Отделение одноступенчатой каталитической паровоздушно-кислородной конверсии метана (стр. 4 из 5)

¹m_CH4*0,7487+¹m _C2H6*0,7989=⁶m_CH4*0,7487+⁶m _CО*0,4288+⁶m _CО2*0,2729,

3745*,7487+74*0,7989=74*0,7487+4560*0,4288+⁶m _CО2*0,2729,

853=⁶m _CО2*0,2729, ⁶m _CО2=3126кг/ч.

Материальный баланс кислорода

²m*0,8881+³m_О2*+³m_Н2О*0,8881+⁴m_О2=⁶m_CО*0,5712+⁶m_CО2*0,7271+

+⁶m_Н2О*0,8881,

4424*0,8881+1607+72*0,8881+2872=4560*0,5712+3126*0,7271+

+⁶m_Н2О*0,8881,

3594=⁶m_Н2О*0,8881, ⁶m_Н2О=4036кг/ч

Материальный баланс водорода

m_CH4*0,2513+¹m_C2H6*0,2011+²m*0,1119+³m_Н2О*0,1119=⁶m_CH4*0,2513+

+⁶m_Н2О*0,1119+⁶m_Н2,

3745*0,2513+74*0,2011+4424*0,1119+72*0,1119=74*0,1119+

+4036*0,1119+⁶m_Н2,

⁶m_Н2=998кг/ч.

Соответственно объемы составляют (в нм³/ч)

⁶v_CO2=

⁶v_Н2O=

⁶v_Н2=

Проверка правильности расчета производится составлением сводной таблицы материального баланса (табл.2) и подстановкой объемов газов в выражение константы равновесия

Полученная величина практически соответствует заданной.

Табл. 2

Сводный материальный баланс конверсии природного газа

Приход			Расход
статья	кг/ч	нм3/ч	статья	кг/ч	нм3/ч
Природный газ: метан этан азот Итого природного газа	3745 74 275 4094	5225 55 220 5500	Конвертированный газ метан окись углерода двуокись углерода водород азот аргон пары воды Всего конвертированного газа	74 4560 3126 998 5533 129 4036 18456	104 3647 1581 10985 4424 72 5018 25831
Водяной пар	4424	5500
Воздух: кислород азот аргон Общая масса сухого воздуха	1607 5232 92 6931	1125 4183 52 5360
Пары воды Итого влажного воздуха	72 7003	89 5449
Технический кислород: кислород азот аргон Итого технического кислорода	2872 26 37 2935	2011 20 20 2051
Всего:	18456	18500

7.ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

Приход тепла.

С природным газом.

¹Q=(¹m_CH4*¹c_CH4+¹m_C2H6*¹c_C2H6+¹m_N2*¹c_N2)*¹t,

¹Q=(3745*3,159+74*2,786+275*1,078)*600=7399200кдж/ч.

Здесь ¹с – теплоемкость компонента при 600°С,кДж/кг*град.

Теплоемкость (см. список литературы 4, табл.I.стр.500)

С паром

²Q=²m*²i=4424*3706=16395344кдж/ч.

Здесь ²i – энтальпия паров воды при 600°С и 0,8*10⁵ н/м² (в кДж/г).

Общее давление паро-газовой смеси около 1,6*10⁵н/м²,содержание паров воды в ней 50% по объему. Технический кислород и воздух поступают отдельно. Данные об энтальпии воды и паров воды при разных условиях см. в список литературы 4,табл XX и XXI,стр.513,514).

С воздухом

³Q=³m_сух*³i=6931*46,47=322084 кдж/ч.

Здесь ³i – энтальпия влажного воздуха (в кДж/кг), вычисленная на 1 кг сухого воздуха при 20°С и относительной влажности 70% (см.список литературы 4,табл. XIX,стр.512).

С техническим кислородом

⁴Q=(⁴m_О2*⁴c_О2+⁴m_N2*⁴c_N2+⁴m_Ar*⁴c_Ar)*⁴t,

⁴Q=(2872*0,920+26*1,027+37*0,519)*40=107520кдж/ч.

Здесь ⁴c_Ar=0,519 кдж/кг*град – теплоемкость аргона (не зависит от температуры).

Тепло реакции.

Тепло реакций, происходящих в конвекторе метана, рассчитываем, исходя из следующих соображений. Принимаем, что реакция в основном протекает при температуре 30 град ниже, чем температура отходящих газов, т.е. при 800°С (830-30). Так как в процессе конверсии происходят параллельные реакции, учесть которые затруднительно, а тепловой эффект процесса зависит только от начального и конечного состояний системы, то расчет ведем по количеству прореагировавших веществ. Для этого рассчитываем энтальпию образования из элементов одного килограмма каждого вещества, участвующего в реакциях. Расчет производим по формуле

h₂₉₈₌ кдж/кг, [4,стр.25]

где

h₂₉₈- энтальпия вещества при стандартных условиях, кДж/кг; Н₂₉₈-энтальпия вещества по таблицам, кДж/моль (Краткий справочник физико-химических величин, изд. 4. «Химия», 1965); 1000 – коэффициент пересчета килограммов в граммы, г/кг; М – мольная масса вещества, г/моль.

Энтальпии равны (в кДж/кг):

для метана

для этана

для окиси углерода

для двуокиси углерода

для паров воды

Согласно материальному балансу в процессе реакции расходуется (в кг/ч): метана 3745-74=3671, этана 74, кислорода 1607+2872=4479, паров воды 4424+72-4036=460.

При этом образуется (в кг/ч): окиси углерода 4560, двуокиси углерода 3126, водорода 998.

Для теплового эффекта при 25°С имеем

Q₂₉₈=

Н₂₉₈-=(∑ Н_кон - ∑ Н_нач)=∑ Н_нач- ∑ Н_кон, [4,стр.26]

или

q₂₉₈=∑

h_нач*m_нач=∑ h_кон*m_кон,

q₂₉₈=-3671*4666-74*2816-4479*0-

-460*15866+4560*3945+998*0+3126*8941=21303136 кдж/ч.

Как известно из курса физической химии, тепловой эффект реакции при Т₂

Т₁ определяется уравнением

Q_Т2= Q_Т1+_р(Т₁- Т₂)= Q_Т1+(∑

_кон-∑ _нач)(Т₁-Т₂)=

= Q_Т1-(∑

_кон-∑ _нач)(Т₂-Т₁), [4,стр.26]

или

q_t2= q_t1-[∑(cm)_кон-∑(cm)_нач](t₂-t₁).

В приведенном расчете теплоемкости необходимо выразить в кДж/кг*град и взять средние в диапазоне 298-1073°К. Для расчета пользуемся интерполяцией табличных данных, которые приведены в «Кратком справочнике физико-химических величин» ( в кДж/моль*град).

Пересчет производим по формуле:

с=

= кдж/кг*град, [4,стр.26]

где с- теплоемкость, кдж/кг*град, С-теплоемкость, дж/моль*град; 1000 в числителе – коэффициент пересчета граммов в килограммы, г/кг; 1000 – в знаменателе – коэффициент пересчета джоулей в килоджоули, дж/кДж; М- мольная масса, г/моль.

Тогда (в кДж/кг*град)

для метана

с=

=3,513,

для этана

с=

=3,157,

для кислорода

с=

=1,020,

для паров воды

с=

=2,079,

для окиси углерода

с=

=1,110,

для двуокиси углерода

с=

=1,083,

для водорода

с=

=14,345.