Идентифицировать по молекулярной массе вредную примесь, если навеску вещества m=0,5 г при температуре toC спарили в объем V=1 л при давлении Р. Результаты подтвердить расчетом молекулярной рефракции R и сравнением с опытной величиной, приведенной в таблице.
2. В вентиляционных газах парциальное давление вещества А равно Рраб. Дать токсикологическую характеристику вещества А, согласно данным, приведенным в приложении 1 и справочнике и сделать вывод о необходимости очистки вентиляционных газов.
3. Очистку венгазов произвести методом каталитического окисления веещства А при температуре tок = 4000С Описать термические методы обезвреживания газовых выбросов, природу катализаторов для процессов окисления, что может происходить с азотом в этих процессах.
4. Рассчитать константу равновесия k. Исходные данные и промежуточные результаты свести в табл. 3.1.
5. Вычислить равновесную концентрацию примеси при окислении ее в воздухе.
6. Рассчитать кинетику каталитического окисления вещества А по экспериментальным данным, приведенным в табл. 3 и 4.
t =770C, P = 24,2 кПа, Рраб. = 124 Па (Т =298 К), R = 12,97.
Решение
Молярная масса вещества:
М= mRTPV=0,5·8,314·(77+273)24,2·103·1·10-3=60,1 г/моль
Близкую молекулярную массу имеют вещества: уксусная кислота, пропиловый и изопропиловый спирт.
уксусная кислота пропиловый спирт изопропиловый спирт
Уточняем формулу вещества, рассчитывая его молекулярную рефракцию и сравнивая расчетные значения с опытной величиной R = 12,96.
Методом аддитивности рассчитываем молекулярную рефракцию для каждого из соединений:
Для уксусной кислоты:
R = 2RC + 4RH + RO(ОН) + RO(С=О) = 2·2,418 + 4·1,100 + 1,525 + 2,211 = 12,972
Для пропилового спирта:
R = 3RC + 8RH + RO(ОН) = 3·2,418 + 8·1,100 + 1,525 = 17,087.
Таким образом, рассчитанное значение молекулярной рефракции совпадает со значением этого параметра для уксусной кислоты. На основании чего мы делаем вывод, что вредной примесью является уксусная кислота.
Находим мольно-объемную концентрацию вещества А в воздухе:
С=РRT=1248,314·298=0,050мольм3=50 ммоль/м3
В справочнике приведены данные по влиянию вредных веществ на организм человека. Часть этих данных в виде предельно-допустимых концентраций (ПДК) помещена в прилоении 1. Так для уксусной кислоты ПДК в воздухе 5,0 мг/м3 = 5,0/60 = 0,083 ммоль/м3; ПДК в воде 1 мг/л.
Таким образом, концентрация уксусной кислоты в воздухе превышает ПДК в 600 раз, поэтому вентиляционные газы нужно очистить от испаряющихся из реактора веществ.
Уравнение реакции окисления вещества А:
С2Н4О2 +2О2 = 2СО2 + 2Н2О
Для расчёта изменения энтальпии и энтропии реакции при стандартных условиях воспользуемся следствием из закона Гесса:
∆H0298= 2∆H0f,298(H2O)+ 2∆H0f,298(CO2) -2∆H0f,298(O2)- ∆H0f,298(С2Н4O2) =
=2(-242)+2(-394)-2·0-(-437) = -833,77 кДж/моль
∆S0298 = 2∆S0298(H2O) + 2∆S0298(CO2) - 2∆S0298(O2) - ∆S0298(С2Н4O2) = 2·189+2·214 -2·205-240 = 154,62 Дж/моль·К
Аналогично находим изменение стандартной теплоемкости веществ:
∆Срср = 2∆Срср(H2O)+ 2∆Срср (CO2)-2∆Срср(O2) - ∆Срср(С2Н4O2) = 2·36+2·45 + -2·31-92,5 = 7,5 Дж/моль·К
Для расчёта изменения энтальпии при температуре окисления - 400 оС или 673 К воспользуемся уравнением:
∆H0673 = ∆H0298 +∆Cpcp(T-298) = -833770 +7,5(673-298) =-879777 Дж/моль
= -879,777 кДж/моль
Для расчета изменения энтропии, воспользуемся уравнением:
∆S0673 = ∆S0298 +∆Cpcpln(T/298) = 154,62+7,5·ln(673/298) = 160,730 Дж/моль·К
Рассчитываем химическое сродство, используя уравнение Гиббса-Гельмгольца:
∆G0298 = ∆H0298 -Т·∆S0298
при стандартных условиях:
∆G0298 = ∆H0298 -Т·∆S0298 = 833,77-298·154,62·10-3 = -879,777 кДж/моль
При температуре процесса, 673 К:
G0673 = H0673 - TS0673 = -830,888-673·160,73·10-3 = -939,059 кДж/моль
Таким образом, ∆G0673<<0 и проектируемый процесс протекает в необходимом направлении
.
Кр(673) = exp(-∆G0298/RT) = exp(939059/(8,314·298)) = 4,05·10164
Т а б л и ц а 3.1 Термодинамические характеристики изучаемой реакции
вещество ni
H0f,298, кДж/моль S0298, Дж/(моль·К) Cpcp Дж/(моль·К)
С2Н4О2 1 -437 240 92,5
О2(г) 2 0 205,03 31
СО2(г) 2 -393,51 213,6 45
Н2О(г) 2 -241,84 188,74 36
H0298, кДж/моль -833,77
H0748, кДж/моль -830,888
S0298, Дж/(моль·К) 154,62
S0Т, Дж/(моль·К) 160,730
Cpcp Дж/(моль·К) 7,5
G0298, кДж/моль -879,777
G0Т, кДж/моль -939,059
Kp Т
4,05·10164
Термические методы (методы прямого и каталитического сжигания) применяют для обезвреживания газовых промышленных выбросов. Метод прямого сжигания применяется для обезвреживания газов содержащих легкоокисляющиеся органические примеси, например пары углеводородов. При этом, продуктами сгорания углеводородов являются вода и диоксид углерода, а органических сульфидом – кроме того еще и диоксид серы. Преимуществом метода является простота аппаратуры, универсальность использования. Недостатки: дополнительный расход топлива при сжигании низко-концентрированных газов, а также необходимость дополнительной абсорбционной или адсорбционной очистки газов после сжигания.
Каталитические методы очистки газов основаны на гетерогенном катализе и служат для превращения примесей в безвредные или легко удаляемые из газа соединения. Достоинством метода является то, что он дает высокую степень очистки при малых концентрациях удаляемых примесей. Недостатком метода является образование новых веществ, которые надо удалять из газа методами абсорбции или адсорбции.
Окисление вредной примеси происходит в воздухе. При этом в воздухе содержится компоненты этой реакции в следующих примерных объемных или мольных долях:
кислород – 20,8%
углекислый газ – 0,03%
водяной пар – 2%.
Перейдем к мольно-объемным концентрациям:
При атмосферном давлении 101,3 кПа и температуре 673 К получим:
СО2=РRT=1013008,314·6730,208=3,77мольм3
ССО2=1013008,314·6730,0003=0,0055мольм3
СН2О=1013008,314·6730,02=0,36мольм3
В ходе реакции окисления состав воздуха будет изменяться, так как кислород расходуется на окисление, а количество углекислого газа и воды возрастает за счет продуктов реакции
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24.
