Question

Одним из методов получения водорода в промышленности является одностадийный процесс автотермального риформинга природного газа. Для этого природный газ смешивают с кислородом и парами воды, а затем полученную газовую смесь пропускают через колонну с нагретым катализатором. При этом как кислород, так и вода превращают метан в СО. Практический выход водорода повышается, если в исходной смеси содержится большее, чем требуется по стехиометрии реакции, количество воды. Для достижения степени конверсии метана в водород, равной 95,0 % (при 980 К), на каждый 1 моль метана следует брать 4 моль воды. Рассчитайте объёмную долю водорода в газовой смеси на выходе реактора при таком соотношении реагентов.

Answer 1

Дано:
- Конверсия метана (X) = 95,0% = 0,95
- Мольное соотношение метана и воды: 1 моль метана на 4 моль воды
- Реакция: CH4 + 2H2O -> CO + 3H2
- Температура (T) = 980 К

Найти:
- Объёмная доля водорода в газовой смеси на выходе реактора.

Решение:

1. Определим количество реагентов:

Пусть n(CH4) = 1 моль (метан)

Тогда для воды:
n(H2O) = 4 * n(CH4) = 4 * 1 = 4 моль

2. Рассчитаем конверсии:

Метан, который прореагировал:
n(CH4)_реагировавший = X * n(CH4) = 0,95 * 1 = 0,95 моль

Остаток метана:
n(CH4)_остаток = n(CH4) - n(CH4)_реагировавший = 1 - 0,95 = 0,05 моль

По уравнению реакции на 1 моль метана образуется 3 моль водорода:
n(H2)_выработанный = 3 * n(CH4)_реагировавший = 3 * 0,95 = 2,85 моль

3. Общее количество продуктов реакции:

Объемные доли зависят от общего количества молей газов:
n(продукты) = n(CH4)_остаток + n(H2O)_остаток + n(CO) + n(H2)

Учитываем, что вся вода не реагирует (в данной модели):
n(H2O)_остаток = n(H2O) - 2 * n(CH4)_реагировавший = 4 - 2 * 0,95 = 2,10 моль

Количество угарного газа (CO) равно количеству прореагировавшего метана:
n(CO) = n(CH4)_реагировавший = 0,95 моль

Теперь подставляем все значения в общее количество:
n(продукты) = 0,05 + 2,10 + 0,95 + 2,85 = 6,00 моль

4. Объемная доля водорода (Y_H2):

Y_H2 = n(H2) / n(продукты) = n(H2)_выработанный / n(продукты)

Y_H2 = 2,85 / 6,00

Y_H2 = 0,475 или 47,5%

Ответ:
Объёмная доля водорода в газовой смеси на выходе реактора составляет 47,5%.