- •Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева Кафедра общей химической технологии
- •Задание
- •Расчетная часть
- •1. Расчет исходных потоков всех компонентов системы.
- •2. Расчет теплового баланса и степени превращения после реактора №1.
- •3. Покомпонентный материальный баланс системы.
- •Описательная часть
- •1) Показать схематично последовательность стадий (привести функциональную схему) производства аммиака из природного газа методом паровоздушной конверсии и дать краткое описание каждой стадии.
- •2 )Изобразить схематично все типы химических реакторов, которые используются на различных стадиях производства аммиака с обоснованием их использования.
- •3)Составить структурную схему производства аммиака с указанием основных аппаратов.
Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева Кафедра общей химической технологии
Курсовая расчетная работа по теме
Материальные и тепловые расчеты процесса 2-х ступенчатой конверсии метана в производстве аммиака
Вариант №4
Выполнил студент группы
Преподаватель:
Федосеев А. П.
Москва 2022
Задание
Схема процесса
Исходные данные
Вариант №4 (333555);
Температура (Т1) – 830°С;
Температура (Т2) – 1030°С;
Производительность аммиака – 1300 т/сутки;
Концентрация азота в природном газе – 5,0% об;
Потери АВС (N2+H2) с продувочным газом –8% об.;
Коэффициент избытка водяного пара (n) – 4,0;
Давление на стадии конверсии метана – 1 ат;
Индивидуальное задание по п. 4 описательной части: стадия синтеза аммиака.
Химическая схема
1-ый реактор:
СH4 + H2O = 3Н2 + СО – 206,4 кДж/моль (1)
2-ой реактор:
СH4 + H2O = 3Н2 + СО – 206,4 кДж/моль (2)
H2 + ½ O2 = H2O + 242,0 кДж/моль (3)
а) расчетная часть:
1) Рассчитать исходные потоки всех компонентов системы;
2) Составить тепловой баланс 2-ого реактора и рассчитать степень превращения метана после первого реактора;
3) Составить материальный баланс процесса покомпонентно, результаты расчетов представить в виде таблицы.
б) описательная часть:
1) Показать схематично последовательность стадий (привести функциональную схему) производства аммиака из природного газа методом паровоздушной конверсии и дать краткое описание каждой стадии.
2) Изобразить схематично все типы химических реакторов, которые используются на различных стадиях производства аммиака с обоснованием их использования.
3) Составить структурную схему производства аммиака с указанием основных аппаратов.
4) Привести технологическую схему отдельной стадии процесса (по указанию преподавателя). Обосновать выбор технологического режима и типа реактора для реализации химического процесса.
Расчетная часть
1. Расчет исходных потоков всех компонентов системы.
Производительность в кг/сутки и кмоль/сутки составит:
Аммиак получается в результате реакции:
N2 + 3 H2 = 2 NH3
На образование одного объема аммиака расходуется два объема азотно-водородной смеси (АВС) согласно уравнению реакции:
При продувке часть АВС теряется (потери 8% об.), тогда начальное количество АВС составляет:
Рассчитаем количество азота и водорода, необходимое для получения заданного количества АВС. Теоретически на образование 2 кмоль аммиака расходуется 3 кмоль водорода, который образуется в результате реакции:
СО + H2O = Н2 + СО2
Так как реакция является обратимой, она не идет до полного израсходования монооксида углерода. Тогда коэффициент, учитывающий неполное превращения СО в водород будет равен:
Для водорода:
Для азота:
Для монооксида углерода:
Расчет количества исходного природного газа, воздуха и воды.
Водород и АВС образуется при конверсии природного газа (метана) согласно следующим уравнениям реакции:
СH4 + H2O =3H2 + CO
СО + H2O = Н2 + СО2
Суммарно получаем:
СH4 + H2O + СО + H2O = 3H2 + CO + Н2 + СО2
СH4 + 2H2O = 4H2 + СО2
Кислород в составе воздуха расходуется полностью на сгорание образованного водорода по реакции:
O2 + 2H2 = 2H2O
Степень превращения исходного природного газа на выходе из всей системы составит 0,99·Хp, где Хp – равновесная степень превращения.
Равновесная степень превращения для Т2 = 1030 + 273 = 1 303 К, давлении 1ат (~0,1 МПа) и соотношении пар:газ = 4:1:
Тогда степень превращения метана после двух ступеней конверсии будет равна:
Система уравнений для нахождения неизвестных величин. Азот не вступает в реакции, приходит из воздуха и природного газа.
Водород образуется при газификации метана, а также расходуется на реакцию сгорания:
Таким образом, неизвестные величины – и (исходные количества воздуха и природного газа, соответственно) – можно найти, решив систему уравнений с двумя неизвестными:
Из одного моль CH4 образуется 4 моль H2, c учётом степени превращения:
На сгорание 1 моль кислорода расходуется два моля водорода:
Получаем систему уравнений:
Если воздух состоит только из кислорода и азота, то справедливо соотношение 0,21 : 0,79 об.доли, соответственно.
Выразим из уранения (1), подставим в (2):
, откуда
Тогда
Количество метана и азота в природном газе:
Рассчитаем количество исходное количество воды:
Найдём количество кислорода и азота в воздухе:
Вода в процессе расходуется по 1 реакции и образуется по 2 реакции:
Образовавшийся диоксид углерода:
Количество метана, оставшегося после реакции: