле:

ДНореакции==ДНообр(СаО) + ДНообр2О)(г)-Д Нообр(Са (ОН)2)

ДНореакции = - 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 Sореакции

Sореак = Sообр(СаО) + Soобр2О)г -Sообр (Са (ОН)2)

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

Затем вычисляем свободную энергию Гиббса

Goреакореак-ТSореак= -1380,28 + 298,2·152,32: 1000 = - 1335 кДж/моль.

Теперь рассчитаем свободную энергию Гельмгольца

Aореакции = Goреакции — n RT = - 1335 -= -1337 кДж/моль.

Ответ: при стандартных условиях и 298,2 К

ДНореак= -1380,28 кДж/моль

U реак = -1382,76 кДж/моль.

Aореак= -1337 кДж/моль.

Goреак= - 1335 кДж/моль.

Sореак = 152,32 Дж/моль К.

тепловой реакция глицерин этанол

Задача 5

На основании справочных данных и Но0 определить константу равновесия Кр реакции NO2 = NO + 0,5O2 при температуре 800 К.

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

Решение:

Из справочника находим:

NO2

NO

O2

, Дж/моль· К

-242,4

— 210

-205,2

Ноо, кДж/моль

36,3

89,9

0

Далее находим:

= кон.  — нач,

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

Ноо реакции = Ноо кон — Ноо нач = 89,9 — 36,3= 53,6 кДж/моль;

lgKp(атм.) = -=

Кр = 1,47

Ответ: Константа равновесия Кр при температуре 800 К равна Кр = 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:

Сырье

Продукт

Расход сырья, кг/ч

Диаметр реактора, м

Высота реактора, м

Конверсия сырья, % масс.

Выход продукта, % масс.

Пропен

акролеин

40 000

3,2

16,8

50

84

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

Мпропена=

Тогда теоретическая масса кислорода составит:

Мкисл. = 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

Vвозд = 308: 0,23 = 1339 м3

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

Кпропена = 560: 0,84 = 667 кг/т =0,667 т/т

Квозд = 1339: 0,84 = 1594 м3/т = 2,06т/т

Масса 1 м3 воздуха 0,129 т

6. Объем реактора составит:

Vр = 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/м3 . ч

Ответ:

Расходные коэффициенты по пропену и воздуху:

Кпропена = 0,667 т/т

Квозд = 2,06т/т

Объем воздуха необходим для проведения процесса Vвозд = 1339 м3

Интенсивность работы реактора по метану И = 296 кг/м3 . 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:

СН4

С2Н6

С3Н8

С4Н10

С5Н12

86,8

4,5

3,0

2,0

3,2

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:

Мкисл. = 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:

Хметана = 206: 35 = 5,886

Аналогично рассчитаем соотношения тепловых эффектов конверсии остальных компонентов природного газа.

Хэтана = 348: 136,3 = 2,553

Хпропана = 499: 227,5 = 2,193

Хбутана = 651: 317 = 2,054

Хпентана = 813: 396 = 2,053

18. Средневзвешенное соотношение тепловых эффектов в процессе равно:

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

Хср = 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:

Жесткость воды, ммоль-экв. /л

Объем воды, л

кальциевая

магниевая

4,3

3,5

150

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

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой