Материальный баланс

Производство водорода

Расчет материального и теплового балансов трубчатой печи для конверсии природного газа.

 

Составить материальный и тепловой балансы трубчатой печи для конверсии природного газа.

Состав природного газа (в объемных %):

w (СН₄)=97,8; w (С₃Н₈)=0,2; w (N₂)=1,4.

w (С₂Н₆)=0,5; w (С₄Н₁₀)=0,1;

Отношение объемов пар: газ в исходной смеси η=2,5.

Степень конверсии газа по углероду х_г=0,67.

Гомологи метана разлагаются нацело.

Соотношение между СО и СО₂ в конвертированном газе соответствует равновесию реакции при 700°С.

СО + Н₂О ó CО₂ + Н₂, ΔН=-40,9 кДж/моль (а)

Температура:

- паро-газовой смеси на входе в печь t⁰=380°C;

на выходе из печи t^к=700°C;

- дымовых газов на выходе t_дым=800°С;

- природного газа (для обогрева печи) t_п=18°С

Теплопотери в окружающую среду – 4% от прихода тепла;

Давление в конверторе р=1·10⁵ Па (1 атм).

 

Расчет вести на 100 м³ природного газа (при н.у.) (V_г=100 м³).

Материальный баланс

При конверсии метана и его гомологов протекают следующие эндотермические реакции:

СН₄ + Н₂О = СО + 3Н₂ (б)

С₂Н₆ + 2Н₂О = 2СО + 5Н₂ (в)

С₃Н₈ + 3Н₂О = 3СО + 7Н₂ (г)

С₄Н₁₀ + 4Н₂О = 4СО + 9Н₂ (д)

Образующаяся окись углерода СО конвертируется водяным паром по экзотермической реакции (а).

 

Обозначим содержание, в м³:

· компонентов в конвертированном газе

СО₂ – а; СО – b; Н₂ – с;

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

 

Объем углеводородов в пересчете на СН₄ в конечном газе V^к(СН₄):

 

V^к(СН₄) = (V(СН₄) + V(С₂Н₆)·2 + V(С₃Н₈)·3 + V(С₄Н₁₀)·4)·(1-х_г)=

= (97,8 + 0,5·2 + 0,2·3 + 0,1·4)·(1-0.67)=32,9 м³,

 

где: 2, 3, 4 – количество атомов углерода в молекулах С₂Н₆, С₃Н₈ и С₄Н₁₀ соответственно.

 

Составим балансовое уравнение по содержанию каждого элемента в исходном и конвертированном газах, в м³:

· по углероду

V(СН₄) + V(С₂Н₆)·2 + V(С₃Н₈)·3 + V(С₄Н₁₀)·4 =

= V^к(СО­₂) + V^к(СО) + V^к(СН₄);

97,8 + 0,5·2 + 0,2·3 + 0,1·4 = a + b + 32,9;

а = 66,9 – b; (1)

· по кислороду:

в исходной паро-газовой смеси содержится V(Н₂О) = V_г·η = 100·2,5=250 (м³)

V(Н₂О)·0,5 = V^к(СО­₂) + V^к(СО)·0,5 + V^к(Н₂О)·0,5;

250·0,5 = a + 0,5b + 0,5(250-d)

a + 0,5b – 0,5d = 0; (2)

· по водороду:

V(СН₄)·2 + V(С₂Н₆)·3 + V(С₃Н₈)·4 + V(С₄Н₁₀)·5 + V(Н₂О) =

= V(Н₂) + V^к(СН₄)·2 + V^к(Н₂О);

97,8·2 + 0,5·3 + 0,2·4 + 0,1·5 + 250 = с + 32,9·2 + (250-d)

с = d + 132,6 (3)

 

Соотношение между СО и СО₂ в конечном газе по условию определяется равновесием реакции конверсии СО (а).

Для определения значения константы равновесия воспользуемся следующим уравнением:

 

Константа равновесия при температуре 700°C равна 1,54 (табл.):

К= (4)

Подставляя значение а из уравнения (1) в уравнение (2), получаем:

b = 133,8 – d (5)

Подставляя в уравнение (1) значение b из (5), находим:

a = d – 66,9 (6)

Подставляя в уравнение (4) значения a, b, c, выражения через d получаем:

 

(7)

 

Откуда находим d=100м³,

а = 100 – 66,9 = 33,1 м³;

b = 133,8 – 100 = 33,8 м³;

с = 100 + 132,6 = 232,6 м³.

Объем водяного пара, вступившего в реакцию:

· с СО V₁ = V^к(СО­₂) = a = 33,1 м³ (в соответствии с уравнением1)

· с углеводородами V₂ = d – V₁ = 100 – 33,1 = 66,9 м³.

Осталось в газе водяного пара V^к(Н₂О)=V(Н₂О)–d=250-100=

= 150 м³.

Занесем состав влажного и сухого газа в таблицу 1.

Таблица 1

Состав конвертированного газа

 

Компонент	Влажный газ	Сухой газ
м3	% (об)	м3	% (об)
СН4	32,9	6,80	32,9	9,90
Н2	232,6	48,07	232,6	69,60
СО	33,8	7,00	33,8	10,15
СО2	33,1	6,84	33,1	9,93
N2	1,4	0,29	1,4	0,42
Н2О	150,0	31,00	–	–

 

Для составления материального баланса выразим состав газа до и после конверсии в кг по общей формуле:

,

где: У – компонент газа;

V(У) – его объем, м³;

М(У) – молярная масса У, кг/кмоль;

22,4 – молярный объем газа при н.у., дм³/моль.

Результаты расчета материального баланса представим в табл.2

Таблица 2

 

Материальный баланс трубчатой печи.

Компонент	Приход	Компонент	Расход
м3	кг	м3	кг
СН4	97,8	70,0	СН4	32,9	23,5
С2Н6	0,5	0,67	Н2	232,6	20,8
С3Н8	0,2	0,39	CО	33,8	42,4
N2	1,4	0,175	N2	1,4	1,75
С4Н10	0,1	0,26	СО2	33,1	65,05
Всего сухого газа	100,0	73,0		333,8	153,5
Водяной пар	250,0	201,0		150,0	120,5
Итого	350,0	274,0		483,8	274,0