Моделирование процесса паровой конверсии природного газа

71 
начальная температура парогазовой смеси, °С, — ; 
конечная температура парогазовой смеси, °С, — ; 
степень приближения реакции (I) к равновесию — ; 
давление, МПа, — . 
Для составления системы уравнений необходимо определиться с 
неизвестными параметрами: 
 — объем сухого газа на выходе, м
3
; 
— объем водорода на выходе, м
3
; 
— объем СО на выходе, м
3
; 
— объем СО
2
на выходе, м
3
; 
 — объем прореагировавшей воды, м
3
; 
 — объемная концентрация метана на выходе, д.е.; 
— тепло, подводимое от сгорания топливного газа, кДж. 
Таким образом, мы имеем 7 неизвестных, следовательно, необходимо 
составить 7 уравнений. 
1. Балансовое уравнение по сухому газу. 
В составе сухого газа на выходе будут содержаться водород ( ), 
монооксид углерода ( ), диоксид углерода ( ), остаточный метан, который 
можно определить как произведение концентрации метана на общий объем газа 
(
), азот, который не участвует в процессе и его количество не изменяется 
(
). Таким образом, уравнение для расчета состава сухого газа на выходе 
можно записать как: 
(6.1) 
2. Балансовое уравнение по молекулярному водороду (Н
2
). 
Молекула метана СН
4
содержит 2 молекулы Н
2
, молекула воды Н
2
О 
содержит 1 молекулу Н
2
. Содержание воды в исходной парогазовой смеси 
составит 
, где 100 — объем сухого газа на входе. В процессе конверсии 
реагирует м
3
воды, тогда объем воды на выходе составит 
. 

72 
Остальные вещества водород не содержат. С учетом этого можно записать 
следующее балансовое уравнение по Н
2
: 
(6.2) 
3. Балансовое уравнение по молекулярному кислороду (О
2
). 
Молекула монооксида углерода СО содержит 0,5 молекул О
2
, молекула 
диоксида углерода СО
2
содержит 1 молекулу О
2
, молекула воды Н
2
О содержит 
0,5 молекул О
2
. Остальные вещества кислород не содержат. С учетом этого 
можно записать следующее балансовое уравнение по О
2
: 
 
(6.3) 
4. Балансовое уравнение по углероду (С). 
Молекулы метана, моно- и диоксида углерода содержат по одному С. 
Остальные вещества углерод не содержат. С учетом этого можно записать 
следующее балансовое уравнение по углероду: 
 
(6.4) 
5. Уравнение приближения реакции (I) к равновесию. 
Реакция (I) протекает с увеличением объема реакционной среды, что 
необходимо учитывать при составлении уравнения. С учетом принятых 
обозначений объем парогазовой смеси на выходе можно записать как 
. Изменение объема реакционной смеси определится как 
. Константа равновесия реакции (I) рассчитывается по 
температурному ряду 
(6.5) 
Тогда приближение к равновесию примет вид: 
(6.6) 
6. Уравнение равновесия реакции (II). 
При условиях протекания конверсии считают, что реакция (II) протекает 
до состояния равновесия и идет без изменения объема. Константу равновесия 
этой реакции можно рассчитать по уравнению: 

73 
(6.7) 
где — температура на выходе (К). 
Тогда с учетом принятых обозначений имеем: 
(6.8) 
7. Уравнение теплового баланса. 
Уравнение теплового баланса процесса паровой конверсии природного 
газа может быть записано как: 
(6.9) 
где 
— тепло, вносимое сухим исходным газом; 
— тепло, вносимое 
паром; 
— тепло химической реакции; 
— тепло, получаемое от 
сжигания топливного газа; — тепло, уносимое сухим конвертированным 
газом; 
— тепло, уносимое паром; 
— потери тепла. 
Принимаем потери тепла 3% от прихода, получаем: 
(6.10) 
Тепло, вносимое сухим исходным газом 
, рассчитывается по 
уравнению: 
 
 
(6.11) 
где 
, 
, 
, 
, 
, 
— теплоемкости компонентов исходного 
сухого газа, водорода, моно- и диоксида углерода, азота на входе при 
температуре соответственно, кДж/(м
3
∙К). 
Тепло, вносимое паром 
, рассчитывается по уравнению: 
 
(6.12) 
где 
— теплоемкость пара на входе, кДж/(м
3
∙К). 
Теплоемкости веществ рассчитываются по температурному ряду: 
(6.13) 

74 
где 
, 
, 
, 
— коэффициенты температурного ряда для i-го вещества; 
— пересчет значения теплоемкости из размерности Дж/(моль∙К) в 
размерность кДж/(м
3
∙К). 
Тепловой эффект процесса конверсии рассчитываем по закону Гесса. В 
процессе протекают параллельные и последовательные реакции, которые 
проходят не до конца. Чтобы учесть это, необходимо модифицировать запись 
закона Гесса. Изменение теплоты каждого вещества в процессе конверсии 
будет иметь вид: 
 
(6.14) 
где и 
— объем i-го вещества в конце и начале процесса соответственно; 
— энтальпия образования i-го вещества. 
Таким образом, с учетом (6.14) тепло химической реакции можно 
рассчитать следующим образом: 
(6.15) 
Поскольку в справочниках значения энтальпии образования даны для 
стандартной температуры 25 °С, а температура процесса конверсии более 
800 °С, то изменением энтальпии пренебрегать нельзя. Изменение энтальпии 
рассчитывается с использованием коэффициентов температурного ряда: 
 
(6.16) 
где 
— энтальпия образования i-го вещества при стандартных условиях 
(T
= 298 К); 
— коэффициент пересчета размерности энтальпии из 
кДж/моль в размерность кДж/м
3
. 
Тепло, уносимое сухим конвертированным газом , рассчитывается по 
уравнению: 
 
 
(6.17) 

75 
где 
, 
, 
, 
, 
, 
— теплоемкости компонентов 
конвертированного сухого газа, водорода, моно- и диоксида углерода, азота на 
входе при температуре соответственно, кДж/(м
3
∙К). 
Тепло, уносимое паром 
, рассчитывается по уравнению: 
 
(6.18) 
где 
— теплоемкость пара на выходе, кДж/(м
3
∙К). 
Теплоемкости веществ рассчитываются по температурному ряду: 
 
(6.19) 
Чтобы получить окончательное уравнение теплового баланса, 
подставляем правые части уравнений (6.11), (6.12), (6.15), (6.17) и (6.18) в 
уравнение (6.10). Отметим, что в уравнениях (6.11) и (6.12) все переменные 
известны, и можно рассчитать значения 
и 
. С учетом сказанного 
уравнение теплового баланса принимает вид: 
(6.20) 
Таким образом, получаем систему из 7 уравнений (6.1), (6.2), (6.3), (6.4), 
(6.6), (6.8) и (6.20), которую решаем с использованием пакета MathCad. 
Далее сводим полученные данные в таблицы материального (табл. 6.1) и 
теплового (табл. 6.2) балансов. В заключение необходимо досчитать 
недостающие в таблицах данные. 

76 
Таблица 6.1 
Материальный баланс процесса паровой конверсии природного газа 
Приход 
м
3 
об. % 
кг 
мас. % 
Расход 
м
3 
об. % 
кг 
мас. % 
1. Природный газ, 
в т.ч.: 
1. Сухой газ, 
в т.ч.: 
СН
4
СН
4
Н
2
Н
2
СО 
СО 
СО
2
СО
2
N
2
N
2
2. Водяной пар 
2. Водяной 
пар 
Итого 
 
Итого 
Таблица 6.2 
Тепловой баланс процесса паровой конверсии природного газа 
Приход 
кДж % 
Расход 
кДж % 
1. Тепло, вносимое сухим исходным газом 
1. Тепло, уносимое сухим конвертированным газом 
2. Тепло, вносимое паром 
2. Тепло, уносимое паром 
3. Тепло, получаемое от сжигания 
топливного газа 
3. Тепло химической реакции 
4. Потери тепла 
Итого 
Итого 
76

77 

жүктеу/скачать 4.76 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: