Теоретический материальный баланс синтеза оксида углерода

Сырье	Приход
	кмоль/час	% моль.	кг/час	% масс
Метан	35,71	50,00	571,43	47,06
Водяной пар	35,71	50,00	642,85	52,94
Итого	71,42	100	1214,82	100
Продукты реакции	Расход
Оксид углерода	35,71	25,00	1000	82,40
Водород	107,14	75,00	214,2	17,60
Итого	142,85	100	1214,28	100

Пример 3.2

Составить практический материальный баланс химико-технологического процесса.

Основная реакция:

СН₄ + Н₂О = СО + 3Н_2; (1)

(А) (В) (С) (Д)

первая побочная реакция;

СН₄ + 2Н₂О = СО₂ + 4 Н₂; (2)

(А₁) (В₁) (Е) (Д₁)

вторая побочная реакция;

СН₄ = С + 2 Н₂; (3)

(А₂) (F) (Д₂)

Таблица 3.2

Исходные данные для расчета материального баланса

Производительность реактора, т/г Число дней работы реактора в году, n Технологический выход продукта, f, % Молярное соотношение исходных реагентов, А : В

8200 345 94,7 1:2,8

Окончание таблицы. 3.2.

Степень превращения ХА, %	85
Селективность реакций, %	Основной (1)	64
	побочной (2)	34
Состав исходного реагента А, % (об.)	метан	99
	примесь - этан	1,0
Состав исходного реагента В, (% об.)	водяной пар	98,0
	СО2	2,0

Решение.

При составлении материального баланса целесообразно использовать мольные потоки веществ. Переведем производительность оксида углерода, выраженную в единицах массового потока, в мольную производительность.

Молекулярные массы веществ, участвующих в реакции, равны:

Мr_А=16; Мr_В=18; Мr_С =28; Мr_Д =2; Мr_E = 44; Мr_F =12;

Стехиометрические коэффициенты веществ, участвующих в реакции, равны: _А = 1; _В = 1; _С =1;_Д = 3; _А1= 1_В1 = 2; _Е = 1; _Д1 = 4; _А2= 1; _F = 1; _Д2 =2.

Переведем производительность реактора, выражаемую в единицах массового потока, в мольную:

,

где Мr – молекулярная масса целевого продукта (оксида углерода); n – число работы дней реактора в году; G_m – производительность реактора, т/год.

.

Пересчитаем это количество с учетом технологического выхода продукта:

.

Приход

Так как метан в реакционной массе находится в недостатке, то требуемый расход смеси рассчитывается по метану.

1. Количество метана, требуемое для получения 0,62 кмоль/мин оксида углерода:

.

2. Количество метана, требуемое для получения оксида углерода с учетом селективности;

.

3. Количество метана, требуемое для получения оксида углерода с учетом степени превращения:

.

4. Количество метана, пошедшего на побочные реакции:

G_n,4 = G_n,2 – G_n,1 = 0,97 – 0,62 = 0,35 кмоль/мин.

5. Определим селективность второй побочной реакции:

.

5.1. Определим количество метана, пошедшего на первую побочную реакцию:

5.2. Определим, сколько метана прореагировало во второй побочной реакции:

.

6. Определим количество непрореагировавшего метана:

G_n,7 = G_n,3 – G_n,2 = 1,08 – 0,97 = 0,11 кмоль/мин.

7. Количество метана с учетом его состава:

или 1,09 кмоль/мин или 17,54 кг/мин;

где Vн.у. –объем газа при нормальных условиях.

8. Определим количество примеси (этана), поступающего с метаном:

G_n,9 = G_n,8∙0,01 = 24,56  0,01 = 0,24 м3/мин или 0,01 кмоль/мин или 0,33 кг/мин.

9. Количество водяного пара, поступающего с метаном с учетом мольного соотношения:

G_n,10 = G_n,3∙2,8 = 1,08∙2,8 = 3,04 кмоль/мин или 54,71 кг/мин.

10. Количество водяного пара с учетом его состава:

или 3,10 кмоль/мин или 55,82 кг/мин.

11. Количество примеси (диоксид углерода), поступающей с водяным паром:

G_n,12 = G_n,11 ∙ i_CO2 = 69,47∙0,02 = 1,38 м³/мин или 0,06 кмоль/мин или 2,73 кг/мин.

12. Количество водяного пара, пошедшего на основную реакцию:

.

13. Количество водяного пара, пошедшего на первую побочную реакцию:

.

14. Количество непрореагировавшего водяного пара:

G_n,15 = G_n,10 – G_n,13 – G_n,14 = 3,04 – 0,62 – 0,66 = 1,75 кмоль/мин.

Расход

1. Количество оксида углерода (СО), образовавшегося в основной реакции:

.

2. Количество водорода, образовавшегося в основной реакции:

. .

3. Количество диоксида углерода (СО₂), образовавшегося в первой побочной реакции:

.

4. Количество водорода, образовавшегося в первой побочной реакции:

.

5. Количество углерода, образовавшегося во второй побочной реакции:

.

6. Количество водорода, образовавшегося во второй побочной реакции:

.

7. Суммарное количество водорода, образовавшегося в процессе:

G_n,22 = G_n,17 + G_n,19 + G_n,21 = 1,86 + 1,32 + 0,04 = 3,22 кмоль/мин.

Результаты проведенных расчетов сводим в таблицу материального баланса.

Таблица 3.3