KONWRESJA WĘGLOWODORÓW Z PARĄ WODNĄ.

KONWRESJA WĘGLOWODORÓW Z PARĄ WODNĄ. Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych. WPROWADZENIE. Konwersja metanu z parą wodną jest we współczesnej technologii otrzymywania amoniaku pierwszym etapem procesu uzyskiwania gazu syntezowego tj. gazu zawierającego wodór i azot w stosunku molowym 3:1. Oczyszczony od związków siarki metan jest doprowadzany do instalacji pod ciśnieniem 3 MPa, gdzie ogrzewa się wstępnie w wymiennikach ciepła, a następnie po zmieszaniu z nadmiarem pary wodnej wchodzi do wypełnionych katalizatorem rur ze stali żaroodpornej. Rury te są ogrzewane z zewnątrz palnikami, w których spala się metan w powietrzu tak, że temperatura mieszaniny reakcyjnej wynosi ok. 800-900 o C. W rurach, na powierzchni katalizatora zachodzą dwie endotermiczne reakcje: CH 4 + H 2 O CO + 3 H 2 + 206 kj (1) CH 4 + 2 H 2 O CO 2 + 4 H 2 + 164 kj (2) Gazy poreakcyjne zawierające H 2, CO, CO 2 oraz ok. 3% nie przereagowanego metanu są wprowadzane do dopalacza, gdzie doprowadza się powietrze zawierające niezbędny do syntezy amoniaku azot. W dopalaczu następuje spalenie części palnych składników gazu w tlenie wprowadzonym z powietrzem co powoduje wzrost temperatury do ok. 1000 0 C, a w konsekwencji obniżenie zawartości metanu do ok. 0,2 %. Również wyższe węglowodory ulegają konwersji z parą wodną do surowego gazu syntezowego potrzebnego do otrzymywania amoniaku. Dla butanu reakcje mają przebieg: C 4 H 1 0 + 4 H 2 O 4 CO + 9 H 2 C 4 H 1 0 + 8 H 2 O 4 CO 2 + 13 H 2 (T) (D) WYKONANIE ĆWICZENIA. UWAGA!!! W przypadku stwierdzenia ulatniania się propanu-butanu (szum lub zapach ulatniającego się gazu) natychmiast zakręcić (zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara tak jak zakręca się kran z wodą) ZAWÓR 2 na butli 1 i ZAWÓR 4 na butli 3. Następnie otworzyć okno i niezwłocznie powiadomić prowadzącego ćwiczenia. 1

I. Kontrola szczelności aparatury. 1. Na 10 min. uruchomić pompę dozującą 9 przy szybkości przesuwu rolek 2,3m/min. 2. Wąż doprowadzający gazy zdjąć z palnika 13 i zatkać go szczelnie plastikową zatyczką. 3. Wykonywać pod kontrolą prowadzącego. Sprawdzić czy pokrętło Wasserstoff regulatora 7 jest do oporu wkręcone (w kierunku zgodnym z kierunkiem ruchu wskazówek zegara), a następnie wykręcić je o dokładnie 10 obrotów 10x360 0. Sprawdzić czy zawór rotametru 16 jest otwarty i bardzo wolno odkręcać zawór 2 butli 1 do pojawienia się baniek gazu w naczyniu 19 poczym natychmiast zakręcić zawór 2. 4. Szczelność instalacji ocenić obserwując poziom cieczy w prostopadłym ramieniu trójnika 11. Poziom ten nie powinien się podnieść (od krawędzi wylotu trójnika) o więcej niż 20mm w czasie dwóch minut. 5. Jeżeli instalacja jest szczelna, wąż doprowadzający gaz odetkać i nałożyć na palnik 13. II. Cechowanie rotametru 16 butanem. Wykonywać pod kontrolą prowadzącego Otwierając bardzo wolno zawór 4 butli 3 zapalić palnik "świeczkę" 5. Wyregulować płomień tak by nie był on wyższy niż 10-15 mm. Rotametr 16 jest wyskalowany w dm 3 /h dla przepływu powietrza. Dla czterech natężeń przepływu w zakresie wskazań (dla powietrza) 1-2,6 dm 3 /h zmierzyć natężenie przepływu butanu. W tym celu należy przy wykręconym o dokładnie 10 obrotów pokrętle Wasserstoff regulatora 7 (ustawienie tego pokrętła ma być identyczne jak opisano w p. I.3). Obserwując wskazania manometru Wasserstoff i rotametru 16 bardzo wolno odkręcać (w kierunku przeciwnym od ruchu wskazówek zegara) zawór 2 butli 1. Wskazania manometru i rotamatru powinny rosnąć bardzo wolno. Gdy wskazówka manometru przekroczy 1kp/cm 2 i zacznie się zbliżać do czerwonego znaku, lub rotametr pokaże 2,8l/h lekko dokręcić (w kierunku ruchu wskazówek zegara) zawór 2. Następnie wkręcając (zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara) pokrętło Wasserstoff ustawić położenie pływaka rotametru 16 na ustalony przepływ np. 2,6 l/h i zanotować wskazania manometru kp/cm 2 ~ [bar]. Dla każdego z zadanych wskazań rotametru zanotować wskazania manometru i dokonać 2 pomiarów natężeń przepływu (Qb), mierząc stoperem czas przepływu określonej (przy pomocy przepływomierza banieczkowego wmontowanego między chłodnicę 20 a płuczkę 12) objętości butanu. Po zakończeniu pomiarów zakręcić - zgodnie z kierunkiem obrotu wskazówek zegara - zawór 2 butli 1. Wykonać wykresy i wyznaczyć matematyczne 2

zależności wskazań rotametru (Qp) [l/h] i wskazań manometru (P) [kp/cm 2 =bar] od natężenia przepływu butanu (Qb) [dm 3 /h]. III. Cechowanie pompy dozującej 9. Uzgodnić z prowadzącym zakres prędkości przesuwu rolek [m/min.] w jakim ma być cechowana pompa 9 (np.0,6 do 4,6 m/min.). Cechowanie pompy polega na określeniu natężenia przepływu wody dla danej prędkości przesuwu rolek. Sposób pomiaru rzeczywistego natężenia przepływu wody poda prowadzący w trakcie ćwiczeń. Wyniki należy zastawić w tabelce uporządkowane wg narastających natężeń przepływu wody Q W np. Q w [cm 3 /h] Wężyk Nr. przesuw rolek [m/min] 1 0,5 2 0,5 1 1,0 3 0,5 IV. Konwersja butanu. Ustalić z prowadzącym: natężenia przepływu butanu i wody oraz temperaturę procesu. 1. Włączyć rejestrator 14b, pokrętłem ZERO A ustawić pisak na linii oznaczonej (na papierze rejestratora) "O". 2. Włączyć termoregulator 14 i po ok. 10s zapisać pomiar temperatury (cyfry czerwone). Następnie, przy pomocy dwóch przycisków oznaczonych na termoregulatorze 14 trójkącikami nastawić temperaturę zadaną - cyfry zielone. 3. Gdy wnętrze reaktora osiągnie temperaturę o 50 o niższą (cyfry czerwone) od temperatury zadanej (cyfry zielone) uruchomić pompę 9 tłocząc wodę z zadanym natężeniem przepływu. 4. Po osiągnięciu zadanej temperatury obserwować przez około 30 min. zmiany temperatury (rejestrowanej przez rejestrator 14b), zapisując na wykresie skrajne temperatury - wskazywane w danym momencie przez regulator 14. 5. Upewnić się czy "świeczka" zapalacza 5 pali się. 3

6. Po ewentualnym skorygowaniu (przez prowadzącego) parametrów pracy regulatora rozpocząć wprowadzanie butanu z zadanym natężeniem przepływu Q B B m przestrzegając dokładnie procedury opisanej przy cechowaniu rotametru p. II. Obserwować płomień gazów wylotowych spalających się u wylotu palnika 13. 7. Po 15 minutach od ustabilizowania się temperatury pobrać - przez zawór 8 do aparatu Orsata (do podziałki oznaczonej 0 ) 100cm 3 gazu po konwersji. Oznaczyć zawartość CO 2 i CO. Dla jednego ustawienia parametrów należy wykonać co najmniej dwie analizy. O ile oznaczenia te różnią się o więcej niż 0,5 % (wartości bezwzględnej) należy wykonać więcej analiz. UWAGA. w przypadku zaniku dopływu wody do głowicy 10 (np. z powodu pęknięcia wężyka) na co wskazują: a/ krople wody przy pompie dozującej 9 lub na jej pokrywie, b/ prawie całkowity brak wody w rurce kontrolnej, c/ nagła zmiana zabarwienia płomienia palnika 13 z niebieskiego na żółto-świecący Należy niezwłocznie powiadomić prowadzącego ćwiczenia. 8. Po zakończeniu wszystkich pomiarów zakręcić - zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara zawór 2 butli 1 i powiadomić prowadzącego ćwiczenia o ich zakończeniu. V. Interpretacja wyników. W trakcie wykonywania ćwiczenia można badać: a/ wpływ zmian temperatury procesu przy stałym natężeniu przepływu butanu i pary wodnej, b/ wpływ w zmiany obciążenia katalizatora tj. zmiany natężenia przepływu butanu przy jednoczesnych, proporcjonalnych zmianach natężenia przepływu wody i przy stałej temperaturze procesu, c/ wpływ nadmiaru pary wodnej tj. zmiany natężenia przepływu wody - przy stałym natężeniu przepływu butanu i przy stałej temperaturze Wyniki należy przedstawić w formie wykresów przedstawiających wpływ badanych parametrów na skład gazu po konwersji i stopień przemiany butanu. ZASADA OBLICZANIA WYNIKÓW Materiałem do interpretacji wyników są - wykonane uproszczonym aparatem Orsata - oznaczenia zawartości CO 2 i CO w gazie po konwersji. Dane te pozwalają na wyliczenie: zawartości wodoru i nie przereagowanego butanu w gazie po konwersji, oraz objętość butanu, z której powstał gaz pobrany do analizy w aparacie Orsata. W konsekwencji obliczenia te pozwalają wyznaczyć stopień przemiany butanu. 4

Do aparatu Orsata pobrano 100cm 3 gazu powstałego z pewnej ilości butanu i pary wodnej, której nadmiar został wykroplony przed analizą. Po wykonaniu analizy wiemy, że w 100 cm 3 suchego gazu było V D cm 3 dwutlenku węgla i V T cm 3 tlenku węgla. Zakładając, że substraty i produkty reakcji stosują się do praw gazu doskonałego, można stwierdzić: - dwutlenek węgla powstaje w reakcji butanu z parą wodną: C 4 H 1 0 + 8 H 2 O 4 CO 2 + 13 H 2 (D) Z reakcji (D) wynika: D I - V D [cm 3 CO 2 ] powstało z przemiany (1/4)* V D =V BpD [cm 3 butanu] D II- ponieważ w 100 cm 3 gazu jest V D [cm 3 CO 2 ] to objętość powstałego w reakcji (D) wodoru wynosi (13/4) * V D =V HD [cm 3 H 2 ] - tlenek węgla powstaje w reakcji: C 4 H 1 0 + 4 H 2 O 4 CO + 9 H 2 (T) Z reakcji (T) wynika: T I - V T [cm 3 CO] powstało z przemiany (1/4)* V T =V BpT [cm 3 butanu] T II- ponieważ w 100 cm 3 gazu jest V T [cm 3 CO] to objętość powstałego w reakcji (T) wodoru wynosi (9/4)* V T =V HT [cm 3 H 2 ] Obliczenie V H : całkowitej objętości wodoru w 100cm 3 gazu wziętego do analizy wg D II: V HD [cm 3 H 2 ]=(13/4)* V D wg T II: V HT [cm 3 H 2 ] = (9/4)*V T to razem daje: V H [cm 3 H 2 ]= 13/4 * V D + 9/4 * V T Obliczenie V B : objętości nie przereagowanego butanu. W 100cm 3 gazu wziętego do analizy jest: V D [cm 3 CO 2 ], V T [cm 3 CO], V H [cm 3 H 2 ]; reszta to butan: 3 V B [cm B butanu] = 100-VD-V T -V H = 100-(17/4)*V D -(13/4)*V T Obliczenie V BP : sumarycznej ilość butanu, która uległa przemianie dając V D cm 3 CO 2 i V T cm 3 CO; wg DI i TI: V BP [cm 3 butanu] = V BpD +V BpT = (1/4)*V D +(1/4)*V T Obliczenie V BC - całkowitej objętości butanu, z którego powstało 100cm 3 gazu wziętego do analizy czyli suma objętości butanu tej, która nie przereagowała (V B ) B i tej, która uległa przemianie do CO2 i CO (V BP ): V BC [cm 3 butanu] = V B B+VBP = 100-(16/4)*V D -(12/4)*V T V BC = 100-4*V D -3*V T Obliczenie stopnia przemiany butanu α = V BP /V BC : α = [(1/4)*V D +(1/4)*V T )]/(100-4*V D -3*V T ) 5

Opis schematu do konwersji butanu. 1. butla gazowa (główna) z zaworem 2, 3. butla gazowa pomocnicza (palnika świeczki ) z zaworem 4, 5. palnik świeczka", 6. piec elektryczny, 7. regulator przepływu gazów, 8. zawór (zaciskacz) do poboru gazu do analizy po konwersji, 9. perystaltyczna pompa dozująca, 10. głowica rury do konwersji, 11. trójnik szklany, 12. płuczka manostat, 13. palnik do spalania gazów po konwersji, 14. termoregulator, 14a. przekaźnik, 14b. rejestrator temperatury, 15. termopara, 16. rotametr, 17. kapilarna wężownica miedziana, 18. katalizator, 19. naczynie zamknięcia wodnego, 20. wodna chłodnica zwrotna. _ 6