Đề bài
Carbon dioxide ($CO_{2}$) là thành phần chính trong khí thải nhà máy nhiệt điện (than, khí,...), nó là một khí thải gây hiệu ứng nhà kính và gây ra sự biến đổi khí hậu toàn cầu. Để giảm tác động của nó tới môi trường, người ta hấp thụ và tách $CO_{2}$ từ khí thải nhiệt điện, sau đó lưu trữ hoặc sử dụng $CO_{2}$cho các mục đích khác nhau như tái chế hoặc sản xuất các sản phẩm hóa học (urea, soda,...).
Một nhà máy nhiệt điện khí có sản lượng điện $3.10^{6}$ kWh/ngày (1 kWh = 3600 kJ) đã sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu (chứa 90% $CH_{4}$, 10% $C_{2}H_{6}$ về thể tích) làm nhiên liệu. Các nhiên liệu bị đốt cháy hoàn toàn (biết 58% nhiệt lượng tỏa ra của quá trình đốt cháy được chuyển hóa thành điện năng). Toàn bộ lượng khí $CO_{2}$ mà nhà máy này thải ra trong 1 ngày được sử dụng để tổng hợp được m tấn urea chứa 98% (NH₂)₂CO, với hiệu suất là 90% (làm tròn đến hàng đơn vị). Biết $CH_{4}$, $C_{2}H_{6}$cháy theo các phương trình:
$\left. \text{CH}_{4}(g) + 2\text{O}_{2}(g)\rightarrow\text{CO}_{2}(g) + 2\text{H}_{2}\text{O}(g) \right.$
$\left. \text{C}_{2}\text{H}_{6}(g) + \dfrac{7}{2}\text{O}_{2}(g)\rightarrow 2\text{CO}_{2}(g) + 3\text{H}_{2}\text{O}(g) \right.$
Các giá trị nhiệt tạo thành ($\Delta_{f}H_{298}^{0}$) của các chất ở điều kiện chuẩn được cho trong bảng sau:
| Chất | $CH_{4}$(g) | $C_{2}H_{6}$(g) | $CO_{2}$(g) | $H_{2}O$(g) |
| $\Delta_{f}H_{298}^{0}$ (kJ/mol) | –74,6 | –84,7 | –393,5 | –241,8 |
Tính giá trị của m.
Phương pháp giải
Tính biến thiên enthalpy của mỗi phản ứng.
Tính lượng nhiệt đốt cháy nhiên liệu.
Từ đó tính được số mol $CO_{2}$.
Từ đó tính khối lượng urea.
Lời giải chi tiết
${{\Delta }_{r}}H_{298}^{0}(1)={{\Delta }_{f}}H_{298}^{0}(C{{O}_{2}})+{{\Delta }_{f}}H_{298}^{0}({{H}_{2}}O)-{{\Delta }_{f}}H_{298}^{0}(C{{H}_{4}})$
$=(-393,5)+2.(-241,8)-(-74,6)=-802,5kJ$
${{\Delta }_{r}}H_{298}^{0}(2)=2.{{\Delta }_{f}}H_{298}^{0}(C{{O}_{2}})+3.{{\Delta }_{f}}H_{298}^{0}({{H}_{2}}O)-{{\Delta }_{f}}H_{298}^{0}({{C}_{2}}{{H}_{6}})$
$=2.(-393,5)+3.(-241,8)-(-84,7)=-1427,7kJ$
Lượng nhiệt trong 1 ngày khi đốt cháy nhiên liệu là: $3600.10^6 = 3,6.10^9 kJ$
Lượng nhiệt toả ra khi đốt cháy nhiên liệu là: ${{3,6.10}^{9}}:58%={{6,21.10}^{9}}kJ$
Gọi số mol $CH_4$ là 0,9a và số mol $C_2H_6$ là 0,1a
Ta có:$802,5.0,9a+1427,7.0,1a={{6,21.10}^{9}}$
$\to a={{7,17.10}^{6}}mol$
${{n}_{C{{O}_{2}}}}=0,9a+0,1a.2={{0,9.7,17.10}^{6}}+{{0,1.7,17.10}^{6}}.2=7887000mol$
Khối lượng của $(NH_2)_2CO$ là: $7887000\cdot 60.90\%=425898000g$
Khối lượng urea là: $425898000:98\%=434589795,9g=435$tấn