Noorganik moddalar kimyoviy texnologiyasi

Topshiriq: Sintetik NH₃ ishlab chiqarish uchun mo‘ljallangan, ya’ni vodorod ishlab chiqarishda konvertrlangan gazlarning muvozanat sharoitlardagi tarkibi hisoblansin.
SN₄ ning konversiyasi suv bug‘i va 40% gacha kislorod bilan boyitilgan xavo bilan amalga oshadi, hamda tabiiy gaz, suv bug‘i va xavo komponentlari ya’ni (O₂ va N₂) ning dastlabki aralashmada nisbatlari quyidagicha bo‘lsa:
Dastlabki ma’lumotlar.
1.CH₄:H₂O_(b):O₂:N₂=1:1:0,6:0,9
2. Kullangan xavoning tarkibi.
A) RO₂=40% (x) O₂
B) RN₂=60% (x) N₂
3. Konversiya jarayonining temperaturasi.
T=1100 K (t=827⁰C)
4. Jarayonlarning umumiy bosimi.
R_um=1 atm.
Echilishi.
Bu masalalarni echish uchun tabiiy gazni 2 bosqichli konversiyalash jarayonida ketishi mumkin bo‘lgan kimyoviy reaksiyalarni yozamiz.
SN_{4 (g)}+N₂O_(b)=SO_(g)+N_{2 (g)}-49,3 kkal/g mol
N_{2 (g)}+O_{2 (g)}=2N₂O_(b)+1,5×10⁸ kkal/g mol
SO_(g)+N₂O_(b)=SO_2(g)+9,8 kkal/g mol
Bu masalani echish uchun quyidagi reaksiyalar muvozanat doimiylarini topish tenglamalarini yozamiz.
K m×d.1=Rso×Rn₂ =313
Rsn₄×Rn₂o_(b)
K m×d×2=R²n₂o_(b)=1,5×10¹⁵
R²n₂×Ro₂
K m×d×3=(Rso₂×Rn_2(g))/(Rso×Rn₂o_(b))=0,943
YUqoridagi reaksiyalar muvozanat doimiysi miqdorini solishtirish 1100 K uchun shuni ko‘rsatadiki 2-reaksiya amaliy jihatdan qaytmas ekan va o‘ngga batamom siljigan. SHuning uchun biz muvozanat sharoitlarida gaz aralashmalari tarkibini xisoblashda (1) va (3) kimyoviy reaksiyalardan foydalanamiz. CHunki ular amaliy jihatdan qaytar. SHunday qilib, hosil qilinayotgan gaz fazasida O₂ molekulalari deyarli bo‘lmas ekan. Masalani echish uchun (1) reaksiya bo‘yicha SN₄ ning reaksiyaga kirishayotgan molekulalar sonini b bilan belgilaymiz. (3) reaksiya buyicha SO₂ ga kirishgan molekulalar sonini a bilan belgilaymiz va quyidagi jadvalda reaksiyaga kirishgan va reaksiya jarayonida hosil bo‘lgan kimyoviy moddalar molekulalar sonini, hamda ular ulushli bosimlarini hisoblab ko‘rsatamiz.

SN4	1	1-b	(1-b)/(2b+0,9)=Rsn4
N2O	1	1-b-a+2×0,6	(1-b-a+2×0,6)/(2b+0,9)=Rn2o
O2	0,6	-----	------
SO2	--	a	a/(2b-0,9)=Rso2
SO	--	b-a	(b-a)/(2b+0,9)=Rso
N2	--	3b+a-2×0,6	(3b+a-2×0,6)/(2b+0,9)=Rn2
N2	0,9	0,9	0,9/(2b+0,9)=RN2
Jami	3,5kg/mol	2b+0,9 mol	1

Bu jadvaldagi b, a va boshqa ulushli bosimlarni hisoblash uchun biz jadvaldagi ulushli bosimlar qiymatlarini quyida ko‘rsatilgan kimyoviy reaksiyalar muvozanat doimiysini topish tenglamalariga qo‘yib 2 noma’lumli tenglamalar sistemasini tuzamiz va ularni echib a va b miqdorini xisoblaymiz.

Km.d₁ = (R_SO×R²_N2)/(R_SN4×R_N2O)=(b-a)(3b+a-2×0,6)³×(2b+0,9)(R+0,9)/(2b+0,9)× (2b+0,9)×(1-b)×(1-b-a+2×0,6)=313
Km.d₂=(Rso₂×Rn₂)/(Rso×Rn₂o)=a×(3b+a-2×0,6)×(2b+0,9)×(2b+0,9)/(2b+0,9)× (2b+0,9)×(b-a)×(1-b-a+2×0,6)=0,943
Bu tenglamalar oxiriga 1100 K dagi muvozanat doimiysi mikdorini qo‘llaymiz, natijada 2 noma’lumli tenglamalar sistemasini hosil qilamiz. Biz bu tenglamalarni soddalashtirish va o‘rniga qo‘yish usuli bilan aniqlaymiz.
Natijada b=0,999 kg/mol CH₄ reaksiyaga kirishayotgan, a=0,291 kg/mol SO₂ hosil bo‘lganligini aniqlaymiz. Bu sonlardan foydalanib SN₄ konversiyasi jarayonining muvozanat sharoitidagi quruk gaz tarkibini hisoblab topamiz. Ikki xil o‘lchov birliklarida ya’ni kg/mol va xajmi % da quyidagi jadvalni tuzamiz.

komponentlar	tenglamalar	Kg/mol	%
SN4	1-b	0,001	(0,001*100)/3,988=0,025
SO	b-a	0,708	17,66
SO2	a	0,291	7,315
N2	3b+a-2*0,6	2,088	52,50
N2	0,9	0,9	22,50
jami		3,988	100,00

Metanni xajmini % da topish uchun kg/molni summaga bo‘lib, 100 ga kupaytiramiz. Quyidagi jadvallarda konvertirlangan quruq gazlarning tarkibida keltirilgan, konversiya jarayonida muvozanat sharoitidagi suv bug‘larining miqdorini aniqlaymiz.

N₂O=1- 0,999-0,291+2×0,6=0,91 kg/mol N₂O _(b)
SO gazining suv bug‘i bilan konversiyasi natijasida 1 kg/mol N₂ hosil bo‘ladi. SHuni e’tiborga olgan xolda, textonologik hisoblarda quruq konversiyalangan gaz tarkibidagi SO+N₂ miqdori yig‘indisini azot miqdoriga yig‘indisini aniqlaymiz.
N₁=(CO+H₂)/N₂=(17,66+52,50%)/22,50%=3,12
Bu erda shuni eslamok kerakki СН₄ ni konversiyasi natijasida xosil bo‘lgan SO gazi 1chi konversiyalangandan keyin 2chi konversiyaga xam yuboriladi.
SO+N₂O=SO₂+N₂+Q
1chi tenglamaga muvofik SO ga teng mikdorida N₂ hosil bo‘lishi mumkin. Bu vaqtda hosil bo‘lgan 3,12 soni N₂ ni N₂ ga nisbati NH₃ ishlab chiqarish uchun kerak bo‘lgan nisbatga juda yaqin, chunki sintetik ammiak quyidagi reaksiya orqali ishlab chiqariladi:
3H₂+N₂=2NH₃+Q
va bu erda N₂ ni N₂ ga nazariy nisbatlari
n₂=H₂/N₂=3/1=3,00
bu nazariy reaksiyalar uchun.
Endi bu konvertrlangan gaz tarkibidagi suv bug‘ini quruq gaz aralashmasiga nisbatlarini aniqlaymiz.
n₃=H₂O/summa=0,91/3,988=0,228
Bu oligan natijalar amaliyotdagiga juda yaqin.