Процесс конверсии метана водяным паром. Состав газа после окисления аммиака кислородом

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФБГОУ ВПО ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №1

по дисциплине Химическая технология неорганических веществ

Процесс конверсии метана водяным паром. Состав газа после окисления аммиака кислородом

Студента направления подготовки 180301

Скибина Олега шифр 14-102

Россошь, 2016



Рассчитать процесс конверсии метана водяным паром по следующим данным: конверсия метана окисление аммиак

Производительность по метану	1200 м3/час
Состав газа	метан - 96%
	азот - 4%
Степень конверсии	73%
Температура	на входе 103С
	на выходе 910С

РЕШЕНИЕ:

Запишем уравнение реакции:

СН+ НО СО + 3Н

Расчет термодинамических параметров:

Параметр	СН	НО	СО	Н2
Н	-74,85	-241,81	-110,53	0
S	186,27	188,72	197,55	130,52
G	-50,85	-228,61	-137,15	0

2. По закону Гесса находим тепловой эффект химической реакции при нормальных условиях:

Н= (ni Н)- (ni Н)



Н= 03 - 110,53 + 241,81 + 74,85 = 206,13 кДжмоль

3. Найдем энтропию реакции:

S= (niS) - (niS)

S=3130,52 +197,55 -188,72 -186,27= 214,12 ДжмольК

4. Найдем изменение энергии Гиббса в ходе реакции при нормальных условиях:

G = (niG)- (niG)

G= 30-137,15+288,61+50,85=142,31 кДжмоль

5. Найдем функцию зависимости теплоемкости от температуры С= f(Т)

	СН	НО	СО	Н
a	14,32	30	28,41	27,28
b	74,6610	10,7110	4,110	3,2610
с'		0,3310	-0,4610	0,510
с	-17,4310

Ср(СН4) = 14,32 + 74,6610Т - 17,4310Т

Ср(Н2О) = 30 + 10,7110-3Т + 0,33105Т-2

Ср(СО) = 28,41+ 4,110-3Т - 0,46105Т-2

Ср(Н2) = 27,28 + 3,2610-3Т + 0,5105Т-2



Ср = а + bT + с'Т2+cТ-2

Ср = (327,28+28,41- 30 -14,32) + (33,26+4,1-10,71-74,66)10-3Т + (30,5-0,46-0,33)105Т-2 - 17,4310-6Т2

Ср = 65,93 - 71,4910-3Т + 0,71105Т-2 - 17,4310-6Т2 ДжмольК

6. Для азота зависимость теплоемкости от температуры выглядит следующим образом: Ср(N2) = 27,88 + 4,2710-3Т.

7. Найдем изменение энтропии в ходе реакции при нагревании от t1=25C до t2=910C:

S=dТ

=16,6152 Дж/мольК. 8. Найдем изменение энтальпии в ходе реакции при нагревании от t1=25C до t2 = 910C:

.

9. Рассчитаем энергию Гиббса на выходе t2 = 910С:



10. Найдем константу равновесия:

G=-RTlnKp, отсюда Kp = exp(-G/RT)

Kp= exp(-(-64619,14/8,3141183))=713,37

11. Рассчитаем равновесную степень превращения метана. При температуре от 827С и составе исходной смеси СН4 Н2О = 1 2 необходимо проводить процесс при абсолютном давлении 10 атм.

СН4 + Н2О СО + 3Н2

Так как водяной пар в избытке, то

РН2О = 2РСН4

Робщ = РСН4 + 2РСН4= 3РСН4

РСН4 = Робщ/3 = 10/3 атм.

При равновесии:



xe1 = 0,8297 и xe2 = - 2,4618

Равновесная степень превращения равна 0,8297.

Вывод: равновесная степень превращения метана xe=0,8297 ,степень конверсии = 0,73 , данный процесс, возможно, провести в указанных условиях.

12. Составим материальный баланс. Найдем количество поступающего метана (в час): по закону эквивалентов:

;

(кг)

Найдем количество конвертируемого метана:

V = 0,731200 = 876 (м3);

После реакции осталось:

m(СН4) = 857,14 - 625,71 = 231,43 (кг)

V(СН4)= 1200 - 876 = 324 (м3)

13. Найдем необходимое количество воды для осуществления реакции:

;

В промышленном производстве для осуществления процесса воду и метан берут в отношении 2:1. Исходя из этого условия рассчитаем количество поступающего водяного пара:

V = 2 1200 = 2400 (м3);

Не прореагировало водяного пара:

m(Н2О) = 1928,57 - 625,71 = 1302,86 (кг)

V(Н2О) = 1200 - 876 = 324 (м3)

14. В реактор поступает :

Так как азот не участвует в химической реакции, то на выходе:

m = 62,5 (кг); V = 50 (м3)

15. Найдем количество образовавшегося в ходе реакции СО:

16. Найдем количество образовавшегося водорода:

Приход	Расход
Исходное вещество	m, кг	V,м3	Продукт	m, кг	V,м3
СН4	857,14	1200	СН4	231,43	324
N2	62,5	50	N2	62,5	50
Н2О	1928,57	2400	Н2О	1224,57	1524
			СО	1095	876
			Н2	234,64	876
Итого:	2848,21	3650	Итого:	2848,14	3650



Вывод:

.

Материальный баланс сошелся.

17. Составим энергетический баланс. Найдем тепло, которое поступает с исходными веществами - физическое тепло:

,

где T1 - температура на входе, (t1 = 103C); Ср - теплоемкость, будем считать, что теплоемкость зависит от температуры.

Реакция конверсии водяным паром сильно эндотермична, поэтому необходимо подогревать исходную реакционную смесь. В промышленности для подогрева системы используют природный газ, за счет сжигания которого выделяется необходимое количество тепла Q.

18. Найдем тепло веществ на выходе из реактора:



где T2 - температура на выходе из реактора.

19. Найдем теплоту, поглощенную в ходе химической реакции:

20. Найдем количество теплоты, которое необходимо затратить на подогрев исходной смеси:

20. Найдем количество природного газа, которое необходимо затратить для подогрева исходной смеси, считая, что природный газ на 95% состоит из метана (состав природного газа зависит от месторождения, колеблется от 55-99%). По справочнику:



Приход	кДж	%	Расход	кДж	%
Q(СН4)	804,261	4,261	Q(СН4)	1338,958	7,094
Q(N2)	24,747	0,131	Q(N2)	86,959	0,461
Q(Н2О)	1389,978	7,365	Q(Н2О)	3436,036	18,206
Qподв	16654,163	88,243	Q(СО)	1537,226	8,145
			Q(Н2)	4326,391	22,923
			Qх.р.	8147,578	43,170
Итого:	18873,15	100%	Итого:	18873,15	100%

Вывод: . Энергетический баланс сошелся.

1. Рассчитать состав газа после окисления аммиака кислородом.

Исходные данные:

- производительность контактного аппарата 20т НNО3 в сутки;

- содержание аммиака в сухой смеси - 12,1%

- отношение кислорода к аммиаку - 2,03;

- степень окисления аммиака - 97,2%;

- степень абсорбции окислов азота - 99% (в том числе щелочью - 19%)

Решение:

Азотную кислоту получают окислением аммиака кислородом воздуха с последующей переработкой образующихся окислов азота. Балансовое уравнение производства азотной кислоты из аммиака можно записать следующим образом:



NH3 + 2О2 = НNО3 + Н2О + 411,2 кДж/моль

Окисление аммиака до окиси азота производят на платиновом или окиснохромовом катализаторе. Затем окись азота окисляют до двуокиси и последнюю поглощают водой и азотной кислотой.

В соответствии с балансовым уравнением из 1 кмоль NH3 образуется 1 кмоль НNO3. Количество аммиака, необходимое для производства 20 т НNO3 составит:

т = 5608,4 кг или 5608,4/17 = 329,906 моль

где молекулярная масса: НNO3 - 63; NH3 - 17

или м3

Расход воздуха на 20 т НNO3 составит:

моль или м3

где 29,0 - молекулярная масса воздуха.

В том числе:

кислорода

моль или 503,28 • 32 = 16105,08 кг

или м3

азота

моль или 1893,31 • 28 = 53012,57 кг

или м3

Расчет состава нитрозных газов. По реакции: 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O образуется окиси азота:

7389,86 0,972 = 7182,94 м3 или кг

воды:

м3 или кг

Расходуется кислорода:

м3 или кг

По реакции: 4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6Н2О

образуется азота:

м3 или кг

воды:

м3 или кг

Расходуется кислорода:

м3 или кг

Состав нитрозных газов:	кг	м3	% (об)
NO	9620	7182,94	11,28
O2	16105,08 - (12826,68 + 864) =2414,4	11273,6-(8978,67+604,8)=1690,13	2,65
N3	53012,57 + 504 = 53516,57	42410,05 + 403,21 =42813,26	57,24
H2O	8658 + 972 = 9630	10774,41 + 1209,63 =11984,04	18,82
Всего:	75180,97	63670,37	100



Список использованной литературы

1. А. Г. Аншиц, Е. Н. Воскресенская. Окислительная конденсация метана - новый процесс переработки природного газа.

2. Аранская О.С. Сборник задач и упражнений по химической технологии.-Минск: Университетское издание, 1989 г. - 311 с.

3. Бесков С.Д. Технохимические расчеты. - М.: Высшая школа, 1966. - 520 с.

4. Гарф В.Е., Пакшвер А.Б. Технические расчеты в производстве химических волокон.-М.: Химия, 1978 г. - 256 с.

5. Крейндель Э.М. Конверсия метана природного газа. Л.:-1964.

6. Основы химической технологии/Под ред. И.П. Мухленова.-М.: Высшая школа, 1991 г. - 463 с.

7. Расчеты химико-технологических процессов / Под ред. И.П.Мухленова. - М.: Химия, 1982 г. - 304 с.

8. Сосна М.Х., Энтин Б.М., Лейтес И.Л. Нонограммы для определения состава газа конверсии метана//Химическая промышленность. - 1989. - №7. - с.59

Размещено на Allbest.ru