Розділ 19. Розрахунок трубчатого реактора конверсії природного газу

Парова каталітична конверсія природного газу (ПГ), основною складовою частиною якого є метан, протікає у трубчатому реакторі на нікелевому каталізаторі згідно рівнянь:

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂ - Q (1)

CO + H₂O = CO₂ + H₂ + Q (2)

Швидкість парової каталітичної конверсії метану під тиском до 4 МПа в реакторі ідеального витіснення описується рівнянням:

(3)

де Р_і - парціальний тиск компонента; τ - час контакту;

К - константа швидкості реакції (1);

К₁ - константа рівноваги реакції (1).

Необхідна температура в реакційних трубах підримується за рахунок спалювання природного газу в міжтрубному просторі. Для спрощення розрахунок неадиабатичного реактора, яким є трубчата піч, зводиться до розрахунку ізотермічного реактора при середній температурі:

Тс = 68,5 × Н^0,46 + 823,

де Н – довжина труби в зоні обігріву, м.

Константа швидкості розраховується при середній температурі:

lgK = 6,3 - 4720/Tс _.

Константа рівноваги К₁ розраховується при температурі на виході Т:

При кількості вихідного газу (метану) 1 моль (або 1 м³), об'ємному (молярному) співвідношенні пара/газ = N на вході в реактор і з урахуванням стехіометрії реакцій (1) і (2) число моль (або м³) n_i і парціальні тиски P_i компонентів конвертованого газу розраховують згідно рівнянь таблиці.

У цих рівняннях не враховано присутність у вихідному газі водню, що поступає з азотоводневою сумішю (10 % об'єму природного газа) на гидрування сполук сірки. В складі ПГ відсутні також всі гомологи метану – вуглеводні представлені тільки метаном. Ці фактори не мають значного впливу на розрахунок об'єму каталізатора з врахуванням досить великого коефіцієнта запаса каталізатора.

Таблиця – Розрахунок складу сухого (с.г) і вологого (в.г.) газу

Кількість моль, с.г.	Кількість моль, в. г.	Парціальний тиск, в.г.
		Загальний тиск Р

Ступінь перетворення метану за реакцією (1) дорівнює:

Звідки де- парціальний тиск метана у вихідній парогазовій суміші З урахуванням вище наведених формул рівняння швидкості (3) приймає вигляд:

(4)

Позначимо як dS функцію, що містить змінні рівняння (4):

(5)

яку визначають числовим інтегруванням від нуля до х по х при фіксованому y (значення y визначається положенням рівноваги реакции (2), що встановлюється практично міттєво).

Тоді час контакта, с

а об'єм катализатора, що завантажується у труби:

де - витрата сухої газової суміші, нм³/год. ; значення інших параметрів - дивись вихідні дані.

Кількість реакційних труб:

де D - зовнішній діаметр труби, м; В - товщина стінки труби, м.

За результатами розрахунку n вибирається стандартна трубчата піч з кількістю реакційних труб 200 або 500 для забезпечення продуктивності за аміаком 600 або 1360 т/добу, відповідно.

Мета роботи: визначення об’єму каталізатора і кількості реакційних труб інтегруванням кінетичного рівняння в середовищі MathCad, складання матеріального і теплового балансів.

Вихідні дані

Продуктивність за аміаком, Q – 600 т/добу.

Витрата технологічного природного газа на 1 т аміака R – 667 м³.

Співвідношення пара/газ, N – 3.7. Тиск процеса, P – 32 атм.

Температура на виході, T – 1098 K.

Ступінь перетворення СH₄, х – 0.688. Ступінь перетворення СО, у – 0.344.

Розмір труб: зовнішній діаметр, D – 0.134 м; товщина стінки, B – 0.016 м;

довжина труби в зоні обігріву, H – 12 м.

Ступінь використання поверхні каталізатора, А – 0.2.

Порозність насадки, С – 0,5. Коефіцієнт запасу, Кzap – 2.