Методика расчета материального баланса радиантной зоны трубчатой печи

Цель: определение состава конвертированного газа на выходе из радиантной зоны трубчатой печи.

Схема материальных потоков радиантной зоны трубчатой печи: 1 – горелка; 2 – элемент трубчатой печи; 3 – трубы с катализатором

В трубах печи протекают реакции:

СH₄+H₂O↔CO+3H₂ , ∆H=206 кДж (1)

СO+ H₂O↔CO₂+H₂, ∆H=-41 кДж (2)

C₂H₆+2H₂O↔2CO+5H₂, ∆H=347,5 кДж (3)

C₃H₈+3H₂O↔3CO+7H₂, ∆H=497,69 кДж (4)

C₄H₁₀+4H₂O↔4CO+9H₂, ∆H=651,27 кДж (5)

C₅H₁₂+5H₂O↔5CO+11H₂, ∆H=913,37 кДж (6)

Исх. данные:

а) 100м³ технологического природного газа (далее ПГ) (поток 1); б) объем добавляемой азотоводородной смеси (далее АВС) 10 м³ (поток 2); в) состав ПГ , % об.: СН4 = 93,7; С2Н6 = 3,3; С3Н8 = 1,6; N2 = 1,4; г) состав АВС, % об.: N2 = 24,54; Н2 = 74,16; СН4 = 1; Аr = 0,3; д) пар на конверсию в избытке, объемное отношение на входе в трубную печь пар: ПГ=3,7:1; е) содержание СН4 в конвертированном газе 9% об. в пересчете на сухой газ; ж) Гомологи СН4конвертируют полностью; з) объемы СО и СО2 в конвертированном газе определяются константой равновесия реакции (2) при температуре конверторного газа; и) температура газовой смеси на выходе из катализаторных труб = 827 °С.

Расчет:

1) Запишем V и состав газовых потоков на входе в печь (технол. ПГ, АВС, ПГ+АВС, м³)

2)Обозначим: V- общий объем сухого газа на выходе из печи, Vco₂ – объем СО2 в газе на выходе, Vco – объем СО на выходе, Vн₂ – объем н₂ на выходе, Vн₂о – объем водяного пара вступившего в реакцию с углеводородами.

3)Введем обозначения неизвестных объемов, м³:

х – объем прореагировавшего метана по реакции (1), м^3; у – объем прореагировавшего СО по реакции (2) к моменту прихода системы в состояние равновесия, м³; V – общий объем сухого газа на выходе; - объемы соответствующих компонентов в газе на выходе, м³.

4)Выразим объем сухого газа на выходе;

5)Выразим VСН₄ оставшегося в газе;

6) Выразим константу равновесия реакции (2) через парциальные объемы:

, (7)

парциальные объемы компонентов в газе на выходе из реакционных труб, м³.

7) Рассчитаем константу равновесия реакции при температуре на выходе из труб по эмпирической формуле , (9)

8) Подставим в (7) соответствующие выражения парциальных объемов и рассчитанное значение константы равновесия. Вместо х подставляем объем метана оставшегося в газе (из пункта 5). После преобразований приходим к квадратному уравнению, решаем его относительно y. Находим х из выражения полученного в 5 пункте.

9) Заполняем таблицу МБ.