化工计算衡算体系及其选择技巧

化工计算是化学工程学的基础,在化工计算中衡算体系的划定是一项重要环节。以物料衡算为例,说明了化工计算衡算体系划分的多样化和重要性,指出了选择衡算体系的基本原则和一些具体的方法和技巧。恰当选择化工衡算体系不仅可以简化计算、提高衡算效率,而且可以避免错误的出现。

关于天然气重整制备富氢还原气体过程中析碳问题的调控--H-C-O体系质量及化学平衡衡算图的应用例

采用天然气重整或焦炉煤气重整工艺制备富氢还原气体时,若操作参数控制不当将会出现碳的析出问题,影响制备富氢气体工序的稳定顺行,因此研究控制制备富氢还原气体过程中的析碳非常必要。应用“H-C-O体系质量及化学平衡衡算图”和化学平衡原理,探讨了天然气重整或焦炉煤气重整工艺制备富氢还原气体过程中的“析碳”问题。在假设天然气重整或焦炉煤气重整体系处于临界析碳状态的前提下,确定了析碳曲线与还原气体n_(H_(2))/n_(CO)、重整温度和体系总压等因素的对应关系,从热力学角度给出了天然气重整或焦炉煤气重整制备富氢还原气体工艺中的临界析碳曲线、“析碳区”与“非析碳区”以及控制析碳且能满足直接还原铁要求的给定n_(H_(2))/n_(CO)值富氢还原气体制备时的重整温度与体系总压等工艺参数。结果表明,为了确保n_(H_(2))/n_(CO)和有效成分φ(H_(2))+φ(CO)合量同时满足直接还原气体组成要求,在体系总压P_(tot)=0.1 MPa条件下重整温度须高于800℃;随着体系总压的升高,CH4的转化率呈下降趋势;对于低n_(H_(2))/n_(CO)(=2),随着体系总压的升高析碳区域将增大;但对于n_(H_(2))/n_(CO)(=5),随着体系总压的升高析碳区域反而变小,这是因为当n_(H_(2))/n_(CO)较低时,碳的气化反应为主流反应,提高压力将增强析碳,而当n_(H_(2))/n_(CO)较高时,甲烷分解反应为主流反应,压力升高将妨碍甲烷分解,抑制了析碳的缘故;另外,体系总压过高将无法获得有效成分φ(H_(2))+φ(CO)合量满足直接还原铁工艺要求的还原气体。

关于H-C-O体系析碳状态分布图的开发与应用

针对冶金领域的富氢直接还原气体制备、竖炉直接还原过程、高炉煤气循环利用以及化工领域的天然气制氢等涉及CH_(4)-H_(2)-CO-H_(2)O-CO_(2)体系尤其是更具广泛代表性的H-C-O体系的析碳共性问题,建立一种便捷、快速、易操作、普适性强地判断体系是否析碳的方法十分必要。在“H-C-O体系质量与化学平衡衡算图”基础上,基于多相、多反应共存体系的平衡原理,确定了包括体系温度、总压、体系内n_(H_(2))/n_(CO)比值等各种操作条件下对应的临界析碳点坐标(nO/nC,nH/nC),连接相同参数的临界析碳点得到对应的临界析碳曲线,构建了“H-C-O体系析碳状态分布图”,开发了一种可准确把握生产状态、确定体系是否发生析碳的新方法,建立了H-C-O体系析碳状态分布理论,为选择控制析碳工艺参数提供了理论基础;为了解决制作“H-C-O体系析碳状态分布图”时存在计算较繁杂的不足,开发了“H-C-O体系析碳状态分布图”分析专用软件,并结合已知的生产实践以及文献数据,验证了“H-C-O体系析碳状态分布图”的合理性和实用性。研究表明,论文提出的确定体系是否发生析碳的新方法普适性广、包容性强,“H-C-O体系析碳状态分布图”不仅能简捷、快速、准确地判别某给定条件下体系是否会发生析碳问题,而且可以给出既能防止体系析碳又能最大限度降低天然气制氢工序能耗和成本的努力方向,为实际生产降本、降耗、稳定、顺行提供有效的指导。