ГЛАВА 5.
Уравнения материального и энергетического баланса для реакторов паровой
конверсии монооксида углерода
После шахтного реактора дальнейшее превращение реакционной смеси происходит в реакторах 5 и 6 (см. схему на рис.1) на селективных катализаторах, ускоряющих реакцию (2), но неактивных по отношению к реакции (1). Таким образом, в реакторах 5 и 6 степень конверсии метана x не изменяется, но доля метана, превращенного в СО2 - конечный продукт последовательности реакций (1), (2), c возрастает. Для сдвига равновесия экзотермической реакции (2) вправо необходимо понижение температуры процесса. Поэтому процесс ведут двухступенчато и реакционную смесь последовательно охлаждают в котлах-утилизаторах как перед подачей ее в адиабатный реактор 5, так и перед подачей в адиабатный реактор 6. В реакторе 5 используют среднетемпературный железо-хромовый катализатор, а в реакторе 6 - низкотемпературный цинк-хром-медный катализатор. В каждом из реакторов происходит адиабатный разогрев смеси, т.е. определенное повышение температуры смеси от входа к выходу из реактора. С целью увеличения глубины конверсии монооксида углерода реакционную смесь перед подачей в реактор 5 дополнительно увлажняют.
5.1. Материальный баланс.
Уравнения баланса для реакторов 5 и 6 по форме идентичны. Ограничимся их составлением для реактора 5. Схема преобразования потока веществ в этом реакторе показана на рис. 7.
Уравнения баланса с учетом того, что
 |
= |  |
имеют следующий вид.
По углероду:
 |
+ |  |
+ | |
- |  |
- |  |
- |  |
= | 0 (55) |
по кислороду:
|
+ |  |
+2 |  |
- | |
- |  |
-2 | |
= | 0 (56) |
по водороду:
| 2 |  |
+2 |  |
+4 | |
-2 |  |
-2 | |
-4 | |
= | 0 . (57) |
Из (55) - (57) следует:
= - (
- ) , (58)
= - ( - ) , (59)
= + ( - ) . (60)
В связи с тем, что реакционную смесь перед подачей в реактор 5 дополнительно увлажняют, поток паров воды на входе в него выше, чем на выходе Ш.Р. Введем новое обозначение:
. (61)
Воспользуемся также введенными ранее обозначениями для суммарной степени превращения метана
j = 
и доли метана,
превращенного в СО2 ,
j =
(j - номер входа или
выхода аппарата).
На входе 5 реактора конверсии монооксида углерода потоки всех веществ, за исключением воды, равны потокам на выходе Ш.Р. и могут быть рассчитаны по уравнениям, вытекающим из уравнений (34) - (39), а также соотношений (28) и (61).
= 
= 
[(3-2
) 4 + 4] , (62)
= 
= 
( 4 - 4 ) , (63)
= 
+ ( - ) = +
=
= [
+(2 -1) 4 - 4 ] , (64)
= 
= 4 , (65)
= 
= 
4 , (66)
= 
= 
4 . (67)
На выходе 6 реактора поток диоксида углерода равен
= 6
, (68)
Из уравнений (58) - (60), (62) - (64) и (68) следует
= [(3-2 ) 4 + 6] , (69)
= ( 4
- 6 )
, (70)
= [+(2 -1) 4 - 6 ] . (71)
Потоки остальных веществ, не претерпевающих химические превращения в реакторе 5, остаются равными соответствующим потокам на выходе Ш.Р.:
= = 
,
= = , (72)
= = .