1. Материальный баланс

Задание

Температура Т₁ – 850°С

Температура Т₂ – 1050°С
Производительность _{ }=1360 т/сутки
Концентрация азота в природном газе_{ }
Потеря АВС с продувочным газом_{ }
Коэффициент избытка H₂O – 4

1. Материальный баланс

Реакции, протекающие при конверсии метана водяным паром:

СН₄ + Н₂О -> СО + ЗН₂; (1)
СО + Н₂О -> co₂ + н₂; (2)
СН₄ + Н₂О -> СО + 4H₂; (3)

Реакции с кислородом воздуха:

CH₄ + 0,5О₂ -> СО + 2Н₂; (4)
СН₄ + 2О₂ -> СО₂ + 2Н₂О; (5)

Реакция водяного газа:

2Н₂ + О₂ -> 2H₂O (6)

С учётом производительности производства аммиака _{ } рассчитаем количество азота и водорода, необходимое для его получения:

Реакция образования аммиака из водорода и азота следующая:

3H₂ + N₂ = 2NH₃

Рассчитаем количество АВС, необходимое для получения данного количества аммиака:

При продувке часть АВС теряется, рассчитаем начальное количество АВС:

Рассчитаем количество азота и водорода

Так как часть водорода образуется при конверсии углекислого газа, пересчитаем количество водорода в АВС:

Рассчитываем равновесную степень превращения, с помощью программы на компьютере кафедры (T₂=1050+273=1323K, P=30 атм):

Рассчитаем _{ } Исходые данные для расчёта:
C_CH4= 0,14 мольн. доли, С_H2O =0,67 мольн. доли, С_N2 = 0,19 мольн. доли



Азот в реакции не вступает в превращения, приходит из воздуха и природного газа.

Водород образуется по реакции метана и расходуется на реакцию выгорания кислорода:

Пусть _{ }- исходное количество воздуха, а _{ }- исходное количество природного газа, то исходя из уравнений (3) и (6) получаем систему:

Решая систему учтем, что воздух сухой, состоит только из кислорода и азота, в соотношении 0,21/0,79 об. доли, соответственно.

Получим:



 кмоль/час




Количество метана и азота в природном газе:






Исходное количество воды:



Количество кислорода и азота в воздухе:






Вода в процессе расходуется и образуется:

 

Метан, остающийся после реакции:







Так же образуется окись углерода в количестве:







Количество водорода после конверсии метана:

Расход	кмоль/час		кг/час	Приход	кмоль/час		кг/час
Пр.газ	1622,74	36349,376	26937,484	ABC
CH4	15625,4	350008,4	250006,4	H2	45287,1932	1014433,12	90574,38
N2	97,3644	2180,96	2726,2	N2	1851,83	41480,992	51851,24
H2O	62501,6	1400035,84	1125028,8	H2O	46162,22	1034033,728	830919,96
Воздух	2220,84	49746,816	64404,36	CH4	218,7556	4900,12544	35000896
O2	466,37	10446,83	14923,84	CO	15466,64	346452,736	43306592
N2	1754,46	39299,9	49124,88
Итого				Итого

2. Расчет теплового баланса и степени превращения после реактора №1

№	Вещество	Уравнение для нахождения значения теплоемкости Ср	Значение Ср при Т = 500°С (773К), кДж/(кмоль*град)	Значение Ср при Т1 = 850°С (1123К), кДж/(кмоль*град)	Значение Ср при Т2 = 1050°С (1323К), кДж/(кмоль*град)
1	Азот (N2)		31,17	33,73	34,37
2	Водород (Н2)		-	32,02	32,45
3	Кислород (О2)		33,45	36,125
4	Монооксид углерода (СО)		-	34,05	34,67
5	Водяной пар (Н2О)		38,33	43,26	45,16
6	Метан (СН4)		63,52	85,20	96,52

Согласно табл. 6 (стр.8) Краткого справочника физико-химических величин под ред. А.А. Равделя:

Рассчитаем тепловые потоки, входящие во второй реактор.

Рассчитаем массовые и тепловые потоки, выходящие из второго реактора:










Система имеет дополнительные источники энергии в виде тепловых эффектов реакций:




Рассчитаем степень превращения _{ }:



Подставив полученные выше выражения в уравнение, степень превращения метана после первого реактора составит:

Тогда тепловой баланс второго реактора будет выглядеть следующим образом:

Входящие потоки		Выходящие потоки
Наименование компонента	МДж/сутки	Наименование компонента	МДж/сутки
Метан	632270,04	Метан	9059,61
Водяной пар	4130875,10	Водород	2717873,48
Монооксид углерода (СО)	687388,39	Монооксид углерода (СО)	1195706,98
Водород	1938659,57	Вода	5875368,40
Азот	637082,95	Азот	1342983,11
Кислород	166274,43
Тепловой эффект конверсии метана	-1863393,71
Тепловой эффект сгорания кислорода	4811834,78
Всего	11140991,57	Всего	11140991,57