Расчет процесса конверсии

Рассчитать процесс конверсии метана водяным паром по следующим данным:

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.

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:

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.

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.