4 Amaliy mashg‘ulot: Metanni to‘g‘ri oksidlantirish usulini о‘rganish

4 Amaliy mashg‘ulot: Metanni to‘g‘ri oksidlantirish usulini о‘rganish


4.1 METAN VA UGLEROD MONOOKSIDINI KONVERSIYALAB OLISHNING ASOSLARI.
Umuman metan va uglerod monooksidini kislorod (yoki havo), suv bug‘i va uglerod dioksidi bilan konversiyalash mumkin. Shuni ta’kidlash kerakki, metan va uning gomologlarini kislorod yoki havo bilan tо‘liq va tо‘liqsiz oksidlash mumkin. Tо‘liq oksidlash natijasida doimo suv bug‘i va uglerod dioksidi olinadi:
СН4 + 2О2 = СО2 Қ+ 2Н2О + Q1 (4.1.)
Ammo, vodorod ishlab chiqarish uchun esa, metanni tо‘liqsiz oksidlash kerakdir:
СН4 + 0,5О2 = СО + 2Н2 + Q2 (Қ35,65 кж) (4.2.)
Metan va boshqa uglevodorodlarni suv suv bug‘i, uglerod uch oksidi bilan tо‘liqsiz oksidlab ham, vodorod olish mumkin:
СН4 + Н2О(буғ) = СО + 3Н2 -Q3 (-206,19 кж) (4.3.)
СН4 = СО2 = 2СО + 2Н2 -Q4 (-247,36 кж) (4.4.)
yoki metan gomologlarining tо‘liqsiz oksidlanishi:
Сn Н2n + nН2О(буғ) = (2n+1) Н2 +nCO -Q (4.5.)
Vodorod olish uchun amalga oshiriladigan yuqoridagi (4.2.), (4.3.), (4.4.) tо‘liqsiz oksidlash reaksiyalaridan kо‘rinib turibdiki, ularning hammasi gomogen, qaytar va kislorod ishtirokida ketadigan (4.2.) reaksiya ekzotermik lekin suv bug‘i va uglerod dioksidi ishtirokida ketadigan (4.3.) va (4.4.) reaksiyalar esa - endotermikdir. Lekin uchchala reaksiya natijasida ham uglerod monooksidi hosil bо‘ladi. Bu uglerod monooksidi keyinchalik suv bug‘i bilan reaksiyaga kirishib, yana vodorod hosil qilishi mumkin:
СО + Н2О(буғ) = СО2 + Н2 + 41,17 кж (4.6.)
Yuqoridagi reaksiyalardan xulosa qilish mumkinki metanni uglerod dioksidi yoki kislorod bilan tо‘liqsiz oksidlansa, 1 mol metandan 2 mol vodorod olish mumkin (4.2.) va(4.4.) reaksiyalar. Agarda metan suv bug‘i bilan tо‘liqsiz oksidlansa (4.3.) va (4.6.) reaksiyalar, 1 mol metandan 3 mol vodorod olish mumkin. Endigi gap shundaki, metan va uglerod monooksidini bir xil sharoitda bitta apparatda suv bug‘i bilan tо‘liqsiz oksidlab, yuqori chiqish bilan vodorod olish mumkinmi yoki yо‘qmi, degan savolga javob berishdir. Buning uchun (4.3.) va (4.6.) reaksiyalarini birgalikda va ayrim termodinamik tekshirish ya’ni bu reaksiyalar natijasida hosil bо‘ladigan gaz aralashmasining muvozanat sharoitida tarkibini reaksion haroartga qarab о‘zgarishini kо‘rib chiqamiz: YA’ni (4.3.) va (4.6.) reaksiyalari sistemasi:
х х х 3х СН4 + Н2О(буg‘) = СО + 3Н2 -206,19 кж (4.3.) х у у у СО + Н2О(буg‘) = СО2 + Н2 + 41,17 кж (4.6.)
СН4 + 2Н2О(буg‘) = СО2 + 4Н2 -165,02 кж (4.7.)
Faraz qilaylik, dastlabki gaz aralashmasi 1 mol metan va n mol suv bug‘idan iborat. X - metanni reaksiyaga kirishgan qismi, mol. U - uglerod monooksidini reaksiyaga kirishgan qismi, mol.
Р нисбий = Р / Р0 (4.0.)
Bu yerda: Р - umumiy bosim, MPa. R0 - boshlang‘ich bosim, MPa. Massalar ta’siri konuniga binoan (4.3.) va (4.6.) - reaksiyalarning muvozangat doimiysi:
Мд(4.3.)=РСОхРн23/Рсн4ХРн2о=(Х-У)(3Х+У)Р2
нисбий(1+n+2Х)
-2/(1-Х)(n-Х-У);(4.8.)
Мд(4.6.)=Рн2Рсо2/РсоРн2о=(3Х+У)У/(Х-У)(n-Х-У) (4.9.)
Bu muvozanat doimiysidan xar xil xaroratdagi mikdorlarini kuyidagi tenglamalardan topish mumkin:
Ig(Мд)(4.3.)=-984О/Т+8,343IgТ-2,05910-3Т+О,17810-6Т-11,96 (4.10.)
Ig(Мд)(4.6.)=+2217/Т+0,297IgТ+0,352510-3Т-0,050810-6Т-326 (4.11.)
Muvozanat xoldagi gaz tarkibini topish uchun (4.8.) va (4.9.) tenglamalar sistemasidan «X» va »U» topish kerak. Buning uchun dastlabki sharoitlar: Umumiy bosim R, harorat - K da, n-N20(bugi)ning dastlabki mollar soni, ma’lum bulmogi kerak: Md(4.3.), Md(4.6.) lar esa berilgan xarorat To K da (4.10.) va (4.11.) tenglamalar orkali topiladi; agar n=2,R=1MPa bulsa kuyidagi natijalar olinadi: 4.2.-javdval. Konvertirlangan gaz aralashmasini muvozanat xoldagi tarkibi. Bu - jadvaldan kurinib turibdiki, metan va uglerod monooksidini suv bugi bilan bitta konvertorda bir poganada , vodorodni chikishini yukori natijaga kutarib, konverciyalash mumkin emas, chunki past xaroratda kup mikdorda metan , yukori xaroratda esa uglerod monooksidi kup mikdorda reaksiyaga kirishi olmay kolib ketadi. Shuning uchun metan korversiyasini (4.3.) reaksiya buyicha yukori xaroratda, uglerod monooksidi konversiyasini esa (4.6.) reaksiya buyicha past xaroratda aloxida konvertorlarda utkazish kerak va bu jarayenlarni esa aloxida - aloxida konvertorlarda amalga oshirilishi mumkin. Sun’iy ammiak ishlab chikarish uchun vodorod olishda metan konversiyasini 2 pogonada olib boriladi: a) Kuvurli uchoklarda (pechka) metanni suv bugi bilan tuliksiz konversiya (8%gacha metan reaksiya kirishmay koladi). Bu endotermik reaksiY. b) Konli (shaxtali) konvertorda xavo va kislorod ishtirokida konversiya ; Bu yerda kislorod (a)- boskichdan kolgan metanni oksidlash uchun ketsa, xavodagi azot esa, ammiak olish uchun azot, vodorod aralashmasini hosil kilishga ketadi. Amaliyetda metanni kuprok reaksiyaga kiritish uchun, uni konversiyani stexiometriyaga nisbatan kuprok mikdorda suv bugi bilan olib boriladi. Lekin xaroratni oshirish bilan, cuv bugini ortikchaligini biroz kamaytirish mumkin; sababi Le-Shatelye prinsipiga muvofik, muvozanat ungga buriladi. (4.3.) - reaksiya, ya’ni:
СН4+Н20(буг)= СО+3Н2-Q (4.3.)
hajm kengayishi bilan (2 xajmdan 4 xajmgacha) boradi. Shuning uchun, Le-Shatelye prinsipiga muvofik (4.3.) reaksiyada bosim kullanilmasligi kerak, aks xolda reaksiya muvozanati chapga, ya’ni vodorod chikishini kamaytirishga olib keladi. Ammo, iktisod extiyejlarini kuzlab, SN4 konversiyasi 1,5-4,0 MPa gacha yukori bosimda olib boriladi, bunda apparatlarni ulchamida biroz kiskaradi. Lekin yukori bosimda muvozanat chapga ketishini kamaytirish uchun, konversiya jarayeni biroz yukori (1000o S urniga 1280o S) xaroratda olib boriladi. Metan konversiyasida suv bugidan tashkari, kislorod xam ishlatiladi, chunki:
СН4+0,502=СО+2Н2+Q (4.2.)
reaksiyaga muvofik kislorodli konversiya ekzotermik bulib, umumiy konversiya jarayenini avtotermik tarzda, tashkaridan issiklik sarflamay amalga oshirishga olib keladi. Amaliyetda suv bugli, korbanat angidridli va bug- xavoli konversiyalarni vertikal kuvursimon uchoklarda tabiiy gazni bir kismini xavo bilan yekishdan olingan issiklik xisobiga utkaziladi, chunki bu jarayenilar endotermikdir. Agarda bug kislorod-xavoli konversim bulsa konli (shaxtali) konvertorda bir pogonada amalga oshiriladi