Конечная температура реакции - Основные характеристики печи пиролиза

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.

Похожие статьи




Конечная температура реакции - Основные характеристики печи пиролиза

Предыдущая | Следующая