Một nhà máy sản xuất ammonia theo phương pháp Haber – Bosch. Để thu được nitrogen (N2) và hydrogen

Câu hỏi số 972606:

Vận dụng

Một nhà máy sản xuất ammonia theo phương pháp Haber – Bosch. Để thu được nitrogen (N₂) và hydrogen (H₂) từ methane, không khí và nước, các giai đoạn chính được thực hiện như sau:

– Giai đoạn 1: Cho hỗn hợp gồm khí methane và hơi nước với tỉ lệ mol tương ứng là 1 : 3,2 qua tháp phản ứng chứa xúc tác ở 900 ^oC, xảy ra phản ứng sau: CH₄(g) + H₂O(g) $\overset{xt,\, 900\,^{o}C}{\rightleftharpoons}$ CO(g) + 3H₂(g)

Hiệu suất chuyển hóa CH₄ ở giai đoạn này là h%.

– Giai đoạn 2: Hỗn hợp thu được sau giai đoạn 1 được trộn với không khí (chứa 80% N₂ và 20% O₂ theo thể tích) để oxi hóa hết methane theo phản ứng: 2CH₄(g) + O₂(g) $\xrightarrow{xt,\,{{t}^{o}}}$ 2CO(g) + 4H₂(g)

– Giai đoạn 3: Trộn hỗn hợp thu được sau giai đoạn 2 với hơi nước dư để oxi hóa hết CO thành CO₂ theo phản ứng: CO(g) + H₂O(g) $\xrightarrow{{{t}^{o}}}$ CO₂(g) + H₂(g)

– Giai đoạn 4: Dẫn hỗn hợp thu được sau giai đoạn 3 vào tháp hấp thụ để tách CO₂ và hơi nước. Hỗn hợp khí còn lại chỉ gồm N₂ và H₂ với tỉ lệ mol tương ứng là 1 : 3 được sử dụng để tổng hợp ammonia.

Coi các phản ứng khác trong các giai đoạn từ 1 đến 4 xảy ra không đáng kể. Xác định giá trị của h (không làm tròn kết quả các phép tính trung gian, chỉ làm tròn kết quả cuối cùng tới hàng phần mười).

Trả lời:

Đáp án đúng là:

Quảng cáo

Xem lời giải

Câu hỏi:972606

Phương pháp giải

- Sử dụng tỉ lệ mol các chất trong các phương trình hóa học của quy trình reforming methane.

- Giả thiết tỉ lệ thể tích (cũng là tỉ lệ mol) của nitrogen ($N_2$) và oxygen ($O_2$) trong không khí là $4 : 1$.

- Thiết lập mối liên hệ giữa lượng methane ($CH_4$) tham gia ở giai đoạn 1 và giai đoạn 2 dựa trên tỉ lệ $N_2 : H_2 = 1 : 3$ ở sản phẩm cuối cùng.

Giải chi tiết

Đặt hỗn hợp đầu: $\left\{ \begin{array}{l} {CH_{4}:1} \\ {H_{2}O:3,2} \end{array} \right.(mol)$

- Gọi số mol $CH_4$ phản ứng ở giai đoạn 1 là $y$ mol.

- Giai đoạn 1: $CH_4(g) + H_2O(g) \xrightarrow{xt, 900^\circ C} CO(g) + 3H_2(g)$

Hỗn hợp khí sau giai đoạn 1: $\left\{ \begin{array}{l} {CO:y} \\ {H_{2}:3y} \\ {CH_{4}du:1 - y} \\ {H_{2}O:3,2 - y} \end{array} \right.(mol)$

Ở giai đoạn 2, đặt số mol $O_2$ phản ứng là x mol.

Vì oxygen được lấy từ không khí nên số mol N₂ đi kèm là 4x mol.

- Giai đoạn 2: $2CH_4(g) + O_2(g) \xrightarrow{xt, t} 2CO(g) + 4H_2(g)$

$n_{CH_{4}(2)} = 2.n_{O_{2}} = 2x(mol);n_{CO}(2) = 2x(mol);n_{H_{2}(2)} = 4x(mol)$

⟹ Tổng số mol $CO$ từ giai đoạn 1 và 2 là: $n_{CO} = y + 2x$ mol.

- Giai đoạn 3: $CO(g) + H_2O(g) \xrightarrow{t} CO_2(g) + H_2(g)$

$n_{H_2(3)} = n_{CO} = y + 2x$ mol.

- Tổng số mol $H_2$ thu được sau giai đoạn 3 là:

$\sum n_{H_2} = n_{H_2(1)} + n_{H_2(2)} + n_{H_2(3)} = 3y + 4x + (y + 2x) = 4y + 6x$ (mol).

- Số mol $N_2$ thu được từ không khí ở giai đoạn 2 là $4x$ mol.

- Theo đề bài, tỉ lệ $n_{N_2} : n_{H_2} = 1 : 3$, ta có:

$\frac{4x}{4y + 6x} = \frac{1}{3} \Rightarrow 12x = 4y + 6x \Rightarrow 6x = 4y \Rightarrow y = 1,5x$.

- Hiệu suất $h\%$ được hiểu là tỉ lệ lượng $CH_4$ phản ứng ở giai đoạn 1 so với tổng lượng $CH_4$ phản ứng ở cả hai giai đoạn:

$h = \frac{n_{CH_4(1)}}{n_{CH_4(1)} + n_{CH_4(2)}} \cdot 100\% = \frac{1,5x}{1,5x + 2x} \cdot 100\% = \frac{1,5}{3,5} \cdot 100\% \approx 42,9\%$.

Đáp án cần điền là: 42,9

Group 2K8 ôn Thi ĐGNL & ĐGTD Miễn Phí

Câu hỏi trước Câu tiếp theo

>> 2K9 Chú ý! Lộ Trình Sun 2027 - 1 lộ trình ôn đa kỳ thi (TN THPT, ĐGNL (Hà Nội/ Hồ Chí Minh), ĐGNL Sư Phạm, ĐGTD, ĐGNL Bộ Công an, ĐGNL Bộ Quốc phòng- Click xem ngay) tại Tuyensinh247.com. Cập nhật bám sát bộ SGK mới, Thầy Cô giáo giỏi, 3 bước chi tiết: Nền tảng lớp 12; Luyện thi chuyên sâu; Luyện đề đủ dạng đáp ứng mọi kì thi.