Пароводный конвертор метана

Можна зробити висновок, що  апарат, який зображений на рисунку 5 в даній технологічній схемі буде найбільш ефективним. Апарат має широке використання в агрегатах синтезу аміаку. Каталізатори які використовуються в апараті мають велику ефективність і порівняну дешевизну.

 

1.4. Норми технологічного  режиму.

1. Температура парогазової суміші ( у кільцевому просторі) – 1100 К;
2. Температура газу на виході із шахтного реактора – не більше 1300 К;
3. Загальний опір апарату при проектному навантаженні  - не більше 0,1 МПа;
4. Склад синтез-газу(%): H₂ - 61.7; CO – 0.5; CO₂ - 17.4; N₂+ Ar – 20.1; CH₄ – 0.3.
5. Склад природного газу, який відповідає Ставропільському родовищу(%): CH₄ – 97,6; CO₂ – 0,5; N₂ – 1,5; C₂H₆ – 0.25; C₃H₈ – 0.15;

 

2. Спеціальна частина.

2.1. Матеріальні  розрахунки.

Прихід:

Продуктивність конвертора V_к= 12500м³/год. Маємо склад природного газу з якого розрахуємо кожен його компонент:

9V(CH₄)= V_к * С_СН4=12500*0,96=12000м³/год.

V(СО₂)= V_к*С_СО2=12500*0,025=312.5м³/год.

V(С₂Н₆)= V_к*С_С2Н6=12500*0,012=150м³/год.

V(N₂)= V_к*C_N2=12500*0.003=37.5м³/год.

За формулою m=V*Mr/ 22.4 знайдемо масу речовини:

m(CH₄)=8571.429 кг/год.

m(СО₂)= 613.839 кг/год.

m(С₂Н₆)= 187.5 кг/год.

m(N₂)= 37.5 кг/год.

Об’єм парів води,  які приходять з трубчатої печі, знайдемо по заданому об’ємному співвідношенню водяної пари і газу на вході в конвертор 1,05:1, тобто пару приходить на 5% більше від об’єму газу, що в перерахунку буде мати вигляд:

Знайдемо 5% від заданого об’єму газу за пропорцією:

V_5%= V_г*5/100= 12500*5/100=625м³/год.

V(Н₂О)= V_5%+V_г=12500+625=13125м³/год.

m(Н₂О)^пр.= V(Н₂О)*Mr(Н₂О)/22.4=10546.875 кг/год.

Знайдемо об’єм повітря, яке поступає в конвертор за співвідношенням  пар:повітря = 0,1:1:

V_пов.= V(Н₂О)*10=131250м³/год.

 Повітря в своєму складі має наступні компоненти об’ємні долі:

• О₂ (20,99%);
• Ar (0.99%);
• N₂ (78,05%);

• СО₂ ( 0,03%)

Звідси знаходимо об’єм  кожного компонента:

V(О₂)= V_пов*ω_О2=131250*20,99=2754937.5м³/год.

V(Ar)= V_пов*ω_Ar=131250*0.99=129937.5м³/год.

V(N₂)= V_пов*ω_N2=131250*78,05=10244062.5м³/год.

V(СО₂)= V_пов*ω_CO2=131250*0.03=3937.5м³/год.

Відповідно масу кожного  компонента знайдемо за формулою   V*Mr/ 22.4 :

m(О₂)^пр.= 2754937.5*32/22,4=3935625 кг/год.

m(Ar)= 129937.5*40/22,4=232031.25 кг/год.

m(N₂)= 10244062.5*28/22,4=12805078.1 кг/год.

m(СО₂)= 3937.5*44/22,4=7805.089 кг/год.

Знайдемо кількість Н₂ і СО, яке прийшло із трубчатої печі, знаючи що з печі приходить 10% СН₄ за реакцією: СН₄ +Н₂О→СО+3Н₂.

Враховуючи стехіометрію реакції:

V(СО)= V(CH₄)*9=108000м³/год.,135000 або кг/год.

V(Н₂)= V(CH₄)*9*3=324000м³/год., або m(Н₂)=260517.857 кг/год., де 3- коефіцієнт при Н_2.

Витрати:

Знаючи ступінь конверсії  метану – 98.5, знайдемо кількість не проредагованого метану:

V⁽²⁾(CH₄)=V(CH₄) - V(CH₄)*0.985=180м³/год.

Масу СО знайдемо за реакцією, знаючи співвідношення метану і окису  вуглецю: 1:1.

m⁽²⁾(CO)=m(CH₄)*Mr(CO)/Mr(CH₄)= 8571.429*28/16=15000 кг/год.

Знайдемо загальну кількість  витрати СО за формулою:

m⁽³⁾(CO) =m⁽²⁾(CO)+ m(CO)= 15000+135000 кг/год.

V⁽³⁾(CO)= m⁽³⁾(CO)*22,4/ Mr(CO)= 120000м³/год.

m _об. (Н₂)= m(Н₂)+ m⁽¹⁾ (Н₂)

m⁽¹⁾ (Н₂)= m(CH₄)*2Mr(Н₂)/ Mr(CH₄)=19285.715 кг/год.

m(Н₂)^об.=19285.715 +260517.857=279803.572 кг/год.

V(Н₂)^об.=12654,62371 нм³/год.

Знайдемо кількість О₂:

m(О₂)= m(О₂)^пр.-m(О₂)⁽²⁾;

m(О₂)⁽²⁾= m(О₂)⁽³⁾+m(О₂)⁽⁴⁾;

m(О₂)⁽³⁾ знайдемо по реакції:С₂Н₆+3,5О₂→2СО₂+3Н₂О. Співвідношення С₂Н₆ і О₂ = 1:3,5. Звідси знайдемо:

m(О₂)⁽³⁾= [m(С₂Н₆)*Mr(О₂)/ Mr(С₂Н₆)]*3.5=700кг/год.

m(О₂)⁽⁴⁾ знайдемо за реакцією: СН₄ +0,5О₂→СО+2Н₂; враховуючи те що метан прореагував не повністю: m^р(СН₄)=4628,57-69,428

m(О₂)⁽⁴⁾= [m^р(СН₄)*Mr(О₂)/ Mr(СН₄)]/2 = 4559.142 кг/год.

m(О₂)⁽²⁾= 700+4559.142=5259.142 кг/год.

m(О₂) = 3935625-5259.142=3930365.858 кг/год.

m(СО₂)= m(СО₂)^пр.+ m(СО₂)⁽²⁾;

m(СО₂)⁽²⁾ знайдемо по реакції С₂Н₆+3,5О₂→2СО₂ +3Н₂О за співвідношенням

С₂Н₆ і СО₂ = 1:2.

m(СО₂)⁽²⁾= [m(С₂Н₆)* Mr(СО₂)/ Mr(С₂Н₆)]*2 = 600 кг/год.

m(Н₂О)= m(Н₂О)⁽¹⁾+ m(Н₂О)^пр.;

За співвідношенням С₂Н₆ і Н₂О = 1:3 знайдемо:

m(Н₂О)⁽¹⁾= [m(С₂Н₆)*Mr(Н₂О)/ Mr(С₂Н₆)]*3=337.5 кг/год.

m(Н₂О)= 337.5+10546.875=10884.375 кг/год.

V(Н₂О)=7330.316

Азот, який прийшов з газом та повітрям і аргон який прийшов з повітрям:

m(N₂)=12805078.1 кг/год.

m(Ar)=232031.25 кг/год.

Матеріальний баланс конвертора природного газу, який нижче зображений у таблиці 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблиця 4 – Матеріальний баланс.

Прихід				Витрати
Компонент.	m (кг/год.)	V м3/год.	Молі	Компонент	m (кг/год.)	V м3/год.
CH4	8571.429	12000		CH4	69,428	180
СО2	331,47	168,75		СО2	8405.09	3937.5
С2Н6	187.5	150		N2	12805078.1	10244062.5
N2	46.875	37.5		Н2О	10884.375	7330,316
Н2О	10546.875	13125		Ar	232031.25	129937.5
Повітря:		131250		Н2	279803.572	12654,6237
О2(20,99%)	3935625	2754937.5		СО	8405.089	64702,792
Ar(0,99%)	232031.25	129937.5		О2	3930365.858	2754937.5
СО2(0,03%)	7805.089	3937.5
Н2	260517.857	324000
СО	13500	108000
∑ =4461358.006				∑ =4461358.006

 

2.2. Теплові розрахунки.

Для розрахунку приймемо наступні данні, які зазначені у таблиці 5:

Таблиця 5 – Константи речовин.

Комп.	a	b	с	d	c’	∆H, Дж	C853	C1093
CH4	17,45	0,06046	-1.117*106	-7.2*10-9		-74850	63,74096	72,79695
С2Н6	4,494	0,18226	-7.486*105	1.08*10-8		-84670	112,196	128,3749
N2	27,87	0,00427					31,51231	32,53711
СО2	44,14	0,00904			-853*103	-393510	50,67879	53,3067
СО	28,41	0,0041			-46000	-110500	31,84408	32,85279
Н2	27,28	0,00326			50200	0	30,12977	30,8852
Н2О	30	0,01071			33000	-241840	39,18098	41,73365
О2	31,46	0,00339			-377000	0	33,83353	34,8497
Ar							20,76	20,76

 

Прихід тепла:

Для знаходження фізичного  тепла приходу і витрат розрахуємо молі речовин за формулою: n=; Данні занесемо до нижче вказаної таблиці 6.

Таблиця 6 – Молі речовин.

Компонент	Молі приходу	Молі витрат
CH4	289285,625	4339,25
С2Н6	3613,33333	--------
N2	2470454,77	2470455
СО2	8482,62784	15709,29
СО	2603571,43	2888518
Н2	70296000	70865893
Н2О	316406,25	327246,3
О2	664136,719	509016,9
Ar	31324,2175	31323,97

 

1.Фізичне тепло парогазової суміші, що поступило знайдемо за формулою:

Q=∑n_ic_it, де

n_i - мольна доля речовини;

c_i – теплоємність компонента при t. (Дж/моль*К);

t – температура;

Q_фіз.=(289285,625*63,74096+3613,33333*112,196+2470454,77*31,51231+8482,62784*50,67879+2603571,43*31,84408+70296000*30,12977+316406,25*39,18098+664136,719*33,83353+31324,2175*20,76)*853=1,99052*10¹²

Дж/год.

2. Для знаходження теплоти реакцій, знайдемо ∆С_р, використовуючи коефіцієнти реакцій, які зазначені у таблиці 6. За формулою знайдемо:

∆С_р=∆а+∆bt+∆ct²+∆dt³+∆c’(;

Для реакції СН₄ +0,5О₂→СО+2Н₂, знайдемо коефіцієнти:

∆а=28,41+2*27,28-0,5*31,46-17,45=49,79;

∆b=0,0041+2*0,00326-0,5*0,00339-0,06046=-0,51535;

∆c=0,000001117;

∆d=7,2*10^-9;

∆c’=242900;

Для реакції С₂Н₆+3,5О₂→2СО₂ +3Н₂О, знайдемо коефіцієнти:

∆а=2*44,14+3*30-3,5*31,46-4,494=63,676;

∆b=-0,143915; ∆c=0,00007486; ∆d=1,08*10^-8; ∆c’=-287500, звідси

Для першої реакції:

∆С_р=49,79+(-0,51535)*t+0,000001117*t²+7,2*10^-9* t³+242900(;

Для другої реакції:

∆С_р=63,676+(-0,143915)*t+0,00007486*t²+1,08*10^-8*t³+(-287500)(;

Знайдемо стандартні теплоти реакції, використовуючи значення ∆H з таблиці 5: