Уравнения материального и энергетического баланса для вторичного реформинга метана
4.1. Расчет потока воздуха для приготовления азотоводородной смеси требуемого состава.

Как уже отмечалось, на выходе Ш.Р. в энерготехнологической схеме производства аммиака получают смесь газов с требуемым содержанием азота для последующего синтеза аммиака. В данном разделе показано, как, используя уравнения материального баланса, рассчитать необходимое соотношение между сырьевым потоком СН₄ , поступающим в реакционные трубы Т.П., и потоком воздуха, подаваемым в Ш.Р. (рис.4).

Рис 4. К анализу расширенной подсистемы, включающей реакционные трубы и шахтный реактор

Монооксид углерода, получаемый на выходе Ш.Р., практически полностью вступает затем в реакцию (2) с водяным паром в следующих за Ш.Р. конвертерах 5 и 6 (рис.1) и таким образом заменяется в смеси эквивалентным количеством молей водорода. Для синтеза аммиака соотношение компонентов в азотоводородной смеси должно быть близким к стехиометрическому согласно уравнению реакции

N2

+

Н2

= NН3 ,

   следовательно, на выходе Ш.Р. необходимо получить отношение суммарного количества водорода и монооксида углерода к азоту, близкое к 3:1.

Однако в связи с тем, что часть водорода из азотоводородной смеси используется на гидрирование остаточных количеств СО и СО₂ в метанаторе 8, а часть – на гидрирование сернистых соединений в аппарате сероочистки 1, соотношение суммарного количества водорода и монооксида углерода к азоту на выходе Ш.Р. должно быть несколько большим, чем 3 – от 3.05 до 3.1 [2]. Это отношение зависит от количества серасодержащих веществ в природном газе, от глубины конверсии СО в СО₂ и глубины очистки азотоводородной смеси от диоксида углерода. Примем для определенности

=

= 3.05 (27)

(нумерация входов и выходов дана на рис. 4).

Так как мольные доли основных компонентов воздуха равны

x_O2 = 0.21, x_N2 = 0.78, x_Ar = 0.009 ,

имеем следующее соотношение между потоками компонентов и суммарным потоком воздуха на входе 3 в Ш.Р.:

:

:

:

= 0.21 : 0.78 : 0.009 : 1 . (28)

Составим уравнения материального баланса по химическим элементам для расширенной подсистемы, включающей реакционные трубы Т.П. и Ш.Р. (рис.4).

Баланс по азоту (пренебрегая количеством азота, поступающим через блок сероочистки со вспомогательным потоком азотоводородной смеси):

= . (29)

Баланс по углероду для рассматриваемой подсистемы (на вход 3 углеродсодержащие вещества не поступают):

–

–

–

= 0 . (30)

  Баланс по кислороду в предположении, что кислород полностью расходуется на процессы окисления в Ш.Р. (=0):

+ 2

–

–

– 2

= 0 . (31)

   Баланс по водороду:

4

+ 2

– 4

– 2

– 2

= 0 . (32)

    Обозначим через ₄ степень превращения метана, достигаемую на выходе Ш.Р.,

4 =

. (33)

Аналогично тому, как это делалось для реакционных труб Т.П. выразим из системы уравнений (30) – (33) все неизвестные потоки веществ на выходе из Ш.Р. через входные потоки веществ, степень превращения  ₄ и долю питающего потока метана, превращаемого в диоксид углерода

4 =

Из (33) следует

= (1 –  ₄ ) , (34)

из (30) и (33) имеем

= ( ₄ – ₄ ) , (35)

из (31) и (35) следует

= ( – ₄ – ₄ ) + 2 , (36)

из (32), (33) и (36) получается

= (3 ₄   + ₄) – 2 (37)

Теперь можно подставить в уравнение (27) выражения (37) и (35) для потоков и , а также полученное из соотношений (28) и (29) выражение для потока = , откуда следует:

44

= ( 2 +

)

или

=    ₄ , (38)

где = , 0.300 при = 3.05 .

Как следует из (38) и (28), отношение потока воздуха на входе в Ш.Р. к сырьевому потоку СН₄ на входе в Т.П. должно быть равно

=

(39)

  Необходимо подчеркнуть, что целевой функцией работы отделения конверсии природного газа является не степень превращения метана, а величина выхода азотоводородной смеси в расчете на моль конвертируемого метана. Однако из (39) следует, что поток воздуха на входе в Ш.Р. пропорционален величине ₄ , значит, поток азота на выходе из Ш.Р. и поток азотоводородной смеси, производимой отделением конверсии, пропорциональны степени превращения метана.