Исходные данные. 
Двухступенчатая паровоздушная конверсия метана

• 1. В производстве используем природный газ с месторождения Жанажол составом, % (об.): CH₄ — 97.4%, C₂H₆ — 0.5%, C₃H₈ — 0.2%, C₄H₁₀ — 0.1%, N₂ — 1.8%.
• 2. Производительность 1360 т/сут (расчет ведем на 1000 м³) природного газа.
• 3. Степень конверсии паром = 0,7, а воздухом = 0,95. Воду и воздух для конверсии берем в соотношении газ: пар: воздух 1: 2: 1,25. Гомологи метана в реакции не участвуют.
• 4. Температура входящих компонентов 380 єС, температура выходящих компонентов 900 єС.
• 5. Теплоемкости газов при температуре 380 єС, кДж / (кмоль • єС): СН₄ 36,72, С₂Н₆ 46,58, С₃Н₈ 51,19, С₄Н₁₀ 64,43, N₂ 7,47, О₂ 18,82, H₂О 33,29.
• 6. Теплоемкости газов при температуре 900 єС, кДж / (кмоль • єС): Н₂ 29,13, СН_{4 непр} 49,32, С₂Н₆ 68,19, С₃Н₈ 73,59, С₄Н₁₀ 104,43, N_{2 общ} 8,33, О_{2 непр} 20,12, СО 37,36, H₂О 35,59.
• 7. Максимальная скорость потока для данной трубчатой печи W=2 м/с, плотность продукта при средней температуре _t=759.2 кг/м³.
• 8. Потери тепла составляют 5%.

Материальный баланс

Материальный баланс 1 ступени конверсии метана.

Расчет материального баланса 1 ступени конверсии ведем по реакции СН₄ + H₂O CO + 3H₂ — 206,4 кДж. (6.1).

Для начала нам необходимо найти массы компонентов природного газа, так как материальный баланс построенные на объемных единицах никогда не сойдется, поэтому мы все расчеты будем вести по массе.

Определим какой объем занимают различные компоненты природного газа используя формулу:

(6.2).

где V весь объем газа;

%_i процентное содержание i го компонента (пункт 1).

Подставляя значения в формулу найдем:

V (СН₄)=1000 * =974 м³,.

V (C₂H₆)=1000 * =50 м³,.

V (C₃H₈)=1000 * =20 м³,.

V (C₄H₁₀)=1000 * =10 м³,.

V (N₂)=1000 * =140 м³.

Сначала найдем количество вещества каждого компонента, использую закон Авогадро.

(6.3).

где V_A — это число Авогадро равное 22,4 м³/моль.

Подставляя значения в формулу получаем:

µ(CH₄)= =43,48 моль,.

µ(C₂H₆)= =2,23 моль,.

µ(C₃H₈)= =0,89 моль,.

µ(C₄H₁₀)= =0,44 моль,.

µ(N₂)= =8,03 моль.

Зная количество вещества каждого компонента, мы можем найти его массу по формуле.

m=µ • M (6.4).

где М — это молярная масса (кг/моль).

Подставляя значения в формулу получим:

m (CH₄)=43.48 • 16=695,68 кг,.

m (C₂H₆)=2,23 • 30=66,9 кг,.

m (C₃H₈)=0,89 • 44=39,16 кг,.

m (C₄H₁₀)=0,44 • 58=25.52 кг,.

m (N₂)=8,03 • 28=224,84 кг.

Теперь мы найдем водяной пар, который нам необходим на конверсию 695,85 кг метана используя отношение молярных масс.

Отсюда х (m (Н₂О)) буде равно.

х=18 • =782,64 кг.

Так как в условиях говориться, что воды берут в 2 раза больше, чем газа (пункт 3), то масса воды равна.

m (Н₂О)=782,64 • 2=1565,28 кг.

Поскольку степень конверсии метана равна = 0,7 (пункт 3), то будет реагировать не весь метан, а 70%.

m_уч= m_i • (6.5).

где m_i это масса i го компонента,.

это степень превращения.

Найдем CH₄, который будет учувствовать в реакции в реакции.

m (CH₄)_уч=695,68 • 0,7=486,97 кг.

Следственно и вода вступает в реакцию лишь на 70% (используем массу по уравнению, без избытка).

m (Н₂О)_уч=782,64 • 0,7=547,84 кг.

Найдем массы водорода и углекислого газа используя закон сохранения массы и энергии (то есть сколько было загружено в печь, столько и должно быть на выходе), который описывается формулой (в нашем случае).

. (6.6).

где соответственно m1 и М1 — это масса и молекулярная масса (теоретическая масса) 1 вещества, а m2 и М2 второго вещества.

Подставляя значения получаем:

m (H₂)=486,97 • =182,61 кг,.

m (CO)=486,97 • =852,19 кг.

Так как метан и вода прореагировали не полностью, то часть их перейдет в расход, не изменившись.

m_ост= m_общ m_прор (6.7).

где m_общ это вся масса вещества,.

m_прор это масса вступившего в реакцию вещества.

Найдем массу непрореагировавшего метана и воды отняв от общей массы то что прореагировало:

m (CH₄)_ост=695,68 486,97=208,71 кг,.

m (Н₂О)_ост=1565,28 547,84=1017,44 кг.

Полученные данные сведем в таблицу 5.1.

Таблица 5.1.

Материальный баланс 1 ступени конверсии метана.