Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Взаимодействие метана с водой протекает на никельсодержащем катализаторе и представлено двумя реакциями:

СН₄+Н₂О=СО+3Н₂-Q₁;                                                                          (1)

СН₄+Н₂О=СО+3Н₂+Q₂;                                                                         (2)

первая из которых – эндотермическая, вторая – экзотермическая. Влияние температуры на эти реакции различно: её повышение благоприятно скажется лишь на протекании первой. Поскольку сначала нужно обеспечить наиболее полное превращение метана, то температуру процесса целесообразно повышать. При этом равновесие второй реакции сдвинется влево. Конверсия метана протекает с увеличением объема, и следовательно, низкое давление будет способствовать более полному превращению метана.

Выбор давления в процессе конверсии метана. Итак, высокая температура и низкое давление термодинамически выгодны для конверсии метана. Но эти условия могут быть невыгодны для технологического процесса в целом. Конечная стадия - синтез аммиака - протекает при высоком давлении (30 МПа).

Затраты энергии пропорциональны объему газа. Если конверсию метана провести при термодинамически выгодных условиях – при атмосферном давлении, то в дальнейшем нужно будет сжать более пять объемов азотоводородной смеси. Энергетические затраты будут меньше, если конверсию провести при промежуточном давлении, сжимая один объем газа – только метан. Тогда энергия сжатия существенно уменьшится. Детальные техноэкономические расчеты показали, что на стадии конверсии оптимальным будет давление 4 МПа.

 

ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЗОТО – ВОДОРОДНОЙ СМЕСИ ИЗ ПРИРОДНОГО ГАЗА

Одна из возможных схем переработки природного газа на азото – водородную смесь показана на рисунке 1. Природный газ в сатурационной башне 1 увлажняется и поступает в теплообменник 2, на входе в который к газу добавляется пар. Нагретая паро – газовая смесь поступает в смеситель 3, в котором к ней добавляется воздух и технический кислород. Затем смесь идет в конвектор метана 4. Горячий конвертируемый газ поступает в увлажнитель 5, а оттуда в теплообменник 2. Газ отдавший в теплообменнике избыток тепла, поступает в конвектор окиси углерода 6, на входе в конвектор к газу добавляется недостающее количество пара. После конвектора газ проходит в котел – утилизатор 7 и водонагревательный теплообменник 8. Охладившись в конденсаторной башне 9, газ поступает на очистку.

Очистка газа производится по разным технологическим схемам. По одной из них раньше всего освобождаются от соединений серы, причем основную часть этих соединений удаляют до конверсии метана, так как сернистые соединения отравляют применяемый катализатор. Затем удаляют двуокись углерода, для чего промывают газ под давлением. Кислород, попавший в газ при промывке, и кислород, содержащийся в азоте, добавляемом для точного соответствия стехиометрическому соотношению 3:1, удаляют вместе с остатками углекислого газа путем поглощения медно – аммиачным раствором или моноэтаноламином. Часто применяется тонкая очистка газа промывкой жидким азотом.

Получается аммиак по реакции:

N₂+3H₂=2NH₃+92,38 кдж                                                                      (3)

Промышленные системы синтеза аммиака разделяются на следующие группы: системы высокого давления (500 – 100ат) – 21% мирового производства; системы среднего давления (280 – 320ат) – 74%;

 Наиболее экономичны системы среднего давления с использованием тепла синтеза аммиака для получения пара.

 

 

МАТЕРИАЛЬНЫЙ РАСЧЕТ

Расчет производим на указанную в исходных данных производительность конвектора, то есть на 5500 нм³/ч природного газа.

Приближенный расчет производим в объемных единицах.

Приход.

1) Поступает природного газа ¹v=5500нм³/ч, в том числе:

метана

¹v_CH4=¹с_СН4*¹v=0,95*5500=5225нм³/ч,

(здесь и дальше ¹с_СН4 – содержание компонента в природном газе – в объемных долях),

этана

¹v_C2H6=¹с_СН4*¹v=0,01*5500=55 нм³/ч,

азота

¹v_N2=¹c_N2*¹v=0,04*5500=220 нм³/ч.

2)  В конвектор метана подается воды (1:1)

²v=¹v=5500 нм³/ч

3)  Поступает сухого воздуха ³v нм³/ч, в том числе:

кислорода

³v_О2=³с_О2*³v=0,2099*³v,

азота

³v_N2=³с_N2*³v=0,7805*³v,

аргона

³v_Ar=³с_Ar*³v=0,0096*³v.

Плотность сухого воздуха при нормальных условиях 1,293 кг/м³, (см.литер.4 приложение XVIII,стр.510). Масса воздуха 1,293*³v кг/ч. В этом количестве воздуха при ³t=20°С, φ=70% и влагосодержание ³d=0,01042кг/кг сухого воздуха (см.литер.4 приложение XIX,стр.511) содержится паров воды

0,01042*1,293*³v кг/ч, или 0,01347*³v/0,8043=0,0167*³v нм³/ч.

4)  Поступает технического кислорода ⁴v нм³/ч, в том числе:

 

 

кислорода

⁴v_O2=⁴c_O2*⁴v=0,98*⁴v,

азота

⁴v_N2=⁴c_N2*⁴v=0,01*⁴v,

аргона

⁴v_Ar=⁴c_Ar*⁴v=0,01*⁴v.

Расход.

1)  Метан превращается в СО и Н₂ не полностью. По условию степень конверсии метана 98%, то есть 2% поступившего метана переходит в отходящие газы. Таким образом, в отходящих газах метана содержится

⁶v_CH4=0,02*¹v_CH4=0,02*5225=104 нм³/ч,

2)  Азот, поступивший с природным газом, воздухом и техническим кислородом, полностью переходит в конвертированный газ, то есть

⁶v_N2=¹v_N2+³v_N2+⁴v_N2=220+0,7805*³v+0,01*⁴v нм³/ч.

3)  Аргон из воздуха и технического кислорода также переходит в конвертированный газ

⁶v_Ar=³v_Ar+4v_Ar=0,0096*³v+0,01*⁴v нм³/ч.

4)  Кроме метана, азота и аргона, в конвертированных газах содержится водорода ⁶v_Н2 нм³/ч, окиси углерода ⁶v_СО нм³/ч, двуокиси углерода ⁶v_СО2 нм³/ч, паров воды ⁶v_Н2О нм³/ч.

При расчете необходимо найти шесть неизвестных

³v, ⁴v, ⁶v_Н2, ⁶v_СО, ⁶v_СО2, ⁶v_Н2О.

Составляем систему из шести уравнений.

По материальному балансу углерода имеем

¹v_CH4+2^*1v_C2H6=⁶v_CH4+⁶v_СО+⁶v_СО2,

где 2^*1v_C2H6 означает что из 1 моль этана образуется 2 моль СО или СО_2.

Отсюда

5225+2*55=104+⁶v_СО+⁶v_СО2,

5231-⁶v_СО-⁶v_СО2=0

По материальному балансу водорода имеем

2^*1v_CH4+3^*1v_C2H6+²v+³v_H2O=2^*6v_CH4+⁶v_H2+⁶v_Н2О,

где 2^*1v_CH4 и 2^*6v_CH4 означает что из 1 моль метана образуются 2 моль водорода, 3^*1v_CH4 – из 1 моль этана 3 моль водорода.

2*5225+3*55+5500+0,0167*³v-2*104-⁶v_H2-⁶v_Н2О=0,

15907+0,0167*³v-⁶v_H2-⁶v_Н2О=0.

По материальному балансу кислорода имеем

0,5^*2v+³v_О2+0,5^*3v_Н2O+⁴v_О2=0,5^*6v_CО+⁶v_СО2+0,5*⁶v_Н2О,

0,5*5500+0,2099*³v+0,5*0,0167*³v+0,98*⁴v-0,5^*6v_CО-⁶v_СО2-0,5*⁶v_Н2О=0,

2750+0,2182*³v+0,98*⁴v-0,5^*6v_CО-⁶v_СО2-0,5*⁶v_Н2О=0.

Кроме этого, по условию общий объем кислорода составляет 0,6 объема метана, поступающего в конвектор

³v_O2+⁴v_O2=0,6*¹v_СН4,

Отсюда

0,2099*³v+0,98*⁴v=0,6*5225,

0,2099*³v+0,98*⁴v-3135=0.

Суммарный объем окиси углерода и водорода по условию должен быть в 3,3 раза больше, чем объем азота. Отсюда

⁶v_СО+⁶v_Н2=3,3*¹v_N2=3,3*(220+0,7805*³v+0,01*⁴v)=

=726+2,5756*³v+0,033*⁴v,

Отсюда

⁶v_СО+⁶v_Н2-726-2,5756*³v-0,033*⁴v=0.

Кроме этого, объемы газов связаны выражением для константы равновесия реакции конверсии окиси углерода. Для этой реакции константа может быть выражена так

К_р= = =К_с                                                                   [4,стр.13]

Так как для любого газа в смеси справедливо уравнение

P_i=Р_общ                                                                                    [4,стр.13]

то заменяем в выражении для константы Р_i через v_i

Р_{общ *} Р_общ*         v_CO2*v_H2

Р_{общ *} Р_общ*         v_CO*v_H2O

Константой равновесия, выраженной через объем газов, мы будем пользоваться и в дальнейших расчетах.

Для определения значения константы равновесия К можно взять следующее уравнение

lgK= +1,565*lgT-0,066*10^-3*Т- -6,93                         [4,стр.14]

Отсюда для температуры 830°С, или 830+273=1103°К, находим:

lgK= +1,565*lg1103-0,066*10^-3*1103- -6,93=-0,0046; К=0,9265

Таким образом,

v_CO2*v_H2

v_CO*v_H2O

Отсюда

⁶v_СО2 *⁶v_Н2=0,9265*⁶v_СО *⁶v_Н2О,

⁶v_СО2 *⁶v_Н2 -0,9265*⁶v_СО *⁶v_Н2О =0.

Получена система из 6 уравнений:

1) 5231-⁶v_СО-⁶v_СО2=0.

2) 15907+0,0167*³v-⁶v_H2-⁶v_Н2О=0.

3) 2750+0,2182*³v+0,98*⁴v-0,5^*6v_CО-⁶v_СО2-0,5*⁶v_Н2О=0.

4) ⁶v_СО+⁶v_Н2-726-2,5756*³v-0,033*⁴v=0.

5) 0,2099*³v+0,98*⁴v-3135=0.

6) ⁶v_СО2 *⁶v_Н2 -0,9265*⁶v_СО *⁶v_Н2О =0.

Из 1-го уравнения находим ⁶v_СО2=5231-⁶v_СО. Подставим это выражение в последующие уравнения

2) 15907+0,0167*³v-⁶v_H2-⁶v_Н2О=0.

3) -2481+0,2182*³v+0,98*⁴v+0,5^*6v_CО-0,5*⁶v_Н2О=0.

4) ⁶v_СО+⁶v_Н2-726-2,5756*³v-0,033*⁴v=0.

5) 0,2099*³v+0,98*⁴v-3135=0.

6) (5231-⁶v_СО) *⁶v_Н2 -0,9265*⁶v_СО *⁶v_Н2О =0.

Из 2-го уравнения находим ⁶v_H2=15907+0,0167*³v-⁶v_Н2О. Подставляем полученное выражение в последующие уравнения. Умножив 3-е уравнение на 2 (для сокращения лишних дробей), имеем

3) -4962+0,4364*³v+1,96*⁴v+⁶v_CО-⁶v_Н2О=0.

4) ⁶v_СО+15181-2,5589*³v-0,033*⁴v-⁶v_Н2О =0.

5) 0,2099*³v+0,98*⁴v-3135=0.

6) (5231-⁶v_СО) *(15907+0,0167*³v-⁶v_Н2О) -0,9265*⁶v_СО *⁶v_Н2О =0.

Из 3-го уравнения находим

⁶v_Н2О=⁶v_CО+1,96*⁴v+0,4364*³v-4962.

Подставим полученное выражение в последующие уравнения

4)20143-2,9953*³v-1,993*⁴v=0.

5) 0,2099*³v+0,98*⁴v-3135=0.

6)(5231-⁶v_СО)*(20869-0,4197*³v-1,96*⁴v-⁶v_CО)-

-0,9265*(⁶v_СО+1,96*⁴v+0,4364*³v-4962) *⁶v_CО =0.

При решении системы произошло сокращение одного неизвестного ⁶v_CО в 4-м уравнении, в результате 4-е и 5-е уравнение содержат всего по 2 неизвестных ³v и ⁴v. Решая систему из двух уравнений 4 и 5, находим значения неизвестных.

Определяем ⁴v из 5-го уравнения

⁴v=3135-0,2099*³v/0,98=3199-0,2142*³v

Подставляем найденное значение ⁴v в 4-е уравнение

13767,4-2,5684*³v, ³v=5360 нм³/ч,

⁴v= 3199-0,2142*5360=2051нм³/ч.

Далее значения ³v и ⁴v подставляем в 6-е уравнение:

(5231-⁶v_СО)*(20869-0,4197*5360-1,96*2051-⁶v_CО)-0,9265*⁶v_СО*

_*(⁶v_СО +1,96*2051+0,4364*5360-4962)=0

Отсюда

(5231-⁶v_СО)*(14600-⁶v_CО)-0,9265*⁶v_СО*(⁶v_СО +1397)=0

76372600-5231*⁶v_СО-14600*⁶v_СО+⁶v ²_СО-0,9265⁶v ²_СО-1294*⁶v_СО=0

После приведения подобных членов имеем:

76372600-21125*⁶v_СО+0,0735*⁶v ²_СО=0

Делим на коэффициент при ⁶v ²_СО, т.е. на 0,0735

⁶v ²_СО-287415⁶v_СО+1039082993=0

Отсюда ⁶v_СО=+ + +140060

Таким образом получено два ответа:

а) ⁶v_СО=143707-140060=3647 нм³/ч

б) ⁶v_СО=143707+140060=283767 нм³/ч

Второй ответ явно не реальный, так как получающийся объем СО больше суммарного объема всех поступающих газов в 15 раз. Следовательно, объем окиси углерода в конвертированном газе 3647 нм³/ч.

Подставим полученные значения в выражения для объема паров воды:

⁶v_Н2О=⁶v_CО+1,96*⁴v+0,4364*³v-4962=3647+1,96*2051+0,4364*5360-

-4962 =5044 нм³/ч

Находим объем водорода:

⁶v_H2=15907+0,0167*³v-⁶v_Н2О=15907+0,0167*5360-5044=10952 нм³/ч

Для определения объема двуокиси углерода подставляем полученные данные в выражение, выведенное из 1-го уравнения:

⁶v_СО2=5231-⁶v_СО =5231-3647=1584 нм³/ч

Полученные числа необходимо проверить, т.е. ввести их в первоначальные выражения. Баланс углерода принимает следующий вид:

приход

5225+2*55=5335 нм³/ч

расход

104+3647+1584=5335 нм³/ч

Баланс водорода:

приход

2*5225+3*55+5500+0,0167*5360=16204 нм³/ч

расход

2*104+10952+5044=16204 нм³/ч

Баланс кислорода:

приход

0,5*5500+0,2099*5360+0,5*0,0167*5360+0,98*2051=5930 нм³/ч

расход

0,5*3647+1584+0,5*5044=5930 нм³/ч

Объем свободного кислорода составляет:

0,2099*5360+0,98*2051=3135 нм³/ч

Это составляет =0,6 от объема поступившего метана, что соответствует условиям.

Суммарный объем окиси углерода и водорода

3647+10952=14599 нм³/ч

Объем азота в отходящих газах находим по равенству

⁶v_N2=220+0,7805*5360+0,01*2051=4423 нм³/ч

Сумма объемов окиси углерода и водорода в =3,3 раза больше, чем объем азота, что соответствует условию.

Наконец, для константы равновесия имеем

=0,9268

т.е. и в этом случае условие выполнено.

Из результатов проверки следует, что математические вычисления проведены правильно.

Для составления материально баланса необходимо пересчитать объемы газов на массы. Если для такого расчета использовать фактические значения плотностей газов при нормальных условиях, то материальные балансы, выраженные в килограммах, свести нельзя. Это объясняется тем, что весь вышеприведенный расчет основан на применении законов идеальных газов. Чтобы соблюсти равенство масс, необходимо пользоваться не фактической, а расчетной плотностью газов, вычисляемой по уравнению

р_выч=                                                                                         [4,стр.18]

где р_выч – вычисленная плотность, кг/нм³; М – масса 1 кмоль газа, кг/кмоль; 22,4 – объем 1 кмоль идеального газа при нормальных условиях, нм³/кмоль.

Получаем следующие вычисленные плотности газов (кг/нм³):

р_Н2= =0,0900,                            р _С2Н6= =1,3424,

р_О2= =1,4286,                         р_СО= =1,2505,

р_Ar= =1,7832,                           р_СО2= =1,9648,

р_N2= =1,2507,                           р_Н2О= =0,8043,

                     р_СН4= =0,7162.

Пользуясь полученными плотностями пересчитываем объемы на массы и составляем таблицу материального баланса.

Приход.

Природный газ:

метан

¹m_СН4=¹v_CH4*p_CH4=5225*0,7168=3745 кг/ч,

этан

¹m_С2Н6=¹v_C2H6*p_C2H6=55*1,356=74кг/ч,

азот

¹m_N2=¹v_N2*p_N2=220*1,25055=275кг/ч.

Общая масса природного газа

¹m=3745+74+275=4094кг/ч,

Водяной пар

²m=²v*p_H2О=5500*0,8043=4424кг/ч,

Воздух:

кислород

³m_О2=³v_О2*p_О2=0,2099*³v*p_О2=0,2099*5360*1,42895=1607кг/ч,

азот

³m_N2=0,7805*5360*1,25055=5232кг/ч,

аргон

³m_Ar2=0,0096*5360*1,7837=92кг/ч,

Общая масса сухого воздуха

³m_сух=1607+5232+92=6931кг/ч.

Влага воздуха. Влагосодержание воздуха, как указано выше, равна 0,01042 кг/кг сухого воздуха:

³m_Н2О=³m_сух*³d=6931*0,01042=72кг/ч.

Масса влажного воздуха ³m_вл=6931+72=7003кг/ч.

Технический кислород:

кислород

⁴m_О2=⁴v_О2*p_О2=0,98*⁴v*p_О2=0,98*2051*1,42895=2872кг/ч,

азот

⁴m_N2=⁴v_N2*p_N2=0,01*2051*1,25055=26кг/ч,

аргон

³m_Ar=⁴v_Ar*p_Ar=0,01*2051*1,7837=37кг/ч,

Масса технического кислорода

⁴m=2872+26+37=2935кг/ч.

Расход.

метан

⁶m_СН4=⁶v_CH4*p_CH4=104*0,7168=74 кг/ч,

азот

⁶m_N2=¹m_N2+³m_N2+⁴m_N2=275+5232+26=5533кг/ч,

⁶m_Ar=³m_Ar+⁴m_Ar=92+37=129кг/ч,

Окись углерода

⁶m_СО=⁶v_СО*p_СО=33647*1,2504=4560кг/ч.

Кроме метана, азота, аргона и окиси углерода, из аппарата выводятся двуокись углерода, водород и пары воды. Для определения количеств этих газов необходимо составить уравнения материального баланса по каждому элементу в отдельности.

Для упрощения дальнейших расчетов составляем таблицу содержания отдельных элементов в их соединениях (в долях единиц).

Табл.1

Соединение	Элементы
	углерод	водород	кислород
Метан			-
Этан			-
Двуокись углерода		-
Окись углерода		-
Вода	-

 

Материальный баланс углерода

¹m_CH4*0,7487+¹m _C2H6*0,7989=⁶m_CH4*0,7487+⁶m _CО*0,4288+⁶m _CО2*0,2729,

3745*,7487+74*0,7989=74*0,7487+4560*0,4288+⁶m _CО2*0,2729,

853=⁶m _CО2*0,2729, ⁶m _CО2=3126кг/ч.

Материальный баланс кислорода

²m*0,8881+³m_О2*+³m_Н2О*0,8881+⁴m_О2=⁶m_CО*0,5712+⁶m_CО2*0,7271+

+⁶m_Н2О*0,8881,

4424*0,8881+1607+72*0,8881+2872=4560*0,5712+3126*0,7271+

+⁶m_Н2О*0,8881,

3594=⁶m_Н2О*0,8881,  ⁶m_Н2О=4036кг/ч

Материальный баланс водорода

m_CH4*0,2513+¹m_C2H6*0,2011+²m*0,1119+³m_Н2О*0,1119=⁶m_CH4*0,2513+

+⁶m_Н2О*0,1119+⁶m_Н2,

3745*0,2513+74*0,2011+4424*0,1119+72*0,1119=74*0,1119+

+4036*0,1119+⁶m_Н2,

⁶m_Н2=998кг/ч.

Соответственно объемы составляют (в нм³/ч)

⁶v_CO2=

⁶v_Н2O=

⁶v_Н2=

Проверка правильности расчета производится составлением сводной таблицы материального баланса (табл.2) и подстановкой объемов газов в выражение константы равновесия

Полученная величина практически соответствует заданной.

Табл. 2