Уксусная кислота

1,86

4,36

Н₂О

Н₂О

57,45

139,05

Итого

100

100

100

239,05

Исходные данные

Объёмное отношение пар:природный газ равно 1,35:1. Температура парогазовой смеси на входе 525 ^оС. Содержание СН₄ в сухом газе на выходе 0,7 %. Гомологи СН₄ разлагаются нацело. Температура на выходе из реакционных труб: равновесная 805 ^оС, фактическая 825 ^оС. Температура дымовых газов на выходе из печи 1040 ^оС

Обозначим (в м³): V - объём сухого газа на выходе; а - содержание диоксида углерода в выходящем газе; б - содержание оксида углерода в выходящем газе; в - содержание водорода в выходящем газе; г - количество водяного пара, вступившего в реакцию с углеводородами; х - количество сжигаемого в печи природного газа.

Расчёт ведём на 100 м³ поступающего газа на конверсию водяным паром. На процесс дозируется пар до соотношения 1,35:1, значит на 100 м³ природного газа необходимо подать 135 м³ пара.

С учётом потерь это количество составит:

135?1,03=139,05 м³



В печи первичного риформинга протекает следующая реакция

СО+Н₂О=СО₂+Н₂ (2.10)

Составляем балансовое уравнения по элементам во влажном газе на входе и на выходе из трубчатой печи.

Сумма углерода в углеводородах смешанного газа:

22,51+1,15?2+0,40?3+0,18?4+0,12?5=27,33

Материальный баланс по углероду:

22,51+1,15?2+0,40?3+0,18?4+0,12?5+70,04=а+б+0,007V;

97,37= а+б+0,007V (4)

Баланс по водороду

4,36+22,51?2+1,15?3+0,40?4+0,18?5+0,12?6+139,05 =в+0,007 V?2+(139,05 - г);

г=в+0,014 V - 56,05 (5)

Баланс по кислороду

70,04+139,05 ?0,5=а+0,5б+0,5(139,05 - г)

70,04=а+0,5б - 0,5г (6)

Объём сухого газа на выходе будет равен



V=а+б+в+0,007 V+1,24;

-1,24= а+б+в - 0,993 V (7)

Равновесие реакции (2.10) при 827 ^оС запишется уравнением

(8)

Определяем в, вычитая уравнение (7) из уравнения (4)

в= V - 98,61 (9)

Подставляя значение в в уравнение (5), получаим

г=1,014 V - 154,66 (10)

Решаем совместно уравнения (4) и (6)

27,33=0,5б+0,007 V+0,5г

Подставляем сюда значение г из уравнения (10):

б=209,32 - 1,028 V (11)

После подстановки в уравнение (7) значения б из уравнения (11) и в из уравнения (9) получаем:

а=1,021 V - 111,95 (12)



Подставляя в уравнение равновесия реакции (8) значение а из уравнения (12), в из уравнения (9),б из уравнения (11) и г из уравнения (10), получаем

,

Откуда V=169

Подставляя найденное значение V в уравнения (8) - (12) определяем количества всех компонентов конвертированного газа:

а=1,021 V - 111,95=1,021?169- 111,95 = 60,59 м³

б=209,32 -1,028 V=209,32 - 1,028?169=35,59 м³

в= V - 98,61=169- 98,61=70,39 м³

г=1,014 V - 154,22=1,014?169- 154,66=16,71 м³

Правильность решения уравнения проверяем подстановкой значений а, б, в, г в уравнение (8):

Получаем К_р=0,979, что хорошо совпадает с табличным значением константы равновесия реакции водяного пара при 827 ^оС(К_р=0,9444)

Отношение пар:газ на выходе из печи равно:

Степень конверсии СН₄ (по углероду в углеводородах смешанного газа):



Составляем таблицу количество и состав газа после трубчатой печи

Таблица 2.14 - Количество и состав газа после трубчатой печи

Компоненты	Влажный газ	Сухой газ
	м3	%об	м3	%об
СО2	60,59	19,67	60,59	35,85
СО	35,59	11,55	35,59	21,06
Н2	70,39	22,85	70,39	41,65
СН4	1,18	0,38	1,18	0,70
N2	1,24	0,4	1,24	0,74
Н2О	122,34	39,71	-	-
Всего	308,04	100	168,99	100

На основе расчётных данных составляем таблицу сводного материального баланса парауглекислотной конверсии природного газа с учётом производительности 96,25м³/ч

Таблица 2.15 - Сводный материальный баланс парауглекислотной конверсии природного газа ( с учётом производительности 96,25м³/ч )



Тепловой расчёт

Уравнение теплового баланса трубчатой печи:

Q₁+ Q₂= Q₃+ Q₄+ Q₅+ Q₆ (13)

где Q₁ - физическое тепло парогазовой смеси на входе в печь;

Q₂ - тепло, выделяющееся при сжигании х м³ природного газа;

Q₃ - расход тепла на реакции;

Q₄ - физическое тепло парогазовой смеси на выходе из печи;

Q₅ - физическое тепло дымовых газов на выходе из печи;

Q₆ - потери тепла в окружающую среду.

Приход тепла

Q₁ =9579,65?2,1717?525+14991,9?1,5960?525=23483879 (кДж)

где 9579,65- объём природного газа, поступающего на конверсию с добавкой водородной смеси; 2.1717 - средняя теплоёмкость сухого смешанного газа от 0 до525 ^оС, кДж/(м³? ^оС); 14991,9 - общее количество водяного пара, поступившего в печь (10758,65+1608,34); 1,5960 - средняя теплоёмкость водяного пара от 0 до525 ^оС, кДж/(м³? ^оС).

Для определения теплотворной способности природного газа принимаем следующие значения теплотворной способности отдельных углеводородов (кДж/м³):

СН₄ - 35840; С₂Н₆ - 63760; С₃Н₈ - 91020; С₄Н₁₀ - 118650; С₅Н₁₂ -146080.

Низшую теплотворную способность 1 м³ природного газа можно рассчитать, используя данные таблицы 14



0,2251?35840+0,0115?63760+0,0040?91020+0,0018?118650+0,0012?146080 = 9553,77(кДж)

Температуру природного газа и воздуха, поступающих на сжигание в горелках, принимаем равной 0 ^оС, тогда

Q₂=9553,77х (кДж)

Всего тепла поступает

23483879+9553,77х

Расход тепла

Тепловой эффект реакции согласно закону Гесса определяем по разности

Q₃=? Q_к - ? Q_н (14)

Где ? Q_к - алгебраическая сумма теплот образования соединений в конечной парогазовой смеси; ? Q_н - алгебраическая сумма теплот образования соединений в начальной парогазовой смеси.

Принимаем следующие значения теплот образования (?Н) соединений при 0 ^оС (кДж/м³): СО₂ 17547; СО 4932; Н₂О 10789;СН₄ 3295; С₂Н₆ 3697; С₃Н₈ 4517; С₄Н₁₀ 5489; С₅Н₁₂ 6364. Тогда расход тепла с учётом таблицы 14:

Q₃=5831,79?17547+3425,53?4932+113,575?3295+11775,225?10789 - 6696,04?17547 - 2034,124?3295 - 110,69?3697 - 38,5?4517 - 17,33?5489 - 11,55?6364 - 13383,56?10789= -22702570 (кДж)

Q₄=28040,5?1,5814 ?827=36671865 (кДж)



где 28040,5 - объём влажного газа на выходе из печи; 1,5814 - средняя теплоёмкость влажного газа на выходе от 0 до827 ^оС, кДж/(м³? ^оС)

Для вычисления Q₅ определяем количество и состав дымовых газов при сжигании 1 м³ природного газа до диоксида углерода и воды

Теоретический расход кислорода на сжигание:

0,2251?2+0,0115?3,5+0,0040?5+0,0018?6,5+0,0012?8=0,53 (м³)

Расход воздуха при коэффициенте избытка б равном 1,25:

В том числе N₂ = 3,165?0,79=2,5 м³; О₂=3,165?0,21=0,66 м³.

Таблица 2.16 - Количество дымовых газов, образующихся при сжигании 1 м³ природного газа при б=1,25

Компонент	м3	%об
СО2	0,509	12,12
О2	0,66	15,72
N2	2,5	59,54
Н2О	0,53	12,62
всего	4,199	100

При сжигании х м³ природного газа образуется 4,199 м³ дымовых газов. Средняя теплоёмкость влажных дымовых газов от 0 до 1040 ^оС равна 1,5180 кДж/( м³? ^оС). Отсюда

Q₅=4,199х?1,5180?1040=6629 х (кДж)



Потери тепла в окружающую среду Q₆ по практическим данным принимаем равными 8021941 кДж на 9579,65 м³ природного газа, подвергаемого конверсии.

Общий расход тепла:

22702570+36671865+6629 х+8021999=67396434+6629 х (кДж)

Уравнение теплового баланса печи:

23483879+9553,77х=67396434+6629 х,

Откуда х= 15014 м³.

Таблица 2.17 - Тепловой баланс трубчатой печи

Приход тепла	Количество	Расход тепла	Количество
	кДж	%		кДж	%
Со смесью природного газа и водяного пара при 525 оС	23483879	14,07	С парогазовой смесью на выходе из печи при 827 оС	36671865	21,97
Теплота сгорания природного газа	143440303	85,93	С дымовыми газами на выходе из печи при 1040 оС	99527806	59,62
			Теплота реакции при 0 оС	22702570	13,60
			Потери в окружающую среду	8021941	4,81
Итого	166924182	100		166924182	100

Из сводного теплового баланса трубчатой печи (таблица 16) видно, что теплота сгорания природного газа составляет около 86 % от общего прихода тепла. Значительное количество тепла, выносимого дымовыми газами (48% от общего расхода тепла), используется в блоке теплоизолирующей аппаратуры, расположенном за радиантной секцией трубчатой печи и имеющем с ней общие металлоконструкции. Здесь дымовые газы охлаждаются с 1040 ^оС до 160 ^оС.

Технологический расчёт основного аппарата

Данные для конструктивного расчёта приводим из материального баланса и производственные:

Объёмная скорость 1420 м³/час

Рабочее давление 3,7 МПа

Время контактирования 1,5 с

Внутренний диаметр трубки 89 мм

Длина трубок 1063 мм

Определим объём загруженного катализатора

(15)

где V₀ - часовой объём исходной смеси при нормальных условиях, м³/час

з - отношение объёмов вода:природный газ в исходной газовой смеси

б - доля свободного объёма катализатора (0,5)

Р⁰ и Р - стандартное и общее давление, МПа

Т - температура, К

Ф - время контактирования, с

Определяем полезный объём трубы:

(16)

где d - внутренний диаметр трубок

h - высота трубок



Учитывая, что объём катализатора не полностью вступает в реакцию, с учётом доли свободного 3-5% катализатора 0,5 и коэффициента запаса объём катализатора составит

(17)

Определяем количество труб заполненных катализатором:

Число реакционных труб равняется 390 штуки. Диаметр внутренних реакционных труб равен 89 мм или 0,089м.

Расчитываем площадь сечения трубы:

(18)

где р - постоянное число, равное 3,14

Находим высоту трубы:

(19)



Рассчитываем поверхность теплообмена:

F=H?2р?n?S=0,06?2?3,14?390?0,07=10,29 м³

Расчёт штуцеров

Находим диаметр штуцера по формуле:

(20)

где V_p - секундный расход газа,м³/с

щ - объёмная скорость газа м/с

Для расчёта объёма газа необходимо привести к рабочим условиям

(21)

V_p - расход газа приведённый к рабочим условиям;

V₀ - расход газа из расчёта , м³/час;

Р₀ - давление при нормальных условиях, 0,1МПа;

Т_р - рабочая температура, К;

Р_р - рабочее давление, МПа;

Т₀ - нормальная температура, 273К.

Диаметр штуцеров входа парогазовой смеси равен:



Диаметр штуцеров на выходе

Из расчётных данных видно, что диаметр штуцеров на входе парогазовой смеси 1076 мм, а на выходе 1260 мм, количество реакционных труб 390 штук



Заключение

При выполнении дипломного проекта были проанализированы теоретические данные по теме: Парауглекислотная конверсия природного газа в производстве уксусной кислоты. На основании этого и произведённых расчётов выбран оптимальный режим работы установки: температура 827 С, соотношение диоксид углерода : природный газ - 2,38 : 1, рабочее давление - 3,7 МПа.

Основными факторами, повлиявшими на выбор данного метода получения синтез-газа, явилось следующее:

1) Непосредственная близость газовых месторождений.

2) Минимальное содержание примесей, что снижает затраты на очистку при подготовке сырья.

3) Использование побочных продуктов (СО₂, Н₂) в производствах карбамида и аммиака.

В данном дипломном проекте была выбрана многорядная трубчатая печь, так как она обладает рядом преимуществ: компактность и относительно небольшие тепловые потери, использование тепла газов для обогрева печи, большая производительность. Диаметр штуцеров на входе парогазовой смеси 1076 мм, а на выходе 1260 мм, количество реакционных труб 390 штук. Также были рассмотрены катализаторы конверсии метана разных, как зарубежных, так и отечественных фирм производителей. Цена катализатора марки К-905D1 на 5-7% ниже, чем цены на ГИАП-16, и на 12-15% ниже стоимости зарубежных аналогов. Условиям данного дипломного проекта полностью отвечает катализатор марки К-905 D1 фирмы Алвиго-КС, так как он надежный, устойчивый к каталитическим ядам, механическим воздействиям, нестабильностям температурного режима.

Экономические расчёты показали, что установка является эффективной.

Предусмотрены современные приборы автоматизации, так как это приводит к улучшению основных показателей эффективности производства, улучшению качества и количества выпускаемой продукции , снижению пожаро- и взрывоопасности.

Размещено на Allbest.ru

...