Материальный баланс CO2

Question

из СО2 в О2 проведите расчёт материального баланса исходя из 1000 кг/ч смеси углекислого газа на входе с инертными примесями 1,1% и воды в виде пара 0,3% по массе.

Thought

Assessing the situation

User outlines a material balance calculation for 1000 kg/h of CO2 mixture with inert impurities and steam. Possibilities include reactions like "reverse water gas shift" or "CO2 splitting" towards O2 production.

Piecing together

I’m considering reactions like photosynthesis, electrolytic, or CO2 decomposition with and without water. The inert impurities and water content in the mixture need to be factored in.

Breaking down components

I’m analyzing the composition of the mixture: 986 kg/h of CO2, 3 kg/h of H2O, and 11 kg/h of inerts, leading to 1000 kg/h total.

Charting reactions

I’m mapping out reactions like reverse water gas shift and the breakdown of CO2 into carbon and O2. I’m also thinking through the stoichiometry for converting CO2 to O2 and carbon.

Breaking down the process

I’m calculating the production of O2 from CO2, noting that 44 g of CO2 yields 32 g of O2, and ensuring the moles align for a careful stoichiometric reaction.

Calculating O2 production

It’s interesting to see that 986 kg/h of CO2 results in roughly 717 kg/h of O2. This careful calculation ensures the sum aligns perfectly with the original CO2 mass.

Balancing material outputs

I'm curious about the final stream composition for a 1000 kg/h feed, noting inerts and water. Considering if water impacts or remains unchanged in a decomposition process.

Pulling together the puzzle

I’m working through the decomposition of CO2 with 11 kg/h inerts and 3 kg/h water, ensuring all components align perfectly.

Calculating product streams

I’m mapping out 717 kg/h of oxygen, 269 kg/h of carbon, 11 kg/h of inerts, and 3 kg/h of water vapor from 1000 kg/h of CO2, ensuring precision in the balance.

Reasoned about баланс CO2 и O2 for 43 seconds

Answer

Ниже приведён пример расчёта материального баланса для процесса теоретического разложения $\text{CO}_2$ на углерод и кислород (реакция вида $\text{CO}_2 \rightarrow \text{C} + \text{O}_2$ ), если на вход подаётся 1000 кг/ч газовой смеси, содержащей:

Углекислый газ (основной компонент).
Инертные примеси — 1,1 % по массе.
Воду в виде пара — 0,3 % по массе.

Остальное — собственно $\text{CO}_2$ .

1. Определение состава исходной смеси

Масса инертных примесей
$1{,}1 \,\% \; \text{от}\; 1000\,\text{кг/ч} = 0{,}011 \times 1000 = 11\,\text{кг/ч}.$
Масса воды (пара)
$0{,}3 \,\% \; \text{от}\; 1000\,\text{кг/ч} = 0{,}003 \times 1000 = 3\,\text{кг/ч}.$
Масса $\text{CO}_2$ в потоке
$m_{\text{CO}_2} = 1000 - 11 - 3 = 986\,\text{кг/ч}.$

Таким образом, исходный поток (1000 кг/ч) состоит из:

$\text{CO}_2$ — 986 кг/ч
Инертные примеси — 11 кг/ч
Вода (пар) — 3 кг/ч

2. Стехиометрия реакции разложения

Рассмотрим упрощённую (теоретическую) реакцию разложения углекислого газа:

\text{CO}_2 \;\longrightarrow\; \text{C} \;+\; \text{O}_2.

На 1 моль $\text{CO}_2$ (44 г) получается:

1 моль C (12 г),
1 моль $\text{O}_2$ (32 г).

То есть из 44 кг $\text{CO}_2$ образуется 12 кг C и 32 кг $\text{O}_2$ .

3. Расчёт выхода продуктов

3.1. Углерод

На 44 кг $\text{CO}_2$ выходит 12 кг C. Тогда при 986 кг/ч $\text{CO}_2$ :

m_{\text{C}} = 986 \times \dfrac{12}{44} \approx 986 \times 0{,}2727 \approx 268{,}9\,\text{кг/ч} \approx 269\,\text{кг/ч}.

3.2. Кислород

На 44 кг $\text{CO}_2$ выходит 32 кг $\text{O}_2$ . Тогда при 986 кг/ч $\text{CO}_2$ :

m_{\text{O}_2} = 986 \times \dfrac{32}{44} \approx 986 \times 0{,}7273 \approx 717{,}1\,\text{кг/ч} \approx 717\,\text{кг/ч}.

4. Баланс по всем компонентам на выходе

Углерод (продукт разложения $\text{CO}_2$ ):
$\; 269\,\text{кг/ч}$ .
Кислород (продукт разложения $\text{CO}_2$ ):
$\; 717\,\text{кг/ч}$ .
Инертные примеси (прошли через процесс без изменений):
$\; 11\,\text{кг/ч}$ .
Вода (пар) (предположим, что не участвует в реакции и не конденсируется/не отводится отдельно):
$\; 3\,\text{кг/ч}$ .

Проверка суммарного выхода по массе:

269 + 717 + 11 + 3 = 1000\,\text{кг/ч},

что совпадает с расходом на входе и свидетельствует о соблюдении материального баланса.

Итог

Из 1000 кг/ч исходной смеси (986 кг/ч $\text{CO}_2$ , 11 кг/ч инертов, 3 кг/ч пара) при полном теоретическом разложении $\text{CO}_2$ получается:

$\mathbf{269\,\text{кг/ч}}$ углерода,
$\mathbf{717\,\text{кг/ч}}$ кислорода,
$\mathbf{11\,\text{кг/ч}}$ инертных газов,
$\mathbf{3\,\text{кг/ч}}$ воды (пара).

Общий расход на выходе также составит 1000 кг/ч.