2.3 Расчет конечной температуры реакции

Конечную температуру реакции, или температуру пиролизанавыходе из змеевика печи, найдем по формуле линейной интерполяции:

Таблица 2.6

Массовая доля		Количество		Всего продуктов пиролиза сырья
0,011	0,012	143	55,00		0,2150
0,226	0,241	2938	141,20		0,5520
0,003	0,003	39	1,16		0,0045
0,320	0,344	4160	114,36		0,4472
0,122	0,129	1586	40,68		0,1590
0,157	0,170	2041	37,36		0,1460
0,076	0,081	988	17,26		0,0675
0,022	0,023	286	3,80		0,0148
0,063	0,063	819	8,76		0,0342
1,000		13 000	419,58

Т = Т2х2 + Т3ху + Т3х3 Н- Т4х4

(2.28)

где Т_г, Т₃ и Т₄ — конечная температура реакции при пиролизе углеводородов С₂Н₆, СзН₆, С₃Н₈ и С₄Н₁₀ в чистом виде, К; х₂, х₃ и х₄ — 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 [4, с. 41, 43]:

при пиролизе этана без выделения углерода

(2.29)

при пиролизе пропилена, пропана и бутана без выделения углерода

(2.30)

— оптимальное время контакта, с.

Пиролизу подвергается смесь углеводородов, поэтому общее время пребывания газовой смеси в зоне реакции для всех углеводородов будет одинаковым. Общее время пребывания газовой смеси в зоне реакции связано с оптимальным временем [4, с. 58]:

(2.31)

Сведения о величине общего времени пребывания газов в змеевиках трубчатых печей пиролиза приведены в табл. 2.6.

Таблица 2.6

Пиролиз углеводородов	Интервал
	температура процесса, К	Давление процесса 10-3,Па
С2Н6	1048-1113	208-319	0,7-1,30
С3Н6	1065-1095	208-319	0,5-0,80
С3Н8	883-1103	208-319	0,7-1,13
С4Н10	883-1103	208-319	0,7-1,13

Сырье обогащено пропаном, поэтому примем по данным табл. 2.6 величину общего времени пребывания 0,7 с. Приняв кратность превышения общего времени над оптимальным временем равной 2,1, найдем:

(2.32)

Используя величину с в формулах Шмидта

	(2.33)
	(2.34)

найдем, что Т₂ = 1117 К, а Т₃ = 1055 К.

Расчет содержания углеводородов С₂Н₆, С₃Н₆, СзН₈ и С₄Н₁₀ в их смеси в сырье сделан в табл. 2.7.

Таблица 2.7

Компоненты	Количество	Содержание масс. доля
C2H6	1280	0,1363
C3H6	1155	0,1230
C3H8	6344	0,6755
C4	608	0,0652
Сумма	9387	1,0000

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

Т= 1117×0,1363+1055×0,1230+1055×0,6755 +1055×0,0652= 1063 К

2.4 Расчет тепловой нагрузки печи, КПД и расхода топлива

Полезное тепло печи равно:

(2.35)

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 [4, с. 35]. Согласно литературным данным, некаталитическое превращение пропилене в этилен начинается при 883 К [85, с. 18], а пропана в этилен - при 923 К [4, с. 43]. Поэтому в нашем расчете примем температуру входа сырья в реакционный змеевик Т_н = 873 К.

Количество тепла, затрачиваемого на нагревание парогазовой смеси (сырье и водяной пар) от Т₁= 320 К (задана) до Т_н=873 К, найдем по формуле:

(2.36)

где G = G_i = 13 000 кг/ч - количество сырья; Z = 2080 кг/ч - количество водяного пара; q₃₂₀, q₈₇₃ - энтальпии парогазовой смеси соответственно при Т₁ = 320 К и Т_п = 873 К, кДж/кг.

Энтальпию парогазовой смеси найдем по правилу аддитивности, при этом энтальпии отдельных компонентов возьмем из таблиц [21, с. 121 —128]; массовые доли компонентов в смеси см. в табл. 2.4.

Результаты расчета энтальпий сведены в табл. 2.11, из которой следует, что q₈₇₃ ≈ 1567,9 кДж/кг и q₃₂₀ ≈ 63,2 кДж/кг.

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

Получим:

(2.37)

Тепло Q_i вычислено с некоторым избытком, так как начальная температура перегретого водяного пара, подаваемого в змеевик печи, значительно выше начальной температуры (Т_i = 320 К) сырья

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

(2.38)

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 = 1063 К (пиролиз и водяной пар), кВт.

Таблица 2.11

Компоненты	Т1=320 К			ТII=873 K				T=1063 K
Н2	502,0	0,0003	0,151	8750	0,0003	2,62	11650		0,0092	106,4
СН4	80,4	0,0217	1,746	1897	0,0217	41,16	2743		0,1883	516,5
С2Н2	62,0	0	0	1283	0	0	1764		0,0025	4,41
С2Н4	57,4	0,0290	1,665	1452	0,0290	42,12	2080		0,2667	555,0
С2Н6	64,5	0,1067	6,884	1690	0,1067	180,35	2453		0,1017	249,4
С3Н6	57,0	0,0963	5,488	1451	0,0963	139,8	2092		0,1308	273,4
С3Н8	62,8	0,5287	33,2	1658	0,5287	877,5	2400		0,0631	152,3
С4	62,0	0,0507	3,142	1647	0,0507	83,5	2370		0,0183	43,38
С5	62,0	0	0	1638	0	0	2353		0,0525	123,5
Н2О	65,8	0,1666	10,960	1206	0,1666	200,8	1640		0,1666	273,0
Сумма	-	1,000		-	1,000	1567,9	-		1,0	2297,3

Расход тепла на реакцию пиролиза:

(2.39)

где тепловой эффект реакции, кДж/кмоль сырья; кмоль/ч - часовое количество молей сырья (см. табл. 2.2). Тепловой эффект реакции найдем по уравнению:

(2.40)

где H₁ и H₂— соответственно теплоты образования исходного сырья и пиролиза, кДж/кмоль.

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

При температуре Т = 1063 К теплоты образования компонентов сырья и пиролиза приведены в литературе [86, с. 468—490], а расчет значений H₁ и Н₂- в табл. 2.12.

Компо- ненты	Теплота образования	Сырье		Пиролиз
		(табл.4.2)	cырья	Выход (табл.4.3) сырья	cырья
H2	-	0,004	-	0,2150	-
CH4	-90 280	0,07	-5 688	0,5520	-49 850
C2H2	+223 000	-	-	0,0045	+1 003
C2H4	+38 080	0,047	+1 867	0,4472	+17 050
C2H6	-106 500	0,166	-17 680	0,1590	-16 930
C3H6	-428	0,106	-46	0,1460	-63
C3H8	130 000	0,549	-73 700	0,0675	-8 750
C4	156 000	0,058	-6 420	0,0148	-2 320
C5	-181 300	-	-	0,0342	-6 200
Сумма	-	1,000		≈1,64

Теплота реакции:

кДж/кмоль сырья.

Расход тепла па реакцию пиролиза:

(2.41)

Количество тепла, которое затрачивается на нагревание парогазовой смеси от Т_п = 873 К (сырье и водяной пар) до Т — 1063 К (пиролиз и водяной пар):

(2.42)

Величина кДж/кг взята из табл. 2.7.

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

Q_p = 2530 + 2433 = 4963 кВт

Полезное тепло печи:

Q = 4963 + 5015 = 9978 кВт

Потери тепла печыо в окружающую среду q₁ примем равными 7% от рабочей теплоты сгорания топлива Q, 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. 2.2) найдем их энтальпию: q₂ = 8800 кДж/кг.

Теперь найдем к.п.д. печи:

(2.43)

Расход топлива:

(2.44)

2.5 Расчет тепературы дымовых газов

Из уравнения теплового баланса топки:

(2.45)

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

(2.46)

По графикуq — Т (рис. 2.2) этой энтальпии соответствует температура Т_п = 1473 К.

2.6 Расчет поверхности нагрева реакционного змеевика

Определим поверхность нагрева реакционного змеевика по формуле:

(2.47)

где q_р — средняя теплонапряженпость 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 [85, с. 30].

Считая, что q_р — 37,2 кВт/м², получим:

(2.47)

Принимая диаметр труб d_n = 0,14 м и толщину стенок 0,008 м [85, с. 28], находим общую рабочую длину труб:

(2.48)

Число параллельных потоков m сырья в печи не рекомендуется принимать больше 3. Для проектируемой печи принято (см. рис. 2.1) т = 2. Рабочая длина труб в одном потоке:

(2.49)

Выбираем рабочую длину одной трубы l_т = 12,5 м. Тогда число труб в одном потоке реакционного змеевика составит:

(2.50)

При полной длине одной трубы 13 м общая длина труб в одном потоке:

(2.51)

2.7 Расчет времени пребывания парогазовой смеси в реакционном змеевике

Определим время пребывания смеси в реакционном змеевике по уравнению:

(2.52)

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

Для определения величины сделаем предварительные вы­числения.

Массовая скорость парогазовой смеси в реакционном змеевике:

(2.53)

На основании литературных данных [4, с. 57] перепад давления ΔР_р в реакционном (радиантном) змеевике равен 245- 10³— 343-10³ Па.

Давление Р_к па выходе из реактора в большинстве случаен равно 127×10³-196-10³ Па.Примем ΔР_Р = 335×I0³ Па и Р_к= 130×10³ Па. Тогда давление в начале змеевика будет равно:

(2.54)

Плотность парогазовой смеси в начале реакционного змеевика:

а) при нормальных условиях:

(2.55)

где М_вх = 32,7 — средняя молекулярная масса парогазовой смеси на входе в змеевик печи (и начале реакционного змеевика она будет такой же, поскольку реакция пиролиза еще не началась).

б) при Т_п = 873 К и Р_n = 465×10³ Па

Плотность парогазовой смеси в конце реакционного змеевика:

а) при нормальных условиях

где М_вых = 22,6 - средняя молекулярная масса парогазовой смеси на выходе из реакционного змеевика.

б) при Т= 1063К и Р_к = 130×10³ Па

(2.56)

Средняя плотность смеси в реакционном змеевике:

(2.57)

Линейная скорость парогазовой смеси:

а) в начале реакционного змеевика

(2.58)

б) в конце реакционного змеевика

(2.59)

в) средняя скорость

(2.60)

Подставив в формулу числовые значения величин, получим:



Полученная величина не превышает ранее принятого значения 0,7 с, поэтому пересчета не делаем.

Список литературы

1. 
   Фурмер И. Э. Зайцев В. Н. Общая химическая технология: Учебное пособие для сред. ПТУ. -3-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. шк., 1986.-231 с.; ил.
   
2. 
   Кузнецов А. Д., Кагерманов С. М., Судаков Р. Н. К89 Расчеты процессов п аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. Изд. 2-е, пер. и доп. Л., «Химия», 1974.
   
3. 
   М. Я. Лаптев «Общая химическая технология». Примеры материальных и тепловых расчетов. Ленинград 1969
   
4. 
   Кутепов А. М. Бондарева Т. И., Беренгартен М. Г. Общая химическая технология: Учеб. для техн. вузов.- М.: Высш. шк., 1985.- 448с., ил.
   
5. 
   Д. А. Кузнецов и др. Общая техническая технология. Под ред. И. Э. Фурмер. М., «Высшая школа», 1970.
   
6. 
   Кузнецов Д. А. «Общая химическая технология». Учебник для проф.-техн. училищ. М., «Высш. школа»,1965. 272 с. с илл.
   
7. 
   Амелин А. Г., Яшке Е. В. Производство серной кислоты: Учебник для проф.- техн. учеб. заведений.- 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. школа, 1980.-245 с., ил. (Профтехобразование. Технология основных продуктов).
   
8. 
   Кондауров Б. П. «Общая химическая технология» Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. /Б. П. Кондауров, В. И. Александров, А. В. Артемов- М.: Издательский центр « Академия», 2005.-336 с.