Каталитическая конверсия метана водяным паром (стр. 6 из 7)
DG
= 3×0-137,15+288,61+50,85=142,31 кДж/моль2. Найдем функцию зависимости теплоемкости от температуры С
= f(Т) СН  | Н  О | СО | Н | |
| a | 14,32 | 30 | 28,41 | 27,28 |
| b | 74,66×10  | 10,71×10 | 4,1×10 | 3,26×10 |
| с’ | 0,33×10  | -0,46×10 | 0,5×10 | |
| с | -17,43×10  |
Ср(СН4) = 14,32 + 74,66×10
Т - 17,43×10 Т 
Ср(Н2О) = 30 + 10,71×10-3Т + 0,33×105Т-2
Ср(СО) = 28,41+ 4,1×10-3×Т - 0,46×105Т-2
Ср(Н2) = 27,28 + 3,26×10-3Т + 0,5×105Т-2
DСр = Dа + DbT + Dс’Т2+DcТ-2
DСр = (3×27,28+28,41-30-14,32) + (3×3,26+4,1-10,71-74,66)×10-3Т +
+ (3×0,5-0,46-0,33)×105Т-2 - 17,43×10-6Т2
DСр = 65,93 - 71,49×10-3Т + 0,71×105Т-2 - 17,43×10-6Т2 Дж/моль×К
2.1. Для азота зависимость теплоемкости от температуры выглядит следующим образом:
Ср(N2) = 27,88 + 4,27×10-3Т
3.1. Найдем изменение энтропии в ходе реакции при нагревании от t1=25 
Cдо t2=900 
C:
DS=
dТ = 
DS=16.54 Дж/моль×К
3.2. Найдем изменение энтальпии в ходе реакции при нагревании от t1=25°C до t2=900°C:
DH= 65,93 (1173-298) -
×71,49×10-3(11732-2982) - 
- 
DН= - 2375 Дж/моль
3.3. Рассчитаем энергию Гиббса на выходе t2=900°С:
4. Найдем константу равновесия:
DG°=-RTlnKp
Kp = exp(-DG°/RT)
Kp=exp(-(-62058,71/8,31×1173))=582,04
4.1. Рассчитаем равновесную степень превращения метана. При температуре от 827°С и составе исходной смеси СН4 : Н2О = 1 : 2 необходимо проводить процесс при абсолютном давлении 10 атм.
СН4 + Н2О ® СО + 3Н2
т.к. водяной пар в избытке, то РН2О = 2РСН4
Робщ = РСН4 + 2РСН4= 3РСН4
РСН4 = Робщ/3 = 10/3 атм.
При равновесии:
xe= 0,8115 и xe = - 2,29
Равновесная степень превращения равна 0,8115.
Вывод: равновесная степень превращения метана xe=0,8115 ,степень конверсии a = 0,7 , данный процесс, возможно, провести в указанных условиях.
5. Составим материальный баланс.
| Приход | Расход | ||||
| Исходное вещество | m, кг | V,м3 | Продукт | m, кг | V,м3 |
| СН4 | 714,29 | 1000 | СН4 | 214,29 | 300 |
| N2 | 25,51 | 20,41 | N2 | 25,51 | 20,41 |
| Н2О | 1607,14 | 2000 | Н2О | 1044,64 | 1300 |
| СО | 875 | 700 | |||
| Н2 | 187,5 | 2100 | |||
| Итого: | 2346,94 | 3020,41 | Итого: | 2346,94 | 4420,41 |
5.1.Найдем количество поступающего метана (в час):
по закону эквивалентов
(кг)Найдем количество конвертируемого метана:
V=0, 7×1000=700 (м3)
После реакции осталось:
m(СН4) = 714,29 – 500 = 214,29 (кг)
V(СН4)= 1000 – 700 = 300 (м3)
5.2. Найдем необходимое количество воды для осуществления реакции:
В промышленном производстве для осуществления процесса воду и метан берут в отношении 2:1. Исходя из этого условия рассчитаем количество поступающего водяного пара:
V = 2 × 1000 = 2000 (м3)
Не прореагировало водяного пара:
m(Н2О) = 1607,14 – 500 = 214,29 (кг)
V(Н2О) = 2000 – 700 = 300 (м3)
5.3. В реактор поступает
: 
Т.к. азот не участвует в химической реакции, то на выходе:
m = 25,51 (кг)
V = 20,41 (м3)
5.4. Найдем количество образовавшегося в ходе реакции СО:
5.5. Найдем количество образовавшегося водорода:
Вывод:
. Материальный баланс сошелся.6. Составим энергетический баланс:
| Приход | кДж | % | Расход | кДж | % |
| Q(СН4) | 675,87 | 4 | Q(СН4) | 1224,04 | 7,2 |
| Q(N2) | 10,16 | 0,06 | Q(N2) | 35,15 | 0,2 |
| Q(Н2О) | 1156,9 | 6,87 | Q(Н2О) | 4460,2 | 26,4 |
| Qподв | 15029,6 | 89,07 | Q(СО) | 1216,5 | 7,23 |
| Q(Н2) | 3420,87 | 20,24 | |||
| Qх.р. | 6515,8 | 38,62 | |||
| Итого: | 16872,53 | 100% | Итого: | 16872,56 | 100% |
6.1. Найдем тепло, которое поступает с исходными веществами – физическое тепло:
где T1 – температура на входе, (t1=105 C); Ср – теплоемкость, будем считать, что теплоемкость зависит от температуры (п.2).
