Проверочный расчет установки пиролиза этана

 

 

По данным таблицы 4.10 найдем:

 молекулярная масса парогазовой  смеси при входе в змеевик  печи:

М_ВХ.=11200 ÷427,145 = 26,2

молекулярная масса парогазовой  смеси на выходе из змеевика печи

М_ВЫХ=11200÷604,925 = 18,51

 

4.2.3 Конечная температура реакции

 

     Конечную температуру  реакции, или температуру пирогаза  на выходе из змеевика печи, найдём по формуле линейной  интерполяции (4.36):

                                               Т=Т₂*х₂ + Т₃*х₃           /6, с. 204/                      (4.36)

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 /12, с.41/ (4.37)-(4.38):

 при пиролизе этана без  выделения углерода 

                         lg(τ^эт_опт)= -12,75 + 13700÷Т₂              /6, с. 204/                    (4.37)

 при пиролизе пропана без  выделения углерода

                        lg(τ^пр_опт)= -10,96 + 11038÷Т₃               /6, с. 204/                    (4.38)

     где  τ^эт_опт и τ^пр_опт – оптимальное время контакта, с.

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

                                 τ_общ ≤ (1,8÷2,1)*τ_опт                      /12, с.54/

     Сведения о величине  общего времени  τ_общ пребывания газов в змеевиках трубчатых печей пиролиза приведены в таблице 4.11.

Таблица 4.11 – Интервалы пребывания газов в змеевиках печей пиролиза

Пиролиз углеводородов	Интервал
	температуры процесса, К	давления процесса *10-3	τобщ , с
С2Н6 С3Н6 С3Н8 С4Н10	1048-1113 1065-1095 883-1103 883-1103	208-319 208-319 208-319 208-319	0,7-1,30 0,5-0,80 0,7-1,13 0,7-1,13

 

  Сырьё обогащено этаном, поэтому  примем по данным таблицы.4.11 величину общего времени пребывания 0,945 с.. Приняв кратность превышения общего времени τ_общ над оптимальным временем τ_опт равной 2,1, найдём по формуле (4.39):

                                                        τ_опт= τ_общ / 2,        /6, с. 205/                     (4.39)

τ_опт=0,945 / 2,1

τ_опт=0,45 с.

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

Т₂=13700 / (lg0,45 + 12,75)

Т₂=1104,5 К

Т₃=11038 / (lg0,45 + 10,96)

Т₃=1040,5 К

Расчёт содержания углеводородов  в их смеси в сырье приведён в таблице 4.12

Таблица 4.12 – Расчёт содержания углеводородов в их смеси в сырье

Компоненты	Количество Gi, кг/ч	Содержание xi= Gi / ∑ Gi , масс. доля
С2Н6 С3Н8	7600 240	0,9744 0,0308
Сумма	7800	1,0000

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

Т=1104,5*0,9744+1040,5*0,0308

Т=1108,27 К (835,27 ºС)

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

 

  Температура сырья перед  реакционным змеевиком должна  быть ниже той, при которой  начинается реакция пиролиза./12, с.35/ Согласно литературным данным, некаталитическое превращение этана в этилен начинается при 883 К/10, с. 18/, а пропана в этилен – при 923 К/12, с. 43/. 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(4.40):

                                Q₁=(G+Z)*(q₈₇₃ – q₄₈₃)                  /6, с. 207/                   (4.40)

 где  G=8000   кг/ч – количество сырья

        Z=32000 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;/19, с. 121-128/ массовые доли компонентов в смеси смотрим в таблице 4.8

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

 

 

 

 

 

Таблица 4.13 - Энтальпии компонентов парогазовой смеси
Компоненты	Т1=483 К			ТН=873 К			Т=1108,27 К
	qi , кДж/кг	xi , масс. доля	qi*xi , кДж/кг	qi , кДж/кг	xi , масс. доля	qi*xi , кДж/кг	qi , кДж/кг	xi , масс. доля	qi*xi , кДж/кг
Н2 СН4 С2Н4 С2Н6 С2Н2 С3Н6 С3Н8 С4Н6 С4Н8 С4Н10 С5Н10 С6Н6 СО СО2 Н2S Н2О	510,6   440,6     429,8             192,5 211,6 398,7	0,0141     0,6786        0,0214             0,00014 0,000014 0,2857	7,1995   298,991     9,1977             0,0269 0,00296 113,9086	1896,8   1691     1658             624,3 604,8 1206,3	0,0141   0,6786     0,0214               0,00014 0,000014 0,2857	26,745   1147,5126     35,4812             0,0874 0,0085 344,6399	12179,91 2935,26 2222,04 2624,99 1871,13 2237,12 2562,02 2068,31 2323,31 2533,23 2350,71 1743,71 924,19 906,72 836,69 1733,28	0,0271 0,0364 0,3799 0,2462 0,00035 0,0149 0,0023 0,0023 0,00083 0,00144 0,00135 0,00039 0,00065 0,00014 0,00001      0,2857	330,076 106,843 844,153 646,273 0,6549 33,333 5,8926 4,7571 1,9283 3,6479 3,1735 0,6800 0,6007 0,1269 0,0084 495,1984
Сумма	-	1,0000	429,3268	-	1,0000	1554,475	-	1,0000	2477,3461

 

 

Q₁= (8000  +3200)*(1554,475 – 429,3268)

Q₁=12601659,84 кДж/ч=3500,469 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 (4.41):

                                    ∆Н=Н₂ – Н₁                   /2, с. 59/                      (4.41)

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=1108,27 К. Расчёт значений теплот образования  сырья и пирогаза приведён в таблице 4.14

 

 

Таблица 4.14 - Расчёт значений теплот образования сырья и пирогаза

Компоненты	Теплота образования ∆Нf  кДж/кмоль	Сырьё		Пирогаз
		C′i, мол.доля	C′i*∆Н0f , кДж/кмоль	выход g′i / ∑G′i  кмоль/кмоль	(g′i*∆Н0f) / ∑G′i  ,кДж/кмоль сырья
Н2 СН4 С2Н4 С2Н6 С2Н2 С3Н6 С3Н8 С4Н6 С4Н8 С4Н10 С5Н10 С6Н6 СО СО2 Н2S	-90710 37793 -106840 222703 -754 -130270 173550 -25810 -156830 -50867 61300 -112749 -395385 -85895	0,0368   0,9427     0,02031             0,00014    0,00002	-3338,128   -100718,068     -2645,784             -55,354 1,7179	0,564 0,095 0,566 0,342 0,0006 0,015 0,002 0,002 0,0006 0,001 0,0008 0,0002 0,0009    0,0001 0,00002	-8617,45 21390,838 -36539,28 133,6218 -11,31 -260,54 347,1 -15,486 -156,83 -40,694 12,26 -101,474 -39,539 -1,7179
Сумма		1,0000	Н1 = -106759,052	1,59022	Н2 = -23900,50

 

Теплота реакции:

∆Н = -23900,50+106759,052              

∆Н=82858,55  кДж/кмоль  сырья

 Расход тепла на реакцию  пиролиза:

 Q_П=∆Н*∑G_i                 /6, с. 209/                           (4.42)

 где  ∆Н – тепловой  эффект реакции, кДж/кмоль сырья

        ∑G_i - часовое количество молей сырья

Q_П=82858,55 * 268,71

Q_П=22264921,51 кДж/ч =6184,70 кВт

   Количество тепла, которое  затрачивается на нагревание  парогазовой смеси от Т_Н=873 К (сырьё и водяной пар ) до Т=1108,27 К (пирогаз и водяной пар) находим по формуле (4.43):

Q₂=(G+Z)*(q₁₁₁₈ – q₈₇₃)           /6, с. 209/                        (4.43)        

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

Q₂=(8000+3200)*( 2477,3461-1554,475)

Q₂=10336156,32кДж/ч =2871,15 кВт

 Расход тепла на реакцию  и нагревание в реакционном  змеевике, или количество радиантного  тепла печи, определим по формуле  (4.44)

Q_P= Q_П +Q₂                        /6, с. 209/                      (4.44)

  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=1108,27 К (пирогаз и водяной пар), кВт.

Q_P= 6184,70 + 2871,15 кВт

Q_P=9055,85 кВт

 Полезное тепло печи равно  по формуле (4.45)

                                            Q_полезн= Q₁+ Q_P                 /6, с. 209/                (4.45)

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

         Q_P – расход тепла на реакцию, кВт.

Q_полезн= 3500,469 +9055,85

Q_полезн=12556,32 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 (рисунок 4.1) найдём их энтальпию:

q₂=10000 кДж/кг

   Теперь найдём К.П.Д. печи  по формуле (4.46):

η=1-(q₁/Q^”_P+q₂/Q^”_P)                  /6, с. 209/              (4.46)

η=1-(0,07+10000/116633,46)

η=0,84

 Расход топлива по формуле  (4.47):

В=Q_полезн/(Q^”_P*η)               /6, с. 209/             (4.47)