Материальный баланс. Расчет материального и теплового балансов конвертора второй ступени

Расчет материального и теплового балансов конвертора второй ступени

Составить материальный и тепловой балансы конвертора второй ступени.

Окислители: водяной пар и кислород воздуха

 

 

Исходные данные
Состав газа, поступающего на конверсию после трубчатой печи (сухой газ, м 3): CH4 Н2 CО CО2 N 2 Всего	30,3 200,2 30,8 40,0 1,1 302,4
Отношение объемов (СО + Н 2 ): N 2	3,2
Водяной пар, м 3 /100 м 3 сухого газа
Содержание метана в сухом конвертированном газе, об.%	0,3
Температура, 0С: - в конверторе - газа после трубчатой печи - воздуха, поступающего на окисление

Соотношение между СО и СО₂ в конвертированном газе соответствует равновесию реакции

СО + Н₂О = СО₂ + Н₂ при температуре конверсии.

Теплопотери принять равными 2% от прихода тепла.

Материальный баланс

Обозначим объемы газов в м³: V – объем сухого газа, выходящего из конвертора второй ступени, в нем содержится СО₂ – а, СО – b, Н₂ – с, d – объем прогоревшего водяного пара за вычетом образовавшегося в результате сгорания водорода, у – расход воздуха на окисление.

Используя заданный состав газа, поступающего на конверсию, на­ходим содержание компонентов в 100 м³ сухого газа:

м³ м³

СH₄ =30,3/302,4*100=10,02 С0₂=40/302,4*100=13,23

H₂ =200,2/302,4*100=66,2 N₂ =1,1/302,4*100=0,36

СО =30,8/302,4*100=10,19

Рассчитаем объем водяного пара на 100 м³ сухого газа:

(150/302,4) ∙100 =49,6 м³.

Составим балансовые уравнения по содержанию каждого элемента в газе, поступающем и выходящем из конвертора второй ступени (в м³). Учтем при этом, что в газе, выходящем из конвертора, содержится 0,003V м³ метана и 0,79у м³ азота.

Баланс:

по углероду: 10,02 + 10,19 + 13,22 = a + b + 0,003V;

33,44 = a + b + 0,003V (1)

по водороду: 2*10,02 + 66,2 + 49,6 = с + (49,6 - d) + 2*0,003V

86,24 = с + 0,006V - d (2)

по кислороду: 0,5*10,19 + 13,32 + 0,5*49,6 + 0,21у = а + 0,5b + (49,6 – d)

18,42 + 0,21y = a + 0,5b-0,5d (3)

Объем сухого конвертированного газа:

V= a + b + с + 0,003V + 0,36 + 0,79y (4)

В соответствии с заданием можно написать:

;

b = 1,152 + 2,53у – с. (5)

Поскольку соотношение между СО и СО₂ в конвертированном газе определяется равновесием реакции конверсии СО водяным паром при 900⁰С и 1 атм, когда К_р = 0,87, то:

; (6)

Вычитая уравнение (4) из уравнения (1), получаем:

V = с + 0,79у + 33,79;

Подставляя в уравнение (1) значения V из уравнения (7) и b из (5), получаем:

а = 32,176 + 0,997с – 2,53у;

Подставляя в уравнение (2) значения V из уравнения (7), получаем:

d = 1,006с + 0,0047у – 86,03;

Подставляя значения a, b, d из уравнений (8), (5) и (9) в уравнение (3) находим:

у = 54,01 – 0,0056с;

Подставляя в уравнения (5), (8) и (9) значение у из (10), получаем:

а = 1,011с – 104,47;

b = 137,84 – 1,014с;

d = 1,006с – 85,78.

Подставляя найденные a, b, d в уравнение (6) и решая его относительно с, получаем два значения с: с₁ = 108,4 и с₂ = -1215.

Выбираем первый корень из логического условия неотрицательности объема газа.

Зная с, находим в м³:

а = 4,92; b = 28,32; d = 23,07; у = 53,4;

V = 184,18; 0,003V = 0,55.

Состав сухого конвертированного газа занесем в табл.2:

Таблица 2

Состав сухого конвертированного газа

Газ	Объем, м3	Содержание, %(об.)	Масса, кг
СН4	0,55	0,3	0,39
Н2	108,2	58,8	9,66
СО2	4,92	2,67	9,66
СО	28,32	15,4	19,25
N2	0,36+53,4+0,79=42,55	23,1	53,18
Всего	184,54	100,2	92,14

 

Количество водяного пара в конвертированном газе составляет:

49,6+23,07=72,67 м³;

72,67*(18/22,4)=58,40 кг.

Отношение пар/газ равно: 72,67/184,2=0,39.

Отношение: соответствует заданному.

Представим материальный баланс конвертора второй ступени в виде таблицы 3.

Таблица 3

Материальный баланс конвертора второй ступени

Приход	кг	м3	Расход	кг	м3
Газ из трубчатой печи	Конвертированный газ
СН4	7,25	10,02	СН4	0,39	0,55
СО	12,8	10,19	СО	35,1	28,32
СО2	26,47	13,32	СО2	9,66	4,92
Н2	5,91	66,2	Н2	9,66	108,2
N2	0,48	0,36	N2	53,18	42,55
Н2О	39,96	49,6	Н2О	58,4	72,67
Воздух
О2		11,2
N2	52,84	42,19
Всего	161,71	203,08	Всего	166,39	257,21