Производство водорода

Расчет материального и теплового балансов конвертора второй ступени

Составить материальный и тепловой балансы конвертора второй ступени.

Окислители: водяной пар и кислород воздуха

Исходные данные
Состав газа, поступающего на конверсию после трубчатой печи (сухой газ, м 3): CH4 Н2 CО CО2 N 2 Всего	30,3 200,2 30,8 40,0 1,1 302,4
Отношение объемов (СО + Н 2 ) : N 2	3,2
Водяной пар, м 3 /100 м 3 сухого газа	150
Содержание метана в сухом конвертированном газе , об.%	0,3
Температура, 0С: - в конверторе - газа после трубчатой печи - воздуха, поступающего на окисление	900 700 18

Соотношение между СО и СО₂ в конвертированном газе соответствует равновесию реакции

СО + Н₂О = СО₂ + Н₂ при температуре конверсии.

Теплопотери принять равными 2% от прихода тепла.

Материальный баланс

Обозначим объемы газов в м³: V – объем сухого газа, выходящего из конвертора второй ступени, в нем содержится СО₂ – а, СО – b, Н₂ – с, d – объем прогоревшего водяного пара за вычетом образовавшегося в результате сгорания водорода, у – расход воздуха на окисление.

Используя заданный состав газа, поступающего на конверсию, на­ходим содержание компонентов в 100 м³ сухого газа:

м³ м³

СH₄ =30,3/302,4*100=10,02 С0₂=40/302,4*100=13,23

H₂ =200,2/302,4*100=66,2 N₂ =1,1/302,4*100=0,36

СО =30,8/302,4*100=10,19

Рассчитаем объем водяного пара на 100 м³ сухого газа:

(150/302,4) ∙100 =49,6 м³.

Составим балансовые уравнения по содержанию каждого элемента в газе, поступающем и выходящем из конвертора второй ступени (в м³). Учтем при этом, что в газе, выходящем из конвертора, содержится 0,003V м³ метана и 0,79у м³ азота.

Баланс:

по углероду: 10,02 + 10,19 + 13,22 = a + b + 0,003V;

33,44 = a + b + 0,003V (1)

по водороду: 2*10,02 + 66,2 + 49,6 = с + (49,6 - d) + 2*0,003V

86,24 = с + 0,006V - d (2)

по кислороду: 0,5*10,19 + 13,32 + 0,5*49,6 + 0,21у = а + 0,5b + (49,6 – d)

18,42 + 0,21y = a + 0,5b-0,5d (3)

Объем сухого конвертированного газа:

V= a + b + с + 0,003V + 0,36 + 0,79y (4)

В соответствии с заданием можно написать:

;

b = 1,152 + 2,53у – с. (5)

Поскольку соотношение между СО и СО₂ в конвертированном газе определяется равновесием реакции конверсии СО водяным паром при 900⁰С и 1 атм, когда К_р = 0,87, то:

; (6)

Вычитая уравнение (4) из уравнения (1), получаем:

V = с + 0,79у + 33,79;

Подставляя в уравнение (1) значения V из уравнения (7) и b из (5), получаем:

а = 32,176 + 0,997с – 2,53у;

Подставляя в уравнение (2) значения V из уравнения (7), получаем:

d = 1,006с + 0,0047у – 86,03;

Подставляя значения a, b, d из уравнений (8), (5) и (9) в уравнение (3) находим:

у = 54,01 – 0,0056с;

Подставляя в уравнения (5), (8) и (9) значение у из (10), получаем:

а = 1,011с – 104,47;

b = 137,84 – 1,014с;

d = 1,006с – 85,78.

Подставляя найденные a, b, d в уравнение (6) и решая его относительно с, получаем два значения с: с₁ = 108,4 и с₂ = -1215.

Выбираем первый корень из логического условия неотрицательности объема газа.

Зная с, находим в м³:

а = 4,92; b = 28,32; d = 23,07; у = 53,4;

V = 184,18; 0,003V = 0,55.

Состав сухого конвертированного газа занесем в табл.2:

Таблица 2