Методические основы построения математической модели совместного производства, страница 10

          Результатами расчета блока синтеза аммиака являются выработка аммиака и необходимая мощность компрессора.

Перейдем к рассмотрению блока синтеза метанола. Материальный баланс стадии конденсации воды (см. рис. 8) сводится решением уравнения (2.38), стадии конденсации метанола-сырца – решением методом итераций системы из двух уравнений типа (2.31), записанных для двух веществ – метанола и воды. Материальный баланс стадии синтеза метанола вытекает из расчета реактора по методике, изложенной в разделе 2.4.4.

Тепловой баланс реактора выразили уравнением:

                                                   Q₁ + Q₂ = Q₃ + Q₄                                           (2.71)

где Q₁ - физическое тепло газовой смеси на входе в реактор; Q₂ - тепловые эффекты реакций (2.22),(2.23); Q₃ - физическое тепло газовой смеси на выходе из реактора; Q₄ - тепло, подлежащее утилизации. Количество выработанного пара G (кг/ч), находили по формуле:

                                                   G =  Q₄/(Н_п – Н_в)                                            (2.72)

где Н_п и Н_в – энтальпии пара на выходе из реактора и воды на входе в реактор, Дж/кг.

В Главе 4 мы рассмотрим вопросы организации теплообмена в контуре метанола. Независимо от способа организации схема теплообмена будет включать набор аппаратов, для которых характерны типичные уравнения теплового баланса. На рис. 11 условно изображен теплообменный аппарат.

  Пусть в результате охлаждения потока 1-2 из него конденсируется жидкая фаза.  Тогда уравнение теплового баланса записывали следующим образом:

        Q₁ + Q₂ = Q₃ + Q₄                               (2.73)

где Q₁ – теплота охлаждения сухого газа потока 1-2; Q₂ – теплота охлаждения и фазового перехода конденсирующихся компонентов потока 1-2; Q₃ – теплота нагрева потока 3-4, Q₄ - потери тепла.

Во всех рассматриваемых случаях известны состав и температура потоков 1 и 3. Если неизвестная величина - температура потока 4, то ее находили из уравнения (2.73). Так как для вычисления энтальпии потока 4 нужно заранее знать температуру потока, то уравнение (2.73) решается итерационным методом.

Если неизвестны температура и состав потока 2, то уравнение (2.73) записывали совместно с уравнениями материального баланса (2.31) или (2.38). Полученную систему уравнений решали итерационными методами, т.к. температура, состав и энтальпия потока 2 взаимозависимы.

          Если в аппарате не происходит никаких фазовых переходов, то тепловой баланс выражали простым уравнением:

                                         Q₁ + Q₂ = Q₃ + Q₄ + Q₅                                   (2.74)

где Q₁,Q₂,Q₃,Q₄ - энтальпии соответствующих потоков; Q₅ – потери тепла.

В главе 4 мы будем рассматривать возможность применения огневого подогревателя для перегрева пара, вырабатываемого в реакторе синтеза метанола. Тепловой баланс подогревателя записывали следующим образом:

                                         Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ = Q₅ + Q₆                                     (2.75)

где Q₁ - физическое тепло насыщенного пара на входе; Q₂ - физическое тепло топливного природного газа на входе; Q₃ - физическое тепло воздуха (для горения) на входе; Q₄ - теплота реакций горения природного газа; Q₅ - физическое тепло перегретого пара на выходе; Q₆ - физическое тепло дымовых газов на выходе. Из уравнения (2.75) находили необходимый расход топливного природного газа.

2.6. Моделирование схем с рециркулирующими потоками.

          Как было показано выше (см. рис. 8,10), блоки синтеза метанола и аммиака имеют рециркулирующие потоки. Моделирование структуры ХТЭС, имеющей рециркулирующие материальные потоки - весьма сложная задача, т.к. приходиться применять итерационные методы. Представленная здесь методика моделирования описана в [19].

Структура ХТЭС с рециклом условно представлена на рис. 12а. Состояние потока на входе в элемент I зависит от входного потока 0 и состояния потока 4 после ответвления его от потока 3 за элементом II. Чтобы рассчитать элемент I, нужно уже знать результат расчета элемента II, что невозможно. Поэтому разрывают связи рецикла, как показано на рис. 12б. Структура становится линейной с неизвестным состоянием Х₀₁ входного потока 0₁. Задают какие-то параметры его состояния и рассчитывают полученную линейную структуру. По окончании расчета состояния потоков 0₁ и 4 должны совпадать, в противном случае задают новые значения Х₀₁ и повторяют расчет до указанного совпадения. Конечно, добиться точного равенства Х₀₁ = Y₄ невозможно, поэтому стараются минимизировать разность между ними:

D = ½Х₀₁ – Y₄½< e

где e - точность расчета.

          Мы полагаем, что точность расчета удобнее оценивать не по разностям, как в описанной выше методике, а по соотношениям вида:

e = Х₀₁/ Y₄

Очевидно, что e должно быть равно 1,0 с какой-либо заданной точностью.

          На рис. 13 показана структурная схема блока синтеза метанола. На схеме показана точка ''разрыва'' ХТЭС.

Рис. 13. Структурная схема контура метанола-сырца.

В балансовых расчетах мы пренебрегли растворимостью газов в жидкой фазе ввиду их малого количества – по проверочному расчету не более 0,1 % от общего количества циркулирующего газа.

Объем циркулирующего газа должен быть фиксирован:

V_цирк = K×V_исх                                                   (2.76)

 где K – кратность циркуляции;  V_исх – объем исходного (свежего) газа.

Модель не накладывает никаких ограничений на объем продувочных газов (конечно, он не может быть отрицательным), т.к. они возвращаются в агрегат аммиака.