Условия проведения и химизм процесса.

Технологический расчёт

реакционного змеевика трубчатой печи градиентного типа»

Выполнила:

студентка группы ХТ-09-4

Гутман А.С.

Проверил:

Жедяевский Д.Н.

Москва 2012

Оглавление

Описание технологической схемы установки 3

Описание проектируемого аппарата 6

Технологический расчёт аппарата и обоснование основных размеров 8

1. Исходные данные 8

2. Расчет процесса горения 9

3. Состав сырья и пирогаза 13

4. Конечная температура реакции 16

5. Тепловая нагрузка печи, ее к.п.д. и расход топлива 19

6. Определение температуры дымовых газов, покидающих радиантную камеру 22

7. Поверхность нагрева реакционного змеевика (экранных труб) 23

8. Время пребывания парогазовой смеси в реакционном змеевике 24

9. Потери напора в реакционном (радиантном) змеевике печи 26

10. Размер камеры радиации 28

Список используемой литературы 30

Описание технологической схемы установки

Пиролиз нефтяного сырья – процесс деструктивного превращения угле­водородов нефти при высоких температурах (обычно выше 650—700°C) в га­зообразные (пирогаз) и жидкие (смола пиролиза) продукты.

С 50-х гг. XX в. пиролиз – это основной промышленный процесс, обес­печивающий крупнотоннажное производство этилена, пропилена, а также других мономеров и полупродуктов для химической промышленности (буте­нов, бутадиена, циклопентадиена, бензола, толуола, ксилолов и др.).

Основным промышленным сырьем для процесса пиролиза являются газы нефтепереработки, бензиновые и газойлевые фракции нефти. Сырьевая база пиролиза определяется обычно структурой потребления нефтепродук­тов.

Выход целевых продуктов пиролиза существенно зависит от углеводо­родного состава подвергаемого деструкции сырья. При пиролизе газов неф­тепереработки состава C₂-C₄ и нормальных парафинов, содержащихся в бен­зиновых фракциях, образуется главным образом пирогаз. Пиролиз высококи­пящих нефтяных фракций (например, газойля) приводит к образованию большого количества смолы пиролиза, содержащей ароматические углеводо­роды (бензол, толуол, ксилолы, нафталин и др.), а также олефины C₅ и выше, в том числе и циклические (например, циклопентадиен).

Условия проведения и химизм процесса.

В промышленных условиях пиролиз углеводородов осуществляют при температурах 800—900°С и при давлениях, близких к атмосферному (на входе в пирозмеевик — 0,3 МПа, на выходе — 0,1 МПа избыточных). Время пребывания сырья в пирозмеевике составляет 0,1—0,5 сек. Большинство ис­следователей придерживаются теории цепного свободно-радикального меха­низма разложения при пиролизе в вышеуказанных условиях. Условно все ре­акции при пиролизе можно разделить на первичные и вторичные. Первичные реакции протекают с увеличением объёма реакционной массы. Это, в основ­ном, реакции расщепления парафинов и нафтеновых углеводородов с обра­зованием углеводородов с меньшей молекулярной массой. Вторичные реак­ции протекают, преимущественно, на поздних стадиях пиролиза и протекают они с уменьшением объёма реакционной массы. Это, в основном, реакции образования ароматических, полиядерных ароматических углеводородов в результате реакции конденсации/поликонденсации термически стабильных ароматических углеводородов и в результате реакций типа Дильса-Альдера. Также к вторичным реакциям можно отнести реакции образования различ­ных твёрдых углеродистых соединений, которые в промышленности принято называть коксом. Однако, ещё раз следует подчеркнуть, что такое деление реакций на первичные и вторичные условно.

Для снижения скоростей вторичных реакций пиролиза используют раз­бавление сырья пиролиза водяным паром. В результате парциальное давле­ние углеводородов снижается и, согласно принципу Ле-Шателье, снижение давления в зоне реакции будет способствовать протеканию реакций, идущих с увеличением объёма, то есть — первичных. Для этана, бутана, прямогон­ного бензина соотношение пара к сырью обычно составляет 0,3:1,0; 0,4:1,0; 0,5:1,0 соответственно.

Конструкция печей.

В промышленности распространение получили трубчатые реакторы пиролиза. Печи пиролиза состоят из двух отсеков — радиантной и конвекци­онной. Именно в радиантной секции находятся трубчатые реакторы пиролиза (пирозмеевики), обогреваемые теплом сгорания топливного газа на горелках этой секции. Следует отметить, что обогреваются пирозмеевики не пламенем горелок, а радиацией (в смысле просто излучения, а не гамма-излучения) те­пла от внутренней кладки радиантной секции печи, по которому «размазыва­ется» пламя горелок. В конвекционной части печи происходит предваритель­ный нагрев сырья, водяного пара разбавления до температуры начала пиро­лиза (600—650°С) конвективным переносом тепла с дымовыми газами из ра­диантной секции. Для возможности более точной регулировки температуры в обеих секциях на выходе из печи установлен вытяжной вентилятор с шибе­ром для регулирования скорости движения дымовых газов. Кроме нагрева сырья и пара разбавления, в конвекционной части происходит нагрев котло­вой питательной воды, которая используется для охлаждения продуктов пи­ролиза на выходе из печи — в закалочно-испарительных аппаратах. Полу­ченный насыщенный пар используется для получения пара высокого давле­ния, который в свою очередь используется для вращения паровой турбины компрессора пирогаза. В последних моделях печей пиролиза в конвекцион­ную часть внесли модуль перегрева насыщенного пара до необходимой тем­пературы (550°C). В итоге КПД использования тепла в последних моделях печей пиролиза составляет 91 — 93 %.

Описание проектируемого аппарата

Теперь более подробно о трубчатых реакторах пиролиза — пирозмее­виках. Для повышения селективности процесса и выходов продуктов при пи­ролизе время пребывания сырья в реакционной зоне необходимо сокращать, а температуру повышать. По такому пути и развивалось изменение этих па­раметров на промышленных печах пиролиза. На данный момент время кон­такта на современных печах составляет порядка 0,2 сек., а температура пиро­лиза достигает 870—900°С. При этом, встает вопрос — как так быстро на­греть (0,2 сек.) паросырьевой поток от 600°C до температуры пиролиза. Не­обходимо учитывать предельно допустимую температуру современных хромникелевых сплавов, из которых изготавливаются змеевики, и резкое по­вышение коксообразования на стенках этих сплавов при повышении темпе­ратур. Не увеличивая градиент температур между стенкой пирозмеевика и паросырьевым потоком, быстрый нагрев можно обеспечить увеличив удель­ную поверхность пирозмеевика, то есть поверхности на единицу объёма па­росырьевого потока. Большинство фирм разработчиков печей пиролиза по­шли по пути конструктивного выполнения пирозмеевиков ветвящимися с пе­ременным диаметром труб. Так, если изначально пирозмеевики представляли собой длинную трубу постоянного диаметра, согнутой на равные части (в змеевик) для уменьшения конструкционных размеров печи, то теперь пироз­меевики изготавливаются из большого количества входных труб (10—20) малого диаметра, которые объединяются, и, в итоге, на выходе змеевик со­стоит из 1—2 трубы значительно большого диаметра. В таких пирозмеевиках достигается высокая теплонапряженность на начальном участке и низкая — на конце, где температура стенки играет высокую роль в процессе коксооб­разования.

Первоначально пирозмеевики в радиантной секции находились в гори­зонтальном положении, время контакта в таких печах составляло не меньше 1 сек, температура пиролиза — не выше 800°C. Переход с горизонтальных на вертикальные свободно висящие трубы радиантного пирозмеевика позволило использовать более жаропрочные, хрупкие материалы пирозмеевиков, что и привело к появлению печей с высокотемпературным режимом и с коротким временем пребывания потока в пирозмеевиках.

Рис.1. Схема трубчатой печи градиентного типа.

Технологический расчёт аппарата и обоснование основных размеров

1. Исходные данные

Количество и состав исходного сырья (газа) и состав продуктов пиро­лиза (пирогаза) приведены в таблице 1.

Таблица 1

Компоненты	Состав, мол.%
сырье - пропановая фракция	пирогаз
Н2	1,2	11,2
СН4	4,5	37,2
С2Н2	-	0,3
С2Н4	5,1	29,3
С2Н6	17,2	8,2
С3Н6	11,5	7,1
С3Н8	54,2	3,8
С4	6,3	0,8
С5+	-	2,1
Сумма	100,0	100,0

Температура сырья на входе в печь Т₁ =308°С; количество водяного пара, до­бавляемого к исходному сырью перед его подачей в печь Z=2300 кг/ч (23 масс.% на сырье); производительность печи G=10000 кг/ч.

Таблица 2. Состав топливного газа

Компонент	Количество, %об
СН4
С2Н6	0,2
С3Н8	0,1
н-С4Н10	0,2
CO2	0,1
N2	0,4

Плотность газа при н.у. ρ=0,715 кг/м³

Коэффициент избытка воздуха α=1,07

2. Расчет процесса горения

Определим низшую теплоту сгорания топлива (в кДж/м³) по формуле:

Q_р^н = 360,33∙СН₄+ 590,4∙С₂Н₄ + 631,8∙С₂Н₆ + 868,8∙С₃Н₆ + 913,8∙С₃Н₈ + 1092,81∙изо-С₄Н₁₀ + 1195∙н-С₄Н₁₀ + 1146∙С₄Н₈ + 1460,22∙С₅Н₁₂ + 251,2∙Н₂

где СН₄, С₂Н₄ и т.д. – содержание соответствующих компонентов в топливе, %об.

Получим:

Q_р^н =360,33*99+631,8*0,2+913,8*0,1+1195*0,2 = 36129,41 кДж/м³

Или

Q_р^н кДж/кг – массовая теплота сгорания.

Пересчитаем состав топлива в массовые проценты и результаты сведем в таблицу 3.

Таблица 3

Компо­ненты	Молекуляр­ная масса Мi	Мольная (объемная) доля, ri	Mi∙ri	%мас gi
CH4		0,99	18,840	97,68
C2H6		0,002	0,060	0,37
C3H8		0,001	0,044	0,27
н-C4H10		0,002	0,226	0,72
CO2		0,001	0,044	0,27
N2		0,004	0,112	0,69
Cумма	-	1,000	16,216	100,00

Определим элементарный состав топлива в массовых процентах. Со­держание углерода в любом i-м компоненте топлива находим по соотноше­нию:

С_i = ,

где n_i – число атомов углерода в данном компоненте топлива.

Содержание углерода:

Содержание водорода:

где - число атомов водорода в данном компоненте.

Содержание кислорода:

O =

где P – число атомов кислорода в молекуле CO₂.

Содержание азота:

N =

Проверка:

С + H + O + N = 74

44+24,67+0,2+0,69 = 100,00 масс. %

Определим теоретическое количество воздуха, необходимого для сжи­гания 1 кг газа, по формуле:

L₀ =

Для печей с излучающими стенками коэффициент избытка воздуха α=1,03÷1,07. Принимаем α=1,07. Тогда действительное количество воздуха:

L_Д=α L₀ = 1,07∙17,21=18,42 кг/кг

или

м³/кг

где ρ_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:

кг/кг

кг/кг

=0,23L₀(α – 1) = 0,23∙17,21∙(1,07-1) = 0,28 кг/кг

= 0,77 L₀ α+0,01N = 0,77∙17,21∙1,07 + 0,01∙0,69 = 14,19 кг/кг

Суммарное количество продуктов сгорания:

Σ m_i = 2,73+2,22+0,28+14,19=19,42 кг/кг

Проверка:

Σ m_i = 1+ αL₀ = 1+1,07∙17,21=19,418 кг/кг

Содержанием влаги в воздухе пренебрегаем.

Найдем объемное количество продуктов сгорания (в м³) на 1 кг топлива (при нормальных условиях):

м³/кг

м³/кг

м³/кг

м³/кг

Суммарный объем продуктов сгорания:

Σ V_i = 1,39+2,76+0,19+11,35=15,70 м³/кг

Плотность продуктов сгорания при 273 К и 0,1∙10⁶ Па:

ρ₀ = = ³

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

q_T = (T – 273)( )

где Т – температура продуктов сгорания, К;

теплоемкости продуктов сгорания, определяемые из таблицы 4:

Таблица 4. Средние массовые теплоемкости газов при постоянном давлении

Компонент	300 К	500 К	700 К	1100 К	1500 К	1900 К
СО2	2,264	2,515	2,706	2,979	3,159	3,284
H2О	4,136	4,219	4,342	4,628	4,927	5,199
O2	0,254	0,26	0,268	0,288	0,298	0,299
N2	14,626	14,703	14,898	15,446	16,004	16,432

Найдем для примера величину q₅₀₀:

q₅₀₀ = (500 – 273)(2,73∙2,515 + 2,22∙4,219 + 0,28∙0,260 + 14,19∙14,703) = 4925,29 кДж/кг

Результаты расчетов занесены в таблицу 5.

Таблица 5

T, K
qT, кДж/кг	574,57	4925,29	9485,84	19298,01	29917,16	41023,04

По данным таблицы строим график q – T

Рис.2. Энтальпия продуктов сгорания – температура.

3. Состав сырья и пирогаза

Для последующих расчетов необходимо иметь характеристики сырья и газа. Они рассчитаны и приведены в таб­лице 6 и 7.

Таблица 6 – Сырье – пропановая фракция

Компоненты сырья	Н2	СН4	С2Н4	С2Н6	С3Н6	С3Н8	С4	Сумма
Молекулярная масса Мi								-
Плотность ρi, кг/м3	0,09	0,717	1,26	1,342	1,915	1,967	2,593	-
Мольная доля С'i	0,006	0,061	0,043	0,182	0,006	0,601	0,011
Мi∙С'i	0,012	0,976	1,204	5,46	4,032	26,446	0,638	38,766
Массовая доля, Сi=	0,000310	0,0252	0,0311	0,140845	0,104009	0,682144	0,01645	1,0000
Плотность сырья ρi∙С'i	0,0000279	0,01805	0,03913	0,18901	0,19918	1,34178	0,04267	1,8299
Gi=10000С'i кг/ч
G'i= Gi/Мi кмоль/ч	1,55	15,74		46,95	24,76	155,03	2,04	257,96

Таблица 7 – Продукты пиролиза (пирогаз)

Компонент	Мольная доля, X'i %об	Mi	Плотность, кг/м3	Mi∙X'i	Масс. доля	% мас	r∙Xi, кг/м3	gi, кг/ч	g'i, кмоль/ч	Всего про­дуктов пи­ролиза, кмоль/кмоль сырья
Н2			0,09	0,3	0,0127	1,27	0,001	127,09	63,54	0,2463
СН4	29,9		0,717	4,784	0,2027	20,27	0,145	2026,60	126,66	0,4910
С2Н2	0,7		1,162	0,182	0,0077	0,77	0,009	77,10	2,97	0,0115
С2Н4	29,4		1,26	8,232	0,3487	34,87	0,439	3487,25	124,54	0,4828
С2Н6	9,7		1,34	2,91	0,1233	12,33	0,165	1232,74	41,09	0,1593
С3Н6	8,9		1,915	3,738	0,1583	15,83	0,303	1583,50	37,70	0,1462
С3Н8	3,9		1,967	1,716	0,0727	7,27	0,143	726,93	16,52	0,0640
С4	0,4		2,593	0,232	0,0098	0,98	0,025	98,28	1,69	0,0066
С5+	2,1		3,22	1,512	0,0641	6,41	0,206	640,52	8,90	0,0345
S		-	-	23,606	1,000	100,000	1,438	10000,000	423,62	1,6422

Из таблицы 6 имеем: молекулярная масса сырья М_с =31,19; плотность сырья ρ_с = 1,8299 кг/м³. Из таблицы 7:молекулярная масса пирогаза М_х = 23,606; плотность пирогаза ρ_х = 1,438 кг/м³.

Согласно заданию, пиролиз сырья осуществляется с добавкой 23 масс.% или 2300 кг/ч водяного пара. В таблице 9 дается состав парогазовой смеси при входе ее в змеевик печи (сырье и водяной пар) и на выходе из змеевика (пирогаз и водяной пар).

По данным таблицы 9 найдем:

молекулярная масса парогазовой смеси при входе в змеевик печи

М_вх =

молекулярная масса парогазовой смеси на выходе из змеевика печи

М_вых =

4. Конечная температура реакции

Конечную температуру реакции, или температуру пирогаза на выходе из змеевика печи, найдем по формуле линейной интерполяции:

Т=Т₂ x₂ + T₃x_3’ + T₃x₃ + T₄x₄

где Т₂, T3 и T4 – конечная температура реакции при пиролизе углеводородов

С₂Н₆, С₃Н₆, С₃Н₈ и С₄Н₁₀ в чистом виде, К; x₂ ,x_3’ , x₃ и x₄ – содержание угле­водородов С₂Н₆, С₃Н₆, С₃Н₈ и С₄Н₁₀ в сырье в расчете только на их смесь, масс. доли.

Конечная температура процесса связана с оптимальным временем кон­такта формулами Шмидта[2. с. 41,43]:

при пиролизе этана без выделения углерода

при пиролизе пропилена, пропана и бутана без выделения углерода

где и – 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 [2, c.58]:

Сведения о величине общего времени пребывания газов в змееви­ках трубчатых печей пиролиза приведены в таблице 3.5.[1,с.206]. Сырье обо­гащено пропаном, поэтому примем по данным табл.3.5. величину общего времени пребывания 0,7 с. Приняв кратность превышения общего времени над оптимальным временем равной 2,1, найдем:

Используя величину =0,54 с в формулах Шмидта

найдем, что

Расчет содержания углеводородов С₂Н₆, С₃Н₆, С₃Н₈ и С₄Н₁₀ в их смеси в сырье сделан в таблице 8.

Таблица 8

Компоненты	Количество Gi, кг/ч	Массовая доля xi =
С2Н6		0,1493
С3Н6		0,1102
С3Н8		0,7230
С4		0,0174
Сумма		1,0000

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

T=1098*0,493+1032*0,1102+1032*0,7230+1032*0,0174 = 1042 К

Таблица 9

Компонент	Парогазовая смесь на входе в печь	Парогазовая смесь на выходе из печи
Количество	Доля		Количество	Доля
кг/ч	кмоль/ч	массовая	мольная	Молек. масса	кг/ч	кмоль/ч	массовая	мольная	Молек. масса
Н2	3,10	1,55	0,0003	0,0040		127,09	63,54	0,0103	0,1152
СН4	251,77	15,74	0,0205	0,0408		2026,60	126,66	0,1648	0,2297
С2Н4	310,58	11,09	0,0253	0,0288		3487,25	124,54	0,2835	0,2259
С2Н6	1408,45	46,96	0,1145	0,1217		1232,74	41,09	0,1002	0,0745
С3Н6	1040,09	24,76	0,0846	0,0642		1583,50	37,70	0,1287	0,0684
С3Н8	6821,44	155,03	0,5546	0,4019		726,93	16,52	0,0591	0,0300
С4	164,58	2,84	0,0134	0,0074		98,28	1,69	0,0080	0,0031
Н2О		127,78	0,1870	0,3313		2300,00	127,78	0,1870	0,2317
С2Н2	-	-	-	-		77,10	2,97	0,0063	0,0054
С5	-	-	-	-		640,52	8,90	0,0521	0,0161
Сумма	12300,00	385,74	1,0000	1,0000	-	12300,00	551,40	1,0000	1,0000	-

5. Тепловая нагрузка печи, ее к.п.д. и расход топлива

Полезное тепло печи равно:

Q_полезн=Q₁ + Q_p

где Q₁ – расход тепла на нагревание смеси газов в реакционном змеевике, кВт; Q_p – расход тепла на реакцию, кВт.

Температура сырья перед реакционным змеевиком должна быть ниже той, при которой начинается реакция пиролиза [2, с. 35]. Согласно литера­турным данным, некаталитическое превращение пропилена в этилен начина­ется при 883 К [4, с.18], а пропана в этилен – при 923 К [2,с.43]. Поэтому в нашем расчете примем температуру входа сырья в реакционный змеевик Т_н = 873К.

Количество тепла, затрачиваемого на нагревание парогазовой смеси (сырье и водяной пар) от Т₁ = 308 К до Т_н = 873К, найдем по формуле:

Q₁ = (G + Z)(q₈₇₃ – q₃₀₈)

где G=ΣG_i = 10000 кг/ч – количество сырья; Z=2300 кг/ч – количество водя­ного пара; q₈₇₃ ,q₃₀₈ – энтальпии парогазовой смеси соответственно при Т_н = 873К и Т₁ = 308 К, кДж/кг.

Результаты расчета энтальпий сведены в таблицу 10, из которой сле­дует, что q₈₇₃ = 1560,968 кДж/кг и q₃₀₈ = 63,389 кДж/кг.

Таблица 10

Комп.	Т1 = 308	Тн = 873	Т = 1042
	мас. доля	qi, кДж/кг	qi*Xi	мас. доля	qi, кДж/кг	qi*Xi	мас. доля	qi, кДж/кг	qi*Xi
H2	0,0003	502,00	0,1263	0,0003	8750,00	2,202	0,0103	11650,00	120,370
CH4	0,0205	80,40	1,6457	0,0205	1897,00	38,829	0,1648	2743,00	451,949
C2H4	0,0253	57,40	1,4494	0,0253	1452,00	36,664	0,2835	2080,00	589,714
C2H6	0,1145	64,50	7,3858	0,1145	1690,00	193,519	0,1002	2453,00	245,846
C3H6	0,0846	57,00	4,8199	0,0846	1451,00	122,696	0,1287	2092,00	269,323
C3H8	0,5546	62,80	34,8282	0,5546	1658,00	919,508	0,0591	2400,00	141,841
C4	0,0134	62,00	0,8296	0,0134	1647,00	22,037	0,0080	2370,00	18,937
H2O	0,1870	65,80	12,3041	0,1870	1206,00	225,512	0,1870	1640,00	306,667
C5	0,0000	62,00	0,0000	0,0000	1638,00	0,000	0,0521	2353,00	122,531
C2H2	0,0000	62,00	0,0000	0,0000	1283,00	0,000	0,0063	1764,00	11,057
Cумма	1,0000		63,389	1,0000		1560,968	1,0000		2278,235

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

Получим:

Q₁ = (10000+2300)(1560,968-63,389) = 18420224,23 кДж/ч = 5116,7 кВт.

Тепло Q₁ вычислено с некоторым избытком, так как начальная темпе­ратура перегретого водяного пара, подаваемого в змеевик печи, значительно выше начальной температуры (Т₁=308 К) сырья.

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

Q_p = Q_п + Q₂

где Q_п - расход тепла на реакцию пиролиза, кВт; Q₂ - расход тепла на нагре­вание парогазовой смеси от Т_н = 873 К (сырье и водяной пар) до Т = 1061К (пирогаз и водяной пар), кВт.

Расход тепла на реакцию пиролиза:

Q_п = ΔH ΣG’_i

где ΔH – тепловой эффект реакции, кДж/кмоль сырья; Σ G’_i=257,96 кмоль/ч – часовое количесвто молей сырья.

Тепловой эффект реакции найдем по уравнению:

ΔH = H₂ – H₁

где H₁ и H₂ – соответственно теплоты образования исходного сырья и пиро­газа, кДж/моль.

Теплоты образования H₁ и H₂ можно определить путем суммирования парциальных теплот образования компонентов соответственно сырья и пиро­газа при конечной температуре Т реакции.

При температуре Т = 1061К теплоты образования компонентов сырья и пирогаза и расчет значений H₁ и H₂ приведены в таблице 11.

Таблица 11

Компо­нент	Теплота об­разования ΔHf, кДж/моль	Сырье	Пирогаз
мол. доля	Xi'∙ΔHf	C'i выход, кмоль/кмоль сырья	C'i∙ΔHf
H2		0,006	0,00	0,2463	0,00
CH4	-90280	0,061	-5507,08	0,4910	-44329,35
C2H2			0,00	0,0115	2563,49
C2H4		0,043	1637,44	0,4828	18385,39
C2H6	-106500	0,182	-19383,00	0,1593	-16964,85
C3H6	-428	0,096	-41,09	0,1462	-62,56
C3H8	-130000	0,601	-78130,00	0,0640	-8326,00
C4	-156600	0,011	-1722,60	0,0066	-1028,68
C5	-181300	0,000	0,00	0,0345	-6252,38
Сумма	-	1,000	-103146,33	1,6422	-56014,94
			Н1		Н2

Теплота реакции:

ΔH = H₂ – H₁ = -56014,94 – (-103146,33) = 47131,39 кДж/моль сырья

Расход тепла на реакцию пиролиза:

Q_п = ΔH G’_i =47131,39*257,96 = 12157919,96 кДж/ч = 3377,20 кВт

Количество тепла, которое затрачивается на нагревание парогазовой смеси от от Т_н = 873 К (сырье и водяной пар) до Т = 1061 К (пирогаз и водя­ной пар):

Q₂ = (G + Z)(q₁₀₆₁ – q₈₇₃) = (10000+2300)(2278,235 – 1560,968) =

= 8822376,174 кДж/ч = 2450,7 кВт

Величина q₁₀₆₁ = 2278,235 кДж/кг взята из табл. 10.

Подставляя числовые значения величин в формулу для расчета количе­ства радиантного тепла печи, получим:

Q_p = 3377,20+2450,7 = 5827,9 кВт

Полезное тепло печи:

Q_полезн = 5116,7+5827,9 = 10944,6 кВт

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

Примем температуру уходящих из печи дымовых газов Т_ух = 673 К (с последующим их охлаждением в котле-утилизаторе). Тогда по графику q – Т (рис.2) найдем их энтальпию: q₂ = 9100 кДж/кг.

Теперь найдем к.п.д. печи:

Расход топлива:

B = = кг/ч

6. Определение температуры дымовых газов, покидающих радиантную камеру

Из уравнения теплового баланса топки:

Q_p = B ( – )

где – к.п.д. топки, равный = 1 – 0,05= 0,95) найдем энтальпию уходящих из нее дымовых газов:

27826 кДж/кг

По графику q – Т этой энтальпии на рис.2 соответствует температура T_п = 1421 К.

7. Поверхность нагрева реакционного змеевика (экранных труб)

Определим поверхность нагрева реакционного змеевика по формуле:

где – средняя теплонапряженность поверхности нагрева экранных труб. кВт/м².

Величина средней теплонапряженности поверхности экранных реакци­онных труб в печах современных конструкций принимается равной 34,7 – 37,2 кВт/м² .

Считая, что = 34,2 кВт/м² , получим:

м²

Принимая диаметр труб d_н = 0,10 м и толщину стенок 0,008 м, находим общую рабочую длину труб:

L_p = = м

Число параллельных потоков m сырья в печи не рекомендуется прини­мать больше 3. Для проектируемой печи принято m=3. Рабочая длина труб в одном потоке:

L’_p = =

Выбираем рабочую длину одной трубы l_т = 13,5 м. тогда число труб в одном потоке реакционного змеевика составит:

N’_p = =

При полной длине одной трубы l’_т = 13 м общая длина труб в одном потоке:

L’’_p = N’_p l’_т=13 15=195 м.

8. Время пребывания парогазовой смеси в реакционном змеевике

Определим время пребывания смеси в реакционном змеевике по урав­нению:

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

Для определения величины сделаем предварительные вычисления.

Массовая скорость парогазовой смеси в реакционном змеевике:

кг/(м² с)

На основании литературных данных [2, с.57] перепад давления ΔP_p в реакционном (радиантном) змеевике равен 245000 – 343000 Па.

Давление P_к на выходе из реактора в большинстве случаев равно 127000 – 196000 Па.

Примем ΔP_p = 343000 Па и P_к = 179000 Па. Тогда давление в начале змеевика будет равно:

P_н = P_к + ΔP_p = 179000+343000=522000 Па.

Плотность парогазовой смеси в начале реакционного змеевика:

а) при нормальных условиях

где - средняя молекулярная масса парогазовой смеси на входе в змеевик печи (в начале реакционного змеевика она будет такой же, по­скольку реакция пиролиза еще не началась).

б) при

Плотность парогазовой смеси в конце реакционного змеевика:

а) при нормальных условиях

где - средняя молекулярная масса парогазовой смеси на выходе из реакционного змеевика.

б) при

Средняя плотность смеси в реакционном змеевике:

Линейная скорость парогазовой смеси:

а) в начале реакционного змеевика

б) в конце реакционного змеевика

в) средняя скорость

Подставив в формулу числовые значения величин, получим:

Полученная величина не превышает ранее принятого значения , поэтому пересчета не делаем.

9. Потери напора в реакционном (радиантном) змеевике печи

Выше была принята величина потерь напора в реакционном змеевике печи Па. Проверим правильность принятия величины , вычислив ее значение по формуле:

где λ – коэффициент гидравлического сопротивления; - эквивалентная длина труб одного потока радиантного змеевика, м.

Для определения величины коэффициента гидравлического сопротив­ления подсчитаем числовое значение критерия Рейнольдса:

где - кинетическая вязкость парогазовой смеси в реакционном змеевике, .

Предварительно определим необходимые для расчета среднюю тем­пературу парогазовой смеси в реакционном змеевике:

и среднюю молекулярную массу смеси углеводородных газов:

Кинематическая вязкость газов и водяного пара при 967 К:

Среднее содержание водяного пара в парогазовой смеси:

Тогда кинематическая вязкость парогазовой смеси в реакционном змеевике:

Критерий Рейнольдса:

При и относительной шероховатости , коэф­фициент гидравлического сопротивления .

Определим эквивалентную длину труб одного потока радиантного змеевика:

где ψ- коэффициент, зависящий от типа соединения труб. Принимаем . Тогда

Подставив в формулу числовые значения величин, получим:

Полученная величина мало отличается от ранее при­нятой величины , поэтому повторного расчета не де­лаем.

10. Размер камеры радиации

Выбранные трубы диаметром 100 8 мм с полезной длиной (полная длина трубы с учетом заделки концов в трубные двойники равна 13 м).

Число радиантных труб:

Принимаем печь беспламенного горения с двухрядным экраном двух­стороннего облучения, с горизонтальным шахматным расположением труб и одной верхней конвекционной секцией.

Принимаем шаг размещения экранных труб . Тогда расстоя­ние между вертикальными рядами радиантных труб:

Расстояние от излучающих стен до трубного экрана должно быть от 0,6 до 1,0 м. Принимает это расстояние . В каждом вертикальном ряду экрана размещено по 18 труб. Тогда высота радиантной камеры составит:

где - число труб в одном вертикальном ряду; – расстоя­ние от нижней и верхней труб вертикального ряда соответственно до пола и потолка печи.

Подставив числовые значения величин, получим:

Ширина радиантной камеры печи:

Объем камеры радиации:

Теплонапряжение топочного объема печи:

Для обеспечения равномерного обогрева каждой трубы экрана по ок­ружности и по длине принимаем для проектируемой печи газовые горелки ВНИИНефтемаша типа ГБП2а теплопроизводительностью .

Количество горелок:

Принимаем для каждой из двух излучающих стен топки по 98 горелок: 11 горелок по длине излучающей стены и 7 горелок по высоте.

Так как размер горелки 0,5 0,5 м, то площадь каждой излучающей стены печи:

а двух стен

Список используемой литературы

1. Кузнецов А.А., Кагерманов С.М., Судаков Е.Н. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. Изд. 2 –е, пер. и доп. Л., «Химия», 1974 – стр.199-213, 159-162.

2. Клименко А.П. Получение этилена из нефти и газа, М., «Высшая школа», 1962 – стр.51,63.

3. Масальский К.Е., Годик В.М. Пиролизные установки. М., «Химия», 1968 – стр.90.