Расчёт конверсии метана / Расчет конверсии метана

21

Содержание

1.Введение ………………………………………………………стр 3

Cхема …………………………………………………….…….стр 4

3.Расчет конверсии метана(КМ)

3.1 Материальный баланс(КМ)……………………………...стр 5

3.2 Энергетический баланс (КМ)……………………………стр 6

3.3 Эксергетический баланс(КМ)……………………………стр 6

(Эксергетический анализ химической реакции)

4.Баланс кинетической энергий (исследование политропного процесса)…………………………………………………………стр 8

5.Горение топлива (ГТ)

5.1 Материальный баланс (ГТ)…………………………….. стр 10

5.2 Энтальпический баланс (ГТ)…………………………...стр 11

5.3 Эксергетический анализ (ГТ)…………………………...стр 12

6.Эксегетический анализ процесс теплообмена………………стр 13

7.Процесс течения на примере стуйного компрессора……….стр 13

8.Мноступенчатая компрессорная установка…………………стр 15

8.1 Определение механической мощности………………….стр 15

8.2.Определение массы воды при охлаждении……………..стр 16

8.3.Определение Т_а……………………………………………стр 16

9.Паросиловой цикл Рекина……………………………………стр 16

9.1 Расчет механической мощности………………………….стр 20

9.2 Термический К.П.Д………………………………………..стр 20

9.3 Эксергетический К.П.Д……………………………………стр 20

10.Выводы……………………………………………………….стр 20

Дано

6 9 9 сн4: н2о 10 12 12 8 с3н8:сн4

нм3/с мпа к ------------ нм3/с мпа к к ----------------

8 2,3 1123 1:4 13 2,5 800 573 0,3:0,7

из 2:2 сн4 н2о

1,02 1:3,76 0,81 0,32

P4=P6=8 бар T4=T₀=300^o ^T_S=0,8 _Mex=0,95 _Пер=1 ₂₅=h^”-h’=2500 KДЖ /КГ

Введение

Технологические газы – смесь Н₂,СО,СО₂,Н₂О и некоторых других – используют в агрегатах синтеза аммиака и метанола.

Преимущественным способом их получают путем двухступенчатой конверсии углеводородных газов, в основном метана.В первый ступени ,который служит трубчатая печь, совершается конверсия метана с водяным паром; во второй ступени, которой является шахтный реактор, конверсия метана осуществляется кислородом воздуха.(Схема ниже)

Очищенный от тяжелых фракций во входном холодилнике-конденсаторе (на схеме не показан) природный газ сжимается адиабатическим газовым компрессором К_г от давление Р₆=8 бар до давления Р₇

Пройдя аппарат сероочистки ( на схеме не показан ) нагретый до Т₈=540^оК газ смешивается с водяным паром и подается в трубчатую печь, в первую её ступень – подогреватель газовой смеси ПГС. Трубчатая печь состоит из двух последовательно включенных по ходу газа теплообменников: конвективного подогревателя ПГС и радиантных труб РТ. Конвективный и радиантный подогреватели конструктивно представляют систему параллельно включенных труб. Радиантные трубы содержат насадку-катализатор в форме колец Рашига или таблеток.

Химический процесс конверсии метана эндотермический, поэтому для осуществления такого превращения необходим подвод теплоты конвертируемому газу. С этой целью в топке-печи сжигается топливо. Конвертируемый газ после радиантных труб РТ трубчатой печи ТП направляется с параметрами Р₉, Т₉ в конвертор второй ступени – шахтный реактор ШР.

В шахтный реактор направляется также воздух. Воздух для второй ступени конверсии, предварительно очищенный в фильтрах , поступает на всас 4-х ступенчатого центробежного компрессора К_в и

Сжимается в ней (адиабатически в каждой ступени) до давления Р_11.

После последней ступени сжатия воздух подается в подогреватель воздушной смеси ПВС, где нагревается топочными газами.

ПВО представляет собой пучок из нескольких (n_b) параллельно включенных труб без насадки.

На выходе из ПВС воздух имеет параметры Р_12,Т₁₂.Воздух и конвертированная смесь подаются в шахтный реактор(ШР), затем в конвертор оксида углерода(КОУ) и далее в аппараиы утилизации теплоты.

Дымовые газы ,образовавшиеся присжиганиитоплива в топке трубчатой печи , передают теплоты конвертируемому газу сначала в РТ и ПГС , затем в ПВС , потом воде и водяному пару в парогенератор. Парогенератор состоит из водяного экономайзера ВЭ, парового котла ПК, паросборника-сепаротора ПС , пароперегреватель ПП.

После того , как дымовые газы , передав теплоту воде в водяном экономайзере , покинут парогенератор , они с температурой Т_ух выбрасываются дымососом D через дымовую трубу в атмосферу.

Питательная вода для парогенератора подается питательным насосом Н сначала в водяной экономайзер ВЭ , затем в барабан паросборника ПС.

Из парогенератора выходит перегретый пар с параметрами Р₁,Т₁.Перегретый пар , получаемый в парогенераторе , используется в паровой турбине Тп для привода компрессоров К_в и К_г , а также и для других целей, если мощность турбины превосходит суммарную мощность двух компрессоров К_в и К_г.

Расчет

3.1 Материальный баланс

Цель: Определение всех материальных процессов вход и выход

Уравнение:

Кт,т

сн4 .СН4 + н2о.Н2О  н2о Н2 + со СО + со2 СО2

Q89

“i ” --------“1”

“j”----------“2”

Вход:

сн4(i)=V6/22,4=8/22,4=0,36 [кмоль/с сн4(i)]

н2о(i)= 4*сн4(i) =1,44[кмоль/с н2о(i)]

Выход:

сн4(j)= (1 -сн4) *сн4(i) = (1-0,81).0,36= 0,0684 [кмоль/c]

н2о(j)= (1-н2о) *сн4(i) = (1-0,32).1,44= 0,9792 [кмоль/c]

сн4= сн4 *сн4(i) = 0,81* 0,36= 0,0684[кмоль/c]

н2о= н2о *н2о(i) = 1,44* 0,32 = 0,46[кмоль/c]

а Материальный баланс по Н:

4*сн4 + 2*н2о=2*н2о

• 4*0,2916 +2*0,4608 = 2*X

• X=1,044 кмоль

б Материальный баланс по С:

сн4 = со + со2 = Y +Z

• Y+Z=0,2916 (1)

в Материальный баланс по О:

н2о = со + 2*со2

Y+ 2Z = 0,4608 (2)

(1)(2) Y=0,1224  со = 0,1224 [кмоль/c]

Z=0,1692 со2 = 0,1692 [кмоль/c]

Условие проверки: ii= jj

ii= 16*0,36 +18*1,44=31,68 [кг/c]

jj = 0,0684*16 +0,9792*18 +1,044*2 +0,1224*2 +0,1224*28 +0,1692*44 = 31,68 [кг/c]

• Верно!

3.2 Энергетический баланс КМ

Цель:определение выделение(поглощение) энергии

Q89= jj - ii + z89

Для химическая реакция jj - ii  z89

 Q89= jj - ii

• Тi(j) =298 + Ср(Т8(9) +То)

• Ср(средное)= а + 0,5b(Т8(9)+То)

Получим таблицы значения:

		Выход
Вешество	a	b	Cp	II (МДЖ/КМОЛ)	Моль КМОЛ
Н2	27,28	0,003	29,6	24,42	1,044
СО	28,41	0,004	31,32	-84,7	0,1224
СО2	44,14	0,009	50,56	-351,8	0,1692
Н2О	30	0,011	37,61	-210,79	0,9792
СН4	14,32	0,075	67,37	-19,28	0,0684

		Вход
Вешество	a	b	Cp	II (МДЖ/КМОЛ)	Моль КМОЛ
Н2О	30	0,011	34,67	-232,3	1,44
СН4	14,32	0,075	46,48	-61,98	0,36

Q89=104,7 МДЖ/c(*)

3.3 Эксергетический анализ химической реакции

_х^_{= х}^ _+Cph^_{(T2-To) -Toc .Cps}^_{ln(T2/To) + Toc.R}^_ln(Pj/Po)

^х.р_ех= ^х+ = ^{nj хj(9—9)} - ^{ni хi(8—8)}

^{х- niхi (1—1)} - ^{nj хj (2—2)}

^х.р_ех= ^{nj хj(9—9)} - ^{ni хi(8—8)}

ⁿ_B^{(iхi(1—1)} - ^{j хj(2—2)}

^{Определение n}_B

Q_e⁸⁹= n_B(jj- ii) где Q_e⁸⁹=104,7 MДЖ/C( *)

jj(2—2) T=1835

_{При Т=1835  нет диссоциации}

Вещества	a	b	Cp	Н МДЖ/КМ	II МДЖ/КМ	моль
СО2	32,2	0,022	55,66	-393,5	-307,96	1,6
Н2О	32,3	0,002	34,43	-241,8	-188,9	2,6
N2	27,9	0,004	32,17	0	49,44	11,12
О2	31,5	0,003	34,7	0	53,33	0,058

jj= -429,84 МДЖ/КМоль

ii(1—1) T=298,16

Вещества	a	b	Cp	Н МДЖ/КМоль	II МДЖ/КМоль	Моль
C3H8	1,72	0,271	82,52	-103,3	-103,3	0,3
CH4	14,32	0,075	36,68	-74,8	-74,8	0,7
O2	31,5	0,003	32,39	0	0	2,958
N2	27,9	0,004	29,1	0	0	11,12

ii= -83,35 МДЖ/КМоль

 ⁿ_B=104,7/346,49=0,3 Кмоль/c

^{ni хi(8—8): T=573}

Вещества	a	B	Cph	Cps	Моль/c	P,atp	х^ МДЖ/КМоль	х^ МДЖ/КМоль
H2O	32,30	0,002	33,17	33,14	1,44	28,0	8,60	19,52
CH4	14,32	0,075	46,99	45,89	0,360	7,0	830,00	838,80

ni хi=330,1 МВТ

nj хj(9—9): T=1123^оК

Вещества	a	b	Cph	Cps	х^ МДЖ/КМ	Моль/c	P,atp	х^ МДЖ/КМ
CH4	14,32	0,075	67,61	60,97	830	0,068	0,667	860,7
Н2О	32,3	0,002	33,72	33,54	8,6	0,98	9,43	28,74
Н2	28,8	0	28,8	28,8	235	1,04	10,12	253,12
СО	28,4	0,004	31,24	30,89	275,4	0,12	1,15	289,32
СО2	32,2	0,022	47,83	45,89	20,1	0,17	1,61	42,61

nj хj=391,9 МВТ

^{iхi(1—1): T=298,16=To}

_х^_{= х}^ _+Cph^_{(T-To) -Toc .Cps}^_{ln(T/To) + Toc.R}^_ln(Pj/Po)

_х^_{= х}^ _{+ Toc.R}^_{ln(Pj/Po) ( Po=1atp)}

Вещества	х^ МДЖ/КМ	Моль	Р	х^ МДЖ/КМ
С3Н8	2149,00	0,30	0,02	2139,30
СН4	830,00	0,70	0,05	822,60
О2	3,95	2,96	0,20	-0,089
N2	0,70	11,12	0,74	-0,14

iхi =1215,6 МДЖ/КМоль

^{jхj(2—2): T=1835  нет диссоциации}

_х^_{= х}^ _+Cph^_{(T-To) -Toc .Cps}^_{ln(T/To) + Toc.R}^_ln(Pj/Po)

Вещества	а	b	cph	Cps	Моль	Р	х^ МДЖ/КМ	х^ МДЖ/КМ
CO2	32,2	0,022	55,66	50,8	1,6	0,1	20,1	72,67
H2O	32,3	0,002	34,43	33,99	2,6	0,17	8,6	38,87
N2	27,9	0,004	32,17	31,28	11,12	0,72	0,7	32,41
O2	31,5	0,003	34,7	34,04	0,058	0,0038	3,95	25,02

jхj = 579,3 MДЖ/КМоль

^х.р_ех= ^{nj хj(9—9)} - ^{ni хi(8—8)} ₌ ^{391,9 – 330,1}

ⁿ_B^{(iхi(1—1)} - ^{j хj(2—2)) 0,3( 1215,6- 579,3)}

^х.р_{ех= 0,32}

Кроме этого у нас уравнение КПД

^х.р_ех= ^кон_ех^т/об_ех^ад_ех

 0,32 = ^х.р_ех * 0,69*0,74

КПД реакции конверсии метана ^х.р_{ех= 0,64}

4.Баланс кинетической энергий (исследование политропного процесса)

Цель:Определение давление Р8

Исползуя :

-баланс кинетической энергии

-Уравнение политропного процесса

Через нескольких итерации получим P8=3,2МПа

1. Баланс кинетической энергии

р=е +  где е=т + d+ gdz

^е12=_т12(=0) +((2) ²-(1) ²)/2 + g(z2-z1)(0)

 n*R(Т8-Т9)/(n-1)=89(-vdp)= ((9)²-(8)²)/2 +89

2. Уравнение политропного процесса

• n=ln(P8/P9)/ln(8/9)(2)

8=P8/(R8*T8) ; 9=P9/(R9*T9)

Где R8=R/М8 ; R9=R/М9

М8=Мi*i ; М9=Мj*j ;

Для входа

Н2О= 1,44/1,8=0,8

СН4= 0,36/1,8=0,2

М8=18*0,8+16*0,2=17,6(КГ/Кмоль) R8=472,39 Дж/(Кг.К)

 8=P8/(R8*T8)=3,2*10⁶/(472,39*573)=11,82 Кг/М³

Для выхода

Н2О=0,9792/2,3832=0,41

СН4=0,0684/2,3832=0,029

Н2=1,044/2,3832=0,438

СО2=0,1692/2,3832=0,071

СО= 0,1224/2,3832=0,051

М9=18*0,41+16*0,029+2*0,438+44*0,071+28*0,051=13,272

(КГ/КМоль)

R9=626,53 Дж/(Кг.К)

9=P9/(R9*T9)=2,3*10⁶/(626,53*1123)=3,27 Кг/М³

 R=(R8+R9)/2=549,46 Дж/(Кг.К)

=(8+9)/2=8,1[КГ/М³]

m=8w8 где =0,785*(d3)²*k=1,73 М² d3=0,072M;k=426(число трубы)

w8= m/(8)=31,68/(1,73*11,82)=1,55[M/C]

w9= m/(9)=31,68/(1,73*3,27)=5,6[M/C]

w=3,57[M/C]

^e =(w9²-w8²)/2=14,5ДЖ/КГ

P=Pтр +Pмс

89=P/ где P=w**L/K K=6,15*10^-4*(0,0027)² (M²)

L=42 М

=(1+2)/2 (расcчитываем только СН4 , Н2О , Н2)

Формулы определение из методики

1=20,1*10 ^-6Па.с

2=31,85*10 ^-6Па.с

=(1+2)/2=26*10 ^-6Па.с

P=w**L/K=0,87*10 ⁶Па

89=P/=1,14*10⁵

(2)n=lg(3,2/2,3)/lg(11,8/3,27)=0,26

 ^p12=n*R(Т1-Т2)=1,06*10⁵

Уравнение (1) для проверить

106179,4=14,5+114820,4=114834,9

Расхождение между слевой и правой части баланса = 7%

Применим P8=3,2*10 ⁶Па

5.Исследование процесс горения

5.1 Материальный баланс процесса

0,3С3Н8 + 0,7СН4 + 2,9О2 + 10,9N2  1,6 СО2 2,6Н2О + 2,9(-1) О2 + 10,9 N2

При Т>1500

(1) СО2  СО + 1/2 О2

1-X X X/2

(2) Н2О  ОН + 1/2 Н2

1-Y Y Y/2

Поэтому мы получаем последние продукты :

1,6(1-X)СО2 + 1,6XСО + 2,6(1-Y)Н2О + 2,6YОН +1,3YН2 +

(0,8X + 2,9(-1))О2 +10,9N2

 Сумма моля продуктов : =1,6(1-X) +1,6X +2,6(1-Y) +2,6Y +1,3Y +0,8X +2,9(-1) +10,9  1,3 +13,8= 15,376

(Так как X 0, Y0)

Константа равновесия:

1. Kp1= (1-X)( ) ^1/2

X(0,5X)^1/2

2. Kp2= (1-Y)( )^1/2

Y(0,5Y)^1/2

При Т=2200 Рассматрим продукты:

Вещества	a	b	Cp	Н МДЖ/КМоль	ii МДЖ/КМоль
CO2	32,20	0,022	55,66	-393,51	-288,10
O2	31,50	0,003	34,70	0,00	67,90
N2	27,90	0,004	32,17	0,00	63,17
OH	29,00	0,06	92,99	-42,10	155,59
H2	28,80	0,000	28,80	0,00	59,87
CO	28,40	0,004	32,67	-110,53	-46,75
H2O	32,30	0,002	34,43	-241,81	-159,31

Кр1=2430  X=0,017

Kp2=3240  Y=0,014

jj= -148,86 МДЖ/КМоль

При Т=2400

Вещества	a	B	Cp	Н МДЖ/КМ	ii МДЖ/КМ
CO2	32,20	0,022	56,33	-393,51	-275,10
O2	31,50	0,003	36,03	0,00	75,74
N2	27,90	0,004	33,64	0,00	70,71
OH	29,00	0,06	109,94	-42,10	188,99
H2	28,80	0,000	31,82	0,00	66,89
CO	28,40	0,004	33,94	-110,53	-39,19
H2O	32,30	0,002	44,44	-241,81	-148,40

Kp1=152  X=0,1

Kp2=202  Y=0,09

jj= 95,13 МДЖ/КМоль

При исходных величинах T=298,16(СН4, С3Н8, О2, N2)

ii= -83,35 МДЖ/КМоль

		T=298.16	To=298.16
Вещества	a	b	Cp	Н МДЖ/КМ	II МДЖ/КМ	Mol КМ
C3H8	1,72	0,271	82,52	-103,30	-103,30	0,30
CH4	14,32	0,075	36,68	-74,80	-74,80	0,70
O2	31,50	0,003	32,39	0,00	0,00	2,96
N2	27,90	0,004	29,09	0,00	0,00	11,12