Рассчитайте и составьте материальный баланс процесса двухступенчатой конверсии метана водяным паром с получением смеси СО и Н2

Рассчитать процесс конверсии метана водяным паром по следующим данным:

Производительность по метану:

1т/час (1000кг/час) Состав сухого газа:

метан — 94%об этан- 2,5%об азот — 3.8% СО2- 0.2%об.

Степень конверсии: 90%.

Температура: на первой ступени-750 С на второй ступени- 1160 °C.

1. Пересчитаем состав сухого газа из объемных % в массовые %.

М (СН4)= 16 кг/кмоль, М (С2Н6)= 30 кг/кмоль, М (СО2)= 44 кг/кмоль, М (N2)= 28 кг/кмоль Х (СН4)= 94*16/(94*16+2,5*30+0,2*44+3,3*28)*100= 142,56/1721*100= 84,6%.

Х (С2Н6)= 2,5*30/(94*16+2,5*30+0,2*44+3,3*28)*100= 8,71%.

Х (СО2)= 0,2*44/(94*16+2,5*30+0,2*44+3,3*28)*100= 2,51%.

Х (N2)= 3,3*28/(94*16+2,5*30+0,2*44+3,3*28)*100= 6,18%.

• 2. Рассчитаем массы всех веществ, поступающих в конвертор в месте с 1 тонной метана. Составим пропорцию:
• 1000 кг (СН4) — 84,6%

m (x) — %(x), m (x)-масса вещества, %(x) — массовая доля вещества.

m (С2Н6)= 1000*8,71/84,6= 102,95 кг.

m (СО2)= 1000*2,51/84,6= 29,7 кг.

m (N2)=1000*6,18/84,6= 73,05 кг.

3. Рассчитаем равновесную степень превращения на 1 ступени.

Температура 72,50°К, из таблицы:

Для 700°К равновесная степень превращения- 0,08.

Для 800°К- 0,225,.

найдем равновесную степень превращения на каждый градус:

• 0,225−0,08/100= 0,0014,
• 0,0014*2,50= 0,07- равновесная степень превращения для 2,50°К,

Тогда, равновесная степень превращения для 72,50°К: 0,08+0,07=0,15.

4. Рассчитаем количество пара (Н2О).

Соотношение пар: газ на 1 ступени конверсии 1:1 по объему, тогда рассчитаем общий объем газа:

m/M=V/22,4; V= m*22,4M,.

V (СН4)= 1000*22,4/16= 1400 м?

V (С2Н6)= 102,95*22,4/30= 76,87 м?

V (СО2)= 29,7*22,4/44= 15,12 м?

V (N2)=73,05*22,4/28= 58,44 м?

Общий объем газа: 1400+76,87+15,12+58,44=1550,43 м?

Пар:газ- 1:1, тогда пересчитаем количество пара (Н2О) в массу,.

m/M=V/22,4; m=M*V/22,4.

m (Н2О)= 18*1550,43/22,4= 1245,88 кг.

5. Расчет конвертированного количества.

Степень конверсии= 90% (0,9) от равновесной степени превращения.

Равновесная степени превращения=0,15, тогда рассчитаем:

m (CH4)=1000*0,15=150 кг, тогда по конверсии:

m (CH4)=150*0,9= 135 кг.

С2Н6 реагирует полностью, СО2 и N2 не участвуют в реакции.

• 6. Рассчитаем количество веществ по реакциям
• 135 кг

СН4 + Н2О = СО + 3Н2 основная реакция.

16 кг/кмоль 18 кг/кмоль 28 кг/кмоль 6кг/кмоль.

m (Н2О)= 135*18/16= 151,87 кг.

m (СО)= 135*28/16= 236,25 кг.

m (Н2)= 135*6/16= 50,62 кг.

102,95.

С2Н6 + 2Н2О = 2СО + 2,5Н2 побочная реакция.

30 кг/кмоль 36кг/кмоль 56кг/кмоль 10кг/кмоль.

m (Н2О)= 102,95*36/30= 123,54 кг.

m (СО)= 102,95*56/30= 192,17 кг.

m (Н2)= 102,95*10/30= 34,32 кг.

Общий объем:

m (Н2О)общ = 151,87 +123,54= 275,41 кг.

m (СО) общ = 236,25 + 192,17= 428,42 кг.

m (Н2) общ = 50,62 + 34,32= 84,94 кг.

7. Непрореагировавшее количество.

m (СН4)= 1000−135= 865 кг.

m (Н2О)= 1245,88- 275,41= 970,47 кг.

8. Составим материальный баланс для 1 ступени.

Переведем в проценты.

Приход: 1000+102,95+29,7+73,05+1245,88=2418,23 кг.

• 2418,23- 100%, тогда
• 1000- 41,36%, 102.95- 4,22%, 29,7- 0,26%, 73,02,5- 3,03%, 1236,2- 2,51,13%

Расход:862,5+29,7+73.05+970,47+428,42+84,94=2418,23 кг.

• 2418,23- 100%, тогда
• 862,5−35,76%, 29,7−0,26%, 73,05−3,03%, 970,47−39,72%, 428,42−17,72%, 84,94−3,51%.

Материальный баланс 1 ступени конверсии.

Приход Масса, кг. % Расход Масса, кг. %.

СН4 1000 кг 41,36 СН4 862,5 35,76.

С2Н6 102,95 4,22 СО2 29,7 0,26.

СО2 29,7 0,26 N2 73,05 3,03.

N2 73,05 3,03 Н2О 970,47 39,72.

Н2О 1245,88 51,13 СО 428,42 17,72.

Н2 84,94 3,51.

Итого: 2418,23 100% Итого: 2418,23 100%.

1. Рассчитаем равновесную степень превращения для второй ступени.

Температура 980? С Т= 980+273?К= 122,53?К, Для 1173 равновесная степень превращения= 0,99, т.к. степень равновесия не может быть больше 1, то тогда возьмем 0,99 для 122,53 ?К Тогда:

m (CН4)=862,5*0,99=853,87 кг.

• 2. Рассчитаем массы веществ по реакции.
• 853,87кг

СН4 + Н2О = СО + 3Н2.

16 кг/кмоль 18 кг/кмоль 28 кг/кмоль 6кг/кмоль.

m (CO)=853,87*28/16=1498,61 кг.

m (H2)=853,87*6/16= 321,1 кг.

m (H2О)=853,87*18/16= 963,4 кг.

m (CO) общ=1498,61+428,42=1927,03 кг.

m (H2) общ =321,1+84,94=406,04 кг.

3. Рассчитаем количество воды.

На 2 ступени конверсии соотношение объема Н2О к объему СН4 — 2:1.

m/M=V/22,4;

V (CH4)=853,87*22,4/16= 1211 м?

V (Н2)1211*2= 2422 м?

m (Н2О)=2422*18/22,4= 1946,2 кг.

m (Н2О)общ=1946,2+960,79=2906,99 кг.

4. Расчет непрореагировавшего количества.

m (СН4)=865−853,87=11,13 кг.

m (Н2О)=2906,99−963,4= 1943,59 кг Составим материальный баланс для 2 ступени.

Переведем в проценты.

Приход:

• 4362,5- 100%, тогда
• 862,5−19,82%, 2906,99- 66,6%, 428,42- 9,82%, 73,05- 1,67%, 84,94- 1,95%, 29,7- 0,14%,

Расход:862,5+29,7+73,05+960,79+428,42+84,94=2418,23 кг.

• 2418,23- 100%, тогда
• 862,5−35,76%, 29,7−0,26%, 73,05−3,03%, 960,79−39,72%, 428,42−17,72%, 84,94−3,51%

Материальный баланс 2 ступени конверсии.

Приход Масса, кг. % Расход Масса, кг. %.

Н4 862,5 19.82% СН4 862,5 0,2.

Н2О 2906,99 66,6 Н2О 1943,59 44,53.

СО 428,42 9,82 СО 1927,03 44,15.

Н2 84,94 1,95 Н2 406,04 9,3.

N2 73,05 1,67 N2 73,05 1,68.

CО2 29,7 0,14 СО2 29,7 0,14.

Итого: 4364,43 кг 100% Итого: 4364,39 кг 100%.

Потери: 4364, 43- 4364,39= 0,04 кг.

Приход Масса, кг % Расход Масса, кг %.

СН4 1000 19.82% СН4 8,65 0,2.

Н2О 3182,4 66,6 Н2О 1943,59 44,53.

С2Н6 102,95 9,82 СО 1927,03 44,15.

CО2 29,7 0,14 Н2 406,04 9,3.

N2 73,05 1,67 N2 73,05 1,68.

СО2 29,7 0,14.

Итого: 4364,43 кг 100% Итого: 4364,39 кг 100%.

Потери процесса: 4364, 43- 4364,39= 0,04 кг.