Основные характеристики печи пиролиза

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Расчет состава сырья и пирогаза и определение конечной температуры реакции молекулярный реакционный температура

1. Состав сырья и пирогаза

Для всех дальнейших расчетов обязательно необходимо учитывать состав сырья и состав пирогаза, а также учесть расход водяного пара в змеевик печи. Расчеты эти не представляют больших сложностей и ведутся по известным зависимостям при нормальных условиях.

Таблица 1 - исходные данные пиролиза

Состав сырья, мольные %	Состав пирогаза, мольные %
H2	1,3	H2	7,5
CH4	3,4	CH4	31,1
C2H2	0	C2H2	0,4
C2H4	4,9	C2H4	36,7
C2H6	24	C2H6	6,4
C3H6	11	C3H6	4,6
C3H8	7,4	C3H8	1,3
C4H10	48	C4H10	11,1
C5H12	0	C5H12	0,9
Производительность печи, кг/ч	30000
Расход водяного пара в печь, кг/ч	3
Температура сырья на входе в печь, К	310
Доля потерь тепла в окружающую среду, Дпот	0,08
Температура дымовых газов, К	700
Низшая теплота сгорания топлива, Qc, кДж/кг	47500
Энтальпия дымовых газов, Qдг, кДж/кг	10000

Последовательно рассчитывают:

1) Молекулярную массу и плотность сырья, массовые и мольные расходы каждого компонента в сырье.

2) Молекулярную массу и плотность пирогаза, массовые и мольные расходы каждого компонента в пирогазе.

3) Массовый и мольный состав парогазовой смеси на входе в печь и на выходе из нее, делая допущение, что водяной пар не вступает в химические взаимодействия в змеевиках печи.

Рассчитаем плотность сырья и пирогаза:

с = У(сi xi), (1)

сi = Mi / Vm, (2)

где с - плотность смеси (пирогаза), кг/м3;

сi - плотность компонента смеси (пирогаза), кг/м3;

xi - мольная доля компонента в смеси (пирогазе);

Mi - молекулярная масса компонента, г/моль;

Vm - молярный объем, (22,4 л/моль).

Рассчитаем молекулярную массу сырья и пирогаза:

Мс = У(Мi xi), (3)

где Мс - молекулярная масса смеси (пирогаза), г/моль.

Рассчитаем массовые и мольные расходы каждого компонента в сырье и пирогазе:

Найдем массовые доли компонента в смеси и пирогазе,

уi = xi Mi / Мс (4)

где уi - массовая доля компонента в смеси (пирогазе).

Найдем массовый расход каждого комонента в сырье и пирогазе,

Gi = уi G (5)

где G - массовый расход смеси, кг/ч;

Gi - массовый расход компонента смеси (пирогаза), кг/ч.

Найдем мольный расход каждого компонента в смеси и пирогазе,

Vi = Gi / Mi (6)

где Vi - мольный расход каждого компонента в смеси (пирогазе), моль/ч.

Рассчитаем массовый и мольный состав парогазовой смеси на входе в печь и на выходе из нее, делая допущение, что водяной пар не вступает в химические взаимодействия в змеевиках печи:

Найдем массовые доли компонентов смеси и пирогаза, с учетом водяного пара,

уi= Gi / (G+W) (7)

где уi - массовая доля компонента смеси (пирогаза) с учетом пара,

W - массовый расход водяного пара, кг/ч.

Найдем мольный расход компонентов смеси и пирогаза, с учетом водяного пара,

Vi = Gi / Mi (8)

где Vi - мольный расход компонента смеси (пирогаза), с учетом водяного пара, моль/ч.

Найдем молекулярную массу смеси и пирогаза, с учетом водяного пара,

Мс = (G+W) / УVi (9)

где Мс - молекулярная масса смеси (пирогаза), с учетом водяного пара, г/моль.

Найдем мольные доли компонентов смеси и пирогаза, с учетом водяного пара,

хi = уi Мс / Mi (10)

где хi - мольная доля компонента смеси (пирогаза), с учетом водяного пара

Найдем плотность смеси и пирогаза, с учетом водяного пара

сс = У (сi уi) (11)

Таблица 2

Сырье	Пирогаз
I	Mi , г/моль	сi , кг/м3	уi , %	Gi , кг/ч	Vi , м3 /ч	i	Mi , г/моль	сi , кг/м3	уi , %	Gi , кг/ч	Vi , м3 /ч
H2	2	0,09	0,06	17,4	8,7	H2	2	0,09	0,56	166,6	83,3
CH4	16	0,71	1,21	363,8	22,7	CH4	16	0,71	18,42	5525,6	345,4
C2H2	26	1,16	0	0	0	C2H2	26	1,16	0,39	115,5	4,4
C2H4	28	1,25	3,05	917,6	32,8	C2H4	28	1,25	38,04	11411,0	407,5
C2H6	30	1,34	16,05	4815,2	160,5	C2H6	30	1,34	7,11	2132,0	71,1
C3H6	42	1,88	10,30	3089,8	73,6	C3H6	42	1,88	7,15	2145,4	51,1
C3H8	44	1,96	7,26	2177,5	49,5	C3H8	44	1,96	2,12	635,2	14,4
C4H10	58	2,59	62,06	18618,7	321,0	C4H10	58	2,59	23,83	7149,1	123,3
C5H12	72	3,21	0	0	0	C5H12	72	3,21	2,40	719,6	10,0
Мс, г/моль	44,86	сс, кг/м3	2,00	Мп, г/моль	27,02	сп, кг/м3	1,21
Производительность печи, G, кг/ч	30000
Расход водяного пара в печь, W, кг/ч	3

Таблица 3

Сырье	Пирогаз
I	Mi , г/моль	V?i, м3 /ч	уi?	хi?	i	Mi , г/моль	V?i, м3 /ч	уi?	хi?
H2	2	8,7	0,05	1,04	H2	2	83,3	0,51	6,52
CH4	16	22,7	1,10	2,72	CH4	16	345,4	16,74	27,04
C2H2	26	0	0	0	C2H2	26	4,4	0,35	0,35
C2H4	28	32,8	2,78	3,92	C2H4	28	407,5	34,58	31,91
C2H6	30	160,5	14,60	19,21	C2H6	30	71,1	6,46	5,57
C3H6	42	73,6	9,36	8,81	C3H6	42	51,1	6,50	4,00
C3H8	44	49,5	6,60	5,92	C3H8	44	14,4	1,92	1,13
C4H10	58	321,0	56,42	38,42	C4H10	58	123,3	21,66	9,65
C5H12	72	0	0	0	C5H12	72	10,0	2,18	0,78
Н2О	18	166,7	9,09	19,95	Н2О	18	166,7	9,09	13,05
М?с , г/моль	39,50	М?п , г/моль	25,84
с?с , кг/м3	201,1	с?п , кг/м3	131,6

2. Конечная температура реакции

Конечную температуру реакции (температуру пирогаза) Т на выходе из змеевика печи определяют при помощи линейной интерполяции конечных температур реакций при пиролизе газообразных углеводородов:

, (11)

Т = 1046 К

где , , , -- конечная температура реакции при пиролизе углеводородов C2H6, C3H6, C3H8, C4H10 в чистом виде; , , , -- содержание углеводородов C2H6, C3H6, C3H8, C4H10 в сырье в расчете только на их смесь, масс. доли.

Рассчитаем массовые доли вышеперечисленных углеврдородов,

хi = уi / У (у2 ; у3; у3 ; у4 ) (12)

Получаем: х2 = 0,168; х3 = 0,108; х3= 0,076; х4 = 0,648.

Конечная температура процесса Т связана с оптимальным временем контакта формулами Шмидта:

- при пиролизе этана (без выделения углерода):

; (13)

Т = Т1 = 1101 К

- при пиролизе пропилена, пропана и бутана (без выделения углерода):

; (14)

Т = Т2 = Т3 = Т3 = Т4 = 1036 К,

Так как пиролизу подвергается смесь углеводородов, общее время пребывания газовой смеси в зоне реакции будет одинаковым для всех углеводородов. Общее время пребывания , как правило, больше оптимального времени и связано с ним соотношением:

(15)

Примем фобщ = 1, К = 2, отсюда получаем фопт = фобщ / К = 0,5

Эксплуатация промышленных и полупромышленных установок показала следующие значения величины общего времени пребывания газов в змеевиках трубчатых печей пиролиза (см. таблицу 2)

Таблица 4

Углеводород	Интервал
	Температура процесса, К	Давление процесса, кПа	, с
C2H6	1048-1113	208-319	0,7-1,3
C3H6	1065-1095	208-319	0,5-0,8
C3H8	883-1103	208-319	0,7-1,13
C4H10	883-1103	208-319	0,7-1,13

При расчетах, как правило, выбирают общее время из интервала, характерного для того углеводорода, который преобладает в сырье.

Порядок выполнения работы:

1. Ознакомиться с исходными данными.

2. Определить массовые и мольные расходы каждого компонента в парогазовой смеси на входе в печь пиролиза и на выходе из печи пиролиза.

3. Оценить общее время пребывания газовой смеси в зоне реакции (по таблице 1).

4. По формулам оценить оптимальное время контакта , оценить конечную температуру процесса Т для разных углеводородов.

5. Вычислить конечную температуру реакции (температуру пирогаза) Т на выходе.

6. Часть II. Тепловой расчет печи.

1. Расчет полезного тепла печи

Полезное тепло печи равно:

; (16)

Qполезн = 14062 + 8929,5 = 22991,5 кВт

где - расход тепла на нагревание смеси газов в змеевике до температуры реакции, кВт; - расход тепла на реакцию, кВт.

Смесь газов нагревается от температуры входа в печь (указана в исходных данных) до температуры входа сырья в реакционный змеевик (можно принять ).

Количество тепла на нагревание смеси газов определяется по формуле:

Q1 = (G+W)(qTН - qT1), (17)

Q1 = (30000+3000)(1596,6 - 62,6) = 14062 кВт,

Количество тепла Q2 на нагревание парогазовой смеси от температуры входа сырья в реакционный змеевик до температуры окончания реакции Т:

Q2 = (G+W)(qT - qTН), (18)

Q2 = (30000+3000)(2298,0 - 1596,6) = 6429,5 кВт,

где G - расход сырья, кг/ч; W - расход водяного пара, кг/ч; - энтальпия парогазовой смеси при соответствующих температурах.

Энтальпия парогазовой смеси определяется по правилу аддитивности, по следующим данным (таблица 2) об энтальпиях компонентов смеси при температурах и :

Таблица 2

Компоненты	, кДж/кг
			Т
H2	502,0	8750	11650
CH4	80,4	1897	2743
C2H2	62,0	1283	1764
C2H4	57,4	1452	2080
C2H6	64,5	1690	2453
C3H6	57,0	1451	2092
C3H8	62,8	1658	2400
C4H10	62,0	1647	2370
C5H12	62,0	1638	2353
H2O	65,8	1206	1640

Отсюда получаем следующие выражения:

qT1 = У (qiT1 • уiс), (19)

qTН = У (qiTН • уiс), (20)

qT = У (qiT • уiп), (21)

Получаем: qT1 = 62,6 кДж/кг; qTН = 1596,6 кДж/г; qT = 2298,0 кДж/кг.

Расход тепла на реакцию и нагревание в реакционном змеевике:

; (22)

Qp = 2500 + 6429,5 = 8929,5 кВт

где - расход тепла на реакцию пиролиза, кВт; - расход тепла на нагревание парогазовой смеси от температуры входа сырья в реакционный змеевик до температуры окончания реакции Т, определенной по формуле (1), кВт

В расчетах примем расход тепла на реакцию пиролиза - 2500 кВт.

вычисляется аналогично (по данным таблицы 2).

Общий расход тепла в печи состоит из полезного тепла печи, потерь тепла в окружающую среду и потерь тепла с уходящими дымовыми газами. Соответственно к.п.д. печи будет равен:

, (23)

з = 1 - (0,08 + (10000/47500)) = 0,71

- доля потерь тепла печью в окружающую среду; - энтальпия дымовых газов, кДж/кг; - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг.

Величины , приведены в исходных данных, а энтальпия дымовых газов определяется по графику зависимости «температура-энтальпия» (рис. 1) при температуре вывода дымовых газов из печи К.

Рисунок 1

Из графика получаем qдг = 10000 кДж/кг

Расход топлива в печь определяется по следующей формуле:

(24)

В = 22991,5/(47500*0,71) = 0,68 кг/с

Порядок выполнения работы:

1. Ознакомиться с исходными данными.

2. По данным таблицы 2 определить энтальпии парогазовой смеси для трех разных температур. Обратите внимание на изменение состава смеси на входе в змеевик и выходе из него вследствие протекания химической реакции.

3. Определить расходы тепла , .

4. Определить расход тепла на реакцию и нагревание в реакционном змеевике.

5. Определить полезное тепло печи.

6. По графику на рисунке 1 определить энтальпию отходящих дымовых газов.

7. Определить к.п.д. печи, а также расход топлива в печь.

3. Расчет геометрических размеров реакционных труб

1. Определение поверхности нагрева реакционного змеевика

Поверхность нагрева реакционного змеевика определяется по формуле:

, (25)

где - средняя теплонапряженность поверхности нагрева реакционных труб (как правило, для печей пиролиза составляется 34-38 кВт/м2), кВт/м2.

Принимаем = 35 кВт/м2

Fp = 8929,5/35 = 255,1 м2,

Наружный диаметр реакционных труб пиролиза , как правило, составляет 0,1-0,2 м и кратен 0,02 м. Толщина стенок, как правило, составляет не более 0,01 м и кратна 0,001 м.

Принимаем = 0,1 м, z = 0,001 м.

По выбранному диаметру и известной поверхности змеевика определяется общая рабочая длина труб .

Lp = Fp / рdH, (26)

Lp = 255,1 / 3,14*0,1 = 812,5 м.

В печи пиролиза сырье разделяется на несколько потоков (не более 3), в каждом из потоков находится несколько параллельных труб. В ходе расчета печи необходимо задаться рабочей длиной одной трубы , после этого рассчитать количество труб в печи. Рабочая длина трубы должна быть выбрана сообразно предполагаемым размерам всей печи вцелом и кратна 1 м (в исключительных случаях 0,5 м).

Принимаем Lp = 15 м, рассчитаем количество труб печи:

N = Lp / Lp , (27)

N = 812,5 / 15 = 54,2

2. Время пребывания парогазовой смеси в реакционном змеевике:

Время пребывания смеси в реакционном змеевике определяется по формуле:

фобщ = Lp / wср , (28)

фобщ = 15 / 14,26 = 1,05 с

где - средняя линейная скорость сырья в змеевике, м/с.

Для расчета средней линейной скорости определяются линейные скорости в начале и конце змеевика:

wc = U / сс ; wп = U / сп , (29)

wc = 1190 / 812,9 = 1,47 м/с,

wп = 1190 / 44,1 = 27,04 м/с

wcр = (wc + wп) / 2, (30)

wcр = (1,47 + 27,04) / 2 = 14,26 м/с

где - массовая скорость парогазовой смеси в змеевике, кг/(м2 с); , - плотности парогазовой смеси в начале и конце змеевика, кг/м3. определяется как среднее арифметическое линейных скоростей в начале и конце змеевика.

Рассчитаем плотности смеси и пирогаза, с учетом водяного пара, при истинных условиях, Т1 = 310 К; Р1 = 465 кПа; Т2 = 1046 К; Р2 = 130 кПа, зная плотность при нормальных условиях Т0 = 273 К; Р0 = 101,3 кПа.

сс = ( сс • Т0 • Р1 ) / ( Т1 • Р0), (31)

сс = (201,1 • 273 • 465) / (310 • 101,3) = 812,9 кг/м3

сп = (131,6 • 273 • 130) / (1046 • 101,3) = 44,1 кг/м3

Массовая скорость парогазовой смеси в змеевике определяется по формуле:

(32)

U = (30000 + 3000) / (7,7 • 10-3 • 3600) = 1190 кг/(м2•с)

где - площадь внутреннего сечения реакционных труб змеевика, м2.

Sвн = р (dH - z)2/4, (33)

Sвн = 3,14*(0,1 - 0,001)2/4 = 7,7 • 10-3 м2

Плотности парогазовой смеси в начале и конце змеевика должны быть определены при истинных температуре и давлении в начале и конце змеевика.

При расчетах можно принять давление в начале змеевика 465 кПа, в конце - 130 кПа.

Порядок выполнения работы:

1. Ознакомиться с исходными данными.

2. Выбирая теплонапряженность из предложенного интервала, оценить поверхность нагрева по уравнению.

3. Выбрать наружный диаметр и толщину стенок реакционных труб.

4. Определить общую длину труб . Определить рабочую длину одной трубы .

5. Рассчитать плотности газосырьевой смеси при н.у. в начале и конце змеевика.

6. Рассчитать истинные значения плотностей газосырьевой смеси в начале и конце змеевика исходя из данных о температуре и давлении в начале и конце змеевика.

7. По уравнению рассчитать массовую скорость парогазовой смеси в змеевике U.

8. По уравнению оценить линейные скорости в начале и конце змеевика, рассчитать среднюю линейную скорость .

9. По формуле оценить время пребывания смеси в реакционном змеевике . Сравнить полученное значение со значением , полученным по неравенству.

Вывод: в ходе выполнения лабораторной работы был рассчитан материальный, тепловой балансы, конечная температура на выходе из змеевика. Основные характеристики печи пиролиза: КПД, расход топлива, диаметр, общая длина и количество труб, рабочая длина одной трубы, поверхность нагрева и время пребывания парогазовой смеси в реакционном змеевике. Рассчетное время пребывания фобщ = 1,05 с, близко по значению с изначально теоретически выбранным фобщ = 1 с.

Размещено на Allbest.ru