Конверсия метана водяным паром

Размещено на http://www.allbest.ru/

4

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

Тема: «Конверсия метана водяным паром»

Вариант №17

Задание на курсовую работу

1.1 Исследовать влияние давления Р на процесс в изотермическом режиме идеального вытеснения и полного смешения. Сравнить значения соотношения объемов реакторов в различных режимах.

1.2 Построить графики зависимости:

ХR = f(T)	где ХR - равновесная степень превращения, Т - температура, К. Интервал температур - (1400 - 1700 К).
Х = f(T)	где Х - степень превращения
T = f(h)	Т - температура в зоне реакции (на выходе из реактора), К.
X = f()	где - время реакции, с; Х - текущая степень превращения.
Vрив = f(T)	где Vрив - объем реактора идеального вытеснения, м3
Vрпс = f(T)	где Vрпс - объем реактора полного смешения, м3
Vрпс/Vрив = f(T)

Некоторые условия и исходные данные:

· Диапазон изменения давления Р = (1 - 10) атм.

· Температура газа на входе в реактор Т₀ = 1400-1700К.

· Линейная скорость газа W = 1 м/с.

К₀₁ = 5.1 * 10⁵ К₀₂ = 1.13 * 10⁶

Е₀₁ = 79000 Е₀₂ = 46000 (кДж/кмоль)

U = (K₁ * P₁ *P₂ )/ (10 * P₄ + P₂ )

Введение

Основы химической технологии - это наука о наиболее экономичных способах обработки сырья с применением химических реакций.

Химические процессы и реакторы, объединенные в химико-технологические системы, составляют основу производства во многих отраслях промышленности, в том числе химической, нефтехимической, минеральных удобрений, металлургии черных и цветных металлов, целлюлозной и лесохимической, строительных материалов, пищевой, химико-фармацевтической, фото- и киноматериалов. Продукты химической промышленности обеспечивают химизацию всего народного хозяйства, в том числе и агропромышленного комплекса.

Развитие химической промышленности требует все больше делать акцент на разработку и внедрение высокоэффективных энерго- и ресурсосберегающих, а также экологически чистых технологий.

Химико-технологическими методами производят десятки тысяч продуктов, изучение технологии которых в общем курсе химической технологии невозможно. В этом и нет необходимости, так как по мере развития химической технологии все более типизируются химические процессы и реакторы. Разработаны химико-технологические системы с однотипными процессами и реакторами, которые можно применять в производстве многих химических продуктов с учетом не принципиальной специфики. Поэтому инженерам-технологам-химикам необходимо твердое знание общих закономерностей химической технологии, наиболее типичных химико-технологических процессов и реакторов, принципов создания рациональных автоматизированных химико-технологических систем.

Применение общих закономерностей к конкретным химико-технологическим процессам лучше всего изучить на примерах производств, которые основаны на типовых процессах, имеют большое народнохозяйственное значение и наиболее соответствуют профилю данного вуза.

конверсия газ вытеснение смешение реактор

1. Аналитическая часть

В настоящее время конверсия метана является основным промышленным методом получения водорода и технологических газов для синтеза аммиака, спиртов и других продуктов. Известны различные способы конверсии метана. От метода конверсии зависят как технологическая, так и энергетическая схемы производства аммиака в целом. Для выбора оптимального варианта необходимо знать состав конвертированного газа, его энтальпию и эксэргию.

Расчет равновесных составов конвертированного газа на основе известных методик требует использования ЭВМ и соответствующего программного обеспечения. Для упрощения этой задачи целесообразно построить номограммы для определения содержания отдельных компонентов в конвертированном газе, а также номограммы для нахождения его энтальпии и эксэргии. В литературе приведены номограммы только для паровой конверсии метана, однако, имеется возможность построения подобных номограмм и для других способов конверсии.

Конверсия метана, являющегося основным компонентом природного газа, представляет собой наиболее экономичный способ получения азотоводородной смеси. Крупнейшие газовые месторождения имеются на Украине, Северном Кавказе, в Средней Азии, Поволжье, Сибири и других районах страны.

1.1 Принципиальная схема паровоздушной конверсии метана

Блок-схема отделения паровоздушной конверсии природного газа в технологической нитке производства аммиака приведена на рис.1.



Рис.1. Принципиальная схема отделения конверсии природного газа в агрегате по производству аммиака:1 - аппарат гидрирования сераорганических соединений; 2 - адсорбер сероводорода; 3 - печь первичного реформинга природного газа (трубчатая печь (Т.П.); 4 - реактор вторичного реформинга (шахтный реактор (Ш.Р.); 5, 6 - конвертеры монооксида углерода I и II ступени; 7 - блок очистки от СО2; 8 - метанатор; ТО - теплообменники.

Природный газ вначале проходит через аппараты 1, 2 очистки от сераорганических соединений. В аппарат 1 подается часть производимого в отделении конверсии потока азотоводородной смеси; содержащие серу соединения реагируют с водородом, образуя сероводород, который удаляется из смеси в аппарате 2 при взаимодействии с оксидом цинка, либо адсорбцией на цеолите. Очищенный природный газ смешивается с водяным паром и поступает в реакционные трубы печи первичного реформинга 3 (трубчатой печи), заполненные никелевым катализатором. Здесь происходит превращение большей части СН4 и сопутствующих углеводородов в смесь Н2, СО и СО2. Итоговые уравнения основных реакций, протекающих в трубчатой печи можно записать в виде:

СН4 + Н2О 3 Н2 + СО (1)

СО + Н2О Н2 + СО2 (2)

Суммарный процесс:

СН4 + 2Н2О 4 Н2 + СО2 (3)

Реакция (1) идет с поглощением теплоты, реакция (2) - с ее выделением. Суммарный тепловой эффект процесса определяется эндотермической реакцией (1), необходимая теплота подводится к реакционным трубам от сжигаемого в межтрубном пространстве природного газа.

Вслед за первичной конверсией природного газа проводится паровоздушная конверсия остаточного количества углеводородов (вторичный реформинг) в шахтном реакторе 4. Данный аппарат выполняет в рассматриваемой схеме две важные функции: увеличение степени конверсии метана за счет значительного повышения температуры по сравнению с температурой, достигаемой в тепловой печи, и приготовление смеси газов с необходимым содержанием азота для последующего синтеза аммиака. В шахтном реакторе, загруженном никелевым катализатором, последовательно протекают реакции окисления горючей смеси газов кислородом воздуха, подаваемого на входе шахтного реактора, и реакции (1), (2). Среди реакций окисления превалирует реакция протекающая до полного исчерпывания кислорода.

2 Н2 + О2 2 Н2О, (3)

Реакция (3) преобладает среди других реакций окисления, так как в газовой смеси, поступающей в шахтный реактор, количество водорода значительно превышает количество других горючих газов.

Обе функции шахтного реактора обеспечиваются за счет парадоксального на первый взгляд решения - сжигания части полученного на предыдущей стадии продукта в объеме реактора. В результате происходит адиабатный разогрев смеси, температура резко возрастает, вследствие чего и повышается степень конверсии метана. Весь кислород, содержащийся в подаваемом в шахтном реакторе воздухе, расходуется, и в смеси с продуктами конверсии остаются только другие компоненты воздуха - азот и аргон. Поэтому для приготовления азотоводородной смеси в данной схеме отпадает необходимость в выделении азота из воздуха путем его сжижения и низкотемпературной ректификации.

Выходящая из шахтного реактора смесь после ступенчатого промежуточного охлаждения последовательно проходит реакторы 5 и 6, в которых происходит практически полная конверсия метана с образованием водорода на селективных катализаторах (I ступень конверсии в реакторе 5 - на среднетемпературном железо-хромовом катализаторе и II ступень в реакторе 6 - на низкотемпературном цинк-хром-медном катализаторе ), обеспечивающих избирательное протекание реакции (2) при заторможенной реакции (1). Далее полученная азотоводородная смесь освобождается от углекислого газа абсорбцией раствором моноэтаноламина или бикарбоната калия в технологическом блоке 7. Оставшиеся в смеси незначительные примеси оксидов углерода, являющихся ядами для катализатора синтеза аммиака, нейтрализуют во вспомогательном каталитическом реакторе - метанаторе 8, в котором реакции (1) и (2) протекают справа налево, превращая оксиды углерода в метан, инертный по отношению к катализатору синтеза аммиака. Из метанатора очищенная азотоводородная смесь идет в отделение синтеза аммиака, небольшая часть смеси поступает в головной аппарат 1 схемы.

Расчетная часть

Химическое равновесие

Z₀₁:=0.24 Z₀₂:=0.72

i=0…9 j=0…9 X=0.6

Решение:



Рис.1 Kp=f(T)

Выводы: Кр=Аe^{-(Е2-Е1)/RT}

реакция является эндотермической, т.к. Кр увеличивается с увеличением Т, а значит ? Е<0. Рассмотрим формулу с ростом Т, (Е2-Е1)/RT увеличивается (Е2-Е1)<0, что приводит к увеличению Аe^(Е2-Е1)/RT, а следовательно и Кр увеличивается.

XR(950,40)=0,33

Рис.2 XR=f(T,P)

Выводы: Рассмотрим формулу Kp=Ae^-(E2-E1)/RT = =z_r3 z_r4³p²/z_r1z_r2

1). С увеличением Т, (Е2-Е1)/RT увеличивается (Е2-Е1)<0, Аe^(Е2-Е1)/RT увеличивается, а следовательно и Кр, но чтобы сохранить равенство z_r3 и z_r4 должен увеличиваться, но т.к. z_r3 и z_r4 пропорциональны XR, значит и XR увеличивается с увеличением Т.

2). Т.к. Кр не зависит от Р, то чтобы сохранить равенство с увеличением Р, z_r продуктов тоже уменьшаются, а т.к. XR пропорционально z_r продуктов, то XR, тоже уменьшается.



Рис.3 z.продукт=f(P,T)

Выводы:

Рассмотрим формулу

Kp=Ae^-(E2-E1)/RT ==z_r3 z_r4³p²/z_r1z_r2

1). С увеличением давления (т.к. Кр не явл. функцией давления), чтобы сохранить равенство, z продуктов уменьшается.

2). С увеличением Т, Кр увеличивается и чтобы сохранить равенство, z_r продуктов должно уменьшаться.

Кинетика

Дано:

Z₀₁:=0.243 Z₀₂:=0.757

X:=0.6 R:=8.31

Решение:

Рис.1 U,U1,U2 = f(T)

Выводы: Т.к. Е2<E1,U2 будет сильнее реагировать на увеличение Т, U1 будет сильнее изогнута кривой U2.

U=К1Ро z₀₁(1-х_А(1+1/К_р)).

Реакция эндотермическая.

В точке, где U1 = U2 при температуре T1 наступает равновесие. Из точки T1 выходит кривая U

Рис.2 U = f(T,Р)

Выводы:

1).С увеличением Т, U увеличивается

2).из формулы ?Р=Рт-Р_А^*, Р_А^* уменьшается, Рт увеличивается, значит U увеличивается.

Вычисления параметров для сравнения реакторов

Дано:

Z₀₁:=0.243 Z₀₂:=0.757

X:=0.6 R:=8.31 V₂₀=10000 м³/ч

Решение:



Вывод:

имеем график зависимости времени пребывания газа в реакторе от степени превращения; в полученной кривой имеем перегиб, т.е. сначала время пребывания увеличивается, затем уменьшается.

Считаем объем реактора

Рис. 2. Vрив = f(Т)

Вывод:1. Рассмотрим формулу Kp=Ae^-(E2-E1)/RT = =z_r3 z_r4³p²/z_r1z_r2

с увеличением давления (т.к. Кр не явл. функцией давления) z_r продуктов уменьшается, а т.к. объем реактора обратнопропорционален равновесной степени превращения, то Vрив. уменьшается с ростом Т.

2. U=К1Рz₀₁(1-х_А(1+1/К_р))= К?С из нее следует, что с ростом Х, скорость U растет. Проанализировав формулу



получаем, что с увеличением скорости и Vрив. увеличивается.

Расчет высоты реактора

Построение графика T = f(h)

Запишем формулу для вычисления высоты реактора

Рис.3 T = f(h)

Вывод: имеем график зависимости высоты реактора от температуры газа в реакторе (данный параметр зависит от степени превращения)

Вычисления для реактора полного смешения

Рис.1 X = f()

Вывод: при увеличении суммарной скорости реакции, зависящей от степени превращения, для сохранения равенства должна увеличиваться равновесная концентрация, также от нее зависящая, а поскольку она уменьшается, чтобы равновесие сохранилось, время пребывания увеличивается. Изогнутость кривой объясняется тем, что скорость реакции проходит через максимум.

Рис.2. Vрпс = f(Т)

Вывод:

1. Рассмотрим формулу Kp=Ae^-(E2-E1)/RT = =z_r3 z_r4³p²/z_r1z_r2

с увеличением давления (т.к. Кр =f(P) не явл. функцией дввления) z_r3 также увеличивается, а т.к. объем реактора обратнопропорционален равновесной степени превращения, то Vрпс. уменьшается с ростом Т.

2. U=К1Рz₀₁(1-х_А(1+1/К_р))= К?С из нее следует, что с ростом Х, скорость U растет.

Проанализировав формулу

получаем, что с увеличением скорости и Vрпс. уменьшается.

Расчет высоты реактора построение графика T = f(h)

Вычислим высоту реактора полного смешения

Рис.4 T = f(h)

Вывод: при увеличении суммарной скорости реакции для сохранения равенства уравнения должна увеличиваться равновесная концентрация, а поскольку уменьшается температура, пропорциональная степени превращения, и поскольку все параметры приведенного уравнения зависят от степени превращения, чтобы равновесие сохранилось, высота реактора, пропорциональная времени пребывания, в зависимости от температуры сначала увеличивается, затем уменьшается.

Определение отношения объемов реакторов полного смешения и идеального вытеснения

Обозначим данное отношение ?

	0	1	2	3	4	5	6	7
0	11.634	3.471	2.232	1.735	1.47	1.306	1.197	1.12
1	11.634	3.471	2.232	1.735	1.47	1.306	1.197	1.12
2	11.634	3.471	2.232	1.735	1.47	1.306	1.197	1.12
3	11.634	3.471	2.232	1.735	1.47	1.306	1.197	1.12
4	11.634	3.471	2.232	1.735	1.47	1.306	1.197	1.12
5	11.634	3.471	2.232	1.735	1.47	1.306	1.197	1.12
6	11.634	3.471	2.232	1.735	1.47	1.306	1.197	1.12
7	11.634	3.471	2.232	1.735	1.47	1.306	1.197	1.12
8	11.634	3.471	2.232	1.735	1.47	1.306	1.197	1.12
9	11.634	3.471	2.232	1.735	1.47	1.306	1.197	1.12



Рис.1. Vрив/Vрпс = f(Т)

Вывод: При увеличении температуры отношение объемов реакторов уменьшается, сделав вывод о том, что при увеличении температуры, объёмы РПС и РИВ уменьшаются, но даже при одинаковой температуре, объём РПС будет больше объёма РИВ, то значит их отношения объёмов будет увеличиваться с ростом температуры.

Заключение

В ходе работы были проанализированы и сравнены по определенным параметрам реактор полного смешения и реактор идеального вытеснения на примере синтеза фосгена. Изучено влияние на процесс синтеза фосгена такого параметра, как давление.

Получили следующие выводы:

· Константа равновесия при повышении температуры увеличивается, что указывает на эндотермичность реакции

· С увеличением давления объемы реакторов уменьшаются, при этом объем РИВ меньше объема РПС, что хорошо видно как из графиков зависимости, так и из отношения объемов реакторов

· Из отношения видно и то, что при одинаковом давлении отношение объемов остается равным

· Высота РИВ при одной и той же температуре больше высоты РПС

· Время пребывания газовой смеси в реакторе меньше в РПС, нежели в РИВ

Основываясь на вышесказанном, можно сделать вывод о том, что одна и та же степень превращения достигается при одной и той же температуре и давлении и в РИВ, и в РПС. Т.к. конверсия метана протекает при высоких температурах в небольшом интервале,то более пригоден для синтеза фосгена РИВ. Но если бы режим был адиабатичесим то более пригоден был бы РПС т.к. его габариты меньше габаритов РПС и поэтому он был бы экономически более выгодным.

Список используемых источников:

1. Луцко Ф.Н., Сороко В.Е., Прокопенко А.Н. Химико-технологические расчеты с применением MathCad/СПб: СПБГТИ (ТУ), 2006

2. Общая химическая технология: Учеб. для химико-техн. спец. вузов. в 2-х т. Т.1. Теоретические основы химической технологии/Мухленов И.П., Авербух А.Я., Тумаркина Е.С., Фурмер И.Э.--М: Высшая школа, 1984

Размещено на Allbest.ru