1. Схема процесса.


2. Исходные данные.

• 
  Температура, Т₁ = 840 ⁰С;
  
• 
  Температура, Т₂ = 1040 ⁰С;
  
• 
  Производительность, П(NH₃) = 1400 тонн NH₃/сутки;
  
• 
  Концентрация азота в природном газе, С(N₂) = 5,0 % (об);
  
• 
  Потери АВС (азотоводородной смеси) с продувочным газом, Р= 8,0 % (об);
  
• 
  Коэффициент избытка Н₂О , n= 4 % (об).
  

3.Химическая схема.
I-й реактор: СН₄ + Н₂О = 3Н₂ + СО - 206,4 кДж/моль.
II-й реактор: а) СН₄ + Н₂О = 3Н₂ + СО - 206,4 кДж/моль;

б) Н₂ + 1/2О₂ = Н₂О + 242,0 кДж/моль

4. Расчетная часть.
4.1. Расчет исходных потоков всех компонентов системы.

4.1.1. Расчет производительности установки:

П(NH₃) = 1400 тонн NH₃/сутки = = 3431,37 кмоль/ч

4.1.2. Расчет теоретического количества АВС:

N₂ + 3H₂ = 2 NH₃

G_т (АВС) = 2 ∙ П(NH₃) = 2 ∙ 3431,37 = 6862,75 кмоль/ч

так как из уравнения реакции следует, что на образование 1 объёма аммиака расходуется 2 объёма азотоводородной смеси (АВС).

4.1.3. Расчет практического количества АВС с учетом потерь:

G_пр (АВС) = G_т (АВС)/(1 – Р) = =7459,51 кмоль/ч

4.1.4. Расчет поступающих N₂ и H₂:

На образование 2 кмоль аммиака расходуется 3 кмоль водорода, образующегося в результате реакции

СО + Н₂О = Н₂ + СО₂

так как реакция является обратимой, то не идёт до полного расходования окида углерода (II).

По условию мольное соотношение (СО + Н₂) :N₂=3,05:1 следует, что соотношение (СО + Н₂):H₂=3,05:3

К_н = μ_пр/μ_т = 3,05/3,0 = 1,017,

где К_н– коэффициент, учитывающий, что не весь СО превратится в СО₂ по реакции СО + Н₂О = Н₂ + СО₂;

Расчёт количества водорода:

N⁰(H₂)=(G_пр (АВС)*v(H₂)*К_н)/(v(H₂)+v(N₂))= 7459,51*3*1,017/4=5689,74 кмоль/ч

---

V⁰(H₂)=N(H₂)*V_m= 5689,74кмоль/ч*22,4м³/кмоль=

=127450,13 м³/ч

G⁰(H₂) = N(H₂)*М(H₂)= 5689,74кмоль/ч*2кг/кмоль = 11379,48кг/ч

Расчёт количества азота:

N⁰(N₂)=(G_пр (АВС)*v(N₂)*К_н)/(v(H₂)+v(N₂))= 7459,51*1*1,017/4=1896,58 кмоль/ч

V⁰(N₂)=N⁰(N₂)*V_m=1896,58 кмоль/ч*22,4м³/кмоль=

=42483,38 м³/ч

G⁰(N₂) = N⁰(N₂)*М(N₂)= 1896,58кмоль/ч*28кг/кмоль = 53104,22 кг/ч

4.1.5. Расчет поступающих СН₄, воздуха и воды:

Водород и смесь АВС образуются при конверсии природного газа.

СН₄+Н₂О=3Н₂+СО

СО+Н₂О=Н₂+СО₂

Суммарная реакция

СН₄+2Н₂О+СО=4Н₂+СО+СО₂

СН₄+2Н₂О=4Н₂+СО₂

Учтём, что подаваемый в составе воздуха кислород полностью расходуется на сгорание образовавшегося в результате реакции водорода.

О₂+2Н₂=2Н₂О

Степень превращения исходного природного газа на выходе из всей системы составит 0,99*Х_равн (Х_равн- равновесная степень превращения)

Степень превращения природного газа после 2 ступеней конверсии равна

Х^II_СН4=0,99*0,9999=0,9899

Составим систему уравнений для нахождения значений неизвестных величин:

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

N(N₂)=N^возд(N₂)+N^{природ газ}(N₂)

Водород образуется при газификации метана и расходуется в реакции сгорания.

N(Н₂)=N^{реакции}(Н₂)-N^{сгорания}(Н₂)

Получаем систему уравнений с 2 неизвестными: исходным количеством природного газа и воздуха

N⁰(H₂) = 4 ∙N⁰(СН₄) ∙ Х^II_СН4 – 0,21 ∙ N⁰(возд) ∙ 2

(По реакциям

СН₄+2Н₂О=4Н₂+СО₂

О₂+2Н₂=2Н₂О)

N⁰(N₂) =N⁰(СН₄) ∙ [C(N₂)/(C(СН₄))]+ 0,79 ∙ N⁰(возд)=

=N⁰(СН₄) ∙ [C(N₂)/(1 – C(N₂))]+ 0,79 ∙ N⁰(возд)

Принимаем, что воздух сухой, состоящий на 21% из кислорода и на 79%(об.) из азота.

Решаем полученную систему уравнений:

---

5689,74=3,9596 ∙N⁰(СН₄) – 0,42 ∙ N⁰(возд)

1896,58=0,05∙N⁰(СН₄) + 0,79 ∙ N⁰(возд)
12593,29=7,494∙N⁰(СН₄)

N⁰(СН₄)=1679,85 кмоль/ч

Подставим в 1 из уравнений системы:

1896,58=83,99 + 0,79 ∙ N⁰(возд

N⁰(возд) = 2288,82 кмоль/ч

V⁰(возд)=N⁰(возд)*V_m=2288,82 кмоль/ч*22,4м³/кмоль=51269,5 м³/ч

G⁰(возд) = 2288,82 кмоль/ч*29 кг/кмоль=66375,7 кг/ч

N⁰(СН₄) = 1679,85 кмоль/ч

V⁰(СН₄)=N⁰(СН₄)*V_m=1679,85 кмоль/ч*22,4м³/кмоль=37628,61 м³/ч

G⁰(СН₄) = 1679,85 кмоль/ч*16 кг/кмоль=26877,58 кг/ч
Расчёт исходного количества воды:

N⁰(Н₂О) = N⁰(СН₄) ∙ n = 4*1679,85 кмоль/ч=6719,39 кмоль/ч

V⁰(Н₂О)=N⁰(Н₂О)*V_m=6719,39 кмоль/ч*22,4м³/кмоль=150514,43 м³/ч

G⁰(Н₂О) = 6719,39 кмоль/ч*18 кг/кмоль=120,949,1 кг/ч

Расчёт количества кислорода в воздухе:

N⁰(O₂)=0,21*2288,82кмоль/ч=480,65 кмоль/ч

V⁰(О₂)=N⁰(О₂)*V_m=480,65 кмоль/ч*22,4м³/кмоль=10766,6 м³/ч

G⁰(О₂) = 480,65кмоль/ч*32 кг/кмоль=15380,86 кг/ч

Расчёт количества азота в воздухе:

N^возд(N₂)=0,79*2288,82кмоль/ч=1808,17 кмоль/ч

V^возд(N₂)=N(N₂)*V_m=1808,17 кмоль/ч*22,4м³/кмоль=40502,92 м³/ч

G^возд(N₂) = 1808,17 кмоль/ч*28 кг/кмоль=50628,65 кг/ч
4.2. Расчет теплового баланса и степени превращения по с первого реактора Х₁.

4.2.1. Расчет теплоемкости компонентов системы.

По справочнику Равделя находим данные и заносим их в таблицу:

Теплоём-кость	Уравнение	Значение Ср, кДж/(кмоль ∙ град)
		при Т1 = 1113К	при Т2 = 1313К	при Т = 773К
Ср(N2)	27,87 + 4,27 ∙ 10-3 ∙ Т	32,62	33,48	31,17
Ср(H2)	27,28 + 3,26 ∙ 10-3 ∙ Т + 0,502 ∙ 105 / Т2	30,95	31,59	-
Ср(O2)	31,46 + 3,39 ∙ 10-3 ∙ Т – 3,77 ∙ 105 / Т2	34,93	-	33,45
Ср(CO)	28,41 + 4,10 ∙ 10-3 ∙ Т – 0,46 ∙ 105 / Т2	32,94	33,77	-
Ср(H2O)	30,00 + 10,71 ∙ 10-3 ∙ Т + 0,33 ∙ 105 / Т2	41,95	44,08	38,34
Ср(CH4)	14,32 + 74,66 ∙ 10-3 ∙ Т – 17,43 ∙ 10-6 ∙ Т2	75,83	82,30	61,62

---

4.2.2. Расчет тепловых потоков, входящих во второй реактор:

1) Q_вх(СН₄) = N_вх(CH₄) ∙ C_p ∙ T₁ = N⁰(CH₄) ∙ (1 – X₁) ∙ C_p ∙ T₁ =1679,85 ∙ (1 – X₁) ∙ 75,80∙ 1113 = 141767,53∙(1 – X₁) МДж/ч

2) Q_вх(H₂O) = N⁰(H₂O) ∙ (1 – X₁ / n) ∙ C_p ∙ T₁ =6719,39∙ (1 – 0,25 X₁) ∙ 41,95 ∙ 1113 =

=313707,46 ∙ (1 – 0,25 X₁) МДж/ч

3) Q_вх(CO) = N⁰(CH₄) ∙ X₁ ∙ C_p ∙ T₁ = 1679,85∙ X₁ ∙ 32,94∙ 1113 = 61579,81 ∙ X₁ МДж/ч

4) Q_вх(H₂) = 3 ∙ N⁰(CH₄) ∙ X₁ ∙ C_p ∙ T₁ =3 ∙ 1679,85∙ X₁ ∙ 30,95 ∙ 1113 = 173592,85 ∙ X₁ МДж/ч

5) Q_вх(N₂) = Q_возд + Q_ост = N⁰(возд) ∙0,79 ∙ C_p(N₂) ∙ T(возд) + N⁰(CH₄) ∙[C(N₂)/(1 – C(N₂))] ∙

∙ C_p(N₂) ∙ T₁ = 2288,82 ∙0,79 ∙ 31,17 ∙ 773 + 1679,85 ∙[0,05/(1 – 0,05))] ∙ 32,62 ∙ 1113 = =46777,87 МДж/ч

6) Q_вх(O₂) = N⁰(возд) ∙0,21 ∙ C_p(О₂) ∙ T(возд) =2288,82∙0,21 ∙ 33,45 ∙ 773 = 12427,97 МДж/ч

4.2.3. Расчет массовых и тепловых потоков, выходящих из второго реактора:

1) N_вых(СН₄) = N_вх(CH₄) ∙ (1 – Х₂) = N⁰(CH₄) ∙ (1 – X₁) ∙ (1 – Х₂) =1679,85 ∙ (1 – X₁) ∙ (1 – 0,9899) = 16,97 ∙ (1 – X₁) кмоль/ч

Q_вых(СН₄) = N_вх(CH₄) ∙ C_p ∙ T₂ = 16,97 ∙ (1 – X₁) ∙ C_p ∙ T₂ = = 16,97(1 – X₁) ∙ 82,3∙ 1313 = 1833,39 ∙ (1 – X₁) МДж/ч

2) N_вых(Н₂) = N_вх(CH₄) ∙ 3 ∙ Х₂ – 0,21 ∙N⁰(возд) ∙ 2 + N⁰(CH₄) ∙ 3 ∙ Х₁ =N⁰(CH₄) ∙ (1 – X₁) ∙ 3 ∙ Х₂ – 0,21 ∙N⁰(возд) ∙ 2 +

---

N⁰(CH₄) ∙ 3 ∙ Х₁ =1679,85 ∙ (1 – X₁) ∙ 3 ∙ 0,9899 – 0,21 ∙2288,82 ∙ 2 + 1679,85∙ 3 ∙ Х₁ = 4027,34 + 50,90∙ Х₁ кмоль/ч

Q_вых(Н₂) = N_вых(H₂) ∙ C_p ∙ Т₂ =(4027,34 + 50,90∙ Х₁) ∙ 31,59 ∙ 1313 = 167042,14 + 2111,16 ∙ Х₁ МДж/ч

3) N_вых(СО) = N_вх(CH₄) ∙ Х₂ + N⁰(CH₄) ∙ Х₁ =

= N⁰(CH₄) ∙ (1 – Х₁)∙ Х₂ + N⁰(CH₄) ∙ Х₁ = = 1679,85 ∙ (1 – Х₁)∙ 0,9899 + 1679,85 ∙ Х₁ = 1662,88 + 16,97 ∙ Х₁ кмоль/ч

Q_вых(СО) = N_вых(СО) ∙ C_p ∙ T₂ = (1662,88 + 16,97∙ Х₁) ∙ 33,77 ∙ 1313 =

= 73724,82 + 752,22 ∙ Х₁ МДж/ч

4) N_вых(Н₂О) =N_вх(H₂О) –N_вх(CH₄) ∙ Х₂+ 0,21 ∙N⁰(возд) ∙ 2 = = N⁰(H₂О) ∙ (1 – Х₁ /n) – N⁰(CH₄) ∙ (1 – Х₁)∙ Х₂ + 0,21 ∙N⁰(возд) ∙ 2 =

= 6719,40 ∙ (1 – 0,25 ∙ Х₁) – 1679,85 ∙ (1 – Х₁)∙ 0,9899 + 0,21 ∙ 2288,82 ∙ 2 =

= 6017,82 – 16,97 ∙ Х₁ кмоль/ч

Q_вых(Н₂О) = N_вых(Н₂О) ∙ C_p ∙ T₂ = = (6017,82 – 16,97 ∙ Х₁) ∙ 44,08 ∙ 1313= 348304,20 – 982,00 ∙ Х₁ МДж/ч

5) N_вых(N₂) = N_вх(N₂) = 1896,58 кмоль/ч

Q_вых(N₂) = N_вых(N₂) ∙ C_p ∙ T₂ = 1896,58 ∙ 33,48 ∙ 1313 =83363,49 МДж/ч
4.2.4. Расчет источников энергии:

Q₁(CH₄) –тепловой эффект конверсии метана:

Q₁(CH₄) = – N⁰(CH₄) ∙ (Х₂ – X₁) ∙ Q_х.р. =

= – 1679,85 ∙ (0,9899 – X₁) ∙ 206,4 кмоль/ч ∙ МДж/кмоль =

= 346720,74∙ X₁ – 343218,86 МДж/ч

Q₁(О₂) –тепловой эффект сгорания кислорода:

Q₁(О₂) = N⁰(возд) ∙ 0,21 ∙ 2∙ Q_х.р. = = 2288,82 ∙ 0,21 ∙ 2∙ 242 = 232635,46 МДж/ч
4.2.5. Расчет степени превращения Х₁:

∑

---

Смотрите также файлы

• Используя лекционный материал Риторические правила и умения (Лекция 7), проанализируйте речь 45го президента сша д. Трампа на инаугурации 20 января 2017 года. Какие основные части выступления вы можете выделить.docx

• 2. Что является существенным свойством философии в отличие от религии.docx

• Учет основных средств организаций.docx

• Курсовая работа по дисциплине Государственные и муниципальные финансы.docx

• Конспект урока по литературе Тема урока Мифы Древней Греции. Подвиги Геракла. Миф Скотный двор царя Авгия Класс 6 а.docx