Một nhà máy sản xuất urea sử dụng quy trình Haber-Bosch: N2(g) + 3H2(g) ⇋ 2NH3(g) để sản xuất ammonia. Giai đoạn sản xuất khí hydrogen bằng phản ứng của khí methane và hơi nước được thực hiện theo phương trình hóa học (1) như sau:
CH4(g) + H2O(g) → CO(g) + 3H2(g) (1)
Phản ứng (1) là phản ứng thu nhiệt mạnh. Lượng nhiệt này được cung cấp từ quá trình đốt cháy khí methane theo phương trình hóa học (2):
CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g) (2)
Xét các phản ứng ở điều kiện chuẩn và hiệu suất chuyển hóa của methane ở phản ứng (1) là 95%. Tính khối lượng khí methane (theo tấn, làm tròn đến hàng phần mười) cần thiết để sản xuất 3,40 tấn NH3(g) trong giai đoạn trên. Biết 84% lượng nhiệt tỏa ra từ phản ứng (2) được cung cấp cho phản ứng (1) và các giá trị nhiệt tạo thành của các chất ở điều kiện chuẩn được cho trong bảng sau:
Chất………. CH4(g)…. CO2(g)…. CO(g)…. H2O(g)…. NH3(g)
……-74,6….. -393,5…… -110,5…. -241,8……. -45,9
Câu trả lời tốt nhất
Để có 3,40 tấn NH3 thì cần mH2 = 3,4.3.2/(17.2) = 0,6 tấn
(Lưu ý: Hiệu suất tổng hợp NH3 thấp nhưng nhờ chu trình quay vòng khép kín nên gần như toàn bộ N2, H2 sẽ chuyển hóa thành NH3).
mCH4(1) = 0,6.16/(3.2.95%) = 32/19 tấn
(1) = -110,5 – (-74,6 – 241,8) = 205,9 kJ
(2) = -393,5 – 241,8.2 – (-74,6) = -802,5 kJ
mCH4(2) = x (tấn). Quá trình chuyển hóa năng lượng:
84%.802,5x/16 = 0,6.205,9/(2.3) —> x = 0,48871 tấn
mCH4 tổng = 32/19 + 0,48871 = 2,2 tấn