Моделирование химико-технологических процессов в производстве неорганических веществ учебное пособие
Моделирование процесса пароуглекислотной конверсии
жүктеу/скачать 4.76 Mb. Pdf көрінісі
|
| 6.1.2. Моделирование процесса пароуглекислотной конверсии
природного газа Пароуглекислотную конверсию природного газа проводят с целью получения синтез-газа для производства метанола по реакции: СО + 2Н 2 = СН 3 ОН. (III) Для того чтобы обеспечить соотношение водорода и СО, равное 2, в реакционную парогазовую смесь вводится дополнительное количество углекислого газа, который смещает равновесие реакции (II) в сторону исходных веществ. Исходными данными для моделирования пароуглекислотной конверсии природного газа являются следующие данные (на 100 м 3 исходного газа): состав исходного газа, — , , , , ; отношение пар:газ — ; начальная температура парогазовой смеси, °С — ; конечная температура парогазовой смеси, °С — ; начальная температура углекислого газа, °С — ; объемная концентрация метана на выходе, д.е. — . 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 ; — дополнительный объем СО 2 на входе, м 3 ; — тепло, подводимое от сгорания топливного газа, кДж. 78 Таким образом, мы имеем 7 неизвестных, следовательно, необходимо составить 7 уравнений. 1. Балансовое уравнение по сухому газу. Как и в случае паровой конверсии, 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 ( ) и азот ( ). Таким образом, уравнение для расчета состава сухого газа на выходе можно записать как: (6.21) 2. Балансовое уравнение по молекулярному водороду (Н 2 ). В процессе углекислотной конверсии вещества, содержащие водород те же, что и в случае паровой конверсии, поэтому балансовое уравнение по Н 2 аналогично (см. раздел 6.1.1): (6.22) 3. Балансовое уравнение по молекулярному кислороду (О 2 ). Балансовое уравнение составляется аналогично паровой конверсии природного газа (см. раздел 6.1.1). Тем не менее, имеется отличие. Дополнительно вводимый углекислый газ содержит кислород, что необходимо учесть в левой части уравнения: (6.23) 4. Балансовое уравнение по углероду (С). Балансовое уравнение по углероду аналогично случаю паровой конверсии (см. раздел 6.1.1). Здесь, как и в предыдущем уравнении, необходимо учесть дополнительный поток СО 2 : (6.24) 5. Уравнение равновесия реакции (II). Как и в случае паровой конверсии, при проведении пароуглекислотной считают, что реакция (II) протекает до состояния равновесия. Тогда с учетом принятых обозначений имеем: 79 (6.25) Константу равновесия этой реакции можно рассчитать по уравнению (6.7). 6. Уравнение функционала Выше говорилось, что после проведения пароуглекислотной конверсии, соотношение водорода и СО должно быть равно 2. Это условие является ограничением на параметры процесса и с учетом принятых обозначений имеет вид: (6.26) 7. Уравнение теплового баланса. Уравнение теплового баланса процесса пароуглекислотной конверсии природного газа может быть записано как: (6.27) где — тепло, вносимое сухим исходным газом; — тепло, вносимое паром; — тепло, вносимое углекислым газом; — 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: (6.28) Тепло, вносимое сухим исходным газом и тепло, вносимое паром , рассчитываются аналогично процессу паровой конверсии по уравнениям (6.11) и (6.12). Теплоемкости веществ можно рассчитать по уравнению (6.13). Тепло, вносимое углекислым газом , рассчитывается по уравнению: (6.29) Теплоемкость углекислого газа рассчитывается по уравнению: (6.30) 80 Расчет теплового эффекта процесса углекислотной конверсии аналогичен процессу паровой конверсии (см. раздел 6.1.1). Здесь необходимо учесть дополнительный поток углекислого газа на входе. Таким образом, тепло химической реакции можно рассчитать следующим образом: (6.31) Как и разделе 6.1.1, следует рассчитать энтальпии образования веществ при температуре процесса. Для этого нужно воспользоваться уравнением (6.16). Тепло, уносимое сухим конвертированным газом , и тепло, уносимое паром , рассчитываются аналогично процессу паровой конверсии по уравнениям (6.17) и (6.18), а необходимые значения теплоемкостей по уравнению (6.19). Чтобы получить окончательное уравнение теплового баланса, подставляем правые части уравнений (6.11), (6.12), (6.29), (6.21), (6.17) и (6.18) в уравнение (6.28). Отметим, что, как и в предыдущем случае, в уравнениях (6.11) и (6.12) все переменные известны, и можно рассчитать значения и . С учетом сказанного уравнение теплового баланса процесса пароуглекислотной конверсии принимает вид: (6.32) Таким образом, получаем систему из 7 уравнений (6.21), (6.22), (6.23), (6.24), (6.25), (6.26) и (6.32), которую решаем с использованием пакета MathCad. Далее сводим полученные данные в таблицы материального (табл. 6.3) и теплового (табл. 6.4) балансов. В заключение необходимо досчитать недостающие в таблицах данные. 81 Таблица 6.3 Материальный баланс процесса пароуглекислотной 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. Углекислый газ 2. Водяной пар 3. Водяной пар Итого Итого Таблица 6.4 Тепловой баланс процесса пароуглекислотной 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, вносимое углекислым газом 3. Тепло химической реакции 4. Тепло, получаемое от сжигания топливного газа 4. Потери тепла Итого Итого 81 |