3.1.1. Скорость производства энтропии в ш.Р.

Производство энтропии в Ш.Р. согласно (3.2) - (3.3) и в соответствии с системой нумерации потоков, принятой на рис. 3.1, равно

Парциальные давления газов на входах в Ш.Р. при расчете по уравнению (3.6) берутся до смешения входящих потоков, поэтому энтропия смешения газов включена в рассчитываемую величину производства энтропии.

3.1.2. Потери на смешение потоков в головной части ш.Р.

Рассчитаем энтропию смешения (точнее говоря, скорость ее производства) двух потоков смесей идеальных газов при следующих условиях: 1) потоки до смешения имеют одни и те же температуры и давления; 2) смешиваемые потоки не содержат одинаковых компонентов. В этом случае, как следует из уравнений (3.2) - (3.4),

где j=1 соответствует первому смешиваемому потоку, j = 2 − второму, индекс «'» соответствует состоянию до смешения, а индекс «"» − после смешения потоков. Обозначим ,(для каждогоI поток отличен от нуля лишь для одного из значений j ), тогда мольные доли в первом потоке равны, во втором потоке

и после смешения . С учетом сделанных обозначений

(3.8)

Уравнение (3.8), описывающее смешение стационарных потоков идеальных газов, подобно выражению для энтропии смешения конечных количеств газов. Обозначим через х долю 1-го потока в суммарном потоке после

смешения, , ^{тогда доля 2-го потока} ; подставляя эти обозначения в первое равенство (3.8), получим:

или, возрастание энтропии в расчете на 1 моль веществ в образующемся после смешения потоке

Технологическая схема получения синтез-газа в агрегате синтеза аммиака мощностью 1360 т/сут

Природный газ, содержащий до SO мг/м³ серы, поступает на произ­водство аммиака с давлением 0,5—0,9 МПа и распределяется на дв2 потока: для технологического процесса и для сжигания.

Для гидрирования сероорганических соединений в технологический поток природного газа подается азотоводородная смесь в количестве, обеспечивающем содержание водорода в газовой смеси перед сероочист­кой, равной 10 % (об.). При нормальной работе азотоводородная смесь поступает после метанирования, в пусковой период подается со сто­роны.

Природный газ, смешанный с азотоводородной смесью, поступает на центробежный компрессор, в котором сжимается до дав­ления 4,1—4,5 МПа. Затем газовая смесь перед поступлением на серо­очистку нагревается в огневом подогревателе до температуры 670 К дымовыми газами, образующимися при сжигании природного газа. После огневого подогревателя газовая смесь проходит реактор гидри­рования сероорганнческих соединений, который загружен алюмо-кобальт-молибденовым или алюмонпкель-молибденовым катализа­тором, и затем последовательно проходит два сероочистных аппарата для поглощения сернистых соединений, загруженных оксидом цинка. При насыщении поглотителя серой его заменяют свежим, не останав­ливая агрегат. После сероочистки газовая смесь, очищенная до содержания серы не менее 0,5 мг/м³, с температурой 640 К и давлением 3,9 МПа направляется на паровую конверсию метана в трубчатую печь. Перед печью газовая смесь смешивается с водяным парим до соотношения пар : природный газ, равного 4 : 1

После смешивания парогазовая смесь с температурой 620-650 К направляется в подогреватель, расположенный в конвекционной зоне трубчатой печи, где нагревается за счёт теплоты дымовых газов до температуры 780-810 К. Нагретая парогазовая смесь направляется в реакционные трубы печи паровой конверсии метана.

СН4 + Н2О =3 Н2 + СО (1)

СО + Н2О = Н2 + СО2 (2)

В реакционных трубах на никелевом катализаторе под давлением 3,7 - 4 МПа, при температуре на выходе 1100К и объёмной скорости 1750 ч^-1 осуществляется эндотермический процесс паровой конверсии метана и других УВ с получением водорода, оксидов углерода (II) и (IV) в соотношении, близком к равновесному, при температуре 1000 К. Содержание остаточного метана в конвертированном газе на выходе из труб печи паровой конверсии близко к равновесному и составляет 9,2-10 % (об).

Теплоту, необходимую для эндотермического процесса паровой конверсии метана, получают за счёт сжигания смеси природного газа с танковыми и продувочными газами в горелках, размещённых на потолке печи между рядами реакционных труб. Тепловое напряжение, отнесенное к внутренней поверхности реакционных труб, составляет 350 • 10³кДж/(м²- ч). Расчетная температура стенки труб составляет 1200 К. Трубчатая печь, кроме радиационной зоны с реакционными трубами, оснащена конвекционной зоной с блоком теплоиспользующей аппаратуры (БТА) и вспомогательной печью, в которой за счет сжи­гания природного газа образуется пар давлением 10,5 МПа. Дымовые газы после вспомогательной печи направляются в конвекционную зону печи. Теплота дымовых газов, выходящих из печи при температуре 1310 К, используется:

— для подогрева парогазовой смеси, поступающей в реакционные трубы, до температуры 780—800 К;

— для подогрева паровоздушной смеси, направляемой в конвертор метана II ступени, до температуры 755 К;

— для перегрева пара в двухступенчатом пароперегревателе до 760 К;

— для подогрева деаэрированной воды, поступающей на питание котлов от 375 до 590 К;

— для подогрева природного газа, подаваемого на сжигание в го­релках трубчатой печи, до температуры 420 К.

Дымовые газы трубчатой печи после использования их теплоты в БТА с температурой 470—510 К выбрасываются дымососами через дымовую трубу 5 в атмосферу В новых технологических схемах пре­дусмотрена каталитическая очистка дымовых газов от оксидов азота

После трубчатой печи конвертированная парогазовая смесь по фу­терованному соединительному трубопроводу подается в шахтный кон­вертор метана второй ступени. Конверсия остаточного метана в нем осуществляется паром и воздухом на никелевом катализаторе.

В верхней части шахтного конвертора расположен смеситель, в ко­торый через центральную трубу поступает паровоздушная смесь с температурой 755 К, а по кольцевому пространству – парогазовая смесь с температурой 1100 К. Воздух в конвертор подается центробежным компрессором с приводом от конденсационной паровой турбины. Он не должен содержать соединений серы и хлора.

Количество воздуха для процесса подбирают таким образом, чтобы перед отделением синтеза обеспечить соотношение Н2 : N2 = 3 : 1. Перед подачей в конвертор метана в воздух постоянно дозируется пар с давлением 1,1 МПа и температурой 640 К. Соотношение пар : воздух составляет 0,1 : 1.

После смесителя паровоздушная смесь поступает па никелевый катализатор. Для предохранения от перегрева и обеспечения нормаль­ной роботы катализатора над ним в конверторе метана имеется свобод­ный объем, где происходит горение части газа с кислородом воздуха. Затем парогазовая смесь проходит последовательно через шестигран­ные огнеупорные плитки, служащие для равномерного распределения газового потока по сечению конвертора, слой термостойкого алюмохромового катализатора, а затем никелевого катализатора. Процесс кон­версии метана осуществляется при температуре на выходе 1270 К и

объемной скорости 3500 ч^-1.

Остаточное содержание метана в сухом конвертированном газе составляет 0,35-0,55 % (об).

Конвертированная парогазовая смесь после шахтного конвертора метана охлаждается в котлах-утилизаторах I ступени, II ступени и с температурой 650 К направляется через увлажнитель на конверсию оксида углерода (II).

После увлажнителя конвертированная смесь с соотношением пар : газ =0,57 поступает в конвертор I ступени II, где на среднетемпературном железохромовом катализаторе при температуре на выходе 723 К, объёмной скорости до 2000 ч^-1 протекает реакция конверсии оксида углерода (II) с водяным паром. Остаточное содержание оксида углерода (II) после конвертора I составляет 3,7% (на сухой газ)

После конвертора I теплота парогазовой смеси используется для получения насыщенного пара с давлением 10,5 МПа в котле-утилизаторе. При этом парогазовая смесь охлаждается до 603 К.

Затем парогазовая смесь охлаждается до температуры 493 К в подогревателе, нагревая при этом очищенный от СО2 конвертированный газ перед метанированием до 593 К. После подогревателя парогазовая смесь с температурой 493 К и соотношением пар : газ =0,45 поступает в конвертор СО II ступени, где на низкотемпературном медьсодержащем катализаторе при объёмной скорости 2000 ч^-1 и температуре на выходе 523 К происходит конверсия СО с водяным паром до содержания СО в конвертированном газе 0,15-0,5% (об) (на сухой газ). Данный аппарат выполняет в рассматриваемой схеме две важные функции: увеличение степени конверсии метана за счет значительного повышения температуры по сравнению с температурой, достигаемой в Т.П., и приготовление смеси газов с необходимым содержанием азота для последующего синтеза аммиака. Далее полученная азотоводородная смесь освобождается от углекислого газа абсорбцией раствором моноэтаноламина или бикарбоната калия в технологическом блоке 7. Оставшиеся в смеси незначительные примеси оксидов углерода, являющихся ядами для катализатора синтеза аммиака, нейтрализуют во вспомогательном каталитическом реакторе – метанаторе, в котором реакции (1) и (2) протекают справа налево, превращая оксиды углерода в метан, инертный по отношению к катализатору синтеза аммиака. Из метанатора очищенная азотоводородная смесь идет в отделение синтеза аммиака, небольшая часть смеси поступает в головной аппарат схемы.

Схема получения технологического газа двухступенчатой конверсией природного газа:

ТП – трубчатая печь; Кг – компрессор газовый; Ка – компрессор воздушный;

Тп – турбина паровая; Н – насос питательный; ВЭ – водяной экономайзер;

ПК – паровой котёл; ПП – пароперегреватель; Кнд – конденсатор; ПГС – подогреватель газовой смеси; ПВС – подогреватель воздушной смеси;

Д – дымосос; ШР – шахтный реактор; КОУ – конвектор оксида углерода;

ТА – технологический аппарат; КУ2 – котёл-утилизатор;

АХУ 1,2 – абсорбционные холодильные установки; ДТ – дымовая труба.