Расчет процесса конверсии

Рассчитать процесс конверсии метана водяным паром по следующим данным:

Производительность по метану	1000 м^3/час
Состав газа	метан – 98%
	азот – 2%
Степень конверсии	70%
Температура	на входе 105°С
	на выходе 900°С

СН + Н О СО + 3Н

1. Расчет термодинамических параметров.

	СН	Н О	СО	Н2
Н	-74,85	-241,81	-110,53
DS	186,27	188,72	197,55	130,52
DG	-50,85	-228,61	-137,15

1.1. По закону Гесса находим тепловой эффект химической реакции при нормальных условиях:

DН =(Sn_i DН ) - (Sn_i DН )

DН = 0×3 - 110,53 + 241,81 + 74,85 = 206,13 кДж/моль

1.2. Найдем энтропию реакции:

DS = (Sn_iDS ) - (Sn_iDS )

DS =3×130,52 +197,55 -188,72 -186,27= 214,12 Дж/моль×К

1.3. Найдем изменение энергии Гиббса в ходе реакции при нормальных условиях:

DG = (Sn_iDG ) -(Sn_iDG )

DG = 3×0-137,15+288,61+50,85=142,31 кДж/моль

2. Найдем функцию зависимости теплоемкости от температуры С = f(Т)

	СН	Н О	СО	Н
a	14,32		28,41	27,28
b	74,66×10	10,71×10	4,1×10	3,26×10
с’		0,33×10	-0,46×10	0,5×10
с	-17,43×10

Ср(СН₄) = 14,32 + 74,66×10 Т - 17,43×10 Т

Ср(Н₂О) = 30 + 10,71×10^-3Т + 0,33×10⁵Т^-2

Ср(СО) = 28,41+ 4,1×10^-3×Т - 0,46×10⁵Т^-2

Ср(Н₂) = 27,28 + 3,26×10^-3Т + 0,5×10⁵Т^-2

DСр = Dа + DbT + Dс’Т²+DcТ^-2

DСр = (3×27,28+28,41-30-14,32) + (3×3,26+4,1-10,71-74,66)×10^-3Т +

+ (3×0,5-0,46-0,33)×10⁵Т^-2 - 17,43×10^-6Т²

DСр = 65,93 - 71,49×10^-3Т + 0,71×10⁵Т^-2 - 17,43×10^-6Т² Дж/моль×К

2.1. Для азота зависимость теплоемкости от температуры выглядит следующим образом:

Ср(N₂) = 27,88 + 4,27×10^-3Т

3.1. Найдем изменение энтропии в ходе реакции при нагревании от t₁=25 C до t₂=900 C:

DS= dТ =

DS=16.54 Дж/моль×К

3.2. Найдем изменение энтальпии в ходе реакции при нагревании от t₁=25°C до t₂=900°C:

DH= 65,93 (1173-298) - ×71,49×10^-3(1173²-298²) - -

DН= - 2375 Дж/моль

3.3. Рассчитаем энергию Гиббса на выходе t₂=900°С:

4. Найдем константу равновесия:

DG^°=-RTlnKp

Kp = exp(-DG^°/RT)

Kp=exp(-(-62058,71/8,31×1173))=582,04

4.1. Рассчитаем равновесную степень превращения метана. При температуре от 827°С и составе исходной смеси СН₄ : Н₂О = 1: 2 необходимо проводить процесс при абсолютном давлении 10 атм.

СН₄ + Н₂О ® СО + 3Н₂

т.к. водяной пар в избытке, то Р_Н2О = 2Р_СН4

Р_общ = Р_СН4 + 2Р_СН4= 3Р_СН4

Р_СН4 = Р_общ/3 = 10/3 атм.

При равновесии:

x_e = 0,8115 и x_e = - 2,29

Равновесная степень превращения равна 0,8115.

Вывод: равновесная степень превращения метана x_e=0,8115,степень конверсии a = 0,7, данный процесс, возможно, провести в указанных условиях.

5. Составим материальный баланс.

Приход	Расход
Исходное вещество	m, кг	V,м^3	Продукт	m, кг	V,м^3
СН4	714,29		СН4	214,29
N2	25,51	20,41	N2	25,51	20,41
Н2О	1607,14		Н2О	1044,64
			СО
			Н2	187,5
Итого:	2346,94	3020,41	Итого:	2346,94	4420,41

5.1.Найдем количество поступающего метана (в час):

по закону эквивалентов

(кг)

Найдем количество конвертируемого метана:

V=0, 7×1000=700 (м³)

После реакции осталось:

m(СН₄) = 714,29 – 500 = 214,29 (кг)

V(СН₄)= 1000 – 700 = 300 (м³)

5.2. Найдем необходимое количество воды для осуществления реакции:

В промышленном производстве для осуществления процесса воду и метан берут в отношении 2:1. Исходя из этого условия рассчитаем количество поступающего водяного пара:

V = 2 × 1000 = 2000 (м³)

Не прореагировало водяного пара:

m(Н₂О) = 1607,14 – 500 = 214,29 (кг)

V(Н₂О) = 2000 – 700 = 300 (м³)

5.3. В реактор поступает :

Т.к. азот не участвует в химической реакции, то на выходе:

m = 25,51 (кг)

V = 20,41 (м³)

5.4. Найдем количество образовавшегося в ходе реакции СО:

5.5. Найдем количество образовавшегося водорода:

Вывод: . Материальный баланс сошелся.

6. Составим энергетический баланс:

Приход	кДж	%	Расход	кДж	%
Q(СН4)	675,87		Q(СН4)	1224,04	7,2
Q(N2)	10,16	0,06	Q(N2)	35,15	0,2
Q(Н2О)	1156,9	6,87	Q(Н2О)	4460,2	26,4
Qподв	15029,6	89,07	Q(СО)	1216,5	7,23
			Q(Н2)	3420,87	20,24
			Qх.р.	6515,8	38,62
Итого:	16872,53	100%	Итого:	16872,56	100%

6.1. Найдем тепло, которое поступает с исходными веществами – физическое тепло:

где T₁ – температура на входе, (t₁=105 C); С_р – теплоемкость, будем считать, что теплоемкость зависит от температуры (п.2).

Реакция конверсии водяным паром сильно эндотермична, поэтому необходимо подогревать исходную реакционную смесь. В промышленности для подогрева системы используют природный газ, за счет сжигания которого выделяется необходимое количество тепла Q.

6.2. Найдем тепло веществ на выходе из реактора:

где T₂ – температура на выходе из реактора.

6.3. Найдем теплоту, поглощенную в ходе химической реакции:

6.4. Найдем количество теплоты, которое необходимо затратить на подогрев исходной смеси:

6.5. Найдем количество природного газа, которое необходимо затратить для подогрева исходной смеси, считая, что природный газ на 95% состоит из метана (состав природного газа зависит от месторождения, колеблется от 55-99%):

По справочнику:

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. А. Г. Аншиц, Е. Н. Воскресенская. Окислительная конденсация метана – новый процесс переработки природного газа.

2. Сосна М.Х., Энтин Б.М., Лейтес И.Л. Нонограммы для определения состава газа конверсии метана//Химическая промышленность. – 1989. - №7. - с.59

3. Крейндель Э.М. Конверсия метана природного газа. Л.:-1964.

4. Г.С. Яблонский. Кинетические модели гетерогенно-каталитических реакций. Элементы теории кинетики сложных химических реакций. Глава 1. В сб.: Химическая и биологическая кинетика / Под ред. Н.М. Эмануэля, И.В. Березина, С.Д. Варфоломеева. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1983.

5. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение: Справ. изд./Д.Ю. Гамбург, В.П. Семенов,, Л.Н. Смирнова; Под ред. Д.Ю. Гамбурга, Н.Ф. Дубовкина. – М.: Химия, 1989.

Дата добавления: 2015-08-31