Массы реагентов для получения кислоты
Какие массы водорода, азота и кислорода необходимо затратить для получения 150,8 кг азотной кислоты, если выход в реакции синтеза аммиака составляет 70%, в реакции каталитического окисления аммиака до оксида азота(II) – 90%, в реакции окисления оксида азота(II) до оксида азота(IV) – 100% и в реакции оксида азота(IV) с водой и кислородом – 95%?
Дано
`m(HNO_3) = 150.8 text{ кг}`
`η(NH_3) = 70%`
`η(NO) = 90%`
`η(HNO_3) = 95%`
Найти
`m(H_2) = text{ ?}`
`m(N_2) = text{ ?}`
`m(O_2) = text{ ?}`
Решение
Запишем уравнения реакций:
`N_2 + 3H_2 = 2NH_3`
`4NH_3 + 5O_2 = 4NO + 6H_2O`
`2NO + O_2 = 2NO_2`
`4NO_2 + O_2 + 2H_2O = 4HNO_3`
Найдём количество вещества азотной кислоты:
`n(HNO_3) = (m(HNO_3))/(M(HNO_3)) = 150.8/63 = 2.394 text{ кмоль}`
Согласно четвёртому уравнению, количество NO₂ равно количеству HNO₃:
`n(NO_2) = n(HNO_3) = 2.394 text{ кмоль}`
С учётом выхода 95% найдём теоретическое количество NO₂:
`n_text{теор.}(NO_2) = (100*n(NO_2))/(η(HNO_3)) = (100*2.394)/95 = 2.52 text{ кмоль}`
Согласно третьему уравнению, количество NO равно количеству NO₂:
`n(NO) = n_text{теор.}(NO_2) = 2.52 text{ кмоль}`
С учётом выхода 90% найдём теоретическое количество NO:
`n_text{теор.}(NO) = (100*n(NO))/(η(NO)) = (100*2.52)/90 = 2.8 text{ кмоль}`
Согласно второму уравнению, количество NH₃ равно количеству NO:
`n(NH_3) = n_text{теор.}(NO) = 2.8 text{ кмоль}`
С учётом выхода 70% найдём теоретическое количество NH₃:
`n_text{теор.}(NH_3) = (100*n(NH_3))/(η(NH_3)) = (100*2.8)/70 = 4 text{ кмоль}`
Согласно первому уравнению, количество N₂ в 2 раза меньше количества NH₃:
`n(N_2) = (n_text{теор.}(NH_3))/2 = 4/2 = 2 text{ кмоль}`
Найдём массу азота:
`m(N_2) = n(N_2)*M(N_2) = 2*28 = 56 text{ кг}`
Согласно первому уравнению, количество H₂ в 3 раза больше количества N₂:
`n(H_2) = 3*n(N_2) = 3*2 = 6 text{ кмоль}`
Найдём массу водорода:
`m(H_2) = n(H_2)*M(H_2) = 6*2 = 12 text{ кг}`
Найдём количество O₂, необходимое для второй реакции:
`n_1(O_2) = (5*n_text{теор.}(NO))/4 = (5*2.8)/4 = 3.5 text{ кмоль}`
Найдём количество O₂, необходимое для третьей реакции:
`n_2(O_2) = (n(NO))/2 = 2.52/2 = 1.26 text{ кмоль}`
Найдём количество O₂, необходимое для четвёртой реакции:
`n_3(O_2) = (n(NO_2))/4 = 2.394/4 = 0.5985 text{ кмоль}`
Найдём общее количество O₂:
`n(O_2) = n_1(O_2) + n_2(O_2) + n_3(O_2) = 3.5 + 1.26 + 0.5985 = 5.359 text{ кмоль}`
Найдём массу кислорода:
`m(O_2) = n(O_2)*M(O_2) = 5.359*32 = 171.5 text{ кг}`
Ответ
`m(H_2) = 12 text{ кг}`
`m(N_2) = 56 text{ кг}`
`m(O_2) = 171.5 text{ кг}`