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).
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
= | = 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 4 степень превращения метана, достигаемую на выходе Ш.Р.,
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 4 и долю питающего потока метана, превращаемого в диоксид углерода
4 = |
Из (33) следует
= (1 – 4 ) , (34)
из (30) и (33) имеем
= ( 4 – 4 ) , (35)
из (31) и (35) следует
= ( – 4 – 4 ) + 2 , (36)
из (32), (33) и (36) получается
= (3 4 + 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:
44 | = ( 2 + | ) |
или
= 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 4 , значит, поток азота на выходе из Ш.Р. и поток азотоводородной смеси, производимой отделением конверсии, пропорциональны степени превращения метана.