Практическая часть

Условия:

годовая производительность,т	750000
годовой фонд рабочего времени,ч	7200
расход природного газа,м3/т	947
давление процесса конверсии, МПа	2
температура на выходе из зоны катализа, 0С	860
избфыток водяного пара	2,83
степень конверсии метана	0,83
состав природного газа:
СН4	97,9
С2Н6	0,6
С3Н8	0,2
С4Н10	0,1
N2	0,8
СО2	0,4

На основе данных условия находим количество непрореагировавшего метана:

V(CH₄)=V(П.Г.)*(1- ст.конверсии)*(n(CH₄)+2n(C₂H₆)+3n(C₃H₈)+4n(C₄H₁₀)/100%=

=16786,56146 м³/ч

Запишем уравнение константы равновесия для четвертой реакции и материальный баланс по кислороду, водороду и углероду:

C: V(CO₂)=(V(П.Г.)_{по С}-V(CH₄))-V(CO) (6)

O: 1/2V(CO)=V(CO₂)+1/2V(H₂O)_к-(1/2V(H₂O)_исх+ V(ПГ)_{по О}) (7)

H: V(H₂O)=V(H₂)+(2V(CH₄)_непр-V(H₂O)_исх-V(ПГ)_{по Н}) (8)

Путем последовательной подстановки уравнения 6 в уравнение 7 получимуравнение:

VH2=441801,1479 -VH2O (9)

Vco=-115251,8729+VH2O (10)

Vco2=197604,374 -VH2O (11)

Подставим уравнения 9,10,11 в уравнение константы равновесия реакции (12)

(12)

Подставив полученное уравнение в формулу константы равновесия получаем квадратное уравнение вида:

-0,14175077V²(H2O)+540490,6907 V(H2O)+87301839248 V(H2O)=0

Решив систему уравнений с тремя неизвестными найдем расход следующих веществ:

VH2O, м3/ч	169015,1373
VH2, м3/ч	272786,0106
VCO, м3/ч	53763,26435
VCO2, м3/ч	28589,23669

Используя молекулярные массы, молярный объем(const= 4,71073733) и объемные расход используя уравнение:

M=V*1/V_M*M (9)

Составим таблицу материального баланса:

Приход	м3/ч	кг/ч	Выход	м3/ч	кг/ч
1. Природный газ	98645,83333	344115,2323	1. Синтез-газ	372319,6565	761685,4936
СН4	96574,27083	328893,8073	СО	53763,26435	319682,1429
С2Н6	591,875	3778,101917	Н2	272786,0106	116734,1383
С3Н8	197,2916667	1846,83715	СО2	28194,65335	263407,8696
С4Н10	98,64583333	1217,153498	СН4	16786,56146	57168,39549
N2	789,1666667	4692,947187	N2	789,1666667	4692,947187
СО2	394,5833333	3686,385284			0
2. Водяной пар	279167,7083	1067621,495	2. Водяной пар	169015,1373	646364,8489
Итого:	377813,5416	1411736,728	Итого:	541334,7938	1408050,342

Вывод.

В результате проделанной работы составили материальный баланс трубчатого конвектора метана для конверсии природного газа. После произведенных расчетов итог материального баланса на входе и выходе не равен, разбаланс составляет 0,26% из-за погрешности расчетов.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра ТООС и ВМС

Лабораторная работа

«Расчет материального баланса трубчатого конвектора метана для конверсии природного газа»

по дисциплине «Основы проектирования и оборудование предприятий органического синтеза»

Выполнила:

студентка гр. З-5662

Андреева О.В.

Принял:

кан.хим.наук

Ляпков А.А.

Томск 2011

Теоретическая часть:

Каталитическая конверсия метана может быть осуществлена либо в смеси метана с водяным паром, либо в смеси метана с водяным паром и кислородом.

В связи с тем, что реакция конверсии метана с водяным паром сильно эндотермична, для ее осуществления требуется подвод тепла. В промышленности этот процесс проводится в трубчатых печах. В трубы пожаропрочной стали загружается никелевый катализатор, снаружи трубы обогреваются топочными газами. Такой метод конверсии нашел применение в тех случаях, когда требуется получить технический водород с минимальным содержанием азота. Процесс ведется при температуре 800 -- 850°С на выходе из слоя катализатора. К 1 м³ природного газа добавляют обычно 2--2,5 м³ водяного пара. Остаточное содержание, метана в конвертированном газе составляет 1 -- 2%.

Преимущество этого метода заключается в том, что для обогрева труб могут быть использованы любые горючие газы, в том числе отходы производства. Недостатком этого метода являются большие капитальные затраты на сооружение установок и необходимость использования высококачественных легированных сталей.

Практическая часть

C H₄ + H₂O CO + 3H₂ (1)

C H₄ + CO₂ 2CO + 2H₂ (2)

C H₄ + 0,5 O₂ СО+2H₂ (3)

C O + H₂O CO₂ + H₂ (4)

Условия:

годовая производительность,т	750000
годовой фонд рабочего времени, ч	7200
расход природного газа,м3/т	947
давление процесса конверсии, МПа	2
температура на выходе из зоны катализа, 0С	860
избыток водяного пара	2,83
степень конверсии метана	0,83
состав природного газа
СН4	97,9
С2Н6	0,6
С3Н8	0,2
С4Н10	0,1
N2	0,8
СО2	0,4

На основе данных условия находим количество непрореагировавшего метана:

V(CH₄)=V(П.Г.)*(1-ст.конверсии)*(n(CH₄)+2n(C₂H₆)+3n(C₃H₈)+4n(C₄H₁₀)/100%=16786,56146 м³/ч

Запишем уравнение константы равновесия для четвертой реакции и материальный баланс по кислороду, водороду и углероду:

К_р=(V(CO₂)*V(H₂))/(V(CO)*V(H₂O)) (5)

C: V(CO₂)=(V(П.Г.)_{по С}-V(CH₃))-V(CO) (6)

O: 1/2V(CO)=V(CO₂)+1/2V(H₂O)_к-(1/2V(H₂O)_исх+ V(ПГ)_{по О}) (7)

H: V(H₂O)=V(H₂)+(2V(CH₄)_непр-V(H₂O)_исх-V(ПГ)_{по Н}) (8)

Решив систему уравнений с тремя неизвестными найдем расход следующих веществ:

VH2O, м3/ч	169015,137
VH2, м3/ч	272786,011
VCO, м3/ч	53763,2644
VCO2, м3/ч	28589,2367

Используя молекулярные массы, молярный объем(const= 4,707830664) и объемные расход используя уравнение

M=V*1/V_M*M (9)

Составим таблицу материального баланса.

Приход			Расход
Компонент	м3/ч	кг/ч	Компонент	м3/ч	кг/ч
Природный газ, в т.ч.:	98645,83		Синтез газ, в т.ч.:
CH4	96574,27	328010,1631	Н2	272786,0106	115813,1756
C2H6	591,875	3769,268984	CO	53763,26435	319557,8872
C3H8	197,2917	1842,753726	CO2	28983,82002	267030,6522
C4H10	98,64583	1214,542228	N2	789,1666667	4690,645847
N2	789,1667	4690,645847	CH4		57014,80027
CO2	394,5833	3685,507451	Водяной пар	169015,1373	645808,8428
Водяной пар	279167,7	1066703,122	Итого:		1409916,004
Итого:	377813,5	1409916,004

Вывод:

В результате проделанной работы составили материальный баланс трубчатого конвектора метана для конверсии природного газа. В результате произведенных расчетов итог материального баланса на входе и выходе равен, следовательно, расчет материального баланса был произведён