Reforming và không khí: giải ngược dây chuyền bằng bảo toàn
Theo dõi methane, hơi nước, carbon monoxide, hydrogen và nitrogen qua từng giai đoạn. Tìm hiệu suất chuyển hóa từ tỉ lệ khí cuối, kiểm tra lượng hơi nước và…
LUKATO HIỂU BẢN CHẤT · TỰ DỰNG LỜI GIẢI
CHUYÊN ĐỀ TƯ DUY HÓA HỌC THPT
Qua nhiều tháp. Giữ một sổ vật chất.
Theo dõi methane, hơi nước, carbon monoxide, hydrogen và nitrogen qua từng giai đoạn. Tìm hiệu suất chuyển hóa từ tỉ lệ khí cuối, kiểm tra lượng hơi nước và giới hạn mô hình.
8 bí quyết có điều kiện 3 phòng thí nghiệm Tự kiểm tra có giải thích
Đọc các ô theo thứ tự. Sơ đồ biểu diễn quan hệ bảo toàn, không mô phỏng tốc độ phản ứng.
Chuyên đề độc lập · mô hình và giới hạn được nêu rõ.
01
LUKATO · HÓA HỌC THPT
Nhìn đúng đại lượng
Người đi kèm quyết định đáp số
Không khí được thêm để tiêu thụ phần methane còn lại, nhưng nitrogen trong không khí đi xuyên qua mô hình đến dòng khí cuối. Vì vậy tỉ lệ hydrogen với nitrogen giúp tìm ngược phần methane đã reforming trước đó.
Dành cho THPT vận dụng cao: lập bảng từng dòng, dùng hệ số phản ứng và kiểm tra giới hạn. Đây là dây chuyền lượng chất lý tưởng của bài tập, không phải một thiết kế nhà máy đầy đủ.
Quy ước gốc tính
Lấy methane đầu bằng một mol và hơi nước bằng ba mol. H là phần methane chuyển hóa ở giai đoạn reforming, nằm từ 0 đến 1. Nếu đề gọi hiệu suất h%, thì H bằng h chia 100. Không dùng số 39,8 làm phần chuyển hóa 39,8 mol trên một mol đầu.
Hiệu chỉnh từ ngữ của phản ứng
Phản ứng tạo CO và hydrogen dưới đây là oxi hóa một phần methane. Cụm từ “tiêu thụ hết methane còn lại” nói về mức chuyển hóa methane, không có nghĩa oxi hóa hoàn toàn thành carbon dioxide và nước. Luôn đọc sản phẩm và hệ số phản ứng thay vì chỉ đọc chữ “cháy”.
02
LUKATO · HÓA HỌC THPT
Bộ công cụ nền
Bốn khối của mô hình
C H 4 + H 2 O ⟶ CO + 3 H 2
Giai đoạn 1: phản ứng reforming được mô hình hóa bởi mức chuyển hóa H; ta không giải cân bằng nhiệt động ở đây.
2C H 4 + O 2 ⟶ 2CO + 4 H 2
Giai đoạn 2: cấp vừa đủ oxygen cho nhánh oxi hóa một phần đã cho, tiêu thụ toàn bộ methane còn lại. Không xét phản ứng phụ của hydrogen hoặc carbon monoxide với oxygen.
CO + H 2 O ⟶ C O 2 + H 2
Giai đoạn 3: chuyển toàn bộ CO theo giả thiết shift hoàn toàn. Hơi nước phải đủ nhưng không tự ý cộng thêm khi dòng trước đã có đủ.
Giai đoạn 4: làm lạnh, loại toàn bộ carbon dioxide và hơi nước dư, không làm mất hydrogen hay nitrogen. Dòng khí cuối của mô hình chỉ còn hai thành phần này.
Không khí: hai vai trò khác nhau
n O 2 = 2 1 − H , n N 2 = 21 79 n O 2 = 42 79 ( 1 − H )
Không khí trong bài được lý tưởng hóa chỉ có 79% nitrogen và 21% oxygen theo thể tích, tức theo mol ở cùng điều kiện khí lý tưởng. Oxygen tham gia phản ứng; nitrogen không phản ứng trong bốn khối đang xét.
Mức chuyển hóa khác hiệu suất sản phẩm
H = n C H 4 , ban dau n C H 4 , phan ung buoc 1
H mô tả riêng giai đoạn reforming. Nó không phải độ tinh khiết khí cuối, hiệu suất tổng hợp ammonia hay phần methane tiêu thụ toàn dây chuyền; giai đoạn 2 sẽ tiêu thụ phần methane còn lại theo giả thiết.
03
LUKATO · HÓA HỌC THPT
8 bí quyết có điều kiện
BÍ QUYẾT 01
Chọn gốc một mol
Quy tắc: Chuẩn hóa methane đầu thành một mol và giữ mọi dòng theo gốc này.
Vì sao: Mọi lượng tỉ lệ cùng hệ số, nên tỉ số cuối không đổi theo quy mô.
Điều kiện: Không có dòng thêm methane ở các bước sau.
Giới hạn / ngoại lệ: Muốn báo khối lượng sản phẩm thật phải nhân lại lượng methane đầu.
BÍ QUYẾT 02
Tách phần đã phản ứng và phần còn lại
Quy tắc: Reforming dùng H; oxi hóa một phần dùng một trừ H.
Vì sao: Hai nhánh cùng xuất phát từ methane ban đầu.
Điều kiện: Toàn bộ phần còn lại đi vào phản ứng giai đoạn 2 đã cho.
Giới hạn / ngoại lệ: Nếu có methane thoát hoặc nhánh phụ, sổ dòng cần thêm biến.
BÍ QUYẾT 03
Mang nitrogen đi cùng oxygen
Quy tắc: Cấp oxygen bao nhiêu thì tính nitrogen đi kèm theo thành phần không khí.
Vì sao: Dòng không khí không phải oxygen tinh khiết.
Điều kiện: Mô hình không khí chỉ gồm nitrogen và oxygen theo tỉ lệ đã cho.
Giới hạn / ngoại lệ: Nếu dùng oxygen tinh khiết hoặc cấp nitrogen riêng, phương trình cuối thay đổi.
BÍ QUYẾT 04
Đọc sản phẩm để phân biệt oxi hóa
Quy tắc: Dùng phản ứng tạo CO và hydrogen như đề giả định.
Vì sao: Oxi hóa hoàn toàn sẽ cho hệ số và dòng hydrogen khác.
Điều kiện: Giai đoạn 2 chọn lọc theo phản ứng đã nêu.
Giới hạn / ngoại lệ: Trong nhà máy thực, nhiều phản ứng có thể cạnh tranh; mô hình đơn tuyến không thay thế thiết kế thực.
BÍ QUYẾT 05
Tìm bất biến carbon monoxide
Quy tắc: Sau giai đoạn 2, số mol CO bằng một trên gốc một mol methane.
Vì sao: Mỗi methane của cả hai nhánh tạo một CO.
Điều kiện: Không tạo muội, carbon dioxide ở nhánh khác hay mất carbon.
Giới hạn / ngoại lệ: Nếu nhánh carbon khác xuất hiện, không giữ bất biến này tùy ý.
BÍ QUYẾT 06
Kiểm tra hơi nước trước khi bổ sung
Quy tắc: Sau reforming còn ba trừ H mol hơi nước; shift cần một mol.
Vì sao: Lượng nước có sẵn có thể đáp ứng giai đoạn sau.
Điều kiện: Dòng nước từ giai đoạn 1 được giữ đến shift.
Giới hạn / ngoại lệ: Nếu giữa hai bước có tách nước hoặc mất hơi nước, phải tính lại.
BÍ QUYẾT 07
Lập tỉ lệ đúng sau tháp loại bỏ
Quy tắc: Chỉ dùng hydrogen và nitrogen còn trong dòng cuối để lập tỉ lệ.
Vì sao: carbon dioxide và nước đã bị loại; chúng không thuộc mẫu số khí cấp cuối.
Điều kiện: Tháp loại hoàn toàn hai chất và không làm mất hai khí đích.
Giới hạn / ngoại lệ: Tách không hoàn toàn hoặc hấp thụ mất hydrogen/nitrogen cần hiệu chỉnh.
BÍ QUYẾT 08
Thử hai đầu miền chuyển hóa
Quy tắc: Kiểm tra H bằng 0, tiến tới 1 và nghiệm nằm trong đoạn hợp lệ.
Vì sao: Tỉ lệ mục tiêu không phải lúc nào cũng đạt được bằng một tham số H.
Điều kiện: Lượng nitrogen không âm và tỉ lệ được định nghĩa khi nitrogen dương.
Giới hạn / ngoại lệ: H bằng 1 không cần không khí nên nitrogen bằng không; tỉ lệ hydrogen/nitrogen không còn hữu hạn.
04
LUKATO · HÓA HỌC THPT
Giải mẫu và kiểm tra
Sau bước · methane · CO · hydrogen · hơi nước · nitrogen
Nạp đầu · 1 · 0 · 0 · 3 · 0
Reforming · 1 − H · H · 3 H · 3 − H · 0
Oxi hóa một phần · 0 · 1 · 2 + H · 3 − H · 42 79 ( 1 − H )
Shift · 0 · 0 · 3 + H · 2 − H · 42 79 ( 1 − H )
Loại carbon dioxide và nước · 0 · 0 · 3 + H · 0 · 42 79 ( 1 − H )
Tìm ngược mức chuyển hóa reforming
Dòng cuối cần tỉ lệ mol nitrogen:hydrogen bằng 1:3. Vì thế hydrogen bằng ba lần nitrogen:
3 + H = 3 × 42 79 ( 1 − H )
42 ( 3 + H ) = 237 ( 1 − H ) , 279 H = 111
H = 93 37 ≈ 0.3978494624 , h ≈ 39.8%
Chỉ làm tròn ở cuối. Đáp số là mức chuyển hóa của bước 1, không phải hiệu suất thực của toàn nhà máy.
Kiểm tra theo từng dòng tại nghiệm
n CO , sau buoc 2 = 1 mol , n H 2 , cuoi = 93 316 mol
n N 2 , cuoi = 279 316 mol , n N 2 n H 2 = 3
n H 2 O , truoc shift = 3 − H = 93 242 > 1 mol
n H 2 O , sau shift = 2 − H = 93 149 mol
Nước sẵn có đủ cho shift, nên lượng bổ sung tối thiểu là không trong mô hình dòng liên tục không tách nước giữa hai bước. Một mô tả “bổ sung vừa đủ” có thể dùng cho điều kiện khác, nhưng không ép nó thành lượng dương khi cân bằng đã cho đủ nước.
Biến thể · Thành phần khí cấp thay đổi
Gọi φ là phần mol oxygen trong khí cấp; phần còn lại chỉ là nitrogen. Gọi R là tỉ lệ hydrogen/nitrogen yêu cầu:
n N 2 = 2 φ 1 − φ ( 1 − H )
H = R ( 1 − φ ) + 2 φ R ( 1 − φ ) − 6 φ
Với φ giữa 0 và 1, chỉ chấp nhận nghiệm H trong miền chuyển hóa. Đây là biến thể toán học của mô hình khí cấp hai thành phần; không gán một thành phần tùy ý là không khí tự nhiên.
05
LUKATO · HÓA HỌC THPT
3 phòng thí nghiệm
PHÒNG THÍ NGHIỆM 01
Theo dõi dòng khí từng bước
Đổi phần methane chuyển hóa ở reforming. Gốc tính một mol methane, ba mol hơi nước; khí cấp có 21% oxygen và 79% nitrogen. Tỉ lệ cuối chỉ tồn tại khi nitrogen dương.
Mức chuyển hóa reforming
Hydrogen cuối mol / mol methane đầu
Nitrogen cuối mol / mol methane đầu
Tỉ lệ hydrogen / nitrogen lần
Các thanh thể hiện mol sau từng bước, không mô tả tốc độ hoặc nhiệt độ của nhà máy.
PHÒNG THÍ NGHIỆM 02
Đặt tỉ lệ cuối, tìm ngược bước đầu
Thay mục tiêu hydrogen/nitrogen và phần oxygen của khí cấp giả định hai thành phần. Nghiệm ngoài miền chuyển hóa được báo không đạt theo mô hình này.
Tỉ lệ hydrogen / nitrogen mục tiêu Oxygen trong khí cấp giả định
Reforming cần đạt %
Nitrogen ở nghiệm mol / mol methane đầu
Khả thi của mục tiêu kiểm tra
Không khí gốc là trường hợp oxygen 21%. Các giá trị khác là khí cấp biến thể, không phải dữ kiện khí quyển.
PHÒNG THÍ NGHIỆM 03
Từ khí cấp đến sản phẩm lý thuyết
Giữ tỉ lệ khí cuối 1:3 tại nghiệm gốc. Đổi số mol methane đầu và phần khí đích thực sự chuyển thành ammonia trong một mô hình không có phản ứng phụ. Không dùng h của reforming làm hiệu suất ammonia.
Methane đầu Phần khí phản ứng thành ammonia
Ammonia tối đa theo lượng khí mol
Ammonia theo mức phản ứng chọn g
Hydrogen còn lại mol
Phản ứng tổng hợp được tính bằng mol theo tỉ lệ lý tưởng. Giá trị lựa chọn không khẳng định hiệu suất vận hành thực tế.
06
LUKATO · HÓA HỌC THPT
Dự đoán trước lời giải
DỰ ĐOÁN 01
Reforming chuyển hóa phần H. Methane còn cho bước 2 là bao nhiêu trên gốc một mol?
Chưa chọn. Hãy dự đoán trước khi đọc giải thích.
DỰ ĐOÁN 02
Phản ứng bước 2 đã cho cần bao nhiêu oxygen trên mỗi mol methane còn lại?
Chưa chọn. Hãy dự đoán trước khi đọc giải thích.
DỰ ĐOÁN 03
Sau bước 2, CO có bao nhiêu mol trên gốc một mol methane đầu?
Chưa chọn. Hãy dự đoán trước khi đọc giải thích.
DỰ ĐOÁN 04
Hydrogen sau shift hoàn toàn bằng gì?
Chưa chọn. Hãy dự đoán trước khi đọc giải thích.
DỰ ĐOÁN 05
Với ba mol hơi nước đầu, có cần bổ sung nước dương để shift một mol CO không?
Chưa chọn. Hãy dự đoán trước khi đọc giải thích.
DỰ ĐOÁN 06
Tỉ lệ khí cuối 1:3 của nitrogen:hydrogen cho mức reforming gần bao nhiêu?
Chưa chọn. Hãy dự đoán trước khi đọc giải thích.
DỰ ĐOÁN 07
Ở H bằng 1, tỉ lệ hydrogen/nitrogen hữu hạn còn được xác định không?
Chưa chọn. Hãy dự đoán trước khi đọc giải thích.
DỰ ĐOÁN 08
Tăng gấp đôi lượng methane đầu, giữ mọi tỉ lệ và điều kiện. Điều gì đúng?
Chưa chọn. Hãy dự đoán trước khi đọc giải thích.
07
LUKATO · HÓA HỌC THPT
Gỡ ngộ nhận
GỠ NGỘ NHẬN 01
Hiệu suất 39,8% nghĩa là còn 60,2% methane ở cuối dây chuyền
Phần methane còn sau bước 1 được tiêu thụ ở bước 2 theo giả thiết. H chỉ mô tả bước đầu.
GỠ NGỘ NHẬN 02
Tiêu thụ hết methane nghĩa là oxi hóa hoàn toàn
Mức chuyển hóa hết chất và dạng sản phẩm oxi hóa là hai khái niệm. Phản ứng trong bài tạo CO và hydrogen.
GỠ NGỘ NHẬN 03
Không khí chỉ mang oxygen
Nitrogen đi kèm là thành phần quyết định tỉ lệ khí cuối trong bài.
GỠ NGỘ NHẬN 04
Cứ có bước bổ sung là phải thêm nước dương
Phải kiểm tra lượng đã có. Dòng hơi nước đầu đủ cho cả reforming và shift theo sổ mol.
GỠ NGỘ NHẬN 05
CO sau bước 2 vẫn bằng H
Cộng CO từ cả hai nhánh; tổng bằng một trên gốc một mol methane.
GỠ NGỘ NHẬN 06
Loại carbon dioxide và nước làm mất mọi khí theo cùng tỉ lệ
Mô hình giả định tách chọn lọc hai chất đó và giữ hydrogen/nitrogen. Không tự thêm hao hụt chưa được cho.
GỠ NGỘ NHẬN 07
Mức reforming là hiệu suất tổng hợp ammonia
Hai bước khác nhau và có định nghĩa lượng phản ứng khác nhau. Không tráo hai tỉ lệ.
GỠ NGỘ NHẬN 08
Một sổ mol lý tưởng đủ thiết kế nhà máy
Thiết kế thực còn cần cân bằng, động học, nhiệt, tạp chất, phản ứng phụ và thiết bị. Bài này chỉ rèn lượng chất theo các giả thiết rõ ràng.
08
LUKATO · HÓA HỌC THPT
Chuyển giao và tự kiểm tra
Chuyển giao 1 · Nếu chỉ nạp một mol nước đầu
Sau reforming còn một trừ H mol nước, nhưng shift vẫn cần một mol. Nếu không tách nước và các bước khác giữ nguyên, lượng nước bổ sung tối thiểu là H mol trên gốc một mol methane. So với bài chính, khác biệt đến từ lượng nước đầu, không từ một công thức mới.
Chuyển giao 2 · Mục tiêu hydrogen / nitrogen bằng một với khí cấp 21% oxygen
R m i n = 0.79 6 × 0.21 ≈ 1.5949367
Tại H bằng 0, tỉ lệ đã lớn hơn một. Tăng H còn tăng hydrogen và giảm lượng nitrogen đi cùng không khí. Vì vậy mục tiêu bằng một không đạt bằng cách chỉ thay H trong mô hình này; cần thay thành phần hoặc cách cấp khí.
Tự kiểm tra cuối bài
Bạn có thể dựng bảng từng dòng, kiểm tra carbon và hydrogen, giải thích nitrogen đi kèm, phân biệt hai dạng oxi hóa, tính nước có sẵn và nhận biết mục tiêu ngoài miền khả thi không?
LUKATO · HỌC ĐỂ TỰ GIẢI
Giữ đúng đại lượng, đúng đơn vị và đúng điều kiện. Một phép tính đẹp chỉ có ý nghĩa khi mô hình phù hợp.