Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Задачи и упражнения по химической технологии неорганических веществ. Учебное пособие
.pdf
21
3. Запишите реакцию кислородной конверсии метана. Охарактеризуйте ее с физико-химической точки зрения.
4. Приведите технологическую классификацию реакций при
синтезе аммиака: по тепловому, температурному и гидродинамическому режиму реактора.
5. Выполните экологическую экспертизу технологической схемы
конверсии метана.
Задачи для самостоятельного решения
1. Определите состав (%, об.) сухого конвертированного газа,
предназначенного для синтеза аммиака, который получают при
конверсии метана смесью водяного пара и воздуха, обогащенного кислородом. Соотношение между объемами компонентов
CH4 : H2O : O2 : N2 в исходной газовой смеси равно
1,0 : 1,0 : 0,6 : 0,9. Принять, что равновесный состав конвертиро-
ванного газа определяется реакциями (17) и (18). Степень конверсии метана 0,993; степень конверсии CO 0,323. При решении
задачи необходимо учесть, что водород, образовавшийся по реакции конверсии метана, вступает в реакцию с кислородом, присутствующим в исходной газовой смеси, с образованием воды.
2. Найдите равновесный состав (%, об.) сухого газа, образующе-
гося при конверсии метана, предназначенного для синтеза метанола. Метан окисляют водяным паром, оксидом углерода (IV) и
кислородом. Соотношение между объемами компонентов
CH4:H2O:СO2:О2 в исходной газовой смеси равно
1,0 : 1,0 : 0,3 : 0,6. Принять, что равновесный состав конвертиро-
ванного газа определяется реакциями (17) и (18). Степень конверсии метана 0,9998; степень конверсии CO 0,0254. При решении задачи необходимо учесть, что водород, образовавшийся по
реакции конверсии метана вступает в реакцию с кислородом,
присутствующим в исходной газовой смеси, с образованием воды.
22
3. Рассчитайте тепловой баланс при получении
1000 м3 Н2 конверсией метана в одну стадию при 1000 °С:
СН
4(г)
+ Н
2О(п)
→ СО
(г)
+ 3Н
2(г)
, ΔН > 0.
4. Рассчитайте расходные коэффициенты по метану и хлору на
1 т хлорметана, если селективность процесса по метану
С
1
= 0,85, а по хлору – С2 = 0,92. Потери метана в процессе про-
изводства хлорметана составляют 15 % (по массе), а хлора – 8 %
(по массе): СН
4
+ Сl
2
→ СН3Сl + НСl.
5. Составьте материальный баланс производства 5,5 т ацетилена
из природного газа следующего состава (% об.):
СН
4
– 93 %; С
2Н6
– 4 %; С
3Н8
– 1 %; N2 – 2 %. Степень превра-
щения метана составляет 85 %.
6. Смесь газов состоит из 1 кмоль метана, 11 кмоль водяного пара, 9 кмоль оксида углерода и 27 кмоль водорода. Определите
мольный (объемный) и массовый состав смеси.
7. Массовые доли компонентов в газе, получаемом при пиролизе
бензина: метан – 15 %, этилен – 40 %, этан – 5 %, пропилен –
20 %, бутены – 20 %. Определите состав (в мольных долях),
среднюю мольную массу и плотность газовой смеси.
8. Пиролизу подвергли 1500 м3 метана. Степень конверсии метана равна 60 %, масса ацетилена в продуктах пиролиза составляет
400 кг. Определить селективность процесса.
9. Для пиролиза взято 1000 м3 природного газа, в котором объемная доля метана равна 90 %. Определите массу образовавшегося ацетилена, если степень конверсии метана равна 96 %, а селективность по ацетилену составляет 32 %.
10. При газофазном хлорировании 1000 м3 метана образовалось
500 кг метилхлорида, селективность по которому составила
52 %. Определите степень конверсии метана.
23
11. Производительность реактора электрокрекинга метана равна
650 кг ацетилена в час. Пиролиз ведут при 1600 °С и 0,18 МПа;
степень конверсии метана 55 %; селективность по ацетилену
72 %. Определите размеры реакционной камеры, если время реакции равно 0,001 с, а линейная скорость газов в камере состав
лист 835 м/с. Коэффициент увеличения объема газов принять
равным 1,4.
12. Степень конверсии метана в регенеративной печи 55 %; селективность по ацетилену 20 %. Определите объемный расход
водяного пара и природного газа, в котором объемная доля метана равна 95 %, для производства 100 т ацетилена в сутки в регенеративной печи, если объемное соотношение водяного пара и
природного газа равно 2,2 : 1,0.
13. Объемный расход кислорода в многоканальном реакторе
окислительного пиролиза метана равен 1000 м3/ч; метан подают
в объемном соотношении к кислороду 1,6:1,0. Определите производительность реактора по ацетилену, если степень конверсии
метана равна 91 %, а селективность по ацетилену 35 %.
14. В многоканальный реактор окислительного пиролиза подают
в час 1700 м3природного газа, в котором, объемная доля метана
равна 98 %. Степень конверсии метана 90 %, селективность по
ацетилену 34 %. Определите площадь необходимой поверхности
горения метана, если производительность 1 м
2
этой поверхности
равна 3,3 т ацетилена в час.
3. ПРОИЗВОДСТВО АММИАКА
Функциональная схема производства аммиака показана на
рис. 3. Технологическая модель (схема) показывает элементы системы, порядок их соединения и последовательность технологических операций. В технологической схеме каждый элемент (агрегат, аппарат, машина) имеет общепринятое изображение, соответствующее его внешнему виду. Связи изображены обычно линиями со стрелками или даже в виде трубопроводов. Нередко
24
расположение аппаратов соответствует их примерной расстановке в цехе. На технологической схеме кратко могут быть приведены данные о параметрах процесса.
Рис. 3. Функциональная схема синтеза аммиака:
А – синтез NH3; Б – выделение NH3; В – компрессия и рециркуляция
Реакция водорода с азотом протекает не полностью из-за
ограничений по равновесию. Поэтому синтез аммиака включает
три стадии:
а) синтез аммиака 3Н2 + N2 = 2NH3;
б) выделение аммиака;
в) возврат непрореагировавших водорода и азота в реактор (стадию а).
На рис. 4. приведена несколько сокращенная технологическая схема синтеза аммиака. Азотоводородная смесь поступает
в реактор 1. Нагретая за счет теплоты экзотермической реакции
прореагировавшая реакционная смесь охлаждается в трех теплообменниках. В первом из них (2) газ охлаждается водой – частично используется теплота реакции. В теплообменнике 3 подогревается газ, направляемый в реактор. Окончательное охлаждение происходит в воздушном холодильнике 4. Это наиболее простое и безопасное решение. Если охлаждать водой, вода может
загрязняться, и необходимо создать сложную замкнутую систему
водооборота, работающую на чуть теплой воде. В охлажденном
газе конденсируется аммиак (частично), и его отделяют в сепараторе 5. Жидкий аммиак собирается в сборнике 6 как продукт.
Охлаждение до температуры окружающей среды недостаточно
для полного выделения аммиака, и газ из сепаратора направляется в конденсационную колонну.
25
Рис. 4. Технологическая схема синтеза аммиака: 1 – колонна
(реактор) синтеза NH
3
; 2 – водяной холодильник; 3 теплообменник;
4 – воздушный холодильник; 5 – сепаратор; 6 – сборник аммиака,
7 – циркуляционный компрессор; 8 – конденсационная колонна;
9 – испаритель
Упражнения с технологическими схемами
1. Колонна среднего давления изображена на рис. 5. Назовите ее
основные части. Покажите перемещение азотоводородной смеси
и газовой смеси после реакции.
26
Рис. 5. Колонна среднего давления
Рис. 6. Конденсационная
колонна аммиака
2. Конденсационная колонна аммиака изображена на рис. 6.
Назовите ее основные части. Покажите перемещение и состав
потоков.
Задачи для самостоятельного решения
1. Сколько водорода и азота требуется для получения 1 т аммиака, если выход аммиака составляет 95 % от теоретического?
27
2. Производительность колонны синтеза 7500 кг/ч. Определите
расход исходной газовой смеси в 1 ч, если состав смеси: 25 %
азота, 74 % водорода, остальное – аргон. Степень превращения
составляет 65 %.
3. Сколько выделится теплоты при синтезе аммиака, и на сколько повысится температура газа на выходе из слоя катализатора
(если процесс считать адиабатическим)? Температура газа на
входе 450 С. Синтез проводят при 300105 Па, содержание аммиака в поступающей газовой смеси 4 % (об.), в выходящей –
16 % (об.). Потерями газа на продувку и за счет растворения в
жидком аммиаке, а также теплопотерями пренебречь. Тепловой
эффект реакции синтеза аммиака (Q, кДж/кмоль NH
3
) из азота и
водорода в зависимости от температуры (Т, К) и давления (Р, Па)
описывается следующим выражением:
6
5
3
4 2 6 3
3513,7 1921,5 10
Q = 38276,7 + 2,278 P 10
TT
22,35 T 10,554 10 T 7,077 10 T
.
4. Какой объем аммиака синтезируется за сутки и какой объем
азота и водорода не вступает в реакцию, если колонна синтеза
аммиака имеет производительность 200 т/сут? Синтез осуществляется при 450 С и давлении 300105 Па. В этих условиях в газовой смеси находится 0,358 объемной доли аммиака.
5. Газовая смесь выходит из колонны синтеза с объемной долей
аммиака 0,20. После охлаждения газа и конденсации аммиака
содержание NH
3
снижается до 0,04. Какая доля аммиака сжижена
(от количества аммиака, содержащегося в газовой смеси)?
6. Сколько выделится теплоты при синтезе аммиака, и на сколь-
ко повысится температура газа на выходе из слоя катализатора
(если процесс считать адиабатическим)? Температура газа на
входе 500 С. Синтез проводят при 250105 Па, содержание аммиака в поступающей газовой смеси 3 % (об.), в выходящей –
18 % (об.). Потерями газа на продувку и за счет растворения в
28
жидком аммиаке, а также теплопотерями пренебречь. Тепловой
эффект реакции синтеза аммиака (Q, кДж/кмоль NH
3
) из азота и
водорода в зависимости от температуры (Т, К) и давления (Р, Па)
описывается выражением, приведенным в задаче 3.
7. Какой объем аммиака синтезируется за сутки и какой объем
азота и водорода не вступает в реакцию, если колонна синтеза
аммиака имеет производительность 250 т/сут? Синтез осуществляется при 400 С и давлении 350105 Па. В этих условиях в газовой смеси находится 0,3 объемной доли аммиака.
8. Определите объемы азота и водорода, теоретически необходимые для получения 1 л нашатырного спирта (20 % раствор
аммиака, ρ = 0,92 г/мл).
9. Определите количество аммиака, требуемого для производства 100000 т/год азотной кислоты, и расход воздуха на окисление аммиака, если цех работает 355 дней в году, выход оксида
азота 0,97, степень абсорбции 0,92, содержание аммиака в сухой
аммиачно-воздушной смеси 7,13 % (масс.). Молекулярная масса:
NH3 - 17; HNO3 - 63.
10. Определите количество аммиака, требуемое для производства 100000 т/год азотной кислоты, и расход воздуха на окисление аммиака, если цех работает 355 дней в году, выход оксида
азота 0,97, степень абсорбции 0,92, содержание аммиака в сухой
аммиачно-воздушной смеси 7,13 % (масс.).
11. Рассчитайте степень превращения водорода и выход теоретического аммиака при синтезе аммиака, если через некоторый
момент времени в газовой смеси обнаружено 80 молей водорода
и 20 молей аммиака. Процесс ведут при температуре 500 °С и
давление 30 МПа. В этих условиях при состоянии равновесия в
газовой смеси содержится 26,4 % аммиака.
29
12. Рассчитайте расход водяного пара и природного газа, содер-
жащего 76 % метана, в производстве 1470 кг аммиака. Степень
превращения СН
4
– 81 %, выход водорода составляет 70 % от
теоретически возможного, а выход готового продукта 81 % от
теоретически возможного.
13. Рассчитайте объёмный расход аммиака с объёмной долей основного вещества 99,9 % для получения 15 т/ч азотной кислоты
концентрацией 55 %. Степень использования сырья 0,8.
4. ПРОИЗВОДСТВО АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ
Производство разбавленной азотной кислоты из аммиака
состоит из трех основных стадий, приводящих к получению
азотной кислоты, и, кроме того, обязательно отмечают четвертую - очистку отходящих газов:
1) каталитическое окисление аммиака в оксид азота (II)
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O;
2) окисление оксида азота (II) в оксид азота (II)
2NO + O2 = 2NO2;
3) абсорбция нитрозных газов водой
2NO2 + H
2
O ↔ HNO
3
+ HNO2,
так как 3HNO2 ↔ HNO3 + 2NO + H2O, то
3NO2 + H2O ↔ 2HNO3 + NO,
3N2O4 + 2H2O ↔ 2HNO3 + 2NO;
4) очистка отходящих газов от оксидов азота.
Отходящие газы производства азотной кислоты содержат
различные оксиды азота: NO, NO
2
, N2O4, N2O
3
. Все оксиды, кро-
ме NО, растворяются в воде, щелочах и в содовых растворах. Если максимально окислить NO до NO
2
то оксиды азота (NO2 и
N2O3) можно улавливать щелочными растворами:
2 NO2 + 2NaOH = NaNO3 + NaNO2 +H2O,
30
N2O3 + 2NaOH = 2NaNO2 +H2O.
В системах, работающих при атмосферном давлении, для
полного окисления NO на завершающей стадии процесса устанавливают дополнительную окислительную колонну и поглотительную башню, орошаемую раствором соды или известковым
молоком. Оксиды азота улавливаются и превращаются в смесь
солей - нитрата и нитрита натрия или кальция:
N2O3 + Na2CO3 = 2NaNO2 + CO2,
2NO2 + Na2CO3 = NaNO3 + NaNO2 + CO2.
В щелочных башнях улавливается 6-7 % оксидов азота от общего их содержания в нитрозных газах, поступающих на переработку.
На современных агрегатах для очистки отходящих газов от
оксидов азота газы подогревают до 400 °С и после добавления к
ним какого-либо восстановителя (это может быть водород, метан, аммиак и т.д.) направляют на каталитическое (Pd) восстановление. Например, отходящие газы смешивают с природным
газом (основной компонент - метан) и сжигают. При сжигании
метан окисляется кислородом, присутствующим в хвостовых газах:
СH4 + ½ O2 = CO + 2H2,
(CH4 +2O2 = 2H2O + CO2),
а затем взаимодействует с NO и NO
2
:
СH4 + NO = 2N2 +2H2O +CO2,
СH4 + 2NO2 = 4NO +2H2O + CO2.
Водород также взаимодействует с NO и NO
2
:
2H2 + 2NO = N2 +2H2O,
4H2 +NO2 = N2 +4H2O.
Оксиды азота восстанавливаются до элементарного азота.
Все представленные реакции являются экзотермическими,
поэтому температура в реакторе повышается до 750 °С, давление
газов возрастает. Это позволяет направлять их в турбину и далее
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]