Расчет и проектирование установки пиролиза этана и увеличение мощности установки на заводе ОАО "Казаньоргсинтез"

г)Диметилдисульфид. Добавляется в сырье с целью уменьшения коррозии коксоотложения змеевиков печи. Характеристики приведены в таблице 3.5.

Таблица 3.5 - Характеристика диметилдисульфида

Узел водной промывки пирогаза служит для охлаждения и промывки пирогаза от кокса и смолы, для отстоя химзагрязненной смолы с последующим ее охлаждением перед подачей на промывку пирогаза [8].

Пирогаз после закалочно-испарительных аппаратов, печей пиролиза при давлении 0,8-1,2 кгс/см² и температуре 380-430°С поступает в пенный аппарат.

На входе в пенный аппарат пирогаз охлаждается в охладительной камере до температуры 120°С впрыском воды. Охлажденный до 120°С пирогаз поступает в насадочную часть пенного аппарата. Пирогаз, проходя через насадку и ситчатые тарелки, на которые подается вода, охлаждаются до температуры 80 °С. При этом из пирогаза конденсируются тяжелые углеводороды и водяной пар, а также происходит отмывка пирогаза от кокса и смолы. Число тарелок в пенном аппарате 6 штук. Из пенного аппарата пирогаз поступает в смесительную трубу циклонного промывания. В смесительной трубе в пирогаз впрыскивается циркуляционная вода, легкая смола пиролиза и после интенсивного перемешивания поток газа, воды и смолы поступает в промыватель. Легкая смола в смесительную трубу подается для улавливания нафталина и его гомологов которые могут выпадать в виде кристаллов при дальнейшем захолаживании пирогаза [8].

Легкая пиролизная смола принимается по трубопроводу в емкость, из которой насосом подается в смесительную трубу циклонного промывателя. В циклонном промывателе происходит дополнительная промывка пирогаза водой, подаваемой через форсунки по кругу аппарата.

Вода снизу пенного аппарата с температурой 80°С, самотеком проходя отстойник, отделяется от кокса, сажи, тяжелой и легкой смолы.

Процесс отстаивания происходит за счет разности удельных весов легкой смолы, воды, тяжелой смолы, кокса [8].

Отстоявшаяся от смолы и кокса вода из емкости насосом подается с температурой 40°С в охладительную камеру и на ситчатые тарелки пенного аппарата.

Вода, смола из циклонного промывателя самотеком поступает в отстойник. Отстоявшаяся вода из емкости насосом подается в смесительную трубу и форсунки циклонного промывателя [8].

3.3 Рабочие технологические параметры

Основные рабочие технологические параметры блока пиролиза представлены в таблице 3.6.

Таблица 3.6 - Основные рабочие технологические параметры блока пиролиза

3.4 Описание работы основного аппарата

На печах пиролиза используются акустические газовые горелки типа АГГ-2М,10.

Конструкция горелки АГГ разработана на принципиально новой теоретической основе с применением акустического резонатора, создающего мощный вихревой эффект смешения топливного газа с атмосферным воздухом. Акустическая газовая горелка состоит из корпуса, внутри которого помещен резонатор, имеющий четырехзаходные газовые каналы завихрители топливного газа. На выходе из каналов резонатора расположена кольцевая поверхность, условно называемая диаграммой, предназначенная для направления газа в топку. Резонатор с помощью нажимной втулки и сальникового уплотнения прижимается к выступу корпуса горелки. Корпус горелки одновременно используется в качестве смесительной камеры топливного газа с воздухом. На выходе из корпуса горелки имеется кольцевой воротник, предназначенный для направления газовоздушной смеси на огнеупорную стенку топки печи и организации равномерного горения на ней в режиме беспламенного сжигания.

Состав газовоздушной смеси регулируют при помощи диска отражателя, перемещаемого штоком и рукояткой. Общее количество инжектируемого горелкой атмосферного воздуха управляется регулятором инжекции, одновременно служащим глушителем шума работающей горелки.

Акустическая горелка работает следующим образом:

Газообразное топливо под давлением (0,5-3,0) кгс/см² подается в корпус горелки и далее в резонатор, где возникает вихреобразное движение потока, создающее две зоны разряжения: впереди горелки и сзади нее. За счет этого разряжения и тяги в печи, в горелку, через окна регулятора инжекции, подсасывается атмосферный воздух и частичные дымовые газы из топки.

Выходящая из горелки газовоздушная смесь, несколько разбавленная горячими дымовыми газами, направляется на раскаленные стены радиантной камеры, равномерно распространяется по их поверхности, воспламеняется и сгорает в режиме «беспламенного» горения.

3.5 Материальный баланс печи пиролиза

Для расчета материального баланса печи пиролиза имеем следующие исходные данные:

-годовая производительность печи по этилену 115 000 т/год

-годовой фонд рабочего времени 8016 часов или 334 суток в год (с учетом вычета времени на текущий и капитальный ремонт)

-состав исходного сырья представлен в таблице 3.7.

Таблица 3.7 - Состав этановой фракции

-степень конверсии исходного сырья 60%

-массовое соотношение водяной пар: сырье = 0,4 : 1

-потери этилена 6% массовых на стадии газоразделения и 1% на стадии пиролиза.

Рассчитаем часовую производительность установки в расчете на 100% этилен:

(115 000·1000)/8016 = 14346,31 кг/ч.

Учитывая потери этилена, часовая производительность составит

14346,31·1,06 = 15207,10 кг/ч

или 15207,10 /28 = 543,11 кмоль/ч.

15207,10·1,01 = 15359,17 кг/ч

или 15359,17/30 = 511,97 кмоль/ч

Определяем расход этана в этановой фракции при степени конверсии, равной 60%:

511,97 /0,60 = 853,28 кмоль/ч или

853,28 ·30 = 25598,40 кг/ч =>

Общий расход этановой фракции составит

25598,40/0,9658 = 26504,87 кг/ч

Из общего расхода этановой фракции найдем покомпонентный состав сырья и сведем в таблицу 3.8.

Таблица 3.8 - Покомпонентный состав сырья

Кинетика основной реакции процесса пиролиза

С₂Н₆ - С₂Н₄ + Н₂

описывается уравнением первого порядка

k = (2,303/ф)·lg(б/( б-x)),

где k - константа скорости реакции, с^-1;

ф - время пиролиза, с;

б,x - количество исходного реагента вступившего в реакцию, в %.

Константу скорости реакции определяем по формуле lgk = 14,676 - 15800 / Т,

где Т - температура процесса, равная Т=830+273=1103К;

lgk=14,676-15800/1103=0,352

В результате расчета константа скорости k=2,25с^-1, время пиролиза ф=0,45с.

Находим степень конверсии этана:

2,25=2,303/0,45· lg(100/(100-x))= 5,121·lg(100/(100-x));

lg(100/(100-x))=0,44; х = 63,7%.

Фактическая степень конверсии этана в этилен при 830⁰С и ф=0,45с составляет б^/ = 0,60.

Количество водяного пара на входе в трубчатую печь составит:

26504,87 ·0,4 = 10601,95 кг/ч или 10601,95/18=589,00 кмоль/ч

Количество парогазовой смеси на входе в трубчатую печь

26504,87 + 10601,95 = 37106,82 кг/ч.

По основной реакции

С₂Н₆ - С₂Н₄ + Н₂ (3.1)

расход этана составляет 511,97 кмоль/ч или 511,97 ·30=15359,10 кг/ч.

В ходе этой реакции образуется:

- этилен 511,97 кмоль/ч или 511,97 · 28 = 14335,16 кг/ч;

- водород 511,97 кмоль/ч или 511,97 · 2 = 1023,94 кг/ч.

Всего конвертируется этана 853,28 ·0,637 = 543,54 кмоль/ч

или 543,54 · 30 = 16306,20 кг/ч.

Следовательно, на побочные реакции расходуется этана

543,54 - 511,97 = 31,57 кмоль/ч или 31,57·30=947,10 кг/ч.

По реакции

2С₂Н₆ - С₃Н₆ + СН₄ + Н₂ (3.2)

расход этана составляет 50%, что соответствует

31,57 · 0,5 = 15,785 кмоль/ч или 15,785·30=473,55 кг/ч.

С учетом стехиометрии реакции образуется:

- пропилен 7,893 кмоль/ч или 7,89·42=331,51 кг/ч

- метан 7,893 кмоль/ч или 7,89·16=126,29 кг/ч

- водород 7,893 кмоль/ч или 7,89·2=15,785 кг/ч

По реакции

С₂Н₆ + Н₂ - 2СН₄ (3.3)

расход этана составляет 31,57-15,785 = 15,785 кмоль/ч или 473,55 кг/ч;

расход водорода 15,785 кмоль/ч или 31,57 кг/ч,

образуется метана 31,57 кмоль/ч или 505,12 кг/ч.

Пропан в составе этановой фракции превращается по следующим реакциям:

С₃Н₈ - С₃Н₆ + Н₂ (3.4)

2С₃Н₈ - С₄Н₁₀ + С₂Н₄ + Н₂ (3.5)

2С₃Н₈ - С₄Н₈ + 2СН₄ (3.6)

2С₃Н₈ - С₄Н₆ + 2СН₄ + Н₂ (3.7)

2С₃Н₈ - С₅Н₁₀ + СН₄ + Н₂ (3.8)

С₃Н₈ + 2Н₂ - 3СН₄ (3.9)

С₂Н₄ - С₂Н₂ + Н₂ (3.10)

В ходе реакции (3.4) расходуется 30% пропана, что составит 530,10· 0,30 = 159,03 кг/ч или 3,614 кмоль/ч и образуется:

- пропилен 3,614 кмоль/ч или 151,79 кг/ч

- водород 3,614 кмоль/ч или 7,23 кг/ч.

В ходе реакции (3.5) расходуется 10% пропана, что составит

530,10 ·0,10 = 53,01 кг/ч или 1,205 кмоль/ч,

образуются;

- бутан 1,205/2 = 0,60 кмоль/ч или 34,94 кг/ч;

- этилен 0,603 кмоль/ч или 16,884 кг/ч;

- водород 0,603 кмоль/ч или 1,206 кг/ч.

В ходе реакции (3.6) расходуется 6% пропана, что составит

530,10 · 0,06 = 31,806 кг/ч или 0,724 кмоль/ч,

образуется:

- бутилен 0,724/2 = 0,362 кмоль/ч или 20,272 кг/ч;

- метан 0,724 кмоль/ч или 11,584 кг/ч

В ходе реакции (3.7) расходуется 20% пропана, что составит

530,10·0,20 = 106,02 или 2,41 кмоль/ч, образуется;

- бутадиена 2,41/2=1,205 кмоль/ч или 65,07 кг/ч;

- метана 2,41 кмоль/ч или 38,56 кг/ч;

- водород 1,205 кмоль/ч или 2,41 кг/ч

В ходе реакции (3.8) расходуется 8% пропана, что составит

530,10·0,08 = 42,408 кг/ч или 0,964 кмоль/ч, образуется:

- пентена 0,482 кмоль/ч или 33,74 кг/ч;

- метана 0,482 кмоль/ч или 7,71 кг/ч;

- водорода 0,482 кмоль/ч или 0,964 кг/ч.

В ходе реакции (3.9) расходуется 15% пропана, что составит

530,10 · 0,15 = 79,515 кг/ч или 1,807 кмоль/ч,

а также 1,807 · 2 = 3,614 кмоль/ч или 7,228 кг/ч водорода, образуется:

- метан 1,807 · 3 = 5,421 кмоль/ч или 86,736 кг/ч.

Расход пропана по реакциям (3.4), (3.5), (3.6), (3.7), (3.8), (3.9) составит:

159,03 + 53,01 + 31,806 + 106,02 + 42,408 + 79,515 = 471,79 кг/ч или

3,61 + 1,20 + 0,72 + 2,41 + 0,964 + 1,807 = 10,72 кмоль/ч

Количество оставшегося пропана в пирогазе

530,10- 471,79 = 58,31 кг/ч или 1,33 кмоль/ч.

По реакции (3.10) расходуется 50 % образовавшегося по реакции (3.5) этилена

(16,884) · 0,5 = 8,442 кг/ч или 0,302 кмоль/ч, образуется:

- ацетилен 0,302 кмоль/ч или 7,85 кг/ч;

- водород 0,302 кмоль/ч или 0,604 кг/ч,

Бутадиен взаимодействует с этиленом по реакции:

С₄Н₆ + С₂Н₄ - С₆Н₆ + 2Н₂ (3.11)

В эту реакцию вступает 10% образовавшегося по реакции (3.7) бутадиена

65,07 · 0,10 = 6,507 кг/ч или 0,12 кмоль/ч.

Расходуется на эту реакцию этилена 0,12 кмоль/ч или 3,37 кг/ч, образуется:

- бензола 0,12 кмоль/ч или 9,36 кг/ч;

- водорода 0,24 кмоль/ч или 0,48 кг/ч.

Таким образом, по реакции (3.11) остается бутадиена

65,07 - 6,507 =58,563 кг/ч или 1,09 кмоль/ч.

Всего образуется метана по реакциям (3.2), (3.3), (3.6), (3.7), (3.8), (3.9)

126,29 + 505,12 + 11,58+ 38,56 + 7,71 +86,74 = 776,04 кг/ч или

7,89 + 31,57+ 0,72 + 2,41 + 0,482 + 5,421 = 48,50 кмоль/ч.

Общее количество в пирогазе метана составляет:

344,56 + 776,04 = 1120,59 кг/ч или 21,54 + 48,50 = 70,04 кмоль/ч.

Метан подвергается конверсии по реакции

СН₄ + Н₂О - СО +3Н₂ (3.12)

При этом расходуется 1% образовавшегося метана

1120,59 · 0,01 = 11,21 или 0,70 кмоль/ч.

Расход водяного пара составит 0,7 · 18 = 12,60 кг/ч.

По этой реакции образуется:

- оксида углерода 0,70 кмоль/ч или 19,60 кг/ч;

- водорода 2,10 кмоль/ч или 4,20 кг/ч.

Остается в пирогазе:

- метана 1120,59 - 11,21= 1109,38 кг/ч или 69,33 кмоль/ч

- водяного пара 10601,95 - 12,60 = 10589,35 кг/ч

или 589,00 - 0,70 = 588,30 кмоль/ч.

Этилена в составе этановой фракции содержится 26,50 кг/ч или 0,95 кмоль/ч,

образуется по реакции (3.5) 16,884 кг/ч (0,603 кмоль/ч),

расходуется по реакциям (3.10), (3.11) 8,442 + 3,374= 11,82 кг/ч или 0,42 кмоль/ч.

Всего этилена в пирогазе содержится:

14335,16 + 26,50 + 16,80 -11,82 = 14366,64 кг/ч или 513,10 кмоль/ч.

Водород образуется по реакциям (3.1), (3.2), (3.4), (3.5), (3.7), (3.8), (3.10), (3.11), (3.12) в количестве:

1023,94+15,78+7,22+1,20+2,41+0,964+0,60+0,48+4,20 = 1056,79 кг/ч или 528,40 кмоль/ч.

Расход водорода по реакциям (3.3), (3.9) составит

31,57 + 7,23 = 38,80 кг/ч или 19,40 кмоль/ч.

Остается водорода в пирогазе 1056,80 - 38,80 = 1017,99 кг/ч

или 509,00 кмоль/ч.

Количество этана в пирогазе 25598,40 - 16306,20 = 9292,20 кг/ч

или 853,28 - 543,54 = 309,74 кмоль/ч.

Данные расчета материального баланса сведены в таблицу 3.9.

Таблица 3.9 - Материальный баланс печи пиролиза

3.6 Технико-технологические расчеты

3.6.1 Технологический расчет печи пиролиза этана

Исходные данные:

1) Производительность печи G=8000 кг/ч

2) Количество водяного пара, добавляемого к исходному сырью перед его подачей в печь Z=3200 кг/ч ( 40 % на сырьё )

3) Температура сырья на входе в печь 483 К

Состав топливного газа приведён в таблице 3.10.

Таблица 3.10 - Состав топливного газа

3.6.1.1 Расчёт процесса горения

Определяем низшую теплоту сгорания топлива по формуле (3.13):

Q_р^н =251,2·Н2+360,33·СН4+590,4·С2Н4 , [6, с.46] (3.13)

где - СН4, С2Н4, Н2 - содержание соответствующих компонентов в топливе, объемн. %.

Q_р^н =251,2·0,8+360,33·0,17+590,4·0,03

Q_р^н =27992,03 кДж/м³

или Q_р^н =27992,03/с_т.г., [6, с.46] (3.14)

где с_т..г.=0,24 плотность топливного газа

Q_р^н=27992,81/0,24

Q_р^н=116633,46 кДж/кг

Пересчитаем состав топлива в массовых процентах в таблице 3.11.

Таблица 3.11 - Состав топлива в % массовых

Определяем элементарный состав топлива в массовых процентах.

Содержание углерода в любом i-ом компоненте топлива находим по формуле (3.15):

С_i=(g_i·12·n_i)/M_i [6,с. 46] (3.15)

где n_i - число атомов углерода в данном компоненте топлива.

Содержание углерода, % масс.:

С=(52,71·12·1)/16 + (16,28·12·2)/28=53,49

Содержание водорода, % мас. по формуле (6.19):

Н=?((g_i·m_i)/M_i) [6,с. 47] (3.16)

где m_i - содержание атомов водорода в данном компоненте топлива.

Н=(52,71·4)/16+ (16,28·4)/28 + (31,01·2)/2=46,51

Проверка: 53,49+46,51=100 % масс.

Определяем теоретическое количество воздуха, необходимого для сжигания 1 кг газа по формуле (3.17):

L₀=(0,0267·С + 0,08·Н)/0,23, [6,с. 47] (3.17)

где Н - содержание углерода и водорода в любом компоненте топлива в массовых процентах

L₀= (0,0267·53,49 + 0,08·46,51)/0,23=22,39 кг/кг

Для печей с излучающими стенками топки коэффициент избытка воздуха б=1,03ч1,07. Принимаем б=1,05. Тогда действительное количество воздуха по формуле (3.18):

L_д=б·L₀ [6,с. 47] (3.18)

L_д=1,05·22,39=23,51 кг/кг

или по формуле (6.22):

L_д/с_в=23,51/1,293=18,18 м³/кг [6, с. 47] (3.19)

где, с_в =1,293 кг/м³ - плотность воздуха при нормальных условиях (273 К и 0,1·10⁶ Па)

Определим количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива по формуле (3.20)-(3.23)

m_CO2=0,0367·С

m_CO2=0,0367·53,49

m_CO2=1,96 кг/кг

m_Н20=0,09·Н [6, с. 48] (3.20)

m_Н20=0,09·46,51

m_Н20=4,19 кг/кг

m₀₂=0,23·L₀·(б-1) [6, с. 48] (3.21)

m₀₂=0,23·22,39(1,05-1)

m₀₂=0,26 кг/кг

m_N2=0,77· L₀·б + 0,01N [6, с. 48] (3.22)

m_N2=0,77·22,39·1,05

m_N2=18,10 кг/кг

Суммарное количество продуктов сгорания по формуле (3.23):

?m_i= m_Н20 + m_CO2 + m₀₂ + m_N2 [6, с. 47] (3.23)

?m_i=1,96+4,19+0,26+18,10

?m_i=24,51 кг/кг

Проверка по формуле (3.24):

?m_i=1+б· L₀ [6, с. 48] (3.24)

?m_i=1+1,05·22,39

?m_i=24,51кг/кг

Содержанием влаги в воздухе пренебрегаем.

Найдем объёмное количество продуктов сгорания ( в м³) на 1 кг топлива (при нормальных условиях) находим по формулам (3.25)-(3.29):

V_CO2= ( m_CO2·22,4) ч М_СО2 [6, с. 48] (3.25)

где М_СО2 - молекулярная масса СО₂

V_CO2= (1,96·22,4)ч44

V_CO2=0,99м³/кг

V_Н2О= (m_Н2О·22,4)чM_Н2О [6, с. 48] (3.26)

где M_Н2О - молекулярная масса Н₂О

V_Н2О=(4,19·22,4)ч18

V_Н2О=5,21 м³/кг

V_О2= (m_O2·22,4)чM _О2 [6, с. 48] (3.27)

где M _О2 - молекулярная масса О₂

V_О2= (0,26·22,4)ч32

V_О2=0,18 м³/кг

V_N2= (14,47·22,4)чМ_N2 [6, с. 48] (3.28)

где М_N2 - молекулярная масса N₂

V_N2= (18,1·22,4)ч28

V_N2=14,48 м³/кг

Суммарный объём продуктов сгорания:

?V_i= V_CO2 + V_Н2О + V_О2 + V_N2 [6, с. 48] (3.29)

?V_i=0,99+5,21+0,18+14,48

?V_i=20,86 м³/кг

Плотность продуктов сгорания при 273 К и 0,1·10⁶ Па находим по формуле (3.30):

с₀=?m_i / ?V_i [6, с. 48] (3.30)

с₀=24,51/20,86

с₀=1,17 кг/м³

Определим энтальпию продуктов сгорания на 1 кг топлива при различных температурах по уравнению (3.31):

q_T= (T-273)·( m_CO2·С _CO2 + m_Н20·С _Н20 + m₀₂· С_О2 + m_N2·С _N2) [6, с. 49] (3.31)

где Т - температура продуктов сгорания, К

С _CO2, С _Н20, С₀₂, С _N2 - средние массовые теплоёмкости продуктов сгорания, кДж/(кг·К). представлены в таблице 3.12.

Таблица 3.12 - Средние массовые теплоёмкости продуктов сгорания

Найдём величину q_T результаты расчетов занесем в таблицу 3.13

q₃₀₀ = (300-273)·(1,96·0,8286 + 4,19·1,8632 + 0,26·0,9169 + 18,1·1,0308) = 765 кДж/кг

q₅₀₀ = (500-273)·(1,96·0,9207 + 4,19·1,9004 + 0,26·0,9391 + 18,1·1,0362) = 6530 кДж/кг

q₇₀₀ = (700-273)·(1,96·0,9906 + 4,19·1,9557 + 0,26·0,9688 + 18,1·1,05) = 12551 кДж/кг

q₁₀₀₀ = (1000-273)·(1,96·1.0902 + 4,19·2.0847 + 0,26·1.0182 + 18,1·1.0886) = 22421 кДж/кг

q₁₅₀₀ = (1500-273)·(1,96·1.1564 + 4,19·2.2195 + 0,26·1.0530 + 18,1·1,1279) = 39577 кДж/кг

Таблица 3.13 - Зависимость энтальпии от температуры

По данным таблицы строим график q-T (энтальпия продуктов сгорания -температура), рис.3.1.

Рисунок 3.1 - График зависимости температура - энтальпия

3.6.1.2 Состав сырья и пирогаза

Для последующих расчётов необходимо иметь характеристики сырья и пирогаза. Характеристики сырья и пирогаза приведём в таблицах 3.14 и 3.15.

Таблица 3.14 - Характеристика сырья

Из таблицы 3.14 имеем:

молекулярная масса сырья М_С=29,8719;

плотность сырья с_С=1,336 кг/м³.

Таблица 3.15 - Характеристика состава продуктов пиролиза (пирогаза)

Из таблицы 3.15 имеем: молекулярная масса пирогаза М_Х=18,72602, плотность пирогаза с_Х=0,781кг/м³.

Составим сводную таблицу 3.16 состава парогазовой смеси при входе её в змеевик печи (сырьё и водяной пар) и на выходе из змеевика (пирогаз и водяной пар)

Таблица 3.16 - Состав парогазовой смеси на входе и на выходе из змеевика печи

По данным таблицы 3.16 найдем:

молекулярная масса парогазовой смеси при входе в змеевик печи: М_ВХ.=11200ч467,829 М_ВХ.=23,94

молекулярная масса парогазовой смеси на выходе из змеевика печи: М_ВЫХ=11200ч627,957=17,84

3.6.1.3 Конечная температура реакции

Конечную температуру реакции, или температуру пирогаза на выходе из змеевика печи, найдём по формуле линейной интерполяции (3.32):

Т=Т₂·х₂ + Т₃·х₃ [13, с. 54] (3.32)

где Т₂, Т₃ - конечная температура реакции при пиролизе углеводородов С₂Н₆ и С₃Н₈, в чистом виде, К

х₂, х₃,- содержание углеводородов С₂Н₆, С₃Н₈, в сырье в расчёте только на их смесь, масс. доли.

Конечная температура процесса связана с оптимальным временем контакта формулами Шмидта (3.33)-(3.34):

при пиролизе этана без выделения углерода

lg(ф^эт_опт)= -12,75 + 13700чТ₂ [13, с. 54] (3.33)

при пиролизе пропана без выделения углерода

lg(ф^пр_опт)= -10,96 + 11038чТ₃ [13, с. 54] (3.34)

где ф^эт_опт и ф^пр_опт - оптимальное время контакта, с.

Пиролизу подвергается смесь углеводородов, поэтому общее время ф_общ пребывания газовой смеси в зоне реакции для всех углеводородов будет одинаковым. Общее время пребывания газовой смеси в зоне реакции связано с оптимальным временем:

ф_общ ? (1,8ч2,1)·ф_опт

Сведения о величине общего времени ф_общ пребывания газов в змеевиках трубчатых печей пиролиза приведены в таблице 3.17.

Таблица 3.17 - Интервалы пребывания газов в змеевиках печей пиролиза

Сырьё обогащено этаном, поэтому примем по данным таблицы 3.17 величину общего времени пребывания 0,945 с. Приняв кратность превышения общего времени ф_общ над оптимальным временем ф_опт равной 2,1 найдём по формуле (3.35):

ф_опт= ф_общ / 2, [13, с.54] (3.35)

ф_опт=0,945 / 2,1

ф_опт=0,45 с.

Используя величину ф_опт=0,45 с. в формулах Шмидта найдём Т₂ и Т₃

Т₃=13700 / (lg0,45 + 12,75)

Т₃=1135 К

Т₂=11038 / (lg0,45 + 10,96)

Т₂=1061 К

Расчёт содержания углеводородов в их смеси в сырье приведён в таблице 3.18.

Таблица 3.18 - Расчёт содержания углеводородов в их смеси в сырье

Подставив числовые значения величин в формулу для определения конечной температуры пирогаза на выходе из змеевика печи, получим:

Т=1105·0,9773+1041·0,0227

Т=1118 К (845 єС)

3.6.1.4 Тепловая нагрузка печи, её К.П.Д. и расход топлива

Температура сырья перед реакционным змеевиком должна быть ниже той, при которой начинается реакция пиролиза. Согласно литературным данным, некаталитическое превращение этана в этилен начинается при 883 К, а пропана в этилен - при 923 К. Поэтому в нашем расчете примем температуру входа сырья в реакционный змеевик Т_н=873 К.

Количество тепла, затрачиваемого на нагревание парогазовой смеси (сырьё и водяной пар) от Т₁=483 К (задана) до Т_н=873 К, найдём по формуле(3.36):

Q₁=(G+Z)·(q₈₇₃ - q₄₈₃) [13, с. 54] (3.36)

где G=8000 кг/ч - количество сырья

Z=3200 кг/ч - количество водяного пара

q₈₇₃ , q₄₈₃ - энтальпии парогазовой смеси соответственно при Т₁=873 К и Т_н=483 К , кДж/кг.

Энтальпию парогазовой смеси найдём по правилу аддитивности, при этом энтальпии отдельных компонентов возьмём из таблиц; массовые доли компонентов в смеси смотрим в таблице 3.19.

Ввиду небольшого давления в змеевике печи его влияние на энтальпию не учитывается.

Q₁= (8000+3200)·(1552,809 - 429,053)

Q₁=12586067,2 кДж/ч=3496,1298 кВт

Тепло Q₁ вычислено с некоторым избытком, так как начальная температура перегретого водяного пара, подаваемого в змеевик печи, значительно выше начальной температуры (Т₁=343 К) сырья.

Тепловой эффект реакции найдём по уравнению (3.37):

?Н=Н₂ - Н [13, с. 59] (3.37)

где Н₁, Н₂ - соответственно теплоты образования исходного сырья и пирогаза, кДж/кмоль.

Теплоты образования Н₁, Н₂ можно определить путём суммирования парциальных теплот образования компонентов соответственно сырья и пирогаза при конечной температуре Т реакции.

При температуре Т=1118 К. Расчёт значений теплот образования сырья и пирогаза приведён в таблице 3.20.

Теплота реакции:

?Н = -22638,9+106685,05

?Н=84046,15 кДж/кмоль сырья

Расход тепла на реакцию пиролиза:

Q_П=?Н·?G_i [13, с. 59] (3.38)

где ?Н - тепловой эффект реакции, кДж/кмоль сырья

?G_i - часовое количество молей сырья

Q_П=84046,15 ·267,8

Q_П=22507558,97 кДж/ч =6252,1кВт

Количество тепла, которое затрачивается на нагревание парогазовой смеси от Т_Н=873 К (сырьё и водяной пар ) до Т=1118 К (пирогаз и водяной пар) находим по формуле (3.39):

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таблица 3.20 - Расчёт значений теплот образования сырья и пирогаза

Q₂=(G+Z)·(q₁₁₁₈ - q₈₇₃), [13, с. 59] (3.39)

где q₁₁₀₂ и q₈₇₃ - энтальпии парогазовой смеси соответственно при Т₁=1118 К и Т_н=873 К , кДж/кг.

Q₂=(8000+3200)·( 2476,8-1552,809)

Q₂=10348800кДж/ч =2874,67 кВт

Расход тепла на реакцию и нагревание в реакционном змеевике, или количество радиантного тепла печи, определим по формуле (3.40)

Q_P= Q_П +Q₂ [13, с. 59] (3.40)

где Q_П - расход тепла на реакцию пиролиза, кВт

Q₂ - расход тепла на нагревание парогазовой смеси от Т_Н=873 К (сырьё и водяной пар ) Т=1102 К (пирогаз и водяной пар), кВт.

Q_P=6252,1+2874,67 кВт

Q_P=9126,77 кВт

Полезное тепло печи равно по формуле (3.41)

Q_полезн= Q₁+ Q_P [13, с. 59] (3.41)

где Q₁ - расход тепла на нагревание газов в реакционном змеевике, кВт

Q_P - расход тепла на реакцию, кВт.

Q_полезн=9126,77 +3496,1

Q_полезн=12622,87 кВт

Потери тепла печью в окружающую среду q₁ примем равными 7% от рабочей теплоты сгорания топлива Q^”_P , в том числе, в камере радиации 5%, в камере конвекции 2%.

Примем температуру уходящих из печи дымовых газов Т_УХ=600 К (с последующим их охлаждением в котле-утилизаторе). Тогда по графику q-T (рис 3.1) найдём их энтальпию:

q₂=10000 кДж/кг

Теперь найдём К.П.Д. печи по формуле (3.42):

з=1-(q₁/Q^”_P+q₂/Q^”_P) [13, с. 61] (3.42)

з=1-(0,07+10000/116633,46)

з=0,84

Расход топлива по формуле (3.43):

В=Q_полезн/(Q^”_P·з) [13, с. 61] (3.43)

В=(12622,87 ·3600)/( 116633,46·0,84)

В=464 кг/ч

3.6.1.5 Определение температуры дымовых газов, покидающих радиантную камеру

Из уравнения теплового баланса топки найдём энтальпию уходящих из неё дымовых газов по формуле (3.44):

q^г_{Т П}= Q^”_P· з_T - (Q_P / В), [13, с. 62] (3.44)

где з_T - к.п.д. топки равный з_T=1-0,5=0,95

q^г_{Т П}=116633,46·0,95-(9126,77 ·3600)/464

q^г_{Т П}=51960,3 кДж/кг

По графику q-T (рис. 3.1) этой энтальпии соответствует температура Т_П=1745 К.

3.6.1.6 Поверхность нагрева реакционного змеевика (экранных труб)

Величина средней теплонапряжённости поверхности экранных реакционных труб в печах современных конструкций принимается равной 34,7-37,2 кВт/м². Принимаем теплонапряжённость равную 37,2 кВт/м².

Определим поверхность нагрева змеевика по формуле(3.45):

F_p=Q_P / q_p, [13, с. 62] (3.45)

где q_p - средняя теплонапряжённость поверхности нагрева экранных труб, кВт/м²

Q_P - количество радиантного тепла печи, кВт

F_p=9126,77 /37,2

F_p=245,34 м²

Принимаем диаметр труб 0,14 м и толщину стенок 0,008 м

Находим общую рабочую длину труб по формуле (3.46):

L_P=F_P / (р·d_н), [13, с. 62] (3.46)

где d_н - принимаемый диаметр труб, м

L_P=245,34/(3,14·0,14)

L_P=558,1 м

Число параллельных потоков сырья m в печи для проектируемой печи принято m=4.

Рабочая длина труб в одном потоке (3.47):

L?_P=L_P / m, [13, с. 63] (3.47)

где m - число параллельных потоков

L?_P=558,1 /4

L?_P=139,5 м

Выбираем рабочую длину одной трубы 38 м. Тогда число труб в одном потоке реакционного змеевика составит по формуле (3.48):

N?_P= L?_P / l_т, [13, с. 63] (3.48)

где l_т - рабочая длина одной трубы, м

N?_P=139,5 /38

N?_P=4

Полная длина одной трубы 38,5 м. Найдём общую длину труб в одном потоке по формуле (3.49):

L??_P= N?_P·l?_т, [13, с. 63] (3.49)

где l?_т - полная длина одной трубы, м

L??_P=38,5·4

L??_P=154 м

3.6.1.7 Время пребывания парогазовой смеси в реакционном змеевике

Массовая скорость парогазовой смеси в реакционном змеевике по формуле(3.50):

U=(4·(G+Z) / (3600·m·р·(d_B)²), [13, с. 63] (3.50)

где G - количество сырья, кг/ч

Z - количество водяного пара, кг/ч

m - число параллельных потоков сырья

d_B - внутренний диаметр трубы, м

U=(4·(8000+3200) / (3600·4·3,14·0,124²)

U=73,63 м²/с

На основании литературных данных перепад давления ?Р_Р в реакционном (радиантном) змеевике равен 245·10³ - 343·10³ Па.

Давление Р_К на выходе из реактора в большинстве случаев равно 100·10³ - 196·10³ Па.

Примем ?Р_Р=335·10³ Па и Р_К=100·10³ Па. Тогда давление в начале змеевика будет равно по формуле (3.50):

Р_Н= Р_К + ?Р_Р, [13, с. 64] (3.50)

Р_Н=100·10³ + 335·10³

Р_Н=435·10³ Па

Плотность парогазовой смеси в начале реакционного змеевика:

а) при нормальных условиях находим по формуле (3.51)

с?₀=М_ВХ / 22,4, [13, с. 64] (3.51)

где М_ВХ - молекулярная масса парогазовой смеси при входе в змеевик печи (в начале реакционного змеевика она будет такой же, поскольку реакция пиролиза ещё не началась)

с?₀=23,94/ 22,4

с?₀=1,07 кг/м³

б) при Т_Н=873 К и Р_Н=435·10³ Па по формуле (3.52)

с_н= с?₀ ·(Т₀·Р_Н) / Т_Н·Р₀, [13, с. 64] (3.52)

где Т₀=273 К и Р₀=98,1·10³ Па - стандартные величины, принимаемые для расчёта данной формулы:

с_н=(1,07·273·435·10³) / (873·98,1·10³)

с_н=1,48 кг/м³

Плотность парогазовой смеси в конце реакционного змеевика:

а) при нормальных условиях находим по формуле (3.53)

с??₀= М_ВЫХ / 22.4, [13, с. 64] (3.53)

где М_ВЫХ - молекулярная масса парогазовой смеси на выходе из

реакционного змеевика

с??₀=17,84/ 22,4

с??₀=0,796 кг/м³

б) при Т=1102 К и Р_К=100·10³ Па по формуле (3.54)

с_К= с??₀ ·(Т₀·Р_К) / (Т·Р₀), [13, с. 64] (3.54)

с_К=(0,796·273·100·10³) / (1102·98,1·10³)

с_К=0,201 кг/м³

Средняя плотность смеси в реакционном змеевике находим по формуле (3.55):

с_СР=(с_Н + с_К) / 2, [13, с. 65] (3.55)

с_СР=(1,48 + 0,201) / 2

с_СР=0,84г/м³

Линейная скорость парогазовой смеси находим по формулам (3.56), (3.57):

а) в начале реакционного змеевика

w_H=U / с_Н, [13, с. 65] (3.56)

w_H=73,63 / 1,48

w_H=49,75 м/с

б) в конце реакционного змеевика

w_K=U / с_К, [13, с. 65] (3.57)

w_K=73,63/0,201

w_K=366,32 м/с

в) средняя скорость по формуле (3.58)

w_СР= ( w_H + w_K ) / 2, [13, с. 65] (3.58)

w_СР= (49,75 +366,32) / 2

w_СР=208 м/с

Определим время пребывания смеси в реакционном змеевике по уравнению (3.59):

ф_ОБЩ = L??_P / w_СР, [13, с. 65] (3.59)

где L??_P - общая длина труб в одном потоке, м

w_СР - средняя линейная скорость газа в реакционном змеевике, м/с

ф_ОБЩ =154/208

ф_ОБЩ =0,74 с

Полученная величина не превышает ранее принятого значения ф_ОБЩ =0,945с, поэтому пересчёта не делаем.

3.6.1.8 Потери напора в реакционном (радиантном) змеевике печи

Определим температуру парогазовой смеси в реакционном змеевике по формуле (3.60):

Т_СР= ( Т_Н + Т ) / 2, [13, с. 66] (3.60)

где Т_Н - температура входа сырья в реакционный змеевик, К

Т - конечной температуры пирогаза на выходе из змеевика печи, К

Т_СР= ( 873 + 1118 ) / 2

Т_СР=995 К

Определим среднюю молекулярную массу смеси углеводородных газов по формуле (3.61):

М_СР= (М_С + М_Х) / 2, [13, с. 66] (3.61)

где М_С - молекулярная масса сырья

М_Х - молекулярная масса пирогаза

М_СР=(23,94 + 17,84) / 2

М_СР=20,89

По таблице экстраполяцией находим кинематическую вязкость этих газов при 995 К:

н_Г=71·10^-6 м²/с.

Кинематическая вязкость водяного пара при 995 К по таблице:

н_В.П.=120,9·10^-6 м²/с.

Среднее содержание водяного пара в парогазовой смеси определяем по формуле (3.62):

y?_СР= (y?_П + y??_П) /2, [13, с. 67] (3.62)

где y?_П - содержание водяного пара в парогазовой смеси при входе печь, мол.доли

y??_П - содержание водяного пара в парогазовой смеси на выходе из печи, мол.доли

y?_СР=(0,42750-0,31849) / 2

y?_СР=0,055 мол.доли

Тогда кинематическая вязкость парогазовой смеси в реакционном змеевике по формуле (3.63):

н_СМ= 1 / ((1- y?_СР)/ н_Г + y?_СР/ н_В.П.), [13, с. 67] (3.63)

н_СМ=1 / (1-0,055) / 71·10^-6 + (0,055 / 120,9·10^-6)

н_СМ=72,4·10^-6 м²/с

Подсчитаем числовое значение критерия Рейнольдса по формуле (3.64):

Re = (w_CP·d_B) / н_СМ, [13, с. 66] (3.64)

Re = (208·0,124) / 72,4·10^-6

Re = 356243,1

Относительная шероховатость равна по формуле (3.65):

l / d_н = 0,0001 / 0,124 [13, с. 67] (3.65)

где l = 0,0001 м - среднее значение высоты выступов шероховатости

l / d_н =0,0008

По графику Re = 356243,1 и относительной шероховатости найдём коэффициент гидравлического сопротивления:

л=0,025

Определим эквивалентную длину труб одного потока радиантного змеевика по формуле (3.66):

l_ЭКВ = N?_P·l?_ТР + ( N?_P - 1 )·ш·d_B, [13, с. 67] (3.66)

где ш - коэффициент, зависящий от типа соединения труб, принимаем ш=50

l_ЭКВ =38,5·4 + (4-1)·50·0,124

l_ЭКВ =210 м

Выше была принята величина потерь напора в реакционном змеевике печи ?Р_Р=320·10³ Па. Проверим правильность принятой величины ?Р_Р, вычислив её значение по формуле (3.67):

?Р_Р=л·( l_ЭКВ / d_B)·(U² / (2·с_СР)), [13, с. 66] (3.67)

где л - коэффициент гидравлического сопротивления

l_ЭКВ - эквивалентная длина труб одного потока радиантного змеевика, м

U - массовая скорость парогазовой смеси в реакционном змеевике,

кг/(м²·с)

с_СР - средняя плотность смеси в реакционном змеевике, кг/м³

?Р_Р=0,025·(210 / 0,124)·((73,63)² / 2·0,937)

?Р_Р=119567,24 Па

Полученная величина ?Р_Р=119567,24 Па меньше ранее принятой величины ?Р_Р=32·10⁴ Па, поэтому повторного расчёта не делаем.

3.6.1.9 Расчет необходимого числа печей для обеспечения заданной производительности установки

Расчет необходимого числа печей производится с учетом заданной и принятой производительности печи:

n=37106,81/11200=4

К установке принято 6 печей (4+2=6).

3.6.2 Технологический расчет закалочно-испарительного аппарата

Закалочно-испарительный аппарат (ЗИА) предназначен для резкого охлаждения пирогаза, тепло которого используют для получения водяного пара высокого давления, последний направляют на паровые турбины, являющимися приводами компрессоров установки [14].

Закалочно-испарительный аппарат представляет собой вертикальный кожухотрубчатый теплообменник, соединенный короткой циркуляционной трубой с барабаном паросборником. ЗИА - одноходовой аппарат; пирогаз направляют в трубное пространство, умягченная (химически очищенная) вода циркулирует в межтрубном пространстве [14].

Цель расчета - определение паропроизводительности и тепловой нагрузки аппарата.

Техническая характеристика ЗИА:

- диаметр кожуха внутренний, мм 1000

- толщина стенки обечайки кожуха, мм 32

- длина (высота) общая, мм 6300

- число труб, шт 150

- размер труб: а) длина, мм 4800

б) диаметр наружный, мм 32

в) диаметр внутренний, мм 24

г) толщина стенки, мм 4

- нагрузка аппарата по пирогазу, кг/час 10700

Выход пирогаза равен 11200 кг/час, следовательно, необходимое число ЗИА составит:

N = 11200/10700 = 1,05 [14, с.60] (3.68)

Таким образом, следует установить два закалочно-испарительных аппарата на одну печь.