Алгоритм розрахунку

1. Ввести вихідні дані.

2. Розрахувати середню температуру у реакторі за рівнянням (2).

3. Розрахувати константу швидкості реакції К при середній температурі Тс і константу рівноваги К₁ при температурі на виході Т.

Увага! Необхідно константу К₁ записати в MathCad як К1.

4. Інтегрувати вираз (5) за допомогою операторів математичного аналізу (визначений інтеграл) у середовищі MathCad.

5. Розрахувати час контакту.

6. Розрахувати об'єм каталізатора і кількість труб у реакторі.

7. Розрахувати склад вологого і сухого конвертованого газу, м³ і молярні частки, на 1 м³ вихідного газу (метану) згідно рівнянь, що надані в таблиці. Розрахувати співвідношення пара/газ на виході печі

8. Результати розрахунків надати в вигляді таблиці.

Нижче приведено один з прикладів матричного представлення таблиці.

Сухий газ

Вологий газ

SkladKG = (видача результатів).

У випадку не видачі результатів: меню Format, Result, Display Options, встановити Matrix.

Індивідуальна самостійна робота

Скласти тепловий баланс печі з метою розрахунку кількості природного газу на спалювання в просторі між трубами [2].

Контрольні питання

Можливі конструкції ректорів конверсії природного газу. Теплообмін в реакторах. Графік залежності фактичного і рівноважного ступеня перетворення від температури і тиску. Запобігання утворенню вуглецю.

Література

1. Концевой, А.Л. Алгоритмизация расчётов в производстве аммиака: Учеб. пособие / А.Л. Концевой, Н.П. Гамалей. – Киев: УМК ВО, 1991. – 104 с.

2. Лобойко, О.Я. Методи розрахунків у технології неорганічних виробництв (ч.1. Зв´язаний азот). / О.Я. Лобойко, Л.Л. Товажнянський,

І.О. Слабун та ін. – Харків: НТУ «ХПІ», 2001. – 512 с.

Розділ 20. Розрахунок рівноваги пароповітряної конверсії метану

Рівновага в шахтному реакторі конверсії метану (друга ступінь конверсії природного газу) описується рівняннями

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂ - Qp , (1)

,

CO + H₂O = CO₂ + H₂ + Qp , (2)

.

Повітря подається в кількості, яка забезпечує необхідну концентрацію N₂ в конвертованому газі, який йде на синтез аміака. При цьому приймають, що весь кисень, який подається з повітрям, йде на реакцію в зоні горіння 2 Н₂ + О₂ = 2 Н₂О , що сприяє підвищенню температури на вході в шар каталізатора до необхідного значення.

Початковий та кінцевий склад газової суміші, а також парціальні тиски її компонентів в стані рівноваги в загальному вигляді виражаються рівняннями, наведеними в таблиці, в якій прийняті наступні умовні позначення: V₀ – об’єм сухого газу, який поступає на конверсію метана, м³; – об’єм відповідно СН₄, СО, СО₂, Н₂, N₂, Ar в газі після парової конверсії в трубчатій печі, м³. N - співвідношення пара/газ на вході в конвертор; x - ступінь перетворення метану за реакцією (1); y - ступінь перетворення СO за реакцією (2); Р – загальний тиск процесу, атм; W – об’єм поданого повітря, м³.

W визначається із потрібного об’ємного співвідношення компонентів М в конвертованому газі (кінцевий об’єм ): .

Таблиця – Розрахунок складу газової суміші та парціальних тисків її компонентів

Компо-нент	Об’єм газової суміші, м3		Парціальний тиск компонентів
	початковий	кінцевий
СН4
H2О
О2		–	–
СО
СО2
H2
N2
Ar
Всього			Р

. Звідки

. (3)

З використанням виразів парціальних тисків компонентів із таблиці в рівняннях (1) і (2) та після деяких перетворень отримаємо:

; (4)

. (5)

Значення констант рівноваги К₁ і К₂ визначаються за формулами:

; (6)

. (7)

Мета роботи: визначення рівноважного і практичного складу конвертованого газу та витрати повітря в середовищіі MathCad.

Вихідні дані

Об’єм сухого газу _, м³: V₀ = 100.

Склад газу, який поступає на конверсію метану С_і, % об.:СН₄ = 9; Н₂ = 69,93; СО₂ = 9,89; CO = 10.1; Ar = 0,01; N₂ = 1,07.

Тиск процесу, атм: Р = 32.

Співвідношення пара/газ на вході в конвертор: N = 0,7591.

Співвідношення компонентів: М = 3,14.

Температура конверсії рівноважна, К: Т₁ = 1273 (для розрахунку К₁).

Температура на виході із конвертора, К: Т₂ = 1273 (для розрахунку К₂).

Алгоритм розрахунку

1. Ввести вихідні дані.

2. Розрахувати об‘єми компонентів вихідного газу R_i := V₀^. С_і/100.

3. Розрахувати константи рівноваги реакцій (1) і (2) за формулами (6) і (7).

4. Привласнити початкові наближення x := 0.8, y := 0.1, W := 0.3V₀.

5. Розв’язати систему трьох рівнянь (3) – (5) за допомогою операторів Given та Find, між якими ввести рівняння. Рівність у рівняннях записують за допомогою оператора “=” (одночасно Ctrl та =). Для обчислення значень ступенів перетворення x, y та об’єму поданого повітря W присвоїти вектору рішень функцію Find: Z:=Find(x, y, W). Присвоїти x:=Z₀ y:=Z₁ W:=Z₂ (0, 1, 2 ввести як індекси!) для того, щоб уникнути подальший розрахунок з початковими наближеннями цих значень. Вивести значення x = y = W = . При деяких комбінаціях початкових наближень система рішення не має.

6. Визначити рівноважний склад сухого конвертованого газу (м³ і %) за рівняннями таблиці (кінцевий об’єм газу). Результати надати у матричному вигляді (див. роботу 19)

7. Розрахувати об’єм пари і співвідношення пара/газ на виході із конвертора.

8. Розрахувати фактичний склад конвертованого сухого газу. Для цього розрахунку приймається, що практичний ступінь перетворення х рівний рівноважному, але при рівноважній температурі Т₁ на 20 градусів меншій, ніж температура на виході Т₂: Т₁=.Т₂-20. Рівновага парової конверсії СО досягається миттєво і відповідає температурі на виході Т₂. Порівняти рівноважний і фактичний склади газу. Розрахувати ступінь досягнення рівноваги η=х_Т1=Т2-20/х_Т1=.Т2.

Індивідуальна самостійна робота

1. Визначити вплив тиску в діапазоні 20 – 40 атм з кроком 4 на рівноважний вміст метану в сухому конвертованому газі. Побудувати відповідну діаграму.

2. Переробити алгоритм і програму під одноступеневу паро- кисне-повітряну конверсію природного газу: замість звичайного повітря використовується збагачене киснем повітря (до 40% О₂).

3. Переробити алгоритм і програму під одноступеневу парокисневу конверсію природного газу (виробництво водню) при співвідношенні природний газ:пара:кисень = 1:2:0,6.

4. Переробити алгоритм і програму під парову конверсію природного газу (перша ступінь конверсії природного газу у виробництві аміаку) при співвідношенні природний газ:пара = 1:3,7.

Контрольні питання

Визначення фактичного і рівноважного ступеня перетворення. Закон діючих мас. Константа рівноваги. Принцип Ле Шательє і його використання для аналізу процесів в шахтному реакторі. Методи запобігання утворенню вуглецю. Обґрунтування конструкції шахтного конвертору метана. Профіль температури по висоті шару каталізатора. Принцип розрахунку витрати повітря в реактор.

Література

1. Концевой, А.Л. Алгоритмизация расчётов в производстве аммиака: Учеб. пособие / А.Л. Концевой, Н.П. Гамалей. – Киев: УМК ВО, 1991. – 104 с.

2. Концевой, А.Л. Універсальний алгоритм і програма розрахунку процесів конверсії вуглеводнів. / А.Л. Концевой, Н.А. Кулініч, С.А. Концевой // Вестник НТУ «ХПИ», №22, 2009, с. 65 – 72.