МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева»

КАФЕДРА ОБЩЕЙ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Расчётно-графическая работа

«Материальные и тепловые расчёты процесса 2-х ступенчатой конверсии метана в производстве

аммиака»

Вариант 321455

Работу принял к.т.н., доц. Иванов И.И.

Работу выполнила студент группы … Фёдоров Ф.Ф.

Москва

2019

ОГЛАВЛЕНИЕ

Задание……………………………………………………………………………..1

Расчётная часть……………………………………………………………………3

Описательная часть……………………………………………………………...12

Список литературы………………………………………………………………21

ЗАДАНИЕ

1. Схема процесса

2. Таблица исходных данных

№	Наименование параметра	Размерность
1	Температура, Т1	°С	820
2	Температура, Т2	°С	1020
3	Производительность,	т NH3/сутки	1000
4	Концентрация N2 в природном газе,	% об.	5.0
5	Потери АВС с продувным газом	% об.	9
6	Коэффициент избытка H2O		4
7	Давление на стадии конверсии метана	атм	1

АВС – азотоводородная смесь

3. Химическая схема

   В I-ом реакторе:	СH4 + H2O = 3Н2 + СО – 206,4 кДж/моль	(1)
   В II-ом реакторе:	а) СH4 + H2O = 3Н2 + СО – 206,4 кДж/моль	(2)
   	б) H2 + ½ O2 = H2O + 242,0 кДж/моль	(3)

4. Задание

а) Расчётная часть:

1) Рассчитать исходные потоки всех компонентов системы;

2) Составить тепловой баланс II-ого реактора и рассчитать степень превращения метана () после I-го реактора;

3) Составить покомпонентный материальный баланс процесса, результаты расчётов представить в виде таблицы.

б) Описательная часть:

1) ОПЕРАЦИОННАЯ СХЕМА производства аммиака из природного газа методом паровоздушной конверсии (дать краткое описание каждой стадии);

2) Обосновать использование 2-х ступенчатой системы конверсии метана с точки зрения возможностей реализации оптимального технологического режима;

3) Изобразить схематично все типы каталитических химических реакторов, которые используются на различных стадиях производства аммиака с обоснованием их использования для данного типа реакции (с учётом особенностей технологического режима);

4) ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА производства аммиака из природного газа методом паровоздушной конверсии;

5) СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ХТС производства аммиака;

6) ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ХТС производства аммиака;

7) ОПЕРАТОРНАЯ СХЕМА подсистемы ХТС производства аммиака (5-6 элементов по индивидуальному заданию).

Расчётная часть

1. Расчёт исходных потоков всех компонентов системы

По условию задания производительность по аммиаку – 1000 т/сутки. Тогда производительность в кг/сутки и кмоль/сутки составит:

Известно, что аммиак получается в результате реакции:

N₂ + 3 H₂ = 2 NH₃

На образование одного объёма аммиака расходуется два объёма азотно-водородной смеси (АВС) согласно уравнению реакции:

При продувке часть АВС теряется (потери составляют по условию задания 9% об.), тогда начальное количество АВС составляет:

Рассчитаем количество азота и водорода, необходимое для получения заданного количества АВС. Теоретически на образование 2 кмоль аммиака расходуется 3 кмоль водорода, который образуется в результате реакции:

СО + H₂O = Н₂ + СО₂

Но данная реакция является обратимой, поэтому не идёт до полного израсходования монооксида углерода. Тогда коэффициент, учитывающий неполное превращения СО в водород, будет равен:

, т.к. по условию мольное соотношение (CO+H₂):N₂ = 3,05:1

Для водорода:

Для азота:

Для монооксида углерода:

Далее рассчитаем количество исходного природного газа, воздуха и воды.

СH₄ + H₂O =3H₂ + CO

СО + H₂O = Н₂ + СО₂

Суммарно получаем:

СH₄ + H₂O + СО + H₂O = 3H₂ + CO + Н₂ + СО₂

СH₄ + 2H₂O = 4H₂ + СО₂

Также необходимо учесть, что подаваемый в составе воздуха кислород расходуется полностью на сгорание образованного водорода по реакции:

O₂ + 2H₂ = 2H₂O

Степень превращения исходного природного газа на выходе из всей системы составит 0,99·Х_pавн, где Х_pавн – равновесная степень превращения. Равновесная степень превращения при температуре , давлении 1 ат (~ 0,1 МПа) и соотношении пар : газ = 4:1:

Тогда степень превращения метана после двух ступеней конверсии будет равна:

Составим систему уравнений для нахождения неизвестных величин. Азот не вступает в реакции, приходит из воздуха и природного газа.

Водород образуется при газификации метана, а также расходуется на реакцию сгорания:

Приведём систему уравнений к системе с двумя неизвестными и – исходные количества воздуха и природного газа, соответственно:

Из брутто-уравнения следует, что из одного моля CH₄ образуется 4 моля H₂, c учётом степени превращения:

На сгорание 1 моля кислорода расходуется два моля водорода:

Получаем систему уравнений:

Для расчёта примем, что воздух сухой, состоит только из кислорода и азота, в соотношении 0,21:0,79 об. доли, соответственно.

Выразим из уранения (1), подставим в (2):

Найдём количество метана и азота в природном газе:

Рассчитаем количество исходное количество воды:

Найдём количество кислорода и азота в воздухе:

Вода в процессе расходуется по 1 реакции и образуется по 2 реакции:

Образовавшийся диоксид углерода:

Количество метана, оставшегося после реакции:

2. Расчёт теплового баланса II-го реактора и степени превращения метана () после I-го реактора

Таблица (основана на ¹табл.6):

№	Вещество	Уравнение для нахождения значения теплоёмкости Ср	Значение Ср при Т=500°С (773 К),	Значение Ср при Т1=820°С (1093 К),	Значение Ср при Т2=1010°С (1283 К),
1	Азот ()		31,17	32,54	33,35
2	Водород ()		-	30,89	31,49
3	Кислород ()		33,45	34,85	-
4	Монооксид углерода (CO)		-	32,85	33,64
5	Водяной пар ()		38,33	41,73	43,76
6	Метан ()		63,52	82,20	93,18

Рассчитаем тепловые потоки, входящие во второй реактор.

Рассчитаем массовые и тепловые потоки, выходящие из II-го реактора:

Система имеет дополнительные источники энергии в виде тепловых эффектов реакций:

Рассчитаем степень превращения :

Подставим полученные выше выражения в уравнение, получим степень превращения метана после I-го реактора:

Тогда тепловой баланс II-го реактора:

Входящие потоки			Выходящие потоки
Наименование компонента		Наименование компонента
Метан	568 932,074	Метан		8 023,072
Водяной пар	3 449 143,593	Водород		2 239 073,706
Монооксид углерода	556 652,707	Монооксид углерода		986 007,446
Водород	1 570 319,829	Вода		4 822 080,494
Азот	529 280,488	Азот		1 107 179,037
Кислород	139 326,051
Тепловой эффект конверсии метана	-1 681 470,847
Тепловой эффект сгорания кислорода	4 031 916,809
Всего	9 164 100,704	Всего		9 162 363,755

3. Покомпонентный материальный баланс системы

Составим материальный баланс по рассчитанным выше данным:

Входящие потоки					Выходящие потоки
№	Наименование компонента	, кг/час	, /час (н.у.)	№		Наименование компонента	, кг/час		, /час (н.у.)
1	Природный газ, в т.ч.:	24 190,928	28 594,988	1		АВС, в т.ч.:
2	метан	19 403,742	27 165,239	2		водород	8 217,518		92 036,198
3	азот	1 787,186	1 429,749	3		азот	38 348,416		30 678,733
4	Водяной пар	91 912,461	114 379,952	4		монооксид углерода	1 917,421		1 533,937
5	Воздух, в т.ч.:	47 668,438	37 024,030	5		Метан	195,978		274,369
6	кислород	11 107,209	7 775,047	6		Вода	62 423,230		77 682,241
7	азот	36 561,229	29 248,983	7		Диоксид углерода	49 808,260		25 356,933
Всего		160 771,827	179 998,969	Всего				160 910,823		227 562,411

Погрешность: