Зразок роботи
Обґрунтування та вибір способу виробництва
Багато застосувань, які були розроблені для видалення монооксиду вуглецю, перетворюючись на метан, можна легко модифікувати в процеси, де вуглекислий газ і водень використовуються як вихідна сировина, такі як синтез Фішера-Тропша, синтез метанолу або метанування [8]-[10].
Метанування діоксиду вуглецю є екзотермічною каталітичною реакцією, яка зазвичай відбувається при температурах від 200 °C до 550 °C залежно від використовуваного каталізатора:
1) CO2+4H2↔CH4+2H2O (Δ rН = − 165 кДж/моль)
Для цієї реакції передбачається двостадійний механізм реакції. На першому етапі вуглекислий газ і водень перетворюються на окис вуглецю і воду за допомогою реакції конверсії вода-газ:
2) CO2+H2↔ CO+ H2O (Δ rН = 41 кДж/моль)
У подальшій реакції з оксиду вуглецю і водню утворюється метан:
3) CO+3 H2↔ CH4+ H2O (Δ rН = -206 кДж/моль)
Крім метану і води, в продуктах містяться також вищі насичені вуглеводні [11]. Найбільш стабільним вуглеводнем С2+ є етан і він утворюється згідно
4) CO2+3,5 H2↔0,5 C2H6+2 H2O (Δ rН = -132 кДж/моль)
За певних умов процесу осадження вуглецю може відбуватися за таким механізмом реакції:
5) CO2+2 H2↔ C+2 H2O (Δ rН = -90 кДж/моль)
Фізико – хімічні основи вибраного методу виробництва
В даний час прийнятий процес виробництва аміаку в основному використовує систему, винайдену Фріцем Хабером і Карлом Бошем близько 100 років тому [1]. Тому ця система добре відома як процес Хабера–Боша. Близько 85% загального виробництва аміаку в усьому світі виробляється за допомогою цього процесу [5]. Синтез аміаку відбувається за реакцією (1).
3 H2 + N2 ⇋ 2 NH3 ΔH°27 °C = −46,35 кДж/моль
Синтез аміаку є екзотермічною реакцією (негативна зміна ентальпії), і вона відбувається спонтанно при низьких температурах (негативна зміна ентропії). Незважаючи на те, що його перевага надається при кімнатній температурі, швидкість реакції, з якою відбувається реакція при кімнатній температурі, є надто низькою, щоб її можна було застосовувати в промислових масштабах. Щоб підвищити кінетику реакції для досягнення цільової швидкості конверсії, потрібні високий тиск і температура. Для ефективного синтезу аміаку з його основних компонентів (водню та азоту) реакцію необхідно проводити при відносно високій температурі та тиску 400–500 °C і 10–30 МПа відповідно за допомогою каталізатора на основі заліза. Ця умова необхідна через високу енергію дисоціації (941 кДж/моль) потрійного зв’язку азоту. Однак, щоб привести реакцію до такої високої температури і тиску, потрібно приблизно 30 МДж/кг-NH3 енергії [6].
Виробництво аміаку з природного газу здійснюється шляхом реакції метану (природного газу) з парою та повітрям у поєднанні з подальшим видаленням води та CO2. Продуктами цього процесу є водень і азот, які є вихідною сировиною для основного синтезу аміаку. Під час процесу видалення сірки та інших домішок є важливим, оскільки вони можуть знизити та пошкодити продуктивність каталізатора під час синтезу. У процесі синтезу аміаку і азот, і водень стискаються до відносно високого тиску для подачі в реактор синтезу, де всередину занурюється каталізатор. Утворений аміак разом із непрореагованим воднем, аргоном та іншими домішками потім охолоджується для конденсації аміаку, щоб відокремити аміак від інших газів. Водень і азот, що не прореагували, повертаються назад і змішуються з новою сировиною. Щоб уникнути накопичення домішок, таких як аргон, невелика частина газів видаляється з процесу. При синтезі аміаку виділяється невелика кількість тепла, яке виділяється з реактора; отже, його можна відновити та використати для інших процесів, таких як виробництво пари та електроенергії. Загалом можна зберегти близько 88% теплотворної здатності водню [7].
3 Опис технологічної схеми виробництва
На виході з установок парового риформінгу, реакторів часткового окислення або установок коксового газу синтез-газ містить H2, CO, CO2, CH4 і воду в хімічній рівновазі при високих температурах у діапазоні від 700 до 1400 °C залежно від тиску процесу та суміші сировини та технологічної пари або води.
За допомогою конверсії зсуву СО важлива частина вмісту СО в крекінг-газі використовується для додаткового утворення водню, що відбувається після хімічної реакції.
CO + H2O H2 + CO2 (3.1)
Цей процес екзотермічний і обмежений хімічною рівновагою.
Реакція проходить без зміни обיєму. Оскільки наступні за конверсією метану процеси доцільно вести при підвищеному тиску, то для зниження витрат енергії на стискання газової суміші необхідно проводити конверсію метану теж під тиском. За реальними умовами ведення технологічних процесів реакція оборотна. Для кожної оборотної реакції є виразне рівноважне співвідношення між концентраціями речовин, яке при постійній температурі є незмінним. Константа рівноваги цієї реакції описується рівнянням:
4 Розрахунок рівноважного ступеня перетворення
Ступінь перетворення – це показник, який кількісно характеризує, наскільки повно (або глибоко) перебігає хімічна взаємодія між вихідними речовинами по відношенню до початкового стану цих речовин. Кількісною характеристикою початкового стану речовин, які мають провзаємодіяти в умовах хіміко-технологічного процесу, може бути або кількість моль цих речовин (𝑛), або ж їх концентрація (𝐶).
Для промислових хіміко-технологічних процесів у науково-технічній літературі, як правило, кількість моль не вживається: цей параметр має більшою мірою науковий характер, а не прикладний. Значно частіше використовується концентрація речовин, початкова і поточна. Математичні формули і моделі, як у випадку розрахунків через кількість моль речовин, так і у випадку розрахунків через концентрації тих самих речовин є тотожними. Отже, визначимо поняття ступеня перетворення через концентрацію вихідних речовин, які взаємодіють під час перебігу хіміко-технологічного процесу. []
Ступінь перетворення (Х) – це частка вихідної речовини, що прореагувала, тобто – яка вступила у взаємодію і перетворилася у кінцеві продукти.
𝑎𝐴 + 𝑏𝐵 → 𝑟𝑅 + 𝑠S
Отже, маємо наступну реакцію:
𝑎CO+ 𝑏H2O↔ 𝑟H2+ 𝑠CO2
А+В↔𝑅+S
1)Визначаємо початкову кількість реагенту А:
nA0/nB0=1/1
nA0=1/ nB0=1/1=1
2) Визначаємо кількість реагенту А, що залишився:
nA= nA0*(1-xA)=1*(1-1)=0 моль, звідки xA= (nA0* nA)/nA=(1*28)/28=1
3) Визначаємо кількість реагенту А, що прореагував:
nA0- nA=28-0=28 моль
Магістр