Question

В настоящее время водород в промышленных масштабах получают в результате двухстадийного процесса паровой конверсии природного газа. На первой стадии смесь природного газа и водяных паров пропускают через реакционную колонну с катализатором при повышенной температуре, в результате чего образуется синтез-газ. После отделения водорода полученный газ снова смешивают с водяным паром и направляют на вторую стадию, которая также протекает при повышенной температуре в присутствии катализатора. Рассчитайте объём природного газа, содержащего 94,0 % основного вещества, который необходим для получения 100 т водорода по описанной технологии, если выход на первой стадии конверсии равен 90,0 %, а на второй — 80,0 %. Аммиак какого максимального объёма можно получить, имея в своём распоряжении 100 м3 воздуха (по объёму: 78,0 % азота, 21,0 % кислорода и 1,00 % остальных газов) и 100 м3 природного газа, если практический выход процесса синтеза аммиака составляет 92,0 %?

Answer 1

дано:  
- Требуемый объем водорода = 100 т = 100,000 кг  
- Выход на первой стадии конверсии = 90,0 %  
- Выход на второй стадии конверсии = 80,0 %  
- Состав природного газа = 94,0 % основного вещества (метан, CH4)  

найти:  
1. Объем природного газа, необходимого для получения 100 т водорода.  
2. Максимальный объем аммиака, который можно получить из 100 м³ воздуха и 100 м³ природного газа.

решение:  
1. Рассчитаем массу водорода, получаемую в результате обработки природного газа.  
Сначала найдем количество водорода, которое нужно получить с учетом выходов:

- Масса водорода, получаемая на первой стадии:
h1 = 100,000 / 0,9 = 111,111 кг

- Масса водорода, необходимая на второй стадии:
h2 = 111,111 / 0,8 = 138,888 кг

2. Теперь рассчитаем массу природного газа, необходимую для этой массы водорода. Молярная масса водорода (H2) = 2 г/моль. Для метана (CH4):
Молярная масса CH4 = 12 + 4 = 16 г/моль.

Реакция паровой конверсии метана:
CH4 + H2O → CO + 3H2

Из 1 моль CH4 можно получить 3 моль H2, или 6 г водорода.

Количество метана, необходимое для получения 138,888 кг водорода:
m_CH4 = (138,888 * 16) / 6 ≈ 370,368 кг

Теперь учитываем содержание основного вещества в природном газе:
масса природного газа = m_CH4 / 0,94 = 370,368 / 0,94 ≈ 394,180 кг

Таким образом, объем природного газа, необходимый для получения 100 т водорода:
V_G = 394,180 / 0,717 = 549,045 м³ (при давлении 1 атм и температуре 0°C)

3. Теперь перейдем ко второй части задачи о синтезе аммиака.
Для синтеза аммиака по реакции:
N2 + 3H2 → 2NH3

Сначала определим состав воздуха. Из 100 м³ воздуха:
- Объем кислорода = 100 * 0,21 = 21 м³
- Объем азота = 100 * 0,78 = 78 м³

4. Учитывая, что для синтеза аммиака необходимо 1 моль N2 и 3 моль H2, найдем, сколько NH3 можно получить из имеющихся компонентов.

5. Найдем количество доступного водорода из природного газа:
Из 100 м³ природного газа (метан) можем получить:
100 м³ CH4 * 0,94 * (3 моль H2/1 моль CH4) = 282 м³ H2

6. Определим, какое количество N2 будет использовано в процессе:
Поскольку у нас 100 м³ воздуха, а в нем 78 м³ N2, то будет использовано:
N2 = 78 м³

7. По стехиометрии реагентов:
Значит, нам нужно 3 м³ H2 на каждый м³ N2, то есть:
Объем H2, необходимый = 3 * 78 = 234 м³

8. Но у нас только 282 м³ H2 доступно, следовательно, H2 является лимитирующим реагентом:
Объем NH3, производимый:
NH3 = (282 / 3) * 2 = 188 м³

Ответ:  
1. Объем природного газа, необходимого для получения 100 т водорода составляет примерно 549,045 м³.  
2. Максимальный объем аммиака, который можно получить составляет 188 м³.