Исходные данные и пример расчета

1) Пусть в реакторе протекают реакции конверсии метана водорода I-III

2) Углекислый газ подается с водяным паром в соотношении CH₄:H₂O=1:2

3) Температура реагентов на входе tвх =105 °C

Температура продуктов на выходе t_к =900 °C

4) Конверсия метана _CH= 100%.

5) В качестве топлива используют природный газ состава % от

CH₄ ─ 90%, CO₂ ─ 10%

6) потери тепла Q_тп = 6%

7) Теплотворная способность CH₄ - 890950 кДж/моль

8) Конверсия CО(%) = (10,20,30,40,50, 60,70

9) Теплоемкость веществ приводится из справочных данных:

Мол. масса	Теплоемкость, при t=105 ° C		кДж/к моль, 900 ° C
CH4 16	36,72
H2O 18	33,29	38,14
CO 28	28,97	31,16
H2 2	29,1	29,9
CO2 44	37,4	39,8
O2 32	29,3	34
N2 28	29,3	34

Расчет производится из предположения, что производительность

по водороду равна 1000 кг/ч H₂

Алгоритм расчета

1) Материальный баланс.

Расчет первой реакции.

1.1. Если производительность по H₂ задана и равна 50 кг, то можно рассчитать первую реакцию

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ + Q₁

1.2. Количество CO рассчитываем по пропорции

50 ─ x

3·2 ─ 28 x = = 233,3

1.3. Аналогично рассчитываем CH₄ и H₂O вступающих в реакцию

CH₄ = 133,3 кг H₂O = 150 кг

Расчет второй реакции.

2.1. Если задана конверсия CO, например _CO = 40% (0,4), то на вторую реакцию понадобиться CO (2)

CO (2) = CO · _CO = 233,3 · 0,4 = 93,3

на выходе CO = 233,3 ─ 93,3 = 140 кг

2.2. по известному CO (2) = 93,3 кг рассчитываем H₂O (2) ─ воду во второй реакции CO₂ (2) H₂ (2) ─ углекислый газ и водород во второй реакции

28 ─ 18 28 ─ 44

93,3 ─ H₂O (2) → H₂O (2) = 59,9 кг 93,3 ─ CO₂ (2) → CO₂ (2) = 146,6 кг

28 ─ 2

93,3 ─ H₂ (2) → H₂ (2) =6,66 кг

Суммарная вода в реакции 1,2. H₂O (1+2) = 209,9. Подаваемая вода 300 кг.

На выходе H₂O = 300 ─ 209,9 = 90,1 кг

3.1. Поскольку конверсия CH₄ 100%, то на выходе из реагентов будет только вода, поскольку взята в избытке. Ее количество равно разности поданной воды H₂O (1+2) = 300 кг и вступившей в реакцию (H₂O)_пр. = 209,9

(H₂O)_вых. = 300-209,9 = 90,1 кг

3.2. Воздух подается в реактор состава O₂ – 21% от N₂ – 79% об.

Количество кислорода вступившего в реакцию 3 определяется из условия баланса тепла, что рассмотрено ниже.

Тепловой баланс

4.1. Физические потоки тепла определяются из уравнения

Q_i = G_i C_i t_i,

где G_i – количество вещества; C_i – его теплоемкость; t_i – температура (на входе или выходе). Пусть задана таблица теплоемкостей (см. исходные данные, к примеру, расчета) тогда для CH₄ (1), H₂O (1+2) потоки тепла вычисляются

Q_CH4 = 8,3·36,7·105=32130 kДж

Q_H2O = 16.6·33.2·105=58257 kДж

Q_H2O = 5·38,14·900=171630 kДж

4.2. Теплоты реакции заносятся в таблицу теплового баланса

поглощенное тепло 8,3·206200 = 1718333 kДж

выделяемое тепло

CO(2) вычисляется из заданной конверсии CO (см. исходные данные) т.к. конверсия CO равна 0,4 CO(2) = 233,3·0,4 = 93,32 кг, поэтому CO(2)·Q₂ = ·50000 = 1664285 kДж, количество CH₄(3) подбирается так чтобы был выполнен тепловой баланс. В примере реакции оно равно CH₄ (3) = 2,072 kмоль и = 1664285 + 18·46048 = 3510333 kДж

Расчет балансов производится в прикладном пакете EXEL, где исходные данные имеют вид

Условия	Мол. масса	Теплоемкость C, (КДж / К моль) t =105 ºC	Теплоемкость C, КДж / К моль t = 900 ºC
H2O/ CH4(мольн) 0,5	CH4 16	36,72
tн = 105	H2O 18	33,29	38,14
tк = 900	CO 28	28,97	31,36
Исх. газ	H2 2	29,1	29,9
CH4(%) 90	CO2 44	37,4	39,8
CO2(%) 10	O2 32	29,3	34
Потери(%) 5	N2 28	29,3	34
Пр-сть по H2 кг/ч 50
Конверсия CO (%) 40
Конверсия CH4 (%) 100

При этом каждому студенту (или подгруппе) можно всегда задать или изменить условия в исходных данных.

Программа рассчитывает по исходным данным материальный баланс, который автоматически уравнивается в силу закона сохранения массы. Тепловой баланс уравнивается через изменение (вариацию) количества метана в реакции III. Это производится изменением соответствующего числа в табличном редакторе. При этом автоматически пересчитывается заново вся таблица. Процесс заканчивается когда тепло прихода сравняется с теплом ухода.

МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС
П Р И Х О Д				Р АС Х О Д
Наименов	Кмоль	кг	Кдж	Наименов	Кмоль	кг	Кдж
CH4 (1)	8,333333	133,3333	32130	H2 (1)	25	50	672750
CO2 (0)	0,92592	14,81481	3636,11	H2 (2)	3,3333	6,66	89700
O2 (возд)	4,144	132,608	12749,02	CO	5	140	141120
N2 (возд)	15,5893	436,5013	47960,5	H2O (1)	5	90	171630
H2O (1+2)	16,6666	300	58257,5	H2O (3)	4,144	74,5	142246,
				CO2 (0)	0,925926	14,81	33166,67
				CO2 (2)	3,333333	146,6	119400
				CO2 (3)	2,072	91,1	74219,04
				O2	0	0	0
				N2	15,58933	436,5	477033,6
DHэкз (2)			1666667	DHэнд			1718333
CH4 (3)	2,072	33,152		DQпот			0
DH экз (3)		1846048	1846048
		БАЛАНС	3667448			БАЛАНС	3639600
	СУММА	1050,409			СУММА	1050,409

Задание: 1) По исходным данным рассчитать материальный и тепловой баланс процесса

2) Построить зависимость расходного коэффициента в зависимости от конверсии CO и выбрать наиболее экономичный вариант

Контрольные вопросы

1) Пояснить работу химического реактора по схеме и назначения всех элементов.

2) Привести алгоритм расчета материального баланса.

3) Чем отличаются теплоты связанные с физическими потоками и теплоты реакции.

4) Как уравнивается тепловой баланс реактора.

5) Что такое расходный коэффициент и как определяется оптимальный выбор параметров процесса: соотношении CH₄: H₂O; конверсия CO.