Практическая работа №8

Тема: Расчет трубчатой печи для конверсии природного газа в производстве водорода.

Цель: Научиться составлять материальный и тепловой балансы трубчатой печи для конверсии природного газа в производстве водорода.

Теоретические основы

     Наиболее перспективным методом получения водорода является конверсия метана. Конверсия метана до водорода осуществляется в две стадии. Первая стадия – конверсия метана на никелевом катализаторе при 850-900⁰С:

СН₄ + Н₂О ® СО + 3Н₂

Вторая стадия – конверсия оксида углерода при 410-500⁰С на железохромовом катализаторе:

СО + Н₂О ® СО₂ + Н₂

     На промышленных установках первая стадия конверсии осуществляется в трубчатых печах.

Рисунок 8.1 Технологическая схема получения водорода

1- адсорбер; 2 – печь; 3 – теплообменник; 4 – пароподогреватель; 5 – конвертор; 6- котел утилизатор; 7- конденсационная башня.

     Природный газ нагревается в теплообменнике 3 до 300⁰С за счет тепла конвертированного газа и поступает в абсорбер 1, заполненный железо-содовой массой и твердым поглотителем, предназначенными для очистки от серы. После сероочистки газ смешивается с водяным паром (1:2,2). Парогазовая смесь с температурой 365⁰С направляется в печь 2, имеющую 44 радиантные трубы, которые заполнены катализатором. Конверсия протекает при 850⁰С.

     Конвертированный газ поступает в пароперегреватель 4, в котором он нагревает пар до 400⁰С, затем в теплообменник 3 и с температурой 420⁰С проходит конвертор оксида углерода 5. Дымовые газы из печи, нагретые до 900⁰С, направляются в котел-утилизатор 6, в котором образуется насыщенный пар. Пар поступает в пароперегреватель 4. Выходящий из пароперегревателя пар с  температурой 400⁰С используется для конверсии углеводородных газов. В конвертор для конверсии СО также добавляется пар с температурой 400⁰С.

     После конвертора газы поступают в котел-утилизатор 6, охлаждаются до 120⁰С и проходят в конденсационную башню, орошаемую водой; оттуда газ при 30⁰С подается на моноэтаноламиновую очистку от СО₂. В результате получается водород 95-96%-ной чистоты.

     При проведении конверсии метана под давлением достигается более полное использование тепла конвертированного газа в виде пара высокого давления, уменьшаются размеры  оборудования и энергетические затраты на сжатие водорода.

Исходные данные:

Состав природного газа:

• · Отношение объемов пар/газ в исходной смеси 2,5.
• · Степень конверсии газа по углероду 67% (Z_с).
• · Гомологи метана разлагаются нацело.
• · Соотношение между СО и СО₂ в конвертированном газе соответствует равновесию реакции при температуре газа у выхода из печи.
• · Температура паро-газовой смеси на входе в печь 380⁰С (t _вх).
• · Температура паро-газовой смеси на выходе из печи 700⁰С(t _вых).
• · Температура дымовых газов на выходе 800⁰С ((t _{дым. газ}).
• · Теплопотери в окружающую среду принять равными 4% от прихода теплоты.
• · Давление в конверторе 1× 10⁵Па (1атм) (Р).
• · Расчет вести на 100м³ природного газа (при нормальных условиях).

Порядок выполнения работы

I Материальный баланс трубчатой печи

     Обозначим содержания, в м³ компонентов в конвертированном газе

СО₂ – α;

СО – в;

Н₂ – с;

водяного пара, вступившего в реакцию с углеводородами и СО – d.

• ØОпределяем количество углеводородов в пересчете на СН₄ в конечном газе, м³:

          (х₁ + 2× х₂ + 3× х₃ + 4× х₄)× (100 – Z_с)

VСН4 = ───────────────────────

100

• ØСоставим балансовые уравнения по содержанию каждого элемента в исходном и конвертированном газах, в м³:

по углероду

х₁ + 2× х₂ + 3× х₃ + 4× х₄ = α + в + VСН4               (1)

из уравнения (1) находим α, выраженное через в.

по кислороду

(с учетом, что в исходной паро-газовой смеси содержится 100 × 2,5 = 250м³ Н₂О):

250 × 0,5 = α + 0,5 × в + 0,5 × (250 – d)

откуда                           α + 0,5 × в - 0,5 × d = 0                            (2)

по водороду

2 × х₁ + 3× х₂ + 4× х₃ + 5× х₄ + 250 = с + 2 × VСН4  + (250 – d)          (3)

из уравнения (3) находим с, выраженное через d.

• Ø Определяем константу равновесия реакции К_р.

Соотношение СО и СО₂ в конечном газе по условию определяется равновесием реакции конверсии оксида углерода водяным паром, так как при 700⁰С и 1× 10⁵Па (1атм) равновесие этой реакции достигается весьма быстро (К_р = 1,54).

В соответствии с этим:

Рсо₂ × РН₂             α × с

                                        К_р = ─────── = ───────── = 1,54                  (4)

          Рсо × РН₂О           в × (250 – d)

     Подставляя значение α из уравнения (1)  в (2), получаем в, выраженное через d.

     Подставляя в уравнение (1) значение в, выраженное через d, находим α, выраженное через d.

     Подставляем в уравнение (4) значения α, в, с, выраженные через d и находим d в м³.

     Зная d, находим α, в, с, в м³.

• Ø Определяем количество водяного пара, вступившего в реакцию, м³

с углеводородами   V = 100 – α

с окисью углерода V = α

Осталось в газе водяного пара V= 250 – 100 = 150м³

Состав газа после конверсии

Таблица 8.1 – Состав газа после конверсии

Отношение пар/газ n = V/ ∑Vсухого газа,

где Vсухого газа – объем сухого газа в м³.

• Ø Определяем количество компонентов природного газа в кг:

                                                                  х₁

GСН₄ =  ───  × МСН₄,

22,4

где МСН₄ – молекулярная масса СН₄

х₂

GС₂Н₆ =  ───  × МС₂Н₆,

22,4

где МС₂Н₆ – молекулярная масса С₂Н₆

х₃

GС₃Н₈ =  ───  × МС₃Н₈,

22,4

где МС₃Н₈ – молекулярная масса С₃Н₈

х₄

GС₄Н₁₀ =  ───  × МС₄Н₁₀,

22,4

где МС₄Н₁₀ – молекулярная масса С₄Н₁₀

х₅

GN2 =  ───  × МN2,

22,4

где МN2 – молекулярная масса молекулы азота

250

Gн₂О =  ───  × МН₂О,

22,4

где МН₂О – молекулярная масса молекулы воды

• Ø Определяем количество компонентов конвертированного газа из печи в кг:

                                                                VСН4

G =  ───  × МСН₄,

22,4

где МСН₄ – молекулярная масса СН₄

                                                                   с

GН₂  =  ───  × МН₂,

22,4

где МН₂ – молекулярная масса молекулы водорода

                                                                  в

GСО  =  ───  × МСО,

22,4

где МСО – молекулярная масса окиси углерода

                                                                 α

GСО2  =  ───  × МСО2,

22,4

где МСО2 – молекулярная масса СО₂

V

G =  ───  × МН₂О,

22,4

• Ø Составляем материальный баланс трубчатой печи.

Таблица 8.2 – Материальный баланс трубчатой печи

II Тепловой баланс трубчатой печи

• ØПриход теплоты

1. Теплота, поступающая с паро-газовой смесью, кДж

Q₁ = V_г× С_с.г× t _вх   + V_{вод. пара} × С_{вод. пара}× t _вх,

где V_г – количество природного газа (м³), по которому ведется расчет

(V_г =100м³);

       С_с.г – средняя теплоемкость сухого газа при 380⁰С, кДж/(м³× ⁰С)

С_с.г = 1,965 кДж/(м³× ⁰С);

       V_{вод. пара} – количество водяного пара в исходной газовой смеси, м³

(V_{вод. пара} = 250м³);

       С_{вод. пара} – средняя теплоемкость водяного пара при 380⁰С, кДж/(м³× ⁰С)

С_{вод. пара} = 1,555 кДж/(м³× ⁰С);

       t _вх – температура паро-газовой смеси на входе в печь, ⁰С. 

2. Теплота сгорания 1м³природного газа, определяется исходя из теплотворной способности компонентов и состава газа, кДж

q = q×  + qС₂Н₆ ×  + qС₃Н₈ ×  + qС₄Н₁₀ ×,

где q- теплота сгорания СН₄ при 18⁰С и 1× 10⁵Па (1атм), кДж/кмоль

(q= 889500 кДж/кмоль);

      qС₂Н₆ – теплота сгорания С₂Н₆ при 18⁰С и 1× 10⁵Па (1атм), кДж/кмоль

(qС₂Н₆ = 1558000 кДж/кмоль);

      qС₃Н₈ – теплота сгорания С₃Н₈ при 18⁰С и 1× 10⁵Па (1атм), кДж/кмоль

(qС₃Н₈ = 2297800 кДж/кмоль);

       qС₄Н₁₀ – теплота сгорания С₄Н₁₀ при 18⁰С и 1× 10⁵Па (1атм), кДж/кмоль

(qС₄Н₁₀ = 2870000 кДж/кмоль).

3. Теплота сгорания х м³ природного газа, расходуемого на обогрев трубчатой печи, кДж

Q₂ = q × х,

х – неизвестная величина

4. Теплота, вносимая сжигаемым газом при 18⁰С, кДж

Q₃ = х × С× t,

где С- средняя теплоемкость сухого газа при 18⁰С (С= 2,08 кДж/м³×⁰С) ;

        х – неизвестная величина

5. Общий приход теплоты (кроме теплоты, вносимой в печь воздухом, количество которого будет рассчитано ниже) составит, кДж:

Q_{прихода} = Q₁ + Q₂  + Q₃

• ØРасход теплоты

   1. Теплота расходуется на проведение эндотермического процесса конверсии. Одновременно с конверсией СН₄ и других углеводородов идет окисление СО водяным паром с выделением теплоты. Суммарный тепловой эффект протекающих при конверсии реакций определяем в соответствии с законом Гесса, по которому

Q = ∑∆Н_к - ∑∆Н_н,

где ∑∆Н_к и ∑∆Н_н – суммы энтальпий образования соединений в исходной и конечной смесях, кДж.

Q = ∆Н_CН4 × VСН4 + ∆Н_CО × в + ∆Н_CО2 × α + ∆Н_Н2О × V – х₁× ∆Н_CН4 – х₂× ∆Н_C2Н6 –

– х₃ × ∆Н_C3Н8 – х₄× ∆Н_C4Н10 – V_{вод. пара}× ∆Н_Н2О,

где ∆Н_CН4 =3300 кДж/м³;

       ∆Н_CО = 4930 кДж/м³;

       ∆Н_CО2 = 17600 кДж/м³;

       ∆Н_Н2О = 10800 кДж/м³;

       ∆Н_C2Н6 = 3680 кДж/м³;

       ∆Н_C3Н8 = 4520 кДж/м³;

       ∆Н_C4Н10 = 5480 кДж/м³.

2. Теплота влажного конвертированного газа при 700⁰С, кДж

Q_вл.к.г = ∑ (Vс.г из печи + V) × С_к.г × t _вых,

где ∑ (Vс.г из печи + V) – таблица 8.2 (расход, графа3)

      С_к.г – теплоемкость конвертированного газа, при 700⁰С

      (С_к.г = 1,55 кДж/м³×⁰С);

       t _вых – температура паро-газовой смеси на выходе из печи, ⁰С.

3. Для определения расхода теплоты с дымовыми газами найдем количество их, образующееся при сжигании 1м³ природного газа до СО₂ и Н₂О, при коэффициенте избытка воздуха 1,25.

Необходимое количество кислорода для сжигания 1м³ газа в м³

V_О2 = 1,25 × (+++)

Так как содержание кислорода в воздухе 21%(об.), воздуха необходимо, м³

V_{воздуха} =

Содержание азота в воздухе, м³

V = V_{воздуха} - V

Количество водяного пара, поступающее с воздухом при 18⁰С и влажности воздуха 0,016м³/м³

V_{вод.пара с воздухом} = V_{воздуха}× 0,016

Определяя состав дымовых газов в соответствии с реакциями

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О

С₂Н₆ + 3,5О₂ = 2СО₂ +3Н₂О

С₃Н₈ + 5О₂ = 3СО₂ + 4Н₂О

С₄Н₁₀ + 6,5О₂ = 4СО₂ + 5Н₂О

находим, что при сгорании 1м³ газа образуется, м³

VСО2 = + + +

V_Н2О = + + +

Останется кислорода, м³

V= V -

Газ содержит водяных паров

V_{вод. паров в газе} = V + V_{вод.пара с воздухом}

Состав дымового газа, получаемого при сжигании 1м³природного газа

Таблица 8.3 – Состав дымового газа

Расход теплоты с дымовыми газами составит, кДж

Q^I = (VСО2 + V+ V_N2 + V_{вод. паров в газе})× х × С_{дым.газа}× t _{дым. газ},

где х – количество природного газа, м³ (величина неизвестная);

       С_{дым.газа} – средняя теплоемкость дымового газа такого состава при 800⁰С, отнесенная к 1м³, равна 1,48 кДж/(м³× ⁰С).

       t _{дым. газ} – температура дымовых газов на выходе ⁰С.

4. Приход теплоты с поступающим в печь воздухом (при 18⁰С), кДж

Q₄ = (V_{воздуха} × C_{воздуха}   + V_{вод.пара с воздухом}× С_{вод. пара})× t × х,

где C_{воздуха}  - средняя теплоемкость воздуха при 18⁰С, равная

0,983кДж/(м³× ⁰С);

С_{вод. пара} – средняя теплоемкость водяного пара при 18⁰С, равная

 1,79кДж/(м³× ⁰С);

х – неизвестная величина

5. Уравнение теплового баланса трубчатой печи с учетом теплопотерь в окружающую среду (принимаем их равными 4% от прихода) имеет вид

0,96×( Q_{прихода} + Q₄) = Q + Q_вл.к.г + Q^I

 из уравнения теплового баланса трубчатой печи находим х, м³.

Затем находим, в кДж Q₂, Q₃, Q₄, Q^I

Расход влажного воздуха, подаваемого в топку, составляет, м³

V_{вл. воздуха}  = (V_{воздуха} + V_{вод.пара с воздухом}) × х

Количество дымового газа

V_{дым. газа} =(VСО2 + V+ V_N2 + V_{вод. паров в газе})× х

Составляем тепловой баланс трубчатой печи.

Таблица 8.4 - Тепловой баланс трубчатой печи

Контрольные вопросы:

1. Назовите наиболее перспективный метод получения водорода.

2. Назовите стадии конверсии метана до водорода.

3. Расскажите технологическую схему получения водорода.