Một nhà máy sản xuất nitric acid theo quy trình Ostwald như sau:
• Giai đoạn 1: Hỗn hợp khí ammonia và không khí (trong đó NH3 chiếm 10% về thể tích) được dẫn vào tháp phản ứng chứa xúc tác Rh-Pt, ở 850°C. Khi do NH3 bị oxi hoá hoàn toàn theo các phương trình hoá học:
4NH3(g) + 5O2(g) → 4NO(g) + 6H2O(g) (1)
4NH3(g) + 3O2(g) → 2N2(g) + 6H2O(g) (2)
Trong đó phần trăm NH3 bị oxi hoá thành NO theo phản ứng (1) là 92%.
• Giai đoạn 2: Hỗn hợp khí thu được sau giai đoạn 1 được đưa về 50°C, sau đó tiếp tục oxi hoá hoàn toàn NO thành NO2 theo phương trình hoá học:
2NO(g) + O2(g) → 2NO2(g) (3)
Sau giai đoạn 2, nước được ngưng tụ hết và tách ra khỏi hệ thống, oxygen còn lại trong hỗn hợp khí chiếm x% về thể tích. Coi giai đoạn 2 chỉ xảy ra phản ứng (3) và các khí hoà tan trong nước không đáng kể.
• Giai đoạn 3: Dẫn hỗn hợp khí sau giai đoạn 2 và bổ sung không khí vào tháp hấp thụ, sau đó phun nước ngược chiều để chuyển hoá hết NO2 thành HNO3.
Biết không khí chứa 21% O2 và 79% N2 về thể tích. Giá trị của x là bao nhiêu? (không làm tròn kết quả các phép tính trung gian, chỉ làm tròn kết quả tính cuối cùng đến hàng phần trăm).
Ban đầu tự chọn nNH3 = 1, n không khí = 9, gồm nO2 = 1,89 và nN2 = 7,11 mol
4NH3(g) + 5O2(g) → 4NO(g) + 6H2O(g) (1)
0,92………1,15…………0,92
4NH3(g) + 3O2(g) → 2N2(g) + 6H2O(g) (2)
0,08……….0,06………0,04
2NO(g) + O2(g) → 2NO2(g) (3)
0,92……….0,46…….0,92
nO2 còn lại = 1,89 – 1,15 – 0,06 – 0,46 = 0,22 mol
nN2 tổng = 7,11 + 0,04 = 7,15 mol
Khi loại hơi nước thì hỗn hợp khí còn lại là O2 (0,22), N2 (7,15), NO2 (0,92), tổng 8,29 mol.
—> %O2 = 0,22/8,29 = 2,65%