Технология пиролиза углеводородного сырья в трубчатых печах (стр. 7 из 15)

Q_подв = Q_с,

где Q_подв – подводимое тепло, кДж/ч;

Q_с – тепло паросырьевой смеси на входе в печь, КДж/ч

N_ct_cåC_pic_i + G_ппi_пп + G_нпi _нп = N_ct₁åC_pic_i + G_пi_пп,

где N_c – молекулярнйй расход сырья, кг/кмоль;

t_c – температура сырья, t_с = 35^оС;

C_pi – мольные теплоемкости компонентов сырья, кДж/кмоль;

c_i – объемные доли компонентов сырья;

G_пп – массовый расход перегретого пара, кг/ч;

t_пп - температура перегретого пара, t_пп= 850 ^оС;

i_пп – энтальпия перегретого пара, кДж/кг;

G_нп – массовый расход насыщенного пара, кг/ч;

Р_нп – давление насыщенного пара, Р_нп = 8ат;

i _нп – энтальпия насыщенного пара, i _нп = 2776кДж/кг [10,табл.LVII];

t₁ – температура смеси сырья и водяного пара на входе в печь, ^оС;

G_п - массовый расход водяного пара, кг/ч.

Принимаем, что разбавление водяным паром ведется при соотношении перегретого пара к насыщенному G_пп : G_нп = 3:1, тогда

G_нп = G_п / 4 =

кг/ч.

G_пп = 3×G_п / 4 =

кг/ч.

Мольная теплоемкость компонента смеси рассчитывается в зависимости от температуры по формуле: С_рi = а_i + b_iT + c_iT², где а_i, b_i, c_i – коэффициенты для данного вещества, кДж/кмоль×К, Т – температура, К.

Мольная теплоемкость смеси рассчитывается по правилу аддитивности:

С_рс = åС_рiс_i.

Коэффициенты и расчет теплоемкости для компонентов сырья приведены в таблице 4.5. энтальпия перегретого пара приведена в таблице 4.6.

Таблица 4.5 -Коэффициенты компонентов сырья и результаты расчета теплоемкости

Компонент	С3Н8	С4Н10	С5Н12
а, Дж/моль×К	-4,80	0,469	1,44
b×103, Дж/моль×К	307,30	385,38	476,50
с×106, Дж/моль×К	-160,16	-198,88	-250,4
сi	0,158	0,813	0,029
t=35oC
Cpi, Дж/моль×К	74,655	100,299	124,448
Cpc, Дж/моль×К	96,948
t=250oC
Cpi, Дж/моль×К	112,109	147,623	182,158
Cpc, Дж/моль×К	143,013
t=560oC
Cpi, Дж/моль×К	140,048	183,490	224,615
Cpc, Дж/моль×К	177,819

Таблица 4.6 - Энтальпия перегретого пара i_пп (P=5ат) [11, с.49-55]

t, oC	250	560	810	850
iпп, ккал/кг	704,1	864,1	998,3	1021,3

Температура паросырьевой смеси t₁ определяется итерационным методом. Допустим t₁ = 250^оС, тогда:

Q_подв=151,55×35×96,948+3187,5×1021,3×4,186+1062,5×2776 = 17090814,67 кДж/ч

Q_отв = 151,55×250×143,013 + 4250×704,1×4,186 = 17944696,09 кДж/ч

Q_подв = Q_отв

17,090×10⁶ = 17,944×10⁶

Погрешность

D =

.

Погрешность расчета невелика, поэтому принимаем t₁ = 250^оС.

4.2.2 Определение полезной тепловой нагрузки печи

Тепловой баланс печи:

Q_с + Q_пол = Q_р + Q_пир,

где Q_пол – полезная тепловая нагрузка печи, кДж/ч;

Q_р – расход тепла на реакцию пиролиза, кДж/ч;

Q_пир – тепло пирогаза, кДж/ч.

Расход тепла на реакцию пиролиза

Q_р = N_пирå(DH^o_f,ic_i)_прод – N_сå(DH^o_f,ic_i)_исх,

где N_пир – мольный расход пирогаза (без водяного пара), кмоль/ч:

N_пир = N_пир+вп – N_вп = 539,22 – 236,11= 303,11.

DH^o_f,i – теплоты образования компонентов сырья (пирогаза) при температуре реакции Т_р = 1103К, кДж/кмоль, приведены в таблице 4.7.

Таблица 4.7 - Теплоты образования компонентов сырья и пирогаза при 1103 К [12, табл.3.8]

Компонент	Теплота образования DHof,i, кДж/кмоль	Сырьесi	Пирогазсi(табл.2)
Н2	—	—	0,0912
СН4	-90280	—	0,3213
С2Н2	+223000	—	0,0013
С2Н4	+38080	—	0,2799
С2Н6	-106500	—	0,0876
С3Н6	-428	—	0,0969
С3Н8	-130000	0,158	0,0198
С4Н6	+86900	—	0,0281
С4Н10	-156600	0,843	0,0337
С5Н12	-181300	0,029	2×10-5
åDHof,ici	-153113,5	-32842,5

Q_р = 303,11 (-32842,5) – 151,55(-153113,5) = 13,249×10⁶ кДж/ч.

Тепло пирогаза:

Q_пир = N_пирt_рåС_рic_i + G_пi_пп,

где t_р – температура реакции, t_р = 830^оС;

i_пп – энтальпия перегретого пара при t_р (табл.4.6).

Таблица 4.8 - Коэффициенты для расчета мольных теплоемкостей компонентов пирогаза при Т_р = 1103К

Компонент	а, Дж/моль×К	b×103, Дж/моль×К	с×106, Дж/моль×К	Мольная теплоемкость Срi, Дж/моль×К	Объемная долясi
Н2	27,28	3,26	0,502	31,399	0,0912
СН4	17,45	60,46	-1,117	81,618	0,3213
С2Н2	23,46	85,77	-58,34	47,923	0,0013
С2Н4	4,196	154,59	-81,09	76,507	0,2799
С2Н6	4,494	182,26	-74,86	114,079	0,0876
С3Н6	3,305	235,86	-117,6	120,810	0,0969
С3Н8	-4,80	307,3	-160,16	140,156	0,0198
С4Н6	-2,96	340,08	-223,7	102,971	0,0281
С4Н10	0,469	385,38	-198,88	184,571	0,0337
С5Н12	1,44	476,50	-250,40	223,798	2×10-5
åСрici	84,157

Q_пир = 303,4×830×84,157 + 4250×998,3×4,186 = 38,952×10⁶ кДж/ч.

Полезная тепловая нагрузка печи

Из теплового баланса:

Q_пол = Q_пир + Q_р – Q_с

Q_пол = 38,952×10⁶ + 13,249×10⁶ – 17,944×10⁶ = 34,257×10⁶ кДж/ч.

4.2.3 Определение затрат тепла в радиационной и конвекционной камерах

Q_пол = Q_рад + Q_конв,

где Q_рад – затраты тепла в радиационной камере, кДж/ч;

Q_конв - затраты тепла в конвекционной камере, кДж/ч.

Q_конв = N_ct_кåC_pic_i + G_пi_пп – Q_с,

где t_к – температура паросырьевой смеси на выходе из конвекционной камеры, t_к = 560^оС;

i_пп – энтальпия перегретого пара при t_к (табл.6);

åC_pic_i – мольная теплоемкость паросырьевой смеси при t_к (табл.11).

Q_конв =151,55×560×177,819 + 4250×864,1×4,168 – 17,944×10⁶ = 12,520×10⁶ кДж/ч.

Q_рад = Q_пол – Q_конв = 34,257×10⁶ – 12,520×10⁶ = 21,737×10⁶ кДж/ч.

4.2.4 Расчет процесса горения топлива

Определение состава топлива [13, с.25]

Топливом служит метано – водородная фракция (МВФ). Состав МВФ приведен в таблице 4.9.

Таблица 4.9 - Состав МВФ

Компонент	% масс. в пирогазе (табл.4.1)	% масс. в МВФ
Водород	0,71	96,58
Метан	20,02	3,42
Итого	20,73	100

Определим элементарный состав топлива в массовых процентах.

Содержание углерода:

С =å

где g_i – массовый процент компонента топлива;

12 – молекулярный вес углерода;

n_i – число атомов углерода в компоненте топлива;

M_i – молекулярный вес компонента топлива.

С_СН4 =

%

Содержание водорода:

Н =å

где g_i – массовый процент компонента топлива;

1 – молекулярный вес водорода;

n_i – число атомов водорода в компоненте топлива;

M_i – молекулярный вес компонента топлива

Н = Н_СН4 + Н_Н2 =

%.

Определение низшей теплотворной способности топлива

Низшая теплотворная способность топлива определяется по уравнению Менделеева:

где S, O, W – соответственно содержание в топливе серы, кислорода, влаги, % масс.;

кДж/кг.

Определение количества воздуха, необходимого для сгорания топлива

Теоретическое количество воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива:

;

кг/кг.

Фактический расход воздуха:

,

где a – коэффициент избытка воздуха;

кг/кг.

Объемный расход воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива:

;

м³/кг.

Количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива: