Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Материальные и тепловые балансы в технологии аммиака и азотной кислоты. Учебное пособие
.pdf
Состав природного газа
Компонент
%, об.
СН
4
98,00
С2Н
6
0,40
С3Н
8
0,03
С4Н
10
0,15
N
2
1,42
для расчета материального баланса трубчатой печи
Таблица 2.1
Решение. Рассмотрим природный газ объемом 200 м
в нем содержится, м
0,3 С
4Н10 (x4
); 2,84 N
3
: 196 СН4 (x1); 0,8 С
). Согласно реакциям (2.1) – (2.3) в конвер-
2 (x5
2Н6 (x2
); 0,06 С
3
, тогда
3Н8 (x3
);
тированном (выходящем из трубчатой печи) газе будут содержаться как исходные компоненты газовой смеси, поступающей на конверсию, так и СO2, СO, H2. Обозначим содержание (кмоль) компонентов в конвертированном газе: СO2 – a; СO – b; H2 – c; водяного
пара, вступившего в реакции (2.1) и (2.3) – d. Составим балансовые уравнения по содержанию каждого элемента в исходном и
конвертированном газах:
Баланс по углероду. Содержание углеводородов в исходном
газе в пересчете на метан
V(СН4)
исх
= x1 + 2 ∙ x
2
+ 0,06 ∙ 3 + 0,3 ∙ 4 = 198,98 м
Содержание метана в конвертированном газе:
V(СН4)
Содержание углерода:
ν(СН4)
V(СН4)
кон
= V(СН
исх
= ν(СО2)
исх
/22,4 = a + b + V(СН4)
исх
)
∙(1- XC) = 198,98 ∙(1- 0,69) = 61,7 м
4
кон
+ ν(СО)
+ 3 ∙ x3 + 4 ∙ x4 = 196 + 0,8 ∙ 2 +
3
.
кон
+ ν(СН4)
кон
/22,4;
кон
;
3
.
8,9 = a + b + 2,8;
a = 6,1 – b. (2.4)
Баланс по кислороду (с учетом того, что в исходной паро-
воздушной смеси содержится 200 ∙ 2,5 = 500 м3 H2O):
ν(Н2О)
исх
=2 ∙ ν (СО2)
кон
+ ν(СО)
кон
+ ν(Н2О)
500/22,4 = 2 ∙ a + b + (500 – 22,4∙d)/22,4;
кон
;
11
2 ∙ a + b – d = 0. (2.5)
22
2
CO H
CO H O
K = 1,54
500
22,4
PP
ac
PP
bd
( 6,1) ( 12,2)
1,54
(12,2 ) (22,3 )
dd
dd
Баланс по водороду:
4 ∙ ν(СН4)
+ 2 ∙ ν(Н2О)
(4 ∙ x1 + 6 ∙ x
исх
исх
= 2 ∙ ν(Н2)
+ 6 ∙ ν(С
кон
+ 8 ∙ x3 + 10 ∙ x4 + 2∙500)/22,4 = (2 ∙ 22,4 ∙ с + 4
2
исх
)
2Н6
+ 8 ∙ ν(С
+ 4 ∙ ν(СН4)
кон
исх
)
3Н8
+ 10 ∙ ν(С
+ 2 ∙ ν(Н2О)
кон
)
4Н10
;
исх
+
61,7 + 2 ∙ (500 – 22,4∙d))/22,4;
с = d + 12,2. (2.6)
Соотношение СО и СО
в конечном газе по условию опре-
2
деляется равновесием реакции (2.3) конверсии оксида углерода
водяным паром (так как при 700 оС равновесие этой реакции достигается быстро). Запишем константу равновесия этой реакции:
. (2.7)
Подставляя значение а из уравнения (2.4) в (2.5), получим:
b = 12,2 – d. (2.8)
Подставляя в уравнение (2.4) значение b из (2.8), найдем:
a = d – 6,1. (2.9)
Подставляя в уравнение (2.7) значение значения а, b, с, выраженные через d, получим:
Решая это уравнение, найдем d = 9,08 кмоль (203,4 м3 водяного
пара). Тогда по уравнениям (2.9); (2,8); (2.6) находим: a =
= 2,98 кмоль (66,75 м3 СO2, н.у.); b = 3,12 кмоль (69,89 м3 СO,
н.у.); с = 12,28 кмоль (476,67 м3 H2, н.у.). Количество водяного
пара, которое осталось в газе, равно 500 – 203,4 = 296,6 м3.
Состав газа после конверсии приведен в табл. 2.2. Отношение
водяной пар / газ = 314,1 / 677,94 = 0,46.
12
.
Итоги материального баланса трубчатой печи (на 200 м
Компонент
Влажный газ
Сухой газ
м
3
%, об.
м
3
%, об.
СН
4
61,7
6,33
61,7
9,10
Н2
476,7
48,92
476,7
70,32
СО
69,9
7,17
69,9
10,31
СО2
66,8
6,85
66,8
9,85
N2
2,84
0,29
2,84
0,42
Н
2
О
296,60
30,43 - -
Всего
974,54
100,00
677,94
100,00
Компонент
Приход
Расход
кг
м
3
, н.у.
%, об.
кг
м
3
, н.у.
%, об.
Природный газ
Сухой газ из печи
СН
4
140,00
196,00
98,00
44,07
61,7
9,10
С2Н6
1,07
0,80
0,40 - -
-
С3Н8
0,12
0,06
0,03 - -
-
С4Н10
0,78
0,30
0,15 - -
-
N2
3,10
2,48
1,42
3,10
2,48
0,42
H2 - -
-
42,56
476,7
70,32
CO - -
-
87,37
69,9
10,31
CO2 - -
-
131,21
66,8
9,85
Всего
сухого газа
145,07
200,0
100,0
308,31
677,6
100,00
Водяной пар
401,78
500,0
-
238,34
296,6 - Всего
546,86
700,0
-
546,65
974,2
-
природного газа) представлены в табл. 2.3.
Состав газа после конверсии в трубчатой печи
Материальный баланс трубчатой печи
для конверсии природного газа
3
Таблица 2.2
Таблица 2.3
Пример 2. Составить тепловой баланс трубчатой печи для
конверсии природного газа на основе материального баланса в
примере 1. Температура парогазовой смеси на входе в печь
380 оС; температура парогазовой смеси на выходе из печи
о
700
С; температура дымовых газов на выходе 800 оС; теплопоте-
ри в окружающую среду равны 5 % от прихода теплоты. Влажность воздуха 0,015 м3/м
3
.
13
Решение. Приход теплоты. Приход теплоты складывается
Углеводород
Q, кДж / кмоль
Углеводород
Q, кДж / кмоль
СН
4
889 500
С3Н8
2 297 800
С2Н6
1 558 000
С4Н10
2 870 000
углеводорода
m
0,98 0,004
= = 889500 + 1558000 +
22,4 22,4
0,0003 0,0015
+ 2297800 + 2870000 = 39417 кДж.
22,4 22,4
V
qQV
из теплоты, поступающей с парогазовой смесью, с воздухом и
теплоты, выделяющейся при сгорании природного газа.
Теплота, поступающая с парогазовой смесью:
Q1 = V
где V
– количество природного газа (м
сух.газа
ся расчет; С
(С
= 1,965 кДж / м
сух.газа
исходной газовой смеси, м
дяного пара при 380 оС, (С
∙ С
сух.газа
– средняя теплоемкость сухого газа при 380 оС,
сух.газа
сух.газа
3∙
∙ Tвх + V
K); V
вод.пара
3
; С
вод.пара
= 1,555 кДж / м
вод.пара
вод.пара
∙ С
∙ T
вод.пара
3
), по которому ведет-
вх
– количество водяного пара в
– средняя теплоемкость во-
3∙
K);
,
Q1 = 200 ∙1,965 ∙ 380 + 500 ∙1,555 ∙ 380 = 444 790 кДж.
Теплоту сгорания 1 м3 природного газа определим, исходя
из теплоты сгорания компонентов газа и его состава. Теплота сгорания углеводородов при 18 оС и 1∙10
Теплота сгорания углеводородов
Теплота сгорания 1 м
3
природного газа:
5
Па представлена в табл. 2.4.
Таблица 2.4
Теплота сгорания х м3 природного газа, расходуемого на обогрев
трубчатой печи, равна, кДж:
Q2 = q ∙ х = 39417∙ х.
Теплота, вносимая сжигаемым газом при 18
Q3 = V ∙ t ∙ с = х ∙ 18 ∙ 2,08 = 37 ∙ х.
14
о
С, кДж:
Здесь с = 2,08 кДж / (м
4 4 2 2 2
CH CH CO CO H O H O
22,4 22,4 - Q V Q b Q a Q V Q
4 2 6 3 8 4 10 2
1 CH 2 C H 3 C H 4 C H вод.пара. H O
- - - - - .x Q x Q x Q x Q V Q
Соединение
CO2
CO
Н
2
О
СН
4
С2Н
6
С3Н
8
С4Н
10
Q, кДж/м3
17600
4930
10800
3300
3680
4520
5480
газа при 18
о
С .
3∙
К) – средняя теплоемкость сжигаемого
Общий приход теплоты (кроме теплоты, вносимой в печь
воздухом, количество которого будет рассчитано ниже) составит:
Q
= Q1 + Q2 + Q3 = 444790 + 39417 ∙ х + 37 ∙ х =
прихода
= 444790 + 39454 ∙ х кДж.
Расход теплоты. Теплота расходуется на проведение эндо-
термического процесса конверсии (реакция (2.1). Одновременно с
конверсией СН
идет конверсия других углеводородов и окисле-
4
ние СО водяным паром с выделением теплоты (реакция (2.3).
Суммарный тепловой эффект протекающих при конверсии реакций
(Q) определяется в соответствии с законом Гесса, по которому:
Q = ∑Q
- ∑Qн,
к
где ∑Qк и ∑Qн – суммы теплот образования продуктов реакций и
исходных веществ соответственно;
Теплоты образования соединений, участников реакций, представлены в табл. 2.5.
Таблица 2.5
Теплоты образования соединений – участников реакций
Объемы газов берем из табл. 2.3.
Q = 61,7 ∙ 3300 + 69,9 ∙ 4930 + 66,8 ∙ 17600 + 296,6∙10800 –
– 196 ∙ 3300 – 0,8 ∙ 3680 – 0,06 ∙ 4520 – 0,3 ∙ 5480 – 500 ∙ 10800 =
= – 1 124 482,2 кДж;
Q = - 1 124 482,2 кДж.
15
Теплота влажного конвертированного газа при 700 оС:
Q
где V∑ - суммарный расход газов, м3 (табл. 2.3); C
конвертированного газа при 700
Q
= V∑ ∙C
вл.кон.г
= 974,2 ∙ 1,55 ∙ 700 = 1 057 007 кДж.
вл.кон.г
к.г.
∙ t
вых
,
о
С, (C
– теплоемкость
к.г
= 1,55 кДж/(м3∙K);
к.г
Состав дымовых газов определим в соответствии с реакциями:
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O; (2.10)
C2H6 + 3,5O2 = 2CO2 + 3H2O; (2.11)
C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O; (2.12)
C4H
+ 6,5O2 = 4CO2 + 5H2O. (2.13)
10
Для определения расхода теплоты с дымовыми газами найдем сколько их образуется при сжигании 1 м3 природного газа до
СО
и Н2О, при коэффициенте избытка воздуха 1,25 (k
2
Необходимое количество кислорода для сжигания 1 м
изб.
).
3
газа (по
реакциям (2.10) – (2.13) равно:
1,25 ∙ (0,98 ∙ 2 + 0,004 ∙ 3,5 + 0,0003 ∙ 5 + 0,0015 ∙ 6,5) = 2,48 м3.
Так как содержание кислорода в воздухе 21 % (об.), воздуха необходимо 2,48 / 0,21 = 11,8 м3 (V
). Содержание азота в нем
возд.
11,8 – 2,48 = 9,32 м3. Количество водяного пара, поступающего с
воздухом при 18 оС и влажности воздуха 0,015 м3 / м3, равно
11,8 ∙ 0,015 = 0,177 м3 (V
вод. пара с воздухом
).
Объем веществ, образующихся при сгорании 1 м3 природного газа:
VCO
= 0,98 ∙ 1 + 0,004 ∙ 2 + 0,0003 ∙ 3 + 0,0015 ∙ 4 = 0,995 м3;
2
VH
O
= 0,98 ∙ 2 + 0,004 ∙ 3 + 0,0003 ∙ 4 + 0,0015 ∙ 5 = 1,981 м3.
2
Остается кислорода:
VО
2
ост.
= VО
2
для сжигания
– (VО
2
для сжигания / kизб.
) =
= 2,48 – (2,48 / 1,25) = 0,496 м3.
Содержание водяных паров в газе (с учетом влажности воздуха):
V
вод. паров в газе
= VH
O
2
+Vвод. пара с воздухом
=1,98 + 0,177 =2,154 м3.
16
Состав дымового газа, получаемого при сжигании 1 м3 при-
Вещество
V, м3
% (об.)
CO2
0,995
7,7
O2
0,500
3,9
N2
9,320
71,8
H2O
2,154
16,6
Всего (V
дым.газ.
)
12,972
100,0
родного газа, приведен в табл. 2.6. Средняя теплоемкость дымового газа такого состава при 800 оС, отнесенная к м3 природного
газа, равна 1,48 кДж / (м
3
∙К).
Расход теплоты с дымовым газом составит:
Q’ = V
где V
– объем дымовых газов, м3; C
дым.газ
емкость дымового газа такого состава при 800 оС, (C
= 1,48 кДж / (м
∙ x ∙ С
дым.газ
3 ∙
К); x – количество природного газа, м3.
дым.газ
∙ t
дым.газ
,
дым.газ
– средняя тепло-
Q’ = 12,972 ∙ x ∙1,48 ∙ 800 = 15358,8 ∙ x.
Состав дымового газа при сжигании 1 м
Приход теплоты с поступающим в печь воздухом
(при 18
где С
при 18
о
С) задается следующим выражением:
Q4 = (V
возд
возд.∙Свозд.
= 0,983 кДж / (м
о
С; С
вод. пара с воздухом
+ V
вод. пара с воздухом
3 ∙
K) –
= 1,79 кДж / (м
средняя теплоемкость воздуха
емкость водяного пара с воздухом при 18
3
природного газа
∙ С
вод. пара с воздухом
3 ∙
K) –
о
С;
Таблица 2.6
) ∙ t
средняя тепло-
Q4 = (11,8 ∙ 0,983 + 0,177. ∙ 1,79) ∙ 18 ∙ x = 214,5 ∙ x.
дым.газ
приход
=
∙ x,
Уравнение теплового баланса трубчатой печи с учетом
теплопотерь в окружающую среду (они равны 5 % от прихода)
имеет вид:
0,95 ∙ (Q
+ Q4) = Q + Q’ + Q
прихода
вл.кон.г;
0,95 ∙ (444790 + 39454 ∙ х + 214,5 ∙ x) = 1124482,2 +
+ 15358,8 ∙ x + 1057007,
x = 78,8 м3.
17
В соответствии с этим находим:
Приход
Расход
Статья
кДж
%
Статья
кДж
%
Теплота
парогазовой
смеси
444 790
12,46
Теплота, затрачиваемая на
реакции конверсии
1 124 482
31,50
Теплота от
сгорания
природного
газа
3 105 060
86,98
Теплота конвертированного газа
1 057 007
29,60
Теплота,
вносимая
сжигаемым
газом
2 916
0,08
Теплота дымовых газов
1 210 273
33,90
Теплота,
вносимая
воздухом
16 903
0,48
Теплопотери
3569669 ∙ 0,05=
= 178 483
5,00
Всего
3 569 669
100,00
Всего
3 570 245
100,00
3 570 245 - 3 569 669
100 = 0,016 %.
3 570 245
Q2 = 39417 ∙ 78,8 = 3105059,6 кДж;
Q3 = 37 ∙ 78,8 = 2915,6 кДж;
Q4 = 214,5 ∙ 78,8 = 16902,6 кДж;
Q’ = 15358,8 ∙ 78,8 = 1210273,47 кДж.
Расход влажного воздуха, подаваемого в топку, составляет:
V
вл.возд.
=(V
возд. +Vвод. пара с возд.
)∙x = (11,8+0,177)∙78,8=1022,2 м3.
Количество дымового газа:
V
дым.газ
= (V
CO
+ V
2
+ V
+ V
2
O
N
) ∙ x = 13 ∙ 38 = 494 м
2
H2O
3
.
Составим тепловой баланс трубчатой печи (табл. 2.7).
Таблица 2.7
Тепловой баланс трубчатой печи для конверсии природного газа
Невязка баланса
Пример 3. Составить материальный баланс конвертора ме-
тана второй ступени. В качестве окислителя используется водяной пар и кислород воздуха. Отношение (СО + Н
18
) : N2 в конвер-
2
тированном газе равно 3,2. Состав газа, поступающего на конвер-
2
(2.1)(2.3)
HO
22
2
H H OHO
22
22
H H O
(2.1)(2.3)
H O H O
d νν
сию из трубчатой печи, взять из табл. 2.3 (статья расхода). Содержание метана в сухом конвертированном газе 0,3 % (об.).
Соотношение между объемами СО и СО
газе принять равным равновесному по реакции (2.3) при 850 оС и
5
1∙10
Па. Расчет проводить на 200 м
3
сухого газа, поступающего с
в конвертированном
2
первой ступени конверсии, т.е. из трубчатой печи.
Решение. Для определения расхода воздуха и водяного па-
ра на окисление, а также состава конечного газа, составим материальный баланс конвертора. Обозначим количества вещества
газов (кмоль): СO2 – a; СO – b; H2 – c; разница между количеством вещества водяного пара, вступившего в реакции (2.1) и (2.3)
(
) и количеством вещества водяного пара, образовавшего-
ся за счет сгорания водорода (
) – d,
расход воздуха на окисление – y.
Используя данные материального баланса трубчатой печи
(табл. 2.3), найдем содержание компонентов в 100 м
3
сухого газа,
поступающего в конвертор второй ступени:
VСН
= 0,0910 ∙ 200 = 18,20 м3;
4
VН
= 0,7032 ∙ 200 = 140,64 м3;
2
VСО
= 0,0985 ∙ 200 = 19,70 м3;
2
VСО = 0,1031 ∙ 200 = 20,62 м3;
VN
= 0,0042 ∙ 200 = 0,84 м3.
2
На 200 м3 сухого газа поступает (296,6 / 677,6) ∙ 200 = 87,5 м3 водяного пара.
Составим балансовое уравнение по содержанию каждого
элемента в газе, поступающем и выходящем из конвертора второй ступени (н.у.). Учтем при этом, что в газе, выходящем из
конвертора, содержится 0,003 ∙ V м3 метана и 22,4∙ 0,79∙y м3 азота;
воздух, поступающий на окисление, содержит 22,4∙0,21∙у м3
кислорода.
Баланс по углероду:
ν(СН4)
исх
+ν(СО)
исх
+ν(СО2)
исх
= ν(СН4)
кон
+ν(СО)
кон
+ν(СО2)
кон
;
;
19
18,2/22,4 + 19,7/22,4 + 20,62/22,4 = a + b + 0,003/22,4 ∙ V;
22
2
CO + H
= = 3,2;
N 0,84/22,4 + 0,79
bc
y
22
2
CO H
CO H O
0,87
(87,5/ 22,4 )
P
PP
ac
K
P P b d
2,61 = a + b + 0,00013 ∙ V. (2.14)
Баланс по водороду:
4 ∙ ν(СН4)
ν(Н2О)
кон
исх
+ 2 ∙ ν(Н2)
+ 4 ∙ ν(СН4)
кон
исх
+ 2 ∙ ν(Н2О)
исх
= 2 ∙ ν(Н2)
;
4 ∙ 18,2/22,4 + 2 ∙ 140,64/22,4 + 2 ∙ 87,5/22,4 = 2 ∙ с +
+ (87,5 – 22,4∙d)/22,4 + 4 ∙ 0,003/22,4 ∙ V;
7,91 = с – d + 0,00027 ∙ V . (2.15)
Баланс по кислороду:
2 ∙ ν(СО2)
= 2 ∙ ν(СО2)
кон +
исх
+ ν(СО)
ν(СО)
исх
кон
+ ν(Н2О)
+ ν(Н2О)
кон
;
исх +
2 ∙ ν(О2)
исх
=
2 ∙19,7/22,4 + 20,62/22,4 + 87,5/22,4 + 2 ∙ 0,21/22,4 ∙ y =
= 2 ∙ a + b + (87,5 – 22,4∙d)/22,4;
2,68 + 0,42 ∙ y = 2 ∙ a + b – d . (2.16)
Баланс сухого конвертированного газа:
V = (a + b + c + 0,79 ∙ y) ∙22,4 + 0,003 ∙ V + 0,84.
V/22,4 = a + b + c + 0,79∙y + 0,003/22,4∙V + 0,84/22,4. (2.17)
Так как отношение (СО + Н
) : N2 в конвертированном газе долж-
2
но быть 3,2, то:
b = 0,12 + 2,528 ∙ y – c. (2.18)
кон
+ 2
Соотношение между СО и СО
ляется равновесием реакции (2.3) при 850
когда К
= 0,87. Запишем:
Р
Вычитая уравнение (2.17) из уравнения (2.14), получаем:
V = 22,4 ∙ c + 59,4 + 17,7 ∙ y. (2.20)
20
в конвертированном газе опреде-
2
о
С и 1∙10
5
Па (1 атм.),
. (2.19)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]