КСР - Метиловый спирт и Кислород

Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО

Уфимский государственный авиационный технический университет

Кафедра

общей химии

Контролируемая самостоятельная работа студента

на тему:

“Термохимические расчёты и химизм горения топлив”

Вариант 10

Выполнил:

студент группы

Приняла:

Черняева Е.Ю.

УФА 2008 г.

Метиловый спирт СН₃ОН (метанол) бесцветная прозрачная жидкость, по запаху и вкусу напоминает винный (этиловый) спирт. Удельный вес 0,79. Температура кипения 64,7°C. Растворим в спиртах и других органических соединениях, смешивается с водой во всех отношениях, легко воспламеняется. Входит в состав шеллаков, лаков, жидкостей для смывания красок и промывания ветрового стекла, жидкостей для копировальных машин и топлива для спиртовок. Кроме того, его используют для денатурирования этанола. Метанол является древесным спиртом, не имеет цвета, есть характерный запах. Процесс получения метанола основан на взаимодействии водорода и окиси углерода:

2Н₂ + СО « СН_зОН + 21,67 ккал

Реакция может протекать как в прямом, так и в обратном направлениях.

При условии равновесия скорости прямой и обратной реакций становятся равными

k1 [Н₂]2 [СО] = к2 [СН_зОН]    откуда:

Значение константы равновесия необходимо для расчета равновесного выхода метанола. Равновесный выход—это теоретический максимальный выход метанола, который может быть получен из водорода и окиси углерода, взятых при данных концентрациях, температуре и давлении процесса. Константу равновесия можно определить как теоретическим, так и экспериментальным путем. Давление. При повышении давления и понижении температуры равновесие сдвигается в сторону увеличения выхода метанола. В промышленных условиях синтез метанола осуществляется из газовой смеси, содержащей кроме водорода и окиси углерода также двуокись углерода. Поэтому при расчете равновесия синтеза метанола из смеси газов Н₂—СО—CO₂ необходимо учитывать следующую реакцию:

СО₂ + Н₂(г)—> СО + Н₂О — 9,8 ккал;

Равновесный выход метанола, степень превращения окиси и двуокиси углерода в значительной мере меняются в зависимости от давления, температуры, отношения Н2 : СО и содержания двуокиси углерода в газе. Влияние давления и температуры на равновесный выход метанола определено для следующего состава газа: 1,25 объемн.% СО₂; 10,6 объемн.% СО; 74,2 объемн.% Нд;-13,95 объемн.% (CH4+Nz).

Давление. При повышении давления выход метанола почти прямо пропорционально увеличивается и резко возрастает степень превращения окиси/и двуокиси углерода (при 380°С):

Давление, кгс/см² ....... ...     50    100    200    300    400

Выход СН₃ОН, объемн. %......    0,37   1,56  5,54  9,31 11,68

Следует заметить, что с увеличением давления более резкий рост равновесного выхода метанола наблюдается при повышенных температурах. Так, при изменении давления от 50 до 300 кгс/см³ равновесный выход метанола при 280°С увеличивается в 2,4 раза, а при 380 °С — в 2,3 раза (отношение H₂: СО =4:1).

Температура. С повышением температуры равновесный выход метанола понижается. Наиболее резкое понижение наблюдается при температурах выше 340°С. В этих условиях (при 300 кгс/см²) начинает снижаться степень превращения окиси и двуокиси угле рода в метанол, причем более резко окиси углерода:

Температура, °С .......    250   300    340    360    380    400

Выход метанола, объемн. %. .   15,44 14,81 12,88 11,37   9,31   7,40

Степень превращения, %

СО ...........   99,75 97,20 87,52 78,96- 66,19 53,29

СО_з ...........  98,00 89,80 77,00 71,50 66,61 64,00

При давлении 50 кгс/см² и повышении температуры от 180 до 300 °С равновесный выход метанола снижается более чем в 7 paз; (отношение Н₂:СО=3,6, содержание двуокиси углерода 6,0 объемн. %). При этом степень превращения окиси и двуокиси углерода в метанол уменьшается с 75,3 до 14,6%.

Инертные компоненты. В промышленных условиях синтез метанола протекает в присутствии инертных к данному процессу газов (метан, азот). Они в реакции не участвуют и не оказывают прямого влияния на равновесие реакции образования метанола. Однако наличие их в газе снижает парциальное (эффективное) давление реагирующих веществ, что ведет к уменьшению равновесного выхода метанола. Поэтому концентрацию инертных компонентов необходимо поддерживать на минимальном уровне.

Кинетика синтеза метанола. В гомогенных условиях (без катализатора) скорость взаимодействия окиси углерода и водорода ничтожно мала, и получить метанол в больших количествах невозможно. Для увеличения скорости реакции взаимодействия исходных компонентов используют вещества, которые, способствуя ускорению процесса, сами к концу реакций остаются химически неизменными. Для оценки этого ускорения, или иначе активности катализатора, необходимо знать скорость химического взаимодействия реагирующих компонентов. Если реакция протекает в гомогенных условиях, то скорость ее зависит от температуры, давления и концентрации реагирующих веществ. В гетерогенном, каталитическом процессе скорость реакции будет определяться также типом катализатора и состоянием его поверхности.  Синтез метанола является гетерогенным каталитическим процессом, протекающим на границе раздела твердой (поверхность катализатора) и газообразной (смесь окиси углерода и водорода) фаз. До начала реакции окись углерода, и водород концентрируются на поверхности катализатора (происходит адсорбция СО и H₂). Суммарный процесс синтеза метанола состоит из следующих стадий:

- диффузия исходных веществ к поверхности катализатора;

- адсорбция этих веществ на поверхности катализатора;

- химическое взаимодействие адсорбированных молекул СО и Н₂ до метанола;

- удаление (десорбция) образовавшегося метанола с поверхности катализатора.

Скорость процесса образования метанола будет равна скорости реакции в зависимости от начальных условии (температуры, давления, концентрации веществ, времени контакта газа с катализатором) позволило вывести кинетическое уравнение. Последнее используют при моделировании процесса и разработке промышленных реакторов.

Метанол обладает несколько меньшим, чем этанол, угнетающим действием на ЦНС. При его метаболизме образуются формальдегид и муравьиная кислота, вызывающая метаболический ацидоз и повреждение сетчатки. Чрезвычайно ядовит, прием внутрь 5-10мм приводит к слепоте, 30мм к смерти.

Кислород О₂ - самый распространенный на Земле элемент, на его долю (в составе различных соединений, главным образом силикатов), приходится около 47,4 % массы твердой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода — 88,8 % (по массе), в атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % (по объёму) в воздухе массовая доля кислорода состовляет 23,12 % . Элемент кислород входит в состав более 1500 соединений земной коры.

В настоящее время в промышленности кислород получают из воздуха. В лабораториях пользуются кислородом промышленного производства, поставляемым в стальных баллонах под давлением около 15 МПа. Важнейшим лабораторным способом его получения служит электролиз водных растворов щелочей. Небольшие количества кислорода можно также получать взаимодействием раствора перманганата калия с подкисленным раствором пероксида водорода.

Газ без цвета, вкуса и запаха. Растворим в воде, причем растворяется тем лучше, чем ниже ее температура. Поэтому плотность живых организмов в холодных приполярных водах может быть значительно выше, чем в теплых экваториальных.

Кислород участвует в окислительно-восстановительных реакциях. Живые существа дышат кислородом воздуха. Широко используется кислород в медицине. При сердечнососудистых заболеваниях, для улучшения обменных процессов, в желудок вводят кислородную пену («кислородный коктейль»). Подкожное введение кислорода используют при трофических язвах, слоновости, гангрене. Для обеззараживания и дезодорации воздуха и очистки питьевой воды применяют искусственное обогащение озоном. Радиоактивный изотоп кислорода ¹⁵O применяется для исследований скорости кровотока, лёгочной вентиляции

Оксид углерода (IV) или углекислый газ СО₂ - бесцветный газ, не имеет запаха, тяжелее воздуха, плохо растворяется в воде. Он образуется при: горении углерода в избытке кислорода; разложении карбонатов и гидрокарбонатов при нагревании.

Оксид углерода – кислотный оксид. Он реагирует с основаниями, основными оксидами, с водой.

Углекислый газ не горит и не поддерживает горение. Его огнетушащие свойства основаны на снижении концентрации кислорода в воздухе до величины, при которой прекращается процесс горения. При быстром испарении жидкой углекислоты образуется снегообразная масса, которая изолирует горящее вещество и прекращает горение.

Углекислый газ имеет ряд достоинств; не портит предметы, соприкасающиеся с ним, поэтому его применяют для тушения материальных ценностей в музеях, библиотеках архивах и т.п., не электропроводен, хорошо проникает в скрытые пространства не изменяет своих качеств при хранении.

Недостатки углекислого газа – токсичность при больших концентрациях в воздухе и повышенные требования к условиям хранения (прочные стальные баллоны с герметичной арматурой). Углекислотой нельзя тушить этиловый спирт (в нем хорошо растворяется углекислый газ), а также вещества способные гореть без доступа воздуха извне (термит, электрон; целлулоид и т.п.).

Вода Н₂О - одно из наиболее реакционноспособных веществ. В молекуле воды и кислород, и водород находятся в устойчивых степенях окисления соответственно +1 и -2. Поэтому вода не обладает сколько-нибудь ярко выраженными окислительно-восстановительными свойствами. ОВР возрожны при взаимодействии воды только с очень активными восстановителями или очень активными окислителями.

Вода при обычной температуре взаимодействует с такими сильнейшими восстановителями как щелочные и щелочноземельные металлы. Для жидкой воды характерна самоионизация. При ионизации одновременно образуются ионы Н+ и ОН -, т.е. вода является амфотерным электролитом. Концентрация ионов Н+ и ОН- в воде равна 10-7 моль/л. Поэтому вода не проявляет сколько-нибудь выраженных кислотных или основных свойств.

Полярность и малые размеры молекулы воды определяют ее сильные гидратирующие свойства. Она не обладает токсичностью.

1. Эквивалентную формулу горючей смеси СН3ОН+2O2, можно записать в виде СН₄О₅ .Тогда реакция горения смеси выразиться следующим образом:

СН₄О₅ —> CO₂+3H₂O

х+4

2. СН₃ОН+ хO₂= CO₂ + ﴾—— ﴿ Yyyyy gvgнгнгН₂О

2

х+4

1+2х=2+ ﴾—— ﴿;

2

х=2.

СН₃ОН+2O₂=CO₂+3H₂O.

3. Процентный состав:

M_СH3OH 32

а_СH3OH, _% = ————————— . 100 = ———— . 100 = 33,3%

M_СH3OH + 2М_O2 32 + 64

2М_O2 64

а_{O2 %} = ————————— . 100 = —————. 100 = 66,7%

M_СH3OH + 2М_O2 32+64

Мольные доли компонентов:

n_CH3OH 1

х_СН3ОН = —————— = ——— = 0,33;

n_CH3OH+ n_O2 1 + 2

n_O2 2

x_HNO3 = —————— = ——— = 0,66;

n_CH3OH+ n_O2 1 + 2

Массовые доли элементов:

A(c) 12

g_C =————————— = ——— = 0,125;

M_CH3OH+ 2M_O2 96

A(h)·(4+1,1) 4

g_H = ———————— = ——— = 0,042;

M_CH3OH+ 2M_O2 96

A(o)·4 16·4

g_O= ———————— = ——— = 0,667;

M_CH3OH+ 2M_O2  96

M_O2· n_O2 64

4. χ = ——————— = ————— = 2.

M_CH3OH 32

n_CH3OH·M_CH3OH + M_O2· n_O2 1·32 + 2·32

5. ρ_ТОПЛ. = —————————————— = ———————–– =1129,4(кг/м³).

n_CH3OH·M_CH3OH M_O2· n_O2 1·32 2·32

——————— + ————— –—— + ——––

ρ_CH3OH ρ_O2 792 1426

[ ΔH^º_обр.(СО₂) + 3 ΔH^º_обр. (Н₂О)- ΔH^º_обр(СН₃ОН)- 2 ΔH^º_обр (O₂]·10³

6. H_B = —————————————————————————————— =

M(СН₃ОН) + 2M(O₂)

(-393,62+3·(-285,91)+201,17+ 2·(0)) ·10³

= —————————————————— = -10939.3 кДж.

32+64

2(ΔH^º_исп.(O₂)(г) + С_ρ(O2) ΔТ) ]·10³

Н_Н= H_B + ——————————————— =

M(СН₃ОН) + 2M(O₂)

25160

= -10939.3 + ——— = - 10677.2 кДж/кг.

96

22,4·760·(20+273)

7. V = ———————— = 24,36 м³.

273·750

22,4·760·(20+273)

8. V = ———————— = 24,36 м³.

273·750

9. СН₃ОН+2O₂=CO₂+3H₂O.

22,4·(1+3) 89,6 · 1000

V= —————— · 1000 = ————— = 0,93 м³/кг.

96 96

M _CO2 44 44

10. a_CO2,% = —————— ·100% = ——— ·100%= —— ·100% = 44,89 %;

M _CO2 +3M_H2O 44+ 54 98

M_H2O 42,5

a_H2O,% =—————— ·100%= —— ·100% = 43,36 %;

M _CO2 +3M_H2O 98

11. СН₃ОН+2O₂=CO₂+3H₂O.- 3640 кДж/кг

Теплоемкости, Дж/(моль·К): С (СО₂)= 36,62; С (H₂O)=33,54.

3640 3640

T_max = ————————————— = ————— = 2279 K

36,62 3·33,54 0,2+1,397

——— + ————

4·44 4 ·18

H_H - 10677.2

12. η= —— ·100%= ————– ·100%= 97%.

H_B -10939.3

13. W_t = 91,5 √^¯3640^¯¯¯¯= 5520,4

W_t

14. R_уд.= —— = 562,9 ( кг/(кг/с))

g

В промышленности метиловый спирт получают из природного, коксового и других углеводородосодержащих газов. из которых получают смесь окиси углерода (СО) и водорода (Н2). Метиловый спирт в основном применяют в производстве формальдегида, различных эфиров и др.Метанол получают газификацией биомассы, а этанол – ферментацией сельскохозяйственных культур с высоким содержанием сахара и крахмала. Двигатели, работающие на этих видах топлива, имеют одинаковые технические особенности. Прежде всего, требуется модернизация системы питания: бак только пластиковый в виду высокой коррозионной агрессивности топлива, заменена на более стойкие материалы и некоторых для других деталей. Рабочий цикл с самовоспламенением (дизельный), однако давление впрыска – повышенное, изменена форма камеры сгорания и степень сжатия. Есть проблемы с запуском двигателя при отрицательных температурах. В двигателях этиловый спирт и метиловый могут служить заменителями бензина. Они обладают высокими октановыми числами (порядка 90...94 единиц по исследовательскому методу). Обладают большей, чем у бензинов, скрытой теплотой испарения, что снижает тепловую напряженность деталей двигателя, но одновременно затрудняет пуск двигателя в холодную погоду. Из-за значительно меньшей теплоты сгорания спиртов их расход увеличивается, однако высокая полнота сгорания обуславливает значительно меньшее выделение оксидов азота (N) и нагароотложений. Спирты можно применять в виде добавок к бензинам. При опытной эксплуатации автомобилей на бензино-метанолъной смеси, содержащей 3...5% метилового спирта, экономия бензина составляет 1,5...3.0%.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. «Справочное руководство по химии» Артеменко А.И.

2. Гороновский И.Т., Назаренко Ю.П. «Краткий справочник по химии».

3. «Химия. Краткий словарь» Оганесян Э.Т.

4. Большая советская энциклопедия.

5. Исаев Д.А., Еремин В.В «Справочные материалы по химии».

6. «Справочное пособие по химии» Ильин В.А.

7. «Справочное пособие по всем предметам» Орлов В.А.

8. «Термохимические расчеты и химизм горения топлив» методические указания к лабораторной работе по общей химии / Амирханова Н.А., Свирский С.Э., Султанова В.С.