Избранные главы химической технологии. Дополнительный выпуск (стр. 8 )

Для потоков кислорода, азота и аргона воспользуемся соотношениями (28), в которых определяется по уравнению (39), и разрешим (42) относительно Т * :

(43)

,

где =CP, СН4+CP, СО+CP, Н2О+

+CP, Н2 +CP, СО2.

Очевидно, что адиабатный разогрев смеси (Т * >Т2) происходит в силу того, что энтальпия реакции окисления 3H отрицательна.

Подставляя в последнее выражение величины потоков веществ на входе 2 в Ш. Р. (9) – (12), получим

=[(1 – 2)CP, СН4+( 2 – 2)CP, СО+( – 2 –

– 2)CP, Н2О+(3 2 + 2)CP, Н2 + 2CP, СО2] .

Cгруппируем члены в соответствии со стехиометрией реакций (1) и (2):

= [ CP, Н2О+ CP, СН4+ 2(–CP, СН4–CP, Н2О+3CP, Н2+

+CP, СО) +  2(–CP, СО– CP, Н2О+CP, Н2+ CP, СО2)] ;

в результате отношение, стоящее в знамена, приводится к виду

= CP, Н2О+ CP, СН4+  2 1CP+   2 2CP. (44)

Так как температура адиабатного разогрева не должна превышать предельно допустимой величины, определяемой термической устойчивостью конструкции аппарата, то, как ясно из полученных выражений (43) и (44), существует определенное ограничение сверху на температуру смеси Т2 на входе в Ш. Р. Из других параметров наибольшее влияние на температуру Т* оказывает величина отношения потока пара к потоку метана на входе в ниже это отношение, тем выше подъем температуры Т*. Таким образом, на величину накладывается ограничение снизу.

Для строгого расчета адиабатного разогрева требуется информация об относительных скоростях окисления горючих компонентов смеси Н2 , СО и СН4 и учет вклада других реакций окисления, помимо (3). Однако в силу близости теплот сгорания Н2 и СО, низкого содержания СН4 в смеси и его более низкой реакционной способности, полученные поправки будут незначительны.

4.3. Уравнения энергетического баланса для реактора в целом

Выше определена величина потока воздуха в Ш. Р., обеспечивающая получение требуемого соотношения (Н2 + СО) : N2 на выходе Ш. Р. при заданной степени превращения метана 4. Для нахождения условий, при которых степень превращения метана будет достаточно высокой, необходимо составить энергетический баланс для реактора в целом.

Интегральное уравнение баланса энергии для Ш. Р. характеризует совокупность происходящих в реакторе трансформаций энергии: превращение химической энергии окисляемых веществ в тепловую в головной части реактора и последующее обратное превращение в катализаторном слое тепловой энергии смеси реагентов в химическую энергию продуктов эндотермической реакции конверсии. Интегральное уравнение не должно включать температуру Т* адиабатного разогрева, являющуюся внутренним параметром процесса.

Воспользуемся уравнениями (19) для расчета абсолютной величины каждого из слагаемых в уравнении баланса энергии для адиабатного процесса (40). Как и в предшествующем разделе, температуру воздуха на входе 3 в Ш. Р. считаем равной температуре Т2 смешиваемых с ним газов, выходящих из реакционных труб Т. П. (рис.4). С учетом того, что потоки азота и аргона не изменяются от входа к выходу Ш. Р., имеем:

0 = HH2(T4)+HCH4(T4)+HCO(T4)+HH2O(T4)+HCO2(T4)+HN2(Т4)+HAr (Т4)–HH2(T2)–HCH4(T2)–HCO(T2)–HH2O(T2)–HCO2(T2)–HN2 (Т2)–HAr (Т2)–HO2(T2) . (45)

Подставим в (45) значения рассчитанных ранее потоков веществ на входах и выходах Ш. Р. (9) – (12) и (34) – (37):

0 = [(3 4+ 4)–2]HH2(T4)+(1–4)HCH4 (T4)+(4– 4)HCO(T4)+[
( – 4– 4)+2]HH2O(T4)+c 4HCO2(T4)+HN2(T4)+HAr(T4)–(32+2)HH2(T2)–(1–2)HCH4(T2)–(2– 2 )HCO(T2)–( – 2– 2 )HH2O (T2)–2 HCO2(T2)–HN2 (T2)–HAr (T2)–HO2 (T2) =   [4(3HH2(T4)+HCO(T4) – HCH4(T4) – HH2O(T4)) –