4 Розрахунок складу продуктів кисневої конверсії природного газу і температури процесу

Послідовність розрахунку кисневої конверсії природного газу

Конверсія це перетворення, яке виникає з вуглеводним газоподібним паливом під дією температури в присутності окислювача (повітря, кисень, пар, вуглецевий газ та їх суміші) з метою отримання газу з заданими властивостями.

Нижче розглянемо лише методику розрахунку рівновісного складу продуктів кисневої конверсії метану. Цей процес можна описати наступним хімічним рівнянням:

,

де k – коефіцієнт, що задає питому витрату кисню на одиницю метану;

a, b, c, d – кількість відповідних компонентів в продуктах конверсії.

Для визначення рівновісного складу продуктів конверсії необхідно скласти балансові рівняння для вуглецю, кисню і водню:

баланс по вуглецю: ;

баланс по кисню:

баланс по водню: .

Для того, щоб визначити склад продуктів конверсії (тобто визначити чотири невідомих величини) трьох розглянутих рівнянь замало. Необхідно ввести ще одне рівняння. Для цього використаємо вираз константи рівноваги реакції водяного газа: .

Маючи чотири шуканих змінних і чотири рівняння, знаходимо значення змінних (a, b, c, d). Це дає змогу обчислити об’єм продуктів конверсії і їх склад, %:

Значення константи рівноваги реакції водяного газу знаходимо в залежності від температури в термодинамічних довідниках [3] або розраховуємо за наступною формулою:

Коли температура процесу конверсії відома перед початком розрахунку задача вирішується досить просто, але в більшості випадків її значення також є шуканою величиною. В цьому випадку розрахунок виконується наступним чином:

1. Довільно обираємо значення температури процесу конверсії:

2. За допомогою цього значення знаходимо константу рівноваги реакції водяного газа і склад продуктів конверсії за викладеною вище методикою;

3. Будуємо тепловий баланс процесу конверсії ,

де Q_k– теплота, що виділяється в процесі конверсії, кДж/м³(тепловий баланс будуємо для випадку конверсії 1 м³метану). Теплота конверсії метану визначається за наступною формулою, кДж/м³. На основі теплового балансу знаходимо значення температури конверсії:, де с_ПК^tk– теплоємність продуктів конверсії при температурі конверсії (використовуємо задане раніше значення температури). Теплоємність продуктів конверсії визначається наступним чином. Значення температури газових компонентів в залежності від температури знаходимо в роботі[2];

4. Порівнюємо визначене за формулою і задане значення температури процесу конверсії. Якщо різниця менше 5 С розрахунок вважаємо завершеним. Якщо вона більша, приймаємо визначене за формулою значення температури як вихідне і повертаємося до другого кроку розрахунку. Ітераційну процедуру визначення температури конверсії проводимо до тих пір, коли різниця між знайденими значеннями температури з двох сусідніх ітераційних кроків не стане меншою 5С. При цьому останнє отримане значення температури і склад продуктів конверсії вважаємо рішенням задачі.

Завдання по розрахунку складу продуктів кисневої конверсії природного газу і температури процесу

Визначити склад продуктів кисневої конверсії природного газу (припускаємо, що він на 100 % складається з метану) і температуру процесу для випадку, коли коефіцієнт витрати кисню дорівнює k. Варіанти значення коефіцієнта витрати кисню наведено в таблиці 4.

Таблиця 4 – Значення коефіцієнтів витрати кисню

№ вар.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
k	0.55	0.6	0.7	0.75	0.8	0.65	0.7	0.65	0.8	0.75	0.6	0.56	0.57	0.58	0.6