Студопедия

Главная страница Случайная страница

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Расчет процесса конверсии






 

Рассчитать процесс конверсии метана водяным паром по следующим данным:

Производительность по метану 1000 м3/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:

=(Sni) - (Sni)

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

1.2. Найдем энтропию реакции:

DS = (SniDS ) - (SniDS )

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 = (SniDG ) -(SniDG )

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 РН2О = 2РСН4

Робщ = РСН4 + 2РСН4= 3РСН4

РСН4 = Робщ/3 = 10/3 атм.

При равновесии:

xe = 0, 8115 и xe = - 2, 29

Равновесная степень превращения равна 0, 8115.

Вывод: равновесная степень превращения метана xe=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, м3 Продукт m, кг V, м3
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); Ср – 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.


Поделиться с друзьями:

mylektsii.su - Мои Лекции - 2015-2024 год. (0.02 сек.)Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав Пожаловаться на материал