Последовательность составления энергобаланса. Энергобаланс реактора каталической конверсии метана.

 

Носителями энергетических потоков являются материальные потоки. Поэтому исходной базой разработки энергетических балансов установок, производств, предприятий являются соответствующие рассматриваемым объектам материальные балансы, составленные на основании законосохранения масс

где G_i – расходы материальных потоков; n и m – числа материальных потоков входящих и выходящих из системы. При протекании химических реакций числа n и m могут быть различны.

Для примера рассмотрим материальный и тепловой балансы реактора каталитической конверсии метана для производства водорода с целью определения количества сжимаемого топливного газа (G_т, кмоль/ч или V_т, м³/ч). Сформулируем исходные данные для аппарата.

1. В реакторе протекает реакция конверсии метана

CH₄+H₂O CO+3H₂-206200 кДж/кмоль.

2. Условия проведения процесса:

а) молярное соотношение СН₄: Н₂О=1׃2;

в) температура реагентов на входе t_вх=105^оС;

с) температура реагентов на выходе t_вых=900^оС.

3. В условиях реакции равновесия практически полностью смещено вправо, следовательно, можно считать конверсию метана .

4. В качестве топлива используется природный газ состава: СН₄=98% об.; СО₂=2% об. Этот же газ используется как сырье.

5. Тепловые потери составляют 6% (с уходящими газами и через стенки камеры реактора и топки)

6. Теплота сгорания природного газа Q = 890950 кДж/кмоль.

Решение:

1. Находим из справочников значение теплоемкостей компонентов исходных и реакционных смесей для условий синтеза: а также молекулярный вес:

2. Составляем операторную схему материальных потоков для смесителя и реактора с целью определения компонентного состава исходной смеси и конвертированного газа

3. Составляем таблицу материального баланса.

Составляет таблицу теплового баланса. Физическая теплота потоков сырья и продуктов рассчитывается по формуле

Q_ф =G_i C_р,m,i t_, кДж/ч,где теплоемкости с_р,m.i,(кмоль ∙К) и температура t, ^оС, берутся соответственно потокам на входе или выходе реактора.

4.Тепловой эффект эндотермической каталитической реакции определяется по формуле Q_хим=G_СН4 М_СН4 q_хим, кДж/ч,

где q_хим – тепловой эффект реакции

5. Приравниваем все приходы и расходы и находим дефицит теплоты.

 

6. Находим расход топливного газа.

G_т=ΔQ/Q или V_т=Q_т∙22,4, где 22,4 – удельный мольный объем при нормальных условиях (Р=101,3 кПа, t= 0^оС), м³/кмоль.