[предыдущий раздел] [содержание] [следующий раздел]

ГЛАВА 4.

Уравнения материального и энергетического баланса для вторичного реформинга метана
4.1. Расчет потока воздуха для приготовления азотоводородной смеси требуемого состава.

Как уже отмечалось, на выходе Ш.Р. в энерготехнологической схеме производства аммиака получают смесь газов с требуемым содержанием азота для последующего синтеза аммиака. В данном разделе показано, как, используя уравнения материального баланса, рассчитать необходимое соотношение между сырьевым потоком СН4 , поступающим в реакционные трубы Т.П., и потоком воздуха, подаваемым в Ш.Р. (рис.4).

pic5.gif (3658 bytes)

Рис 4. К анализу расширенной подсистемы, включающей реакционные трубы и шахтный реактор

Монооксид углерода, получаемый на выходе Ш.Р., практически полностью вступает затем в реакцию (2) с водяным паром в следующих за Ш.Р. конвертерах 5 и 6 (рис.1) и таким образом заменяется в смеси эквивалентным количеством молей водорода. Для синтеза аммиака соотношение компонентов в азотоводородной смеси должно быть близким к стехиометрическому согласно уравнению реакции

N2 + Н2 = NН3 ,

   следовательно, на выходе Ш.Р. необходимо получить отношение суммарного количества водорода и монооксида углерода к азоту, близкое к 3:1.

Однако в связи с тем, что часть водорода из азотоводородной смеси используется на гидрирование остаточных количеств СО и СО2 в метанаторе 8, а часть – на гидрирование сернистых соединений в аппарате сероочистки 1, соотношение суммарного количества водорода и монооксида углерода к азоту на выходе Ш.Р. должно быть несколько большим, чем 3 – от 3.05 до 3.1 [2]. Это отношение зависит от количества серасодержащих веществ в природном газе, от глубины конверсии СО в СО2 и глубины очистки азотоводородной смеси от диоксида углерода. Примем для определенности

gamma.lc.gif (54 bytes) = = 3.05 (27)

(нумерация входов и выходов дана на рис. 4).

Так как мольные доли основных компонентов воздуха равны

xO2 = 0.21, xN2 = 0.78, xAr = 0.009 ,

имеем следующее соотношение между потоками компонентов и суммарным потоком воздуха на входе 3 в Ш.Р.:

:

:

:

= 0.21 : 0.78 : 0.009 : 1 . (28)

Составим уравнения материального баланса по химическим элементам для расширенной подсистемы, включающей реакционные трубы Т.П. и Ш.Р. (рис.4).

Баланс по азоту (пренебрегая количеством азота, поступающим через блок сероочистки со вспомогательным потоком азотоводородной смеси):

= . (29)

Баланс по углероду для рассматриваемой подсистемы (на вход 3 углеродсодержащие вещества не поступают):

= 0 . (30)

  Баланс по кислороду в предположении, что кислород полностью расходуется на процессы окисления в Ш.Р. (=0):

+ 2 – 2 = 0 . (31)

   Баланс по водороду:

4 + 2 – 4 – 2 – 2 = 0 . (32)

    Обозначим через xi.lc.gif (59 bytes)4 степень превращения метана, достигаемую на выходе Ш.Р.,

xi.lc.gif (59 bytes)4 = . (33)

Аналогично тому, как это делалось для реакционных труб Т.П. выразим из системы уравнений (30) – (33) все неизвестные потоки веществ на выходе из Ш.Р. через входные потоки веществ, степень превращения  xi.lc.gif (59 bytes)4 и долю питающего потока метана, превращаемого в диоксид углерода

 chi.lc.gif (59 bytes)4 =

Из (33) следует

= (1 –  xi.lc.gif (59 bytes)4 ) , (34)

из (30) и (33) имеем

= ( xi.lc.gif (59 bytes)4chi.lc.gif (59 bytes)4 ) , (35)

из (31) и (35) следует

= (xi.lc.gif (59 bytes)4chi.lc.gif (59 bytes)4 ) + 2 , (36)

из (32), (33) и (36) получается

= (3 xi.lc.gif (59 bytes)4   + chi.lc.gif (59 bytes)4) – 2 (37)

Теперь можно подставить в уравнение (27) выражения (37) и (35) для потоков и , а также полученное из соотношений (28) и (29) выражение для потока = , откуда следует:

4xi.lc.gif (59 bytes)4 = ( 2 + )

или

=    xi.lc.gif (59 bytes)4 , (38)

где = , 0.300 при = 3.05 .

Как следует из (38) и (28), отношение потока воздуха на входе в Ш.Р. к сырьевому потоку СН4 на входе в Т.П. должно быть равно

= (39)

  Необходимо подчеркнуть, что целевой функцией работы отделения конверсии природного газа является не степень превращения метана, а величина выхода азотоводородной смеси в расчете на моль конвертируемого метана. Однако из (39) следует, что поток воздуха на входе в Ш.Р. пропорционален величине xi.lc.gif (59 bytes)4 , значит, поток азота на выходе из Ш.Р. и поток азотоводородной смеси, производимой отделением конверсии, пропорциональны степени превращения метана.

[предыдущий раздел] [содержание] [следующий раздел]