Избранные главы химической технологии. Дополнительный выпуск (стр. 7 )

= (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

4.2. Оценка адиабатного разогрева смеси в головной части шахтного реактора

В головной части реактора происходит практически полное расходование кислорода воздуха на реакции окисления горючих компонентов смеси: Н2 , СО и СН4 . Среди этих реакций превалирует реакция окисления Н2 , так как больше всего в смеси содержится водорода. Поэтому именно окисление Н2 (реакция (3)) включено в систему итоговых уравнений (1) – (3), описывающих процесс конверсии в Ш. Р.

Адиабатный разогрев смеси приводит к резкому возрастанию температуры внутри реактора. Чтобы предотвратить термическое разрушение реактора, необходимо определить условия, при которых эта температура не превысит предельно допустимого значения. (В действующих шахтных реакторах средняя температура над катализатором после связывания кислорода воздуха обычно составляет 1200 – 1300оС [2, 3] ).

Оценим температуру Т * адиабатного разогрева смеси для наиболее вероятной реакции горения Н2 , считая, что горение происходит так быстро, что реакции конверсии не успевают начаться, и состав смеси меняется только за счет горения. Для расчета применим уравнение энергетического баланса

для адиабатного аппарата [1]: – , (40)

в котором входным параметрам соответствуют условия на входе в Ш. Р., а выходным параметрам будут соответствовать условия гипотетического промежуточного состояния внутри Ш. Р., когда реакция (3) полностью завершена, а реакции (1) и (2) еще не начались.

Подставляя в (40) абсолютные значения слагаемых (19) и учитывая, что поток оставшегося после горения водорода согласно уравнению реакции (3) равен – 2 , а поток паров воды к моменту завершения горения равен + 2 , получим (здесь и далее принимаем, что поток воздуха поступает на вход 3 Ш. Р. при той же температуре T2 , что и реакционная смесь на вход 2 , то есть T3=T2):

0 = (–2)HH2(T *)–HH2(Т2)+(+

+2)HH2O(Т *)–HH2O(Т2)– HО2(Т2)+

+[HCH4(Т *)–HCH4(Т2)]+[HCО(Т *)–HCО(Т2)]+

+[HCО2(Т *)–HCО2(Т2)]+[HN2(Т *)–HN2(Т2)]+

+[HAr(Т *)–HAr(Т2)] . (41)

Добавим к уравнению (41) тождество

0 = – HО2(Т *) + HО2(Т *)

и сгруппируем члены уравнения так, чтобы выделить тепловой эффект реакции (3) 3H(Т *); одновременно перейдем к приближению постоянства теплоемкостей компонентов смеси (уравнения (23) – (26)) для того, чтобы потом получить аналитическую зависимость температуры Т * от параметров процесса:

0 = [ 3H(298)+ 3CP(Т *–298)]+(Т * – Т2).[CP, СН4+ +CP, СО+ CP, Н2О +CP, Н2 +CP, СО2+

+CP, О2+CP, N2+CP, Ar ] . (42)