Практическая работа №7

Тема: Расчет материального и теплового балансов производства синтез -газа паро-кислородной конверсией метана

Цель: Составить и рассчитать материальный и тепловой балансы производства синтез-газа паро-кислородной конверсией метана.

Теоретические основы

     В настоящее время для получения синтез-газа широко используют метод конверсии метана. Конверсию можно проводить в водяным паром, с диоксидом углерода и с кислородом (окислительная конверсия).

СН₄ + Н₂О « СО + 3Н₂

СН₄ + СО₂ « 2СО + 2Н₂

СН₄ + 0,5О₂ « СО + 2Н₂

     При конверсии метана с водяным паром образующийся оксид углерода претерпевает дальнейшую конверсию до СО₂. Таким образом, процесс конверсии метана с водяным паром позволяет получать газ любого состава  (вплоть до чистого водорода), что достигается изменением соотношения исходных газов и температуры.

     Конверсию метана с водяным паром или с диоксидом углерода проводят в трубчатых печах. Окислительную конверсию метана проводят в реакторах шахтного типа, заполненных катализатором.

Рисунок 7.2 Технологическая схема получения синтез-газа парокислородной конверсией углеводородных газов

1 – смеситель; 2 – конвертор; 3- увлажнитель; 4 – пароперегреватель; 5,6 – теплообменники.

     Природный газ, поступающий при давлении 0,4-0,5 МПа, дросселируют до 0,08-0,12 МПа и подают в теплообменники 5 и 6. На входе в теплообменники к газу примешивают водяной пар, перегреваемый с 180-350⁰С. После смешения парогазовая смесь имеет температуру 180⁰С. В теплообменниках ее нагревают до 345⁰С и затем направляют в вертикальный кожухотрубчатый смеситель 1, куда поступает также кислород. Из смесителя парогазовая смесь идет в конвертор 2 с никелевым катализатором ГИАП-3. Там при 800-900⁰С и 0,14 МПа протекают реакции конверсии с образованием синтез-газа. Конвертированный газ поступает в увлажнитель 3, куда впрыскивают водный конденсат (при этом температура газа снижается до 650⁰С). Затем газ проходит трубное пространство пароперегревателя 4, теплообменники 5 и 6 и, охладившись до 500⁰С, идет на конверсию оксида углерода (если требуется получать водород) или охлаждается до комнатной температуры и поступает в газгольдеры.

Задание

     Составить материальный и тепловой балансы парокислородной конверсии природного газа.

Исходные данные:

Варианты заданий

• ·Степень конверсии углеводородов в пересчете на метан 95% (c).
• · На входе в конвертор отношение пар/газ равно 1,1 (V=110м³).
• · Состав технического кислорода 95% О₂ (Х) и 5% (об.) N₂ + Ar (Х).
• · Температура паро-газовой смеси на входе в конвертор 550⁰С(t₁), на выходе 750⁰С(t₂).
• · Температура кислорода 50⁰С(tо₂).
• · При определении состава конвертированного газа принять, что соотношение между СО и СО₂ в нем соответствует равновесию реакции конверсии СО водяным паром.
• · Расчет проводим на 100м³ (V ) исходного сухого газа.

Порядок выполнения работы

     Обозначим содержание (в м³) компонентов в конвертированном газе:

СО₂ – ;

СО – в;

Н₂ – с;

объем прореагировавшего водяного пара за вычетом образовавшегося за счет сгорания водорода – d;

х – расход технического кислорода.

     Составим балансовые уравнения по содержанию каждого элемента в исходном и конвертированном газах.

• · Баланс по углероду, м³:

содержание углеводородов в исходном газе в пересчете на метан -

V= х₁ + 2× х₂ + 3× х₃ + 4 × х₄

содержание метана в конвертированном газе  V = V × (1 - )

всего                V =  + в + V 

отсюда             + в = V- V                                                             (1)

• · Баланс, м³:

по водороду  2× х₁ + 3 × х₂ + 4 × х₃ + 5 × х₄ + V = с + V× 2 +(V - d)

отсюда находим (с – d) это будет уравнение (2)

по кислороду  0,5 × V + 0,95× х =  + 0,5× в + 0,5× (V - d)

отсюда получим уравнение с неизвестными х, , в и d, это будет

уравнение (3)                                                                          

     Так как соотношение между СО и СО₂ в конвертированном газе определяется равновесием реакции конверсии СО водяным паром при 750⁰С и 1×10⁵ Па (1атм), когда К = 1,255. можно записать:

                     К=  = = 1,255                                          (4)

     Составим уравнение необходимое для определения неизвестных величин (уравнение теплового баланса конвертора):

∑Q = ∑Q 

     Приход теплоты

• · Теплота, проступающая с паро-газовой смесью при температуре t₁, кДж:

Q₁ = V× C× t₁ + V× С× t₁,

где V- количество природного газа (м³) , по которому ведется расчет (см. исходные данные);

C- средняя теплоемкость сухого газа при 550⁰С

(C= 2,15кДж/м³×град);

V- количество водяного пара в исходной газовой смеси, м³ (см. исходные данные);

С- средняя теплоемкость водяного пара при 550⁰С

(С= 1,598 кДж/м³×град);

t₁ - температура паро-газовой смеси на входе в конвертор, ⁰С.

• · Теплота, вносимая техническим кислородом при температуре tо₂, кДж:

Q₂ = х × С× t,

где х - расход технического кислорода, м³(неизвестная величина);

С- средняя теплоемкость технического кислорода при 50⁰С

(С= 1,296 кДж/м³×град);

t- температура кислорода, ⁰С (см. исходные данные).

• · Теплоту реакции Q₃ определяем по закону Гесса.

Q₃= ∆Н×  + ∆Н× в + ∆Н× V + ∆Н× (V- d) - ∆Н× х₁  - ∆Н× х₂ -

 - ∆Н× х₃ - ∆Н× х₄ - ∆Н× V,

где ∆Н- энтальпия СО₂ (∆Н=17600кДж/м³);

       - содержание СО₂ в конвертированном газе, м³ (неизвестная величина);

       ∆Н- энтальпия СО (∆Н= 4930кДж/м³);

       в - содержание СО в конвертированном газе, м³(неизвестная величина);

       ∆Н- энтальпия СН₄ (∆Н= 3300кДж/м³);

       V - содержание метана в конвертированном газе, м³;

       ∆Н- энтальпия водяного пара (∆Н= 10800кДж/м³);

       V- количество водяного пара в исходной газовой смеси, м³ (см. исходные данные);

        d - объем прореагировавшего водяного пара за вычетом образовавшегося за счет сгорания водорода, м³ (неизвестная величина);

        х₁ - количество СН₄ в исходном газе, м³ (см. таблицу варианты заданий);

       ∆Н- энтальпия С₂Н₆ (∆Н= 3680кДж/м³);

        х₂ - количество С₂Н₆ в исходном газе, м³(см. таблицу варианты заданий);

       ∆Н- энтальпия С₃Н₈ (∆Н= 4520кДж/м³);

        х₃ - количество С₃Н₈ в исходном газе, м³(см. таблицу варианты заданий);

      ∆Н- энтальпия С₄Н₁₀ (∆Н= 5480кДж/м³);

        х₄ - количество С₄Н₁₀ в исходном газе, м³ (см. таблицу варианты заданий).

Примечание: количество х₁, х₂, х₃, х₄ в м³ равно количеству х₁, х₂, х₃, х₄ в %(об), так как расчет ведется на 100м³ исходного сухого газа.

Подставляя известные значения, получим значение Q₃ в кДж с тремя неизвестными , в, d.

Q = Q₁ + Q₂ + Q₃

     Расход теплоты

• · Теплота, уносимая конвертированным газом, кДж:

Q₄ = × С× t₂ + в × С× t₂ + с × С× t₂ + С×V× t₂ + (х₅ + 0,05×х)× С× t₂ +

+ (V - d)× C× t₂,

где - содержание СО₂ в конвертированном газе, м³ (неизвестная величина);

       С- средняя теплоемкость СО₂ при 750⁰С (С=2,107кДж/м³×град);

       t₂ - температура паро-газовой смеси на выходе из конвертора, ⁰С (см. исходные данные);

       в - содержание СО в конвертированном газе, м³(неизвестная величина);

       С- средняя теплоемкость СО при 750⁰С (С= 1,38 кДж/м³×град);

       с – содержание водорода в конвертированном газе, м³ (неизвестная величина);

      С- средняя теплоемкость водорода при 750⁰С (С= 1,317 кДж/м³×град);

      С- средняя теплоемкость метана при 750⁰С (С= 2,42 кДж/м³×град);

      V - содержание метана в конвертированном газе, м³;

      х₅ - количество азота в исходном газе, м³ (см. таблицу варианты заданий);

      х - расход технического кислорода, м³(неизвестная величина);

      С - средняя теплоемкость азота и аргона при 750⁰С

(С= 1,37 кДж/м³×град);

      V- количество водяного пара в исходной газовой смеси, м³ (см. исходные данные);

      d - объем прореагировавшего водяного пара за вычетом образовавшегося за счет сгорания водорода, м³ (неизвестная величина);

      C- средняя теплоемкость водяного пара при 750⁰С

(C=1,65 кДж/м³×град).

Подставляя известные значения, получим значение Q₄ в кДж с неизвестными , в, с, d, х.

• · Принимая теплопотери Q₅  равными 4% от прихода (по практическим данным), составим уравнение теплового баланса конвертора

0.96 × Q = Q₄ 

Подставляя известные значения Q и Q₄ получим уравнение (5) с неизвестными х, , в, d, с. 

Подставляем в уравнение (5) значения в, d, х из уравнений (1), (2) и (3), получаем уравнение (6) – значение  , выраженное через неизвестное с.

Заменяя   в уравнении (6) на , выраженное через в из уравнения (1), находим в, выраженное через неизвестное с – это будет уравнение (7).

Подставляя в уравнении (4) значения , в, d, выраженные через с из уравнений (6), (7) и (2), находим неизвестное значение с.

Затем находим неизвестные значения , в, d, х.

• · Определяем количество азота и аргона, поступающее с техническим кислородом, м³

V = x × 0,05

Определяем количество азота и аргона в конвертированном газе, м³

V= х₅ + V ,

      х₅ - количество азота в исходном газе, м³ (см. таблицу варианты заданий).

Таблица 7.1 – Состав сухого конвертированного газа

Примечание: Количество компонентов сухого конвертированного газа в кг определяем по формулам:

G=; G= ; G=; G=; G=

• · Составляем материальный баланс конвертора

Таблица 7.2 – Материальный баланс конвертора

Примечание: Количество компонентов природного газа, количество водяного пара и технического кислорода в кг определяем по формулам:

G= ; G= ; G= ; G=; G=;

G= ; G= ; G= .

Количество израсходованного водяного пара определяем по формуле:

G= (G+ G+ G+ G+ G+ G+ G+ G) - ∑G

V=.

• · Объемное отношение пар/газ в газе после конверсии метана составляет:

n =

     Зная , в, с, d, х, находим значения статей теплового баланса, оставшиеся неизвестными, в кДж – Q₂, Q₃, Q₄

• · Потери теплоты в окружающую среду:

Q₅ = Q× 0,04

• · Составляем тепловой баланс конвертора

Таблица 7.3 – Тепловой баланс конвертора метана

Контрольные вопросы:

1. Перечислите методы получения синтез-газа.

2. Какой метод получил наибольшее распространение?

3. Как можно проводить конверсию метана для получения синтез-газа?

4. В каких аппаратах проводят конверсию метана водяным паром или диоксидом углерода?

5. В каких аппаратах проводят окислительную конверсию метана?