Очистка конвертированного газа от монооксида углерода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

по общей химической технологии

на тему: Очистка конвертированного газа от монооксида углерода



Содержание

Задание на курсовую работу

Введение

1. Характеристика химического продукта

2. Методы получения (обзорно). Обоснование выбора метода

3. Основой метод получения

3.1 Характеристика основного и вспомогательного сырья

3.2 Физико-химические характеристики основных стадий процесса

3.3 Описание технологической схемы процесса

3.4 Характеристика используемых химических реакторов

3.5 Характеристика отходов, проблемы их обезвреживания и полезного использования

3.6 Перспективы совершенствования процесса очистки конвертированного газа

3.7 Технологические расчеты

3.7.1 Расчет материального и теплового баланса первой ступени

3.7.2 Расчет испарителя

3.7.3 Расчет второй ступени

3.7.4 Расчет балансов по компонентам

3.7.5 Расчет теоретических и практических расходных коэффициентов на основе расчета материального и теплового баланса

3.7.6 Расчет контактного узла на первой ступени

Заключение

Список литературы



Введение

В середине 90-х годов в России произошло на первый взгляд неприметное, но очень важное событие. Впервые потребление природного газа для внутренних нужд превысило потребление нефти. За этим неприметным фактом кроется очень важная тенденция. Впервые в мире природный газ начал использоваться в таких огромных масштабах и потеснил нефть, как основной энергоноситель - двигатель экономики и прогресса, как основу современной цивилизации.

В то же время доля природного газа в топливно-энергетическом балансе мира весьма скромная - 23%, что не отвечает его преимуществам по сравнению с другими энергоносителями. Соответственно темпы роста газовой промышленности в большинстве стран мира также невысокие. Исключение представляют такие страны, как Россия, Нидерланды, Норвегия и ряд других, в которых уже сегодня природный газ является основным энергоносителем и в которых, можно считать, на смену "эпохе нефти" пришла "эпоха природного газа" или "эпоха метана".

Природный газ широко применяется в качестве горючего в жилых частных и многоквартирных домах для отопления, подогрева воды и приготовления пищи; как топливо для машин, котельных, ТЭЦ и др. Сейчас он используется в химической промышленности как исходное сырьё для получения различных органических и неорганических веществ, например: пластмасс, аммиака и т.д.



1. Характеристика химического продукта

Конверсионный способ получения водорода заключается в восстановлении водорода из водяного пара окисью углерода, содержащейся в продуктах газификации топлива или в продуктах конверсии газообразных углеводородов.

При конверсии окиси углерода по реакции:

происходит очистка конвертированного природного газа от большей его части. Наряду с этим продуктами конверсии окиси углерода являются водород и углекислый газ.

Водород (лат.Hydrogenium; обозначается символом H) -- первый элемент периодической системы элементов. Широко распространён в природе.

Водород -- самый распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около 92 % всех атомов (8 % составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов -- менее 0,1 %). Таким образом, водород -- основная составная часть звёзд и межзвёздного газа.

Массовая доля водорода в земной коре составляет 1 % -- это десятый по распространённости элемент. Однако его роль в природе определяется не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17 % (второе место после кислорода, доля атомов которого равна ~ 52 %). Поэтому значение водорода в химических процессах, происходящих на Земле, почти так же велико, как и кислорода.

Водород -- самый лёгкий газ, он легче воздуха в 14,5 раз.

Водород используется:

В химической промышленности: при производстве аммиака, метанола, мыла и пластмасс.

В пищевой промышленности: при производстве маргарина из жидких растительных масел.

Зарегистрирован в качестве пищевой добавки E949 (упаковочный газ, класс "Прочие").

Как топливо: водород используют в качестве ракетного топлива.

Ведутся исследования по применению водорода как топлива для легковых и грузовых автомобилей. Водородные двигатели не загрязняют окружающей среды и выделяют только водяной пар.

В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую.

Диоксид углерода(IV) (углекислый газ, диоксид углерода, двуокись углерода, угольный ангидрид) --бесцветный газ, без запаха, со слегка кисловатым вкусом.

Концентрация углекислого газа в атмосфере Земли составляет в среднем 0,038 %.

Плотность при нормальных условиях 1,97 кг/м?. При атмосферном давлении диоксид углерода не существует в жидком состоянии, переходя непосредственно из твёрдого состояния в газообразное. Твёрдый диоксид углерода называют сухим льдом. При повышенном давлении и обычных температурах углекислый газ переходит в жидкость, что используется для его хранения.

В промышленности получают из печных газов, из продуктов разложения природных карбонатов (известняк, доломит). В пищевых целях используется газ, образующийся при спиртовом брожении. После предварительной обработки газ закачивается в баллоны.

Также углекислый газ получают на установках разделения воздуха, как побочный продукт получения чистого кислорода, азота и аргона.

В пищевой промышленности диоксид углерода используется как консервант и обозначается на упаковке под кодом Е290, а также в качестве разрыхлителя теста.

Жидкая углекислота (жидкая пищевая углекислота) -- сжиженный углекислый газ, хранящийся под высоким давлением (~ 65-70 Атм.). При выпуске жидкой углекислоты из баллона в атмосферу часть её испаряется, а другая часть образует хлопья сухого льда.

Баллоны с жидкой углекислотой широко применяются в качестве огнетушителей и для производства газированной воды и лимонада.

Твёрдая углекислота используется в качестве хладагента и рабочего тела в теплоэнергетических установках (в холодильниках, морозильниках, солнечных электрогенераторах и т. д.).



2. Методы получения. Обоснование выбора метода

При очистке конвертированного газа от монооксида углеродав двухслойном реакторе и получении, вследствие чего, водорода и углекислого газа, используют различные технологические схемы:

конверсия окиси под давлением 1,4 атм.

конверсия окиси под давлением 1,7 атм.

конверсия окиси под давлением 20 атм.

конверсия окиси под давлением 30 атм.

конверсия окиси на низкотемпературном катализаторе под давлением 20 атм.

Конверсию окиси под давлением 1,4 атм. преимущественно используют для полуводяного газа, полученного при газификации кокса или для безазотистого газа, полученного при газификации мазута.

Конверсия окиси под повышенным давлением имеет ряд недостатков:

более высокий расход стали, более сложные и дорогие устройства контроля и автоматики.

Следует отметить, что проведение процесса конверсии под давлением приводит к некоторому уменьшению обшей степени конверсии.

Применение технологической схемы конверсии моноокиси углерода, предполагающей давление, близкое к атмосферному имеет ряд преимуществ:

сравнительная простота схемы, доступность средств автоматизации, удобство управления, небольшой расход стали, невысокие капитальные затраты.



3. Основной метод получения

3.1 Характеристика основного и вспомогательного сырья

Сырьем для получения продуктов в азотной промышленности является атмосферный воздух и различные виды топлива.

В число постоянных составляющих воздуха входят следующие газы (в%по объему): азот - 78,16; кислород - 20,90; аргон - 0,93; гелий, неон, криптон, ксенон и другие инертные газы - 0,01. В технических расчетах принимают, что воздух содержит 79% азота и 21% кислорода.

Для синтеза аммиака в некоторых схемах необходима азотоводородная смесь в соотношении N2: H2=1: 3. Азот получают разделением воздуха или же совместно с водородом в виде азотоводородной смеси. В других схемах используют и чистый жидкий азот для тонкой очистки синтез - газа от вредных примесей, и газообразный, вводя его в строго корректируемом соотношении в конвертированный газ. В последнем случае воздух подвергают разделению методом глубокого охлаждения.

Поскольку ресурсы атмосферного азота огромны, то сырьевая база азотной промышленности в основном определяется вторым видом сырья - топливом, применяемым для получения водорода или водородсодержащего газа. В настоящее время основным сырьем в производстве аммиака является природный газ. Конверсия метана, являющегося основным компонентом природного газа, представляет собой наиболее экономичный способ получения азотоводородной смеси. Крупнейшие газовые месторождения имеются на Украине, Северном Кавказе, в Средней Азии, Поволжье, Сибири и других районах страны. Природный газ бесцветен, не имеет запаха, значительно легче воздуха, горюч и взрывоопасен. При транспортировке по трубопроводам в природный газ добавляют меркаптаны, обладающие резким запахом, что позволяет легко обнаружить утечку газа, но создает дополнительные трудности при его переработке, так как меркаптаны - серосодержащие соединения, а сера является ядом для всех катализаторов производства аммиака. Состав природного газа в зависимости от месторождения изменяется следующим образом: метан - 55-99 %, этан - 1-10 %, (пропан+бутан) - до 10 %, и выше - 1-5 %, остальное - азот, углекислый газ, сернистые соединения, гелий. В качестве вспомогательного сырья применяют различные катализаторы. Активность катализатора, оцениваемая по величине содержания остаточного содержания окиси углерода в конвертированном газе при стандартных условиях испытания, зависит в основном от химического состава и метода приготовления катализатора. Наибольшее распространение получили катализаторы на основе окислов железа, активированных окисью хрома. Отечественный катализатор марки 482 приготавливают путем осаждения карбоната железа из раствора сульфата железа. В качестве осадителя используется карбонат аммония. После промывки осадок карбоната железа сушат и прокаливают при 250 - 300°С. Образующуюся при этом окись железа смешивают с хромовым ангидридом, далее контактную массу формуют и прокаливают в туннельной печи при 250 - 300°С. После дробления и рассева получают катализатор в виде красно-бурых цилиндриков или таблеток диаметром около 10 мм.и высотой 10-25 мм.



3.2 Физико-химические характеристики основных стадий процесса

Конверсия окиси углерода водяным паром протекает по реакции :

(1)

Состояние равновесия данной реакции определяется температурой иконцентрацией реагирующих веществ. Повышение температуры согласнопринципу Ле-Шателье, сдвигает равновесие реакции влево, т.е. в сторону уменьшения выхода водорода, поэтому в процессе конверсии требуется отвод тепла.

Константа равновесия реакции (1) определяется по закону действия масс:

(2)

где,константы равновесия реакции, выраженные соответственно соотношением парциальных давлений или объемных концентраций компонентов;

парциальные давления соответствующих компонентов;

объемные концентрации соответствующих компонентов.

На рис. 1 показана зависимость окиси углерода в конвертированном газе в состоянии равновесия от соотношения пара и газа в исходной смеси при различных температурах конверсии.



Рис. 1

Зависимость константы равновесия реакции от температуры выражается уравнением:

Зависимость теплового эффекта реакции конверсии от температуры можно выразить следующим уравнением:

Скорость реакции конверсии окиси углерода повышается с увеличением температуры, но при температурах до 1000°С очень мала. Поэтому процесс конверсии проводят в присутствии катализаторов.

Для обычных катализаторов конверсии СО, применяемых в настоящее время, рабочая температура составляет 400--500 °С. В этих температурных условиях для достижения высокой степени конверсии окиси углерода необходим избыток водяного пара(по сравнению со стехиометрическим его количеством) или удаление образующейся двуокиси углерода из зоны реакции. В целях сокращения расхода пара на конверсию СО этот процесс желательно вести при более низких температурах, но для этого требуется применять более активные катализаторы.

Конверсию окиси углерода с участием низкотемпературного катализатора целесообразно осуществлять при постепенном понижении температуры. Снижение температуры может быть ступенчатым. Сначала, когда в газовой смеси содержится много окиси углерода, конверсия проводится на обычном катализаторе с выделением наибольшего количества тепла реакции. При высокой температуре в реакционной зоне обеспечивается скорость реакции, достаточная для переработки большей части окиси углерода, хотя по условиям равновесия еще не достигается высокая степень конверсии.

Затем температуру газовой смеси снижают, и в другой каталитической зоне реагирует остальное количество окиси углерода. Здесь выделяется меньше тепла и температура не увеличивается так, как в первой ступени, что благоприятствует смещению равновесия реакции конверсии в сторону образования водорода.

Во второй ступени можно применять катализатор, более активный при низких температурах, чем в первой ступени. В некоторых случаях количество ступеней больше двух.

Ступенчатая конверсия, в ходе которой наибольшая температура поддерживается на первой ступени и наименьшая -- на последней, позволяет создавать более выгодные равновесные условия процесса, увеличить выход и сократить расход пара.

Для снижения температуры в пространство между ступенями вводят конденсат, при испарении которого отводится большое количество тепла, а конденсат превращается в водяной пар, являющийся одним из конвертирующих агентов. Иногда конденсат заменяют паром, вводя его в значительно большем количестве, так как эффект охлаждения газовой смеси паром будет меньше, поскольку не используется теплота испарения.

Применение активных катализаторов, разработанных в последнее время, позволяет проводить конверсию окиси углерода во второй или третьей ступени при 200--280 °С вместо 400 °С. Это дает возможность повысить степень конверсии СО и способствует упрощению и удешевлению процессов дальнейшей очистки азото-водородной смеси от окиси углерода.

3.3 Описание технологической схемы процесса

Принципиальная схема одноступенчатой каталитической паро-кислородо-воздушной конверсии метана, совмещенной с конверсией окиси углерода, представлена на рис.2. Установка работает под давлением, близким к атмосферному. В аналогичной установке можно проводить не только конверсию природного газа паро-кислородо-воздушной или паро-кислородной смесью, но и конверсию газов, являющихся отходом производства ацетилена методом термоокислительного пиролиза метана.

В последнем случае конверсия осуществляется со смесью водяного пара и воздуха.

Углеводородный газ под избыточным давлением 0,69--0,9 ат. через узлы регулирования давления и расхода поступает в сатурационную башню 3, орошаемою горячей водой (85--88 °С). Холодный газ проходит башню снизу вверх и, соприкасаясь с горячей водой, нагревается и насыщается водяным паром до объемного соотношения пар : газ, равного (0,3--0,45):1. Вода, выходящая из нижней части башни, перекачивается в теплообменник 8, где подогревается конвертированным газом. Для компенсации потерь испарившейся воды в башню 3 подается Предварительно освобожденный от кислорода (деаэрированный) конденсат. Удаление кислорода необходимо для предотвращения коррозии аппаратуры.

В сатурационной башне не достигается соотношение пар : газ = (0,5--1,1) : 1, необходимое в процессе конверсии углеводородов, поэтому парогазовая смесь в аппарате 4 увлажняется паром и одновременно нагревается до 500--600°С потоком конвертированного газа, движущегося в трубках теплообменника.

Кислородо-воздушная смесь из трубы 1 нагнетается газодувкой 2 под избыточным давлением 1--1,2 am. в конвертор метана 5, в смесительном устройстве которого смешивается с горячей парогазовой смесью. При сжатии в нагнетателе кислородо-воздушная смесь нагревается незначительно, и температура паро-газо-кислородо-воздушной смеси, поступающей в конвертор 5, составляет 400--430 °С.

В конверторе метана на никелевом катализаторе протекают экзотермические реакции:

благодаря чему в верхней части слоя катализатора температура повышается. Затем вследствие одновременного протекания эндотермической реакции:

температура постепенно снижается. Максимальная температура зоны, в которой потребляется кислород, составляет 1000--1050 °С, длина этой зоны по отношению к общей высоте слоя катализатора невелика. На выходе из катализатора температура газовой смеси находится в пределах 850--930 °С. При этой температуре конвертированный газ, содержащий 0,3--0,5% остаточного метана, выходит из конвертора снизу и по футерованному газоходу поступает в увлажнитель 4, куда впрыскивается конденсат, охлаждающий при испарении конвертированный газ до 650 °С. В увлажнитель вводится также пар, необходимый для последующей конверсии окиси углерода.

Перед конверсией окиси углерода соотношение пар : газ в смеси поддерживается в пределах (0,5--0,7) : 1 в зависимости от концентрации СО в газе после конвертора метана. Концентрация же окиси углерода возрастает с повышением концентрации в кислородо-воздушной смеси.

Увлажненный конвертированный газ, проходя трубы теплообменника 4, охлаждается до 380--400°С свежим газом, поступающим на конверсию метана. Для регулирования температуры парогазовой смеси на входе в конвертор окиси углерода предусматривается дополнительный впрыск конденсата в специальный увлажнитель (на рисунке не показан), а также байпасная (обводная) линия с заслонкой для подачи газа в конвертор помимо теплообменника. Конверсия окиси углерода водяным паром проводится на железохромовом катализаторе в двухступенчатом конверторе 6. Парогазовая смесь последовательно проходит первую ступень, в которой конвертируется основное количество СО при. 470-- 520 °С, затем испаритель и вторую ступень. В испарителе вследствие испарения впрыскиваемого в газовую смесь конденсата происходит ее охлаждение. Во второй ступени конвертируется оставшаяся окись углерода, при этом температура газа повышается незначительно. Конвертированный газ при 390--420 °С и остаточном содержании 2,5--4% СО поступает в котел-утилизатор 7, где охлаждается до 180--200 °С. При этом в котле-утилизаторе образуется водяной пар давлением 5 am. Выходящий из котла газ охлаждается до 80 °С в теплообменнике 8, нагревая при этом воду сатурационного цикла. Окончательное охлаждение конвертированного газа происходит в конденсационной башне 9, где он непосредственно соприкасается с водой. Далее газ направляется на очистку от и.



3.4 Характеристика используемых химических реакторов

Конвертор окиси углерода радиального типа включает две ступени конверсии и газовый холодильник непосредственного соприкосновения, расположенный между ступенями в общем с ними кожухе. Газовая смесь может проходить через аппарат как сверху вниз так и снизу вверх. На рис. 3 показан конвертор, в котором газ движется через катализатор сверху вниз.

Радиальный конвертор окиси углерода: 1-катализаторпервой ступени; 2-насадка газового холодильника-испарителя; 3-катализатор второй ступени; 4-запас катализатора на усадку.

Рис. 3.

В каждой ступени между двумя концентрическими обечайками из перфорированных стальных листов помещается цилиндрический кольцевой слой катализатора. Чтобы катализатор не просыпался через отверстия обечаек, между ним и катализатором помещают стальную сетку. Катализатор загружают в кольцевое пространство из бункера через верхнюю крышку конвертора. Парогазовая смесь поступает во внутреннее пространство первой ступени и проходит слой катализатора от центра к периферии.

Катализатор подвергается усадке вследствие механического разрушения, поэтому в конверторе некоторый запас катализатора, ограниченный глухими стенками. Сверху катализатор прижимается кольцевой шайбой, которая может свободно опускаться вместе с катализатором и как бы "плавает" на его поверхности. Снизу внутреннее пространство закрыто и, таким образом, газ проходит только через слой катализатора. Пройдя его, газ из кольцевого пространства первой ступени поступает в расположенный ниже газовый холодильник, заполненный насадкой. Над слоем насадки находятся форсунки для впрыскивания конденсата, под насадкой помещается отбойная тарелка для отделения капель воды от газа. Парогазовая смесь проходит насадку холодильника и через отверстие в отбойной тарелке поступает во внутреннее пространства второй ступени аналогичной первой ступени. В слоях катализатора и на выходе газа из первой ступени (перед холодильником) помещены термопары для замера температуры снаружи конвертор снабжен тепловой изоляцией.

Нормальное ведение конверсии обеспечивается автоматической стабилизацией температуры во второй ступени этого процесса путем регулирования количества конденсата, впрыскиваемого в испаритель конвертора окиси углерода. Температурный режим работы конвертора окиси углерода зависит от свойств и длительности работы применяемого катализатора. При конверсии на железохромовом катализаторе марки 482 в начальный период его работы температура газа на входе в конвертор поддерживается в пределах 370-380 °С, на выходе из второй ступени - в пределах 360-380 °С. В процессе работы активность катализатора снижается и температуру приходится повышать: на выходе из первой ступени-до 520°С, на входе во вторую ступень - до 420 °С, а на выходе из второй ступени - до 420-430 °С.

Снижение активности катализатора сильнее сказывается в первой ступени конверсии, где перерабатывается основное количество окиси углерода, поэтому нагрузка второй ступени возрастает. В этом случае увеличивают соотношение пар: газ в реакционной смеси как перед первой, так и перед второй ступенью конверсии.

3.5 Характеристика отходов, проблемы их обезвреживания и полезного использования

В нашей технологической схеме отходами являются: отработанный катализатор, конденсат из парогазовой смеси. Конденсат, выделенный из парогазовой смеси обладает достаточно высокой температурой, поэтому он используется для подогрева, а также первичного насыщения паром исходного углеводородного газа. Присутствие в смеси газов даже незначительных примесей некоторых веществ приводит к снижению, а иногда и полной потере активности катализатора. Такие вещества получили название контактных ядов. Различают два вида контактных ядов. Первые действуют на катализатор обратимо, т.е. активность отравленных катализаторов можно восстановить при переходе на работу с чистым газом. Вторые вызывают необратимые отравления катализаторов.

К ядам, необратимо отравляющим катализатор синтеза аммиака, относятся вещества, содержащие серу, фосфор, и некоторые другие примеси. Углеводороды (например, смазочные масла из компрессоров) отравляют катализатор необратимо только при попадании их в газ в больших количествах. Необратимо отравленный катализатор подвергается утилизации либо глубокой химической переработкой(разложением катализатора на составляющие), либо складированием.



3.6 Перспективы совершенствования процесса очистки конвертированного газа

Процесс очистки конвертированного газа совершенствовался в течение длительного времени. Автоматические системы наблюдения за ходом процесса сократили участие человека в этом достаточно опасном производстве до минимума. Также автоматизация процессов позволила снизить риски возникновения чрезвычайных ситуаций. Разработка и внедрение новых катализаторов позволяет еще более интенсифицировать процесс, повысить степень конвертации.

3.7 Технологические расчеты

3.7.1 Расчет материального и теплового баланса первой ступени

Материальный расчет.

Расчет проводим методом последовательных приближений. Первое приближение: принимаем, что в первой степени конвертируется 55 % общего количества .

Приход:

Находим объем компонента:

где: объем компонента в газовой смеси,

объем смеси газов,

объемная доля компонента.



Находим массу компонента:

где: масса компонента в смеси,

молярный объем, ,

молярная масса компонента.

Состав "сухого" конвертированного природного газа:

	53	73,5
	4622	3696,0
	3218	1638,0
	995	11098,5
	5594	4473,0
	38	21,0
Всего	14520	21000,0

Находим количество водяного пара. По условию:

.

Расход: По принятому условию в первой ступени конвертируется 55 % поступившего , т.е.:



При этом по реакции:

Расходуется:

И образуется:

В прореагировавшей смеси содержится:

	2079	1663
	5627	6997
	7214	3672
	1178	13089

Тепловой расчет.

Приход тепла:

Физическая теплота, поступающая с парогазовой смесью.



где:

теплоемкость компонента,

энтальпия паров воды,

температура на входе в первую ступень.

Тепло реакции. Принимаем температуру на выходе из первой ступени 550°С и тогда средняя температура будет равна 475°С (748 К).

Находим изменение теплового эффекта от температуры:

.

где ,

,

,

,

.



Отсюда:

Величину находим по найденному выше значению

Тогда,

так как тогда:

Общий приход тепла:



Расход тепла.

Физическая теплота, отходящая с парогазовой смесью.

Потери в окружающую среду:

Находим долю потерь от тепла реакции.

Определяем фактическую степень конверсии в % от равновесной. Константа равновесия при 550°С (823 К) рассчитывается по уравнению:



Решая систему уравнений, получим два корня:

Значение не подходит, так как требует, чтобы из 1663 конвертировало . Это абсурдно. Значение говорит о том, что состояние равновесия уже пройдено. Это значит, что принятое превращение 55 % завышено, и что, в самом деле, в реакции участвовало меньше .

Делаем второе приближение.

Материальный расчет.

Приход.

Соответствует данным первого приближения.

Расход.

По принятому условию в первой ступени конвертируется 50 % поступившего , т.е.:

При этом расходуется:



И образуется:

В прореагировавшей смеси содержится:

	2311	1848
	5777	7183
	6849	3486
	1162	12911

Тепловой расчет.

Физическое тепло поступающей смеси принимаем по первому приближению:

Тепло реакции.

Принимаем температуру на выходе из первой ступени 540°С и тогда средняя температура будет равна 470°С (743 К).

Отсюда:



Общий приход тепла:

конверсионный газификация топливо химический

Расход тепла.

Физическая теплота, отходящая с парогазовой смесью.

Потери в окружающую среду:

так как теплота прихода оказалась меньше теплоты расхода, потери получились с отрицательным знаком. Следовательно, необходимо принять другую температуру отходящих газов и расчеты повторить.

Принимаем температуру на выходе из первой ступени 536°С и тогда средняя температура будет равна 468°С (741 К). Изменение теплового эффекта за счет изменения температуры в слое совершенно ничтожно, поэтому им пренебрегаем. Следовательно, приход не изменится:

Физическая теплота, отходящая с парогазовой смесью.



Потери в окружающую среду:

Находим долю потерь от тепла реакции.

Определяем фактическую степень конверсии в % от равновесной. Константа равновесия при 550°С (823 К) рассчитывается по уравнению:

Решая систему уравнений, получим два корня, один из которых не подходит, а второй равен:

Таким образом, при равновесии должно конвертироваться . Степень конверсии:



Делаем третье приближение.

Материальный расчет.

Приход.

Соответствует данным первого приближения.

Расход.

По принятому условию в первой ступени конвертируется 52 % поступившего , т.е.:

При этом расходуется:

И образуется:

В прореагировавшей смеси содержится:

	2219	1775
	5717	7108
	6994	3560
	1168	12978



Тепловой расчет.

Физическое тепло поступающей смеси принимаем по первому приближению:

Тепло реакции.

Принимаем температуру на выходе из первой ступени 536°С и тогда средняя температура будет равна 468°С (741 К). Отсюда:

Общий приход тепла:

Расход тепла.

Физическая теплота, отходящая с парогазовой смесью.



Потери в окружающую среду:

Находим долю потерь от тепла реакции.

Определяем фактическую степень конверсии в % от равновесной. Константа равновесия при 536°С (823 К) рассчитывается по уравнению:

Решая систему уравнений, получим два корня, один из которых не подходит, а второй равен:

Таким образом, при равновесии должно конвертироваться . Степень конверсии:



Допускаем линейную интерполяцию:

Материальный расчет.

Приход.

Соответствует данным первого приближения.

Расход.

По принятому условию в первой ступени конвертируется 51,445 % поступившего, т.е.:

При этом расходуется:

И образуется:

В прореагировавшей смеси содержится:



	2243,7	1795,0
	5733,3	7128,4
	6954,8	3539,7
	1166,2	12957,8

Тепловой расчет.

Физическое тепло поступающей смеси принимаем по первому приближению:

Тепло реакции.

Принимаем температуру на выходе из первой ступени 536°С и тогда средняя температура будет равна 468°С (741 К).

Отсюда:

Общий приход тепла:



Расход тепла.

Физическая теплота, отходящая с парогазовой смесью.

Потери в окружающую среду:

Находим долю потерь от тепла реакции.

Определяем фактическую степень конверсии в % от равновесной. Константа равновесия при 536°С (823 К) рассчитывается по уравнению:

Решая систему уравнений, получим два корня, один из которых не подходит, а второй равен:



Таким образом, при равновесии должно конвертироваться . Степень конверсии:

Рассчитанные данные представим в виде таблицТабл.1. и Табл.2. теплового и материального баланса.

Табл.1. Тепловой баланс первой ступени

Приход	Расход
Статья		% отн.	Статья		% отн.
1. П.г. смесь 2. Тепло реакции			1. П.г. смесь 2. Потери

Табл. 2. Материальный баланс первой ступени

Приход	Расход
Статья		% мас.		% об.	Статья		% мас.		% об.
1. П.г. смесь					1. Газ в исп.
Итого					Итого



3.7.2 Расчет испарителя

Материальный расчет.

Приход:

1. Парогазовая смесь из первой ступени конвертора

2. Конденсат массой

Расход: парогазовая смесь, в которой количество пара определяется суммой паров воды в поступающем газе и количеством конденсата.

Тепловой расчет.

Физическое тепло парогазовой смеси берем из теплового баланса первой ступени:

Физическое тепло конденсата. Принимаем температуру конденсатора 70°С

Общий приход тепла

Расход тепла.

Физическое тепло при 388°С.



Потери тепла во внешнюю среду испарителя равны примерно 50 % от потерь первой ступени, т.е. .

Общий расход тепла:

Из уравнения теплового баланса находим количество поступающего конденсата:

Количество тепла поступающего с конденсатом.

Общий приход тепла.



Расход тепла с парогазовой смесью.

Потери в окружающую среду.

Рассчитанные данные представим в виде таблиц табл.3. и табл.4. теплового и материального баланса. В приходе значения относятся к жидкому состоянию, в расходе к газообразному.

Табл. 3. Тепловой баланс испарителя

Приход	Расход
Статья		% отн.	Статья		% отн.
1. П.г. смесь 2. Тепло конденсата			1. П.г. смесь 2. Потери

Табл.4. Материальный баланс испарителя

Приход	Расход
Статья		% мас.		% об.	Статья		% мас.		% об.
1. П.г. смесь 2.Конд.					1. Газ в исп.
Итого					Итого

Расчет второй ступени.

Расчет проводим методом последовательных приближений. Первое приближение: принимаем, что в первой степени конвертируется 50 % общего количества .

Материальный расчет.

Приход.

Соответствует количеству парогазовой смеси из баланса испарителя.

Расход.

По принятому условию в первой ступени конвертируется 50% поступившего, т.е.:

При этом расходуется:

И образуется:



В прореагировавшей смеси содержится:

	1121,85	897,13
	7297,30	9073,00
	8717,45	4436,87
	1246,94	13854,89

Тепловой расчет.

Физическое тепло поступающей смеси принимаем по первому приближению:

Тепло реакции.

Принимаем температуру на выходе из первой ступени 450°С и тогда средняя температура будет равна 417°С (690 К).

Отсюда:

Общий приход тепла:



Расход тепла. Физическая теплота, отходящая с парогазовой смесью.

Потери в окружающую среду:

Находим долю потерь от тепла реакции.

Определяем фактическую степень конверсии в % от равновесной. Константа равновесия при 450°С (723 К) рассчитывается по уравнению:

Решая систему уравнений, получим два корня, один из которых не подходит, а второй равен:



Таким образом, при равновесии должно конвертироваться . Степень конверсии:

Делаем второе приближение.

Материальный расчет.

Приход.

Соответствует количеству парогазовой смеси из баланса испарителя.

Расход.

По принятому условию в первой ступени конвертируется 46 % поступившего, т.е.:

При этом расходуется:

И образуется:



В прореагировавшей смеси содержится:

	1211,60	968,90
	7354,98	9144,74
	8576,44	4365,10
	1240,48	13783,11

Тепловой расчет.

Физическое тепло поступающей смеси принимаем по первому приближению:

Тепло реакции.

Принимаем температуру на выходе из первой ступени 446°С и тогда средняя температура будет равна 415°С (688 К).

Отсюда:

Общий приход тепла:



Расход тепла.

Физическая теплота, отходящая с парогазовой смесью.

Потери в окружающую среду:

Находим долю потерь от тепла реакции.

Определяем фактическую степень конверсии в % от равновесной. Константа равновесия при 446°С (719 К) рассчитывается по уравнению:

Решая систему уравнений, получим два корня, один из которых не подходит, а второй равен:



Таким образом, при равновесии должно конвертироваться . Степень конверсии:

Допускаем линейную интерполяцию:

Материальный расчет.

Приход.

Соответствует количеству парогазовой смеси из баланса испарителя.

Расход.

По принятому условию в первой ступени конвертируется 46 % поступившего, т.е.:

При этом расходуется:

И образуется:



В прореагировавшей смеси содержится:

	1201,50	960,82
	7348,48	9136,65
	8592,31	4373,17
	1241,20	13791,11

Тепловой расчет.

Физическое тепло поступающей смеси принимаем по первому приближению:

Тепло реакции.

Принимаем температуру на выходе из первой ступени 446°С и тогда средняя температура будет равна 415°С (688 К).

Отсюда:



Общий приход тепла:

Расход тепла. Физическая теплота, отходящая с парогазовой смесью.

Потери в окружающую среду:

Находим долю потерь от тепла реакции.

Определяем фактическую степень конверсии в % от равновесной. Константа равновесия при 446°С (719 К) рассчитывается по уравнению:



Решая систему уравнений, получим два корня, один из которых не подходит, а второй равен:

Таким образом, при равновесии должно конвертироваться

.

Степень конверсии:

3.7.3 Расчет балансов по компонентам

По углероду.

Приход:

Расход:

По водороду. Приход:



Расход:

Рассчитанные данные представим в виде таблиц табл.5. и табл.6. теплового и материального баланса и составляем внешний материальный и тепловой балансы табл.7. и Табл.8., а также баланс по компонентам табл.10. и состав "сухого" газа табл.9.

Табл. 5. Тепловой баланс второй ступени

Приход	Расход
Статья		% отн.	Статья		% отн.
1. П.г. смесь 2. Тепло реакции			1. П.г. смесь 2. Потери



Табл.6. Материальный баланс второй ступени

Приход	Расход
Статья		% мас.		% об.	Статья		% мас.		% об.
1. П.г. смесь					1. Газ в исп.
Итого					Итого

Табл.7. Внешний тепловой баланс очистки конвертированного природного газа от монооксида углерода

Приход	Расход
Статья		% отн.	Статья		% отн.
1. П.г. смесь 2. Тепло реакции 1 ступени 3. Тепло реакции 2 ступени 4. Конденсат			1. П.г. смесь 2. Потери в 1 ступени 3. Потери во 2 ступени 4. Потери в испарителе
Итого			Итого



Табл.8. Внешний материальный баланс очистки конвертированного природного газа от монооксида углерода

Приход	Расход
Статья		% мас.		% об.	Статья		% мас.		% об.
1. П.г. смесь 2. Конд.					1. Газ в исп.
Итого					Итого

Табл.9. Состав "сухого" газа на выходе из конвертора

Статья		% мас.		% об.
1.Сухой газ
Итого

Табл.10. Материальные балансы по компонентам

Приход	Расход
Статья
по углероду
1.			1.
по водороду
1. 2. Конд.			1.
Итого			Итого

3.7.5 Расчет теоретических и практических расходных коэффициентов

Проводим расчет по уравнению:

на одну тонну

Следует учитывать потери на основных стадиях:

"сухой" газ > очистка >комп. > синт. >

Находим потери на каждой стадии:

1. Потери на очистке.

При медноаммиачной очистке потери составят:При компрессии: принимаем потери 0,5% отн.

При синтезе:

принимаем 5,5 % отн.

Суммарные теоретические потери:

Теоретический коэффициент расхода по и по "сухому" газу:



Расход природного газа:

Расход природного газа на 1 т. :

Практический расходный коэффициент берем из справочника.

3.7.6 Расчет контактного узла на первой ступени

Определяем необходимый объем и производительность железохромового катализатора в 1 ч. для конверсии 23 692,6 "сухого"газа, содержащего 17,6 % об. , при объемной скорости 400 "сухого"газа на 1 катализатора в 1 ч., температуре 493°С, отношение объемов пар:газ=0,43 степень конверсии равна 93,9 % от равновесной, давление 1 атм., доля свободного объема катализатора м=0,47.

Пересчитаем в "сухого"газа по уравнению Менделеева-Клапейрона.



Находим секундный расход газовой смеси:

Время контактирования:

Учитывая потерю активности катализатора во времени, предусматриваем коэффициент запаса с=2; тогда величина необходимого катализатора равна:

Производительность катализатора по:



Заключение

В данной курсовой работе подробно рассмотрен технологический процесс очистки конвертированного природного газа от монооксида углерода в двухслойном конверторе. Приведены расчеты материального и теплового балансов для первой и второй ступени, а также для испарителя. Рассчитаны расходные коэффициенты:

Полученный расходный коэффициент имеет небольшое расхождение с допустимым интервалом.

Рассчитан контактный узел на первой ступени.

Величина необходимого катализатора равна:

Производительность катализатора по равна:

Изученный материал позволит более глубоко понимать принципы различных химических производств, а также, более полно освоить курс общей химической технологии.



Список литературы

1. Технология связанного азота / Ф.А. Андреев, С.И Каргин, Л.И. Козлов, В.Ф. Приставко. М.: Химия, 1966. 500 с.

2. Дыбина П.В., Вишняк Ю.И., Соловьева А.С. Расчеты по технологии неорганических веществ / Под ред. П.В. Дыбиной. М.: Высшая школа, 1967. 602 с.

3. Справочник азотчика / Под ред. Е.Я. Мельникова. М.: Химия, 1974. 4921 с.

4. Расчеты по технологии неорганических веществ / Под ред. М.Е. Позина.Л.: Химия, 1977. 494 с.

5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1987. 624 с.

6. Технология связанного азота: Учеб.для хим.-техн. спец. вузов / В.И. Атрощенко, А.М. Алексеев, А.П. Засорин и др. Киев: Вищашкола, 1985.

Размещено на Allbest.ru