Задача 4

 

Составить материальный и тепловой баланс низкотемпературного конвертора СО производительностью по аммиаку 1200 т/сут. Расчет вести на 100 м³ сухого газа на входе.

Исходные данные:

Состав сухого газа на входе, % об.: Н₂ – 60,41, N₂ – 20,40, СО – 3,55, СО₂ – 15,04, CH₄ – 0,30, Ar – 0,30.

Объемное отношение на входе в реактор пар:сухой газ = 0,55.

Температура ПГС на входе в конвертор 225 ^оС.

Адиабатический разогрев смеси в результате конверсии равен 15 ^оС.

Соотношение между компонентами газа на выходе при условии достижения равновесия задается величиной константы равновесия реакции при температуре на выходе из реактора.

Давление газа на выходе 26 атм.

Потери тепла в окружающую среду принять равными 0,5% от прихода тепла.

Решение:

СО + Н₂О ↔ СО₂ + Н₂.

Материальный и тепловой баланс решаются совместно. Неизвестной величиной является степень превращения оксида углерода (II), которую обозначим через a.

Условие теплового баланса:

Q_приход = Q_расход. (12)

 

 

Уравнение теплового баланса:

Q₁ + Q₂ = Q₃ + Q₄, (13)

где Q₁ – физическое тепло ПГС на входе в конвертор, кДж; Q₂ – тепло экзотермической реакции конверсии СО, кДж; Q₃ – физическое тепло ПГС на выходе из конвертора, кДж; Q₄ – потери тепла в окружающую среду, кДж.

1) Q₁ = V_вх·c_вх·t_вх, (14)

где V_вх – объем ПГС на входе, м³; c_вх – средняя объемная теплоемкость ПГС при температуре на входе, кДж/(м³·К); t_вх – температура на входе, ^оС.

Объем ПГС на входе: V_вх = V_{сух.газ} + V_пар = 100 + 55 = 155 м³.

Расчет средней теплоемкости ПГС при 225 ^оС (498 К):

Таблица 7.

Компонент	с, кДж/(м3·К)
Н2	1,291
N2	1,321
СО	1,327
СО2	1,874
СН4	1,840
Ar	0,928
Н2О	1,539

 

Рассчитываем среднюю теплоемкость ПГС по формуле (2):

= 1,4407 кДж/(м³·К).

Q₁ = 155·1,4407·225 = 50244,4 кДж.

2) Q₂ = V_p·q, (15)

где V_р – объем фактически прореагировавшего СО, м³; q – теплота реакции, кДж/м³.

Объем фактически прореагировавшего СО выразим следующим образом:

V_p = a·V_вх^СО, (16)

где a - степень превращения СО, доли ед.; V_вх^СО – объем СО на входе, м³.

Теплоту реакции (в кДж/кмоль) рассчитаем по формуле [1]:

q = 44650 – 6,03·Т – 1,67·10^-4·Т² + 0,351·10^-6·Т³. (17)

Среднюю температуру в слое катализатора ориентировочно примем равной:

(498 + 513)/2 = 505,5 К.

 

 

Тогда по (17):

q = 44650 – 6,03·505,5 – 1,67·10^-4·505,5² + 0,351·10^-6·505,5³ = 41605 кДж/кмоль.

Q₂ = V_вх^СО·q·a = 3,55·41605/22,4·a = (6593,65·a) кДж.

3) Выразим Q_приход

Q_приход = Q₁ + Q₂ = (50244,4 + 6593,65·a) кДж.

4) Q₃ = V_вых·c_вых·t_вых, (18)

где V_вых – объем ПГС на выходе, м³; c_вых – средняя объемная теплоемкость ПГС при температуре на выходе, кДж/(м³·К); t_вых – температура на выходе, ^оС.

Т.к. реакция конверсии СО протекает без изменения числа моль реагентов, то объемы ПГС на входе и на выходе равны. Обозначим их через V.

Объем ПГС на выходе: V = V_вых = V_вх = 155 м³.

Расчет средней теплоемкости ПГС при 240 ^оС (513 К):

Таблица 8.

Компонент	с, кДж/(м3·К)
Н2	1,291
N2	1,322
СО	1,329
СО2	1,885
СН4	1,860
Ar	0,928
Н2О	1,542

 

Выразим состав ПГС на выходе:

V_вых^СО = V_вх^СО - a·V_вх^СО; V_вых^Н₂^О = V_вх^Н₂^О - a·V_вх^СО; V_вых^Н₂ = V_вх^Н_{2 +} a·V_вх^СО;

V_вых^СО₂ = V_вх^СО₂ + a·V_вх^СО.

Выразим среднюю теплоемкость ПГС по формуле (2):

Q₃ = 155·(1,443 + 0,00699·a)·240 = (53679,6 + 260,028·a) кДж.

5) Выразим Q₄:

Q₄ = (50244,4 + 6593,65·a)·0,005 = (251,22 + 32,968·a) кДж.

6) Выразим Q_расход:

Q_расход = Q₃ + Q₄ = 53679,6 + 260,028·a + 251,22 + 32,968·a = (53930,82 + 292,996·a) кДж.

 

7) Рассчитаем a, используя условие теплового баланса (12):

50244,4 + 6593,65·a = 53930,82 + 292,996·a

a = 0,585.

Тогда:

Q₂ = 6593,65·0,585 = 3857,3 кДж.

Q₃ = 53679,6 + 260,028·0,585 = 53831,7 кДж.

Q₄ = 251,22 + 32,968·0,585 = 270,5 кДж.

Сведем полученные данные в таблицу теплового баланса.

Таблица 9.

Тепловой баланс конверсии СО второй ступени.

Приход тепла	Расход тепла
Поток тепла	кДж	%	Поток тепла	кДж	%
Физическое тепло газа на входе	50244,4	92,87	Физическое тепло газа на выходе	53831,7	99,50
Тепло реакции конверсии	3857,3	7,13	Потери тепла в окружающую среду	270,5	0,50
Всего	54101,7		Всего	54102,2

 

Таким образом, тепловой баланс выполняется.

8) Рассчитаем состав ПГС на выходе.

Прореагировало СО: 0,585·3,55 = 2,08 м³ СО.

Столько же м³ прореагировало Н₂О; столько же м³ образовалось СО₂ и Н₂.

Осталось СО: 3,55 – 2,08 = 1,47 м³ СО.

Осталось Н₂О: 55 – 2,08 = 52,92 м³ Н₂О.

Стало СО₂: 15,04 + 2,08 = 17,12 м³ СО₂.

Стало Н₂: 60,41 + 2,08 = 62,49 м³ Н₂.

Составим таблицу материального баланса.

 

Таблица 10.

Материальный баланс конверсии СО второй ступени.

Приход	Расход
Компонент	Объем, м3	%	Компонент	Объем, м3	%
Н2	60,41	38,98	Н2	62,49	40,32
N2	20,40	13,16	N2	20,40	13,16
СО	3,55	2,29	СО	1,47	0,95
СО2	15,04	9,70	СО2	17,12	11,05
СН4	0,30	0,19	СН4	0,30	0,19
Ar	0,30	0,19	Ar	0,30	0,19
Н2О		35,49	Н2О	52,92	34,14
Всего			Всего

 

Таким образом, материальный баланс сходится.

 

 

 

Литература

 

1. Расчеты по технологии неорганических веществ / Под ред. М.Е. Позина. – Л.: Химия, 1977. – 496 с.

2. Расчеты по технологии неорганических веществ /Под ред. П.В. Дыбиной. – М.: Высшая школа, 1967. – 524 с.

3. Химическая технология неорганических веществ: В 2 кн. Кн.1: Учеб. пособие для вузов /Под ред. Т.Г. Ахметова. – М.: Высш. шк., 2002. – 688 с., Кн.2. – 533с.

4. Краткий справочник физико-химических величин /Под ред. А.А. Равделя, А.М. Пономаревой. – СПб.: “Иван Федоров”, 2003. – 238 с.

5. Справочник азотчика. – Кн. 1. – М.: Химия, 1986. – 512 с. Кн. 2. – М.: Химия, 1987. – 464 с.

6. Технология связанного азота / Под ред. В.И. Атрощенко. – Киев: Вища школа, 1985. – 327 с.

7. Производство аммиака / Под ред. В.П. Семенова. – М.: Химия, 1985. – 368 с.

8. Курс технологии связанного азота. – М.: Химия, 1969.