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.,
![]() |
![]() |
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
![]() |
![]() |
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:
4![]() |
![]() |
= ( 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
![]() |
= | ![]() |
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.