Конверсия угарного газа с паром

1. Расчеты, построение графиков.

1.1 Построение кинетических кривых.

1.2 Равновесие в процессе синтеза фосгена. Расчет конечной степени превращения при заданном объеме реактора.

1.3 Расчет объема адиабатического реактора по степени превращения.

1.4 Расчет себестоимости Выводы по работе Список используемых источников.

В данной курсовой работе рассматривается реакция конверсии угарного газа с паром.

Целью работы является:

1. Установление равновесной температуры, давления, степени превращения реакции конверсии угарного газа с паром;

2. Сравнение времени пребывания смеси в адиабатическом РПС и адиабатическом РИВ;

3. Определение себестоимости производства по средствам расчета сырьевой и эксплуатационной компонент с помощью построения графика зависимости данных переменных от степени превращения.

Информация о реакции конверсии угарного газа с паром.

Экономичность схемы переработки углеводородного сырья во многом определяется одной из стадий производства водорода — конверсией окиси углерода II с водяным паром. Эта стадия определяет глубину переработки природного газа и дает возможность существенно упростить очистку конвертируемого газа от окиси углерода (II).

Реакция конверсии окиси углерода представляет собой реакцию, протекающую по формуле (1) и называемую также реакцией конверсии водяного газа. Эта реакция широко используется в промышленности для получения синтез-газа, городского газа и в других областях.

CO+H₂O=CO₂+H₂ (1).

?H_298,16?K=-9838 кал/моль.

То, что эта реакция протекает в присутствии катализаторов, было впервые установлено ещё в 1885 году, когда Гемберг и Генри путём добавления к водяному газу большого количества водяного пара и пропускания этой смеси через накаленный докрасна огнеупорный кирпич каталитически конвертировали окись углерода в водород и двуокись углерода. Однако, в то время ещё не был разработан метод прямого синтеза аммиака и другие процессы, и в качестве возможных областей использования водорода можно было назвать лишь искусственное освещение, аэростаты, сварку металлов, металлургию и немногие другие области, поэтому и реакция конверсии СО в то время считалась реакцией, почти не имеющей промышленного значения.

В конце XIX века французскому химику Сабатье и его сотрудникам удалось осуществить каталитическую конверсию водорода в органические соединения, а затем, в 1913 году немецкий химик Габер с сотрудниками добился успеха в разработке метода прямого синтеза аммиака, вследствие чего возникла проблема получения промышленного дешевого водорода, являющегося сырьем для этих процессов. Для решения этой проблемы предлагались методы, основанные на газификации различных видов топлив, но обычно в газах, полученных с помощью газификации, помимо водорода содержится изрядное количество окиси углерода, поэтому пришли к необходимости внедрения уже известной реакции конверсии окиси углерода в промышленность в качестве средства превращения СО в водород и увеличения, таким образом, количества последнего в газификации.

Таким образом, реакцию конверсии СО исследовали с целью использования в качестве дополнительной стадии процесса получения водорода, однако позже эту реакцию стали считать экономически выгодной также в отношении детоксикации городского газа, что стало проблемой в особенности на общественных предприятиях, и постепенно в оборудовании для получения городского газа также начали вводить агрегаты конверсии СО. При этом в ряде стран были введен в действие закон об ограничении количества СО в городском газе, поэтому важность реакции конверсии СО в промышленности получения городского газа будет, очевидно, все более и более возрастать.

Для проведения этой реакции обычно применяют железохромовый катализатор, в присутствии которого при температуре реакции 350 — 500? С концентрация СО в газе понижается до остаточного содержания 2 — 3%.

Что касается давления реакции, то до недавнего времени оно было почти равно атмосферному, но в вязи с недавним повышением давления в процессах газификации и реакцию конверсии СО также стали проводить при повышенном давлении.

В качестве катализаторов конверсии окисей углеродов в прошлом исследовали и испытывали на практике самые различные вещества, но в настоящее время катализаторы, применяемые в промышленности, ограничиваются двумя типами, а именно, катализаторы, в которых к окиси железа, как основному веществу, добавлены окись хрома и некоторые другие добавки, называемые железохромовые (высокотемпературные) катализаторы, и медно-цинковые или медно-хромово-цинковые низкотемпературные катализаторы.

Взаимодействие угарного газа с водяным паром происходит с выделением тепла, поэтому в промышленности конверсию осуществляют в двухступенчатых контактных аппаратах: на среднетемпературном катализаторе, используя повышенную скорость реакции, и на низкотемпературном, используя высокие значения констант равновесия при снижении температуры конверсии. Проведение конверсии окиси углерода с водяным паром в промышленности осуществляется вблизи равновесия.

Катализаторы конверсии окиси углерода (II), работающие в неподвижном режиме, подвержены коррозии потоком газа и термическому растрескиванию. Использование их в условиях кипящего слоя не представляется возможным из-за их незначительной износоустойчивости при истирании. Поэтому преимущества конверсии окиси углерода с водяным паром в кипящем слое до настоящего времени не реализованы из-за отсутствия достаточно активных и износоустойчивых при истирании катализаторов.

Износоустойчивые катализаторы целесообразно готовить методом нанесения активной массы на носитель. В этом случае снижается расход дорогостоящего и дефицитного сырья, улучшаются такие важные характеристики катализатора, как термостойкость, стабильность, пористая структура. Механическая прочность и износоустойчивость катализатора определяется механической прочностью и формой носителя Шарков А. В. «Разработка и исследование катализаторов конверсии окиси углерода с водяным паром в кипящем слое», — диссертация. — Л., 1978.

В данной работе расчеты будут производиться с железохромовым (высокотемпературным) катализатором.

1. Расчеты, построение графиков.

1.1 Построение кинетических кривых.

Процесс конверсии угарного газа с паром протекает по следующему уравнению реакции:

CO+H₂O=H₂ + CO₂.

Скорость конверсии описывается следующим уравнением:

Где U — скорость реакции.

k_c — константа скорости реакции.

K_p — константа равновесия химической реакции.

P_CO, P_H2O, P_H2, P_CO2 — парциальные давления угарного газа, паров воды, водорода и углекислого газа, соответственно.

Параметры уравнения скорости, в свою очередь, рассчитываются для железохромового катализатора по следующим соотношениям:

lg k_c =.

lg A =.

где T — температура, К.

Константу равновесия K_p и тепловой эффект Q (T) можно рассчитать по уравнениям:

K_p=.

Q (T)=.

Рекомендуемая температура смеси на входе в реактор 600−800 К, давление 10 атм.

Введем стехиометрические коэффициенты в соответствии с уравнением реакции. Рассчитаем изменение числа киломолей в ходе реакции.

Определяем функции для константы равновесия K_p, константы скорости реакции k_c, безразмерной величины А. При этом для каждой функции выполняем проверку.

Подключаем модуль с определениями всех основных функций.

Определяем функции для расчета прямой и наблюдаемой скоростей реакции. Определяем частные вспомогательные функции u₁(T,P), u₂(T,P), u(T,P) из общих функций, приняв степень превращения равной 0,3.

Символьно рассчитать равновесную температуру не удается. Рассчитываем равновесную температуру с помощью функции root, т. е. численным способом.

Строим плоский график Х-Y график зависимости скорости реакции от температуры. Чтобы придать осям опрятный вид, наибольшие пределы по осям пастеризуем (огрубим) на один-два разряда числа. Верхний предел по ординате запишем как.

Символьно рассчитываем равновесное давление. В плоский график зависимости скорости реакции от давления вводим равновесное давление Р_р в слот на абсциссе. Рассчитываем равновесное давление численным способом, сравниваем два результата. На графике он также отобразится в качестве красного пунктирного перпендикуляра, проходящего через точку химического равновесия.

Символьно рассчитываем равновесную степень превращения. Получаем вектор двух корней. Выбираем тот из них, который соответствует минимальному значению равновесной степени превращения. Степень превращения равная 2,5 быть не может, выбираем степень превращения, равную 1. В плоский график зависимости скорости реакции от степени превращения вводим равновесное степень превращения хр в слот на абсциссе. Рассчитываем равновесную степень превращения численным способом, сравниваем два результата.

Вывод.

Т.к. процесс практически необратим при температурах ниже 130⁰С, поэтому скорость обратной реакции можно принять равной нулю. В связи с этим становится понятно, почему кривая скорости прямой реакции и кривая наблюдаемой скорости совпадают на графиках зависимости скорости реакции от температуры, давления, степени превращения. Реакция синтеза фосгена идет с уменьшением объема.

1.2 Равновесие в процессе синтеза фосгена. Расчет конечной степени превращения при заданном объеме реактора.

Построим на одном графике три кривые — равновесную степень превращения и 2 конечные степени превращения в реакторе полного смешения с разными временами пребывания от температуры.

Порядок действий при расчете конечной степени превращения реакции синтеза фосгена..

Введем стехиометрические коэффициенты в соответствии с уравнением реакции. Рассчитаем изменение числа киломолей в ходе реакции.

Глобально определим мольные доли веществ в исходной смеси.

Определяем функции для константы равновесия k_p, константы скорости реакции k_c, безразмерной величины А.

Подключаем модуль с определениями всех основных функций.

Определяем функции для расчета прямой и наблюдаемой скоростей реакции.

Для расчета равновесной степени превращения определим функцию:. Внутри скобок функции root через запятую запишем сначала исследуемую функцию скорости, а затем введем аргумент х, меняя который нужно найти такое значение аргумента х_р, при котором функция обращается в ноль.

Построим зависимость степени превращения от температуры. В рабочую область вставим шаблон плоского X-Y графика. В слот на абсциссе вставим технический аргумент Т_m, в слоты вставим на оси минимальное и максимальное значение температуры. Добавим на ординату через запятую выражения X_p(T_m, 0.1), X_p(T_m, 1), X_p(T_m, 10). В результате будет построен требуемый график.

Построим зависимость равновесной степени превращения от давления. В слот абсциссы вставим технический аргумент P_m, в слот ординаты через запятую вставим три обращения к частной функции равновесной степени превращения для трех разных температур: X_p(343, P_m), X_p(390, P_m), X_p(403, P_m).

Из графиков видно, что равновесная степень превращения не меняется при разных температурах и давлениях. Это можно объяснить тем, что реакция является необратимой, идет до конца, исходные вещества превращаются в продукты реакции. Равновесная степень превращения равна 1 при температурах не ниже 130⁰С и давлении от 1 до 10 Па.

Для расчета конечной степени превращения в РПС, используя уравнение материального баланса РПС, записываем функцию F. С ее помощью будем искать такое значение х, при котором F станет равной нулю.

Определим функцию X_AK, способную с помощью стандартной функции root рассчитать значение конечной степени превращения.

Чтобы построить объемный график поверхности, определим частную функцию от 2 аргументов X_p(T,P). При этом первое приближение также задается.

Для построения поверхности конечной степени превращения в РПС определим частную функцию X_AK1(T,P).

Аналогично предыдущему пункту для построения конечной степени превращения используем частную функцию X_AK2(T,P).

Построим поверхности на объемном графике. В слот через запятую введем три обращения к вспомогательной функции Y. После настройки диапазонов аргументов в место трех обращений вводим имена отображаемых функций.

Строим плоский X-Y-график. Сначала в качестве аргумента вводим Tm. Затем устанавливаем соответствующие пределы изменений.

Аналогично строим для зависимости степени превращения от давления.

Из графиков видно, что равновесная степень превращения с увеличением давления возрастает, что характерно для реакции с уменьшением объема.

1.3 Расчет объема адиабатического реактора по степени превращения.

Время пребывания в РПС рассчитывается по формуле:

в РИВ — по формуле.

Знание времени пребывания газовой смеси внутри ректора позволяет рассчитать объем реактора по заданному объемному расходу смеси и наоборот, объемный расход по заданному объему ректора. Рассчитаем, как степень превращения будет изменяться при увеличении времени пребывания в адиабатическом реакторе.

Порядок решения:.

Введем стехиометрические коэффициенты в соответствии с уравнением реакции. Рассчитаем изменение числа киломолей в ходе реакции.

Глобально определим мольные доли веществ в исходной смеси.

Определяем функции для константы равновесия k_p, константы скорости реакции k_c, безразмерной величины А.

Подключаем модуль с определениями всех основных функций.

Определяем функцию адиабатического разогрева.

Определяем функции прямой, обратной и наблюдаемой скоростей реакции. В функциях константы скорости вместо температуры ставим обращение к функции адиабаты T(t, x).

Для расчета равновесной степени превращения вводим функцию:x_p(t, P, x, Z_A1, Z_B1, Z_C1, Z_D1).

Определяем функции для расчета времени превращения в РПС и РИВ по уравнению материального баланса.

Используя функцию для расчета равновесной степени превращения, рассчитываем значение равновесной степени превращения для начальной температуры газовой смеси, равной .

Аналогично рассчитываем значение степени превращения близкое к равновесной степени превращения для начальной температуры газовой смеси .

Для построения объемного графика определяем функции,, а также определяем коэффициент адиабатического разогрева.

Построим поверхности на объемном графике.

Строим график зависимости температуры газовой смеси от степени превращения в адиабатическом реакторе.

Строим зависимость скоростей реакции от степени превращения. Особенность данного графика состоит в том, что скорость реакции зависит одновременно от степени превращения и температуры.

На графике отразим зависимость подынтегральной функции в адиабатическом РПС и РИВ от степени превращения. Площадь под кривой будет соответствовать времени пребывания в адиабатическом РИВ, а площадь под горизонтальной прямой — времени пребывания в адиабатическом РПС.

Строим график зависимости степеней превращения от времени пребывания.

Вывод.

Конечная степень превращения наблюдаемой скорости реакции стремится к бесконечности при увеличении времени пребывания смеси в реакторе. Время пребывания смеси в адиабатическом РИВ больше времени пребывания смеси в адиабатическом РПС.

1.4 Расчет себестоимости.

Введем стехиометрические коэффициенты в соответствии с уравнением реакции. Рассчитаем изменение числа киломолей в ходе реакции..

Глобально определим мольные доли веществ в исходной смеси..

Определяем функции для константы равновесия k_p, константы скорости реакции k_c, безразмерной величины А..

Подключаем модуль с определениями всех основных функций..

Определяем функцию адиабатического разогрева. Определяем функции прямой, обратной и наблюдаемой скоростей реакции..

Определяем функции прямой, обратной и наблюдаемой скоростей реакции..

Определяем функции для расчета времени превращения в РПС и РИВ по уравнению материального баланса.

Глобально зададим цены на сырье и эксплуатацию..

Определим функции для расчета сырьевой и эксплутационной компонент себестоимости, а также себестоимости в целом..

Строим плоский график..

Вывод.

Эксплуатационная компонента себестоимости СЭi, которая пропорциональна объему реактора, а следовательно, и времени пребывания смеси, растет, т. к. скорость обратной реакции равна нулю, т. е. время стремится к бесконечности. Уменьшение сырьевой компоненты объясняется тем, что на производство фосгена расходуются исходные вещества почти полностью. Суммарная себестоимость имеет минимум.

Выводы по работе.

Реакция синтеза фосгена является необратимой реакцией, поэтому в расчетах U₂ присваивалось значение ноль. Данная реакция является экзотермической. В ходе выполнения данной курсовой работы было установлено, что реакция синтеза фосгена является экзотермической реакцией и идет с уменьшением объема, т. к. энергия активации скорости прямой реакции меньше, чем энергия активации скорости обратной реакции. В связи с тем, что скорость обратной реакции равна нулю, становится понятно, почему на графиках скорость, степень превращения для прямой и наблюдаемой реакции совпадают.(скорость прямой реакции =скорость наблюдаемой реакции). Равновесная степень превращения, равная 1, не изменяется при изменении давления и температуры в пределах от 1−10 Па и 343−500⁰С соответственно. Но конечная степень превращения прямой реакции увеличивается при увеличении давления. Также в ходе работы установлено, что время пребывания в адиабатическом РИВ, больше, чем в адиабатическом РПС.

Конечная степень превращения наблюдаемой реакции стремится к бесконечности при увеличении времени пребывания, это обусловлено тем, что она стремится достичь свое равновесное значение. При рассмотрении графика зависимости себестоимости и ее компонент от степени превращения установлено, что рост эксплуатационной компоненты себестоимости СЭi, которая пропорциональна объему реактора, а следовательно, и времени пребывания смеси, объясняется тем, что скорость обратной реакции равна нулю, т. е. время стремится к бесконечности. Уменьшение сырьевой компоненты объясняется тем, что на производство фосгена расходуются исходные вещества почти полностью. Суммарная себестоимость имеет минимум.

Список используемых источников.

фосген пар угарный адиабатический Фосген. Режим доступа: [http: // www. ww1.iatp.org.ua 09.05.2006 г.].

Cинтетические и природные газы. ОВ. Режим доступа: [http: // www.supergun.ru 21.03.2006 г.].

Отравляющие вещества удушающего действия. Режим доступа: [http: // www. gr-obor.narod.ru 30.04.2006 г.].

Фосген CG. Режим доступа: [http: // www. stvol8.narod.ru 01.05.2006 г.].

Биологически активные. Книги. Наука и техника. Режим доступа: [http: // www. n-t.ru 09.05.2006 г.].