При сопоставлении теплового баланса необходимо учитывать:
1. теплоту, которую несут с собой входящие и выходящие продукты;
2. теплоту, образующуюся за счет физических и химических превращений, если таковы имеют место в данном процессе;
3. теплоту, теряемую аппаратом в окружающую среду.
В уравнение теплового баланса входят главным образом следующие величины:
В приход:
а) теплота (Q1) входящих в аппарат продуктов;
б) теплота (Q2) физических и химических превращений;
в) теплота (Q3), вносимая за счет посторонних продуктов, не принимающих непосредственного участия в процессе (подогрев извне).
В расход:
г) теплота (Q4) выходящих из аппарата продуктов;
д) потери тепла (Q5) в окружающую среду.
Таким образом, уравнение теплового баланса примет вид:
Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5, [2]
где
Q1 – теплота входящих в аппарат продуктов;
Q2 – теплота химических и физических превращений, протекающих в данном процессе;
Q3 – теплота, подающаяся к аппарату извне через его стенки продуктами, непринимает непосредственного участия в процессе;
Q4 – теплота уходящих из аппарата продуктов;
Q5 – тепловые потери в окружающую среду.
Расчет
В печь пиролиза входят следующие тепловые потоки: бензина, водяного пара, природного газа, воздуха. Из печи выходят тепловые потоки пирогаза и дымовых газов. См. схему тепловых потоков. Приложение №2.
По справочным данным определяем удельные теплоемкости компонентов и сводим их в табл. 22 [2,4,7,8]:
Удельные теплоемкости компонентов
Таблица 22
| Компонент | Удельная теплоемкость, кДж/кг∙град | |
| Н2 | 14,3 | |
| СО | 1,05 | |
| СО2 | 0,838 | |
| Н2S | 1,06 | |
| CH4 | 2,23 | |
| C2H2 | 1,68 | |
| C2H4 | 1,53 | |
| C2H6 | 1,73 | |
| C3H4 | 1,64 | |
| C3H6 | 1,64 | |
| C3H8 | 1,87 | |
| C4H4 | 2,16 | |
| C4H6 | 2,16 | |
| C4H8 | 2,27 | |
| C4H10 | 1,98 | |
| бензол | 1,70 | |
| толуол | 1,71 | |
| ксилол | 1,70 | |
| С5 | 2,27 | |
| С6 | 2,22 | |
| Циклогексан | 2,16 | |
| С7 | 2,15 | |
| С8 | 2,03 | |
| С9 | 2,17 | |
| С10 | 2,17 | |
| Масло | 1,67 | |
| Вода | 1,80 | |
| Топливный газ | 1,87 | |
| Воздух | 1,005 | |
| Дымовые газы | 1,424 | |
Рассчитываем теплоту, входящих в аппарат компонентов по формуле:
Q1= t∙(m1c1+m2c2+…+mncn) [2]
где:
Q1 – теплота, входящих в аппарат продуктов, кДж/час;
t – температура продуктов, водящих в процесс, ºС;
m – количество продукта, входящего в процесс, кг;
c – удельная теплоемкость, кДж/кг∙град.
Рассчитываем Q1, входящих в аппарат продуктов:
Q1 бензина = 120 ∙ (598,01 ∙1,70+4 064,73∙2,16+8 337,46∙2,22)= 3 396 672,00 кДж/час
Q1 вод.пара = 120 ∙ (8 666,80 ∙ 1,80)= 1 872 028,80 кДж/час
На горелки печи пиролиза поступает топливный газ со скоростью подачи– 1440 м3/час. [Мухина]. Состав топливного газа приведен в табл. 23
Состав топливного газа
Таблица 23
| Компоненты | % мас | м3/час |
| С2Н6 | 4,00 | 57,6 |
| С3Н8 | 93,00 | 1339,2 |
| С4Н10 | 3,00 | 43,2 |
| Итого: | 100,00 | 1440, 00 |
Отсюда:
Q1 топл.газа = 60 ∙ (57,6∙1,73+1339,2∙1,87+43,2∙1,92) = 161 213,4 кДж/час
Для сгорания топливного газа необходима подача воздуха (кислорода воздуха).
Рассчитываем необходимое количество кислорода:
V=1440 V=x
С3Н8 + 5О2 = 3СО2 + 4 Н2О
M=0,0224 M=5∙0,0224=0,112
x= 1440 ∙ 0,112/0,0224 = 7 200 м3/час
Следовательно, необходимое количество воздуха:
21% - 7 200 м3/час
100% - х м3/час
х=7 200 ∙100/ 21 = 34 285,71 м3/час
Рассчитываем Q1 воздуха:
Q1 воздуха = 25 ∙ 34 285,71 ∙ 1,005 = 861 428,46 кДж/час
Рассчитываем теплоту, выводимую из аппарата с продуктами по формуле:
Q4= t∙(m1c1+m2c2+…+mncn) (Бесков)
где: Q4 – теплота, выходящих из аппарата с продуктами, кДж/час;
t – температура продуктов, выходящих из аппарата, ºС;
m – количество продукта, выходящего из аппарата, кг;
c – удельная теплоемкость, кДж/кг∙град.
Рассчитываем Q4 пирогаза:
Q4 пирогаза = 850 ∙ (153,84∙ 14,3 + 10,83 ∙ 1,05 + 2,17 ∙ 0,838 + 2,17 ∙ 1,060 + 2 489,54 ∙ 2,23 + 101,83 ∙ 1,68 + 4 606,40 ∙ 1,53 + 452,84 ∙ 1,73 + 153,84 ∙ 1,64 + 1 854,70 ∙ 2,16 + 78,00 ∙ 1,87 + 634,84 ∙ 2,16 + 448,51 ∙ 2,27 + 45,50 ∙ 1,92 + 1 167,85 ∙ 1,70 + 650,00 ∙ 1,71 + 229,67 ∙ 1,70 + 446,34 ∙ 2,27 + 99,67 ∙ 2,10 + 15,17 ∙2,15 + 2,17 ∙2,03 + 138,67 ∙ 2,17 + 62,83 ∙ 2,17 + 708,52 ∙ 1,67 + 7 002,77 ∙ 1,8) = 35 379 278,00 кДж/час
Объем дымовых газов, образующихся в процессе пиролиза, рассчитываем по формуле:
Vt = V0 ∙ (t+273/273) (Скобло, 511)
Vt – объем дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива при теоретическом расходе воздуха при н.у., м3/кг;
V0 – теоретический расход воздуха, необходимый для сгорания 1 кг топлива, м3
t – температура дымовых газов
Рассчитываем теплоту сгорания топлива:
Теплота сгорания топливного газа – 2 233 000 кДж/кмоль [2,483]
Объем топливного газа: для расчета объема газа воспользуемся формулой:
V = V топл.газа/М = 1 440 000л/час : 22,4 л/моль = 64 285,71 моль/час = 64,29 кмоль/час
Теплота сгорания топливного газа для процесса пиролиза:
Qсгор.топл. = 64,29 ∙ 2 223 000 = 134 479 250,40 кДж/час
Согласно справочным данным [7,207] тепловой эффект процесса пиролиза в стандартных условиях – 6133 кДж/кг.
Находим теплоту химических превращений:
Q2 = Gq, [12, 103]
где: Q2 – тепловая нагрузка печи, кДж/час;
G – производительность печи по сырью, кг/час;
q – тепловой эффект процесса пиролиза, кДж/кг.
Q2 = 13 000 ∙ 6133 = 79 729 000 кДж/час = 22 147 Вт/час
Тепловые потери не должны превышать 3-5% от общей тепловой нагрузки. Выбираем 3%. Отсюда: 220 499 593,06·3/100=6 614 987,79 кДж/час
Результаты подсчётов теплового баланса сведем в таблицу 24
Тепловой баланс процесса пиролиза
Таблица 24
| Приход | Расход | ||||
| Тепловой поток | кДж/час | % | Тепловой поток | кДж/час | % |
| 1. Q1, теплота входящих в процесс продуктов всего, в т.ч. | 6 130 129,26 | 2,78 | 1. Q4,теплота выходящих продуктов | 134 946 801,11 | 61,20 |
| - с бензином | 3 396 672,00 | 1,54 | - с пирогазом | 35 379 278,00 | 16,05 |
| - с воздухом | 861 428,46 | 0,39 | -с дымовыми газами | 99 567 523,11 | 45,15 |
| - с водяным паром | 1 872 028,80 | 0,85 | 2. Qутилиз.тепла, в том числе: | 49 922 901,50 | 22,64 |
| 2. Q1, теплота, входимая в аппарат с топливным газом | 161 213,40 | 0,07 | Q4 теплота, используемой для подогрева сырья | 2 507 050,00 | 1,14 |
| 3. Q2, теплота химических превращений | 79 729 000,00 | 36,16 | Q4 теплота, использованной в ЗИА | 26 507 852, 66 | 12,02 |
| 4. Q сгор.топл | 134 479 250,40 | 60,99 | 3.Тепловые потери | 6 614 987,79 | 3,00 |
| Итого: | 220 499 593,06 | 100,00 | Итого: | 220 499 593,06 | 100,00 |
7. Расчет основного технологического оборудования