Вопрос 4 Методика расчета материального баланса радиантной зоны трубчатой печи

Цель: определение состава конвертированного газа на выходе из радиантной зоны трубчатой печи.

Схема материальных потоков радиантной зоны трубчатой печи: 1 – горелка; 2 – элемент трубчатой печи; 3 – трубы с катализатором

В трубах печи протекают реакции:

СH₄+H₂O↔CO+3H₂ , ∆H=206 кДж (1)

СO+ H₂O↔CO₂+H₂, ∆H=-41 кДж (2)

C₂H₆+2H₂O↔2CO+5H₂, ∆H=347,5 кДж (3)

C₃H₈+3H₂O↔3CO+7H₂, ∆H=497,69 кДж (4)

C₄H₁₀+4H₂O↔4CO+9H₂, ∆H=651,27 кДж (5)

C₅H₁₂+5H₂O↔5CO+11H₂, ∆H=913,37 кДж (6)

Исх. данные:

а) 100м³ технологического природного газа (далее ПГ) (поток 1); б) объем добавляемой азотоводородной смеси (далее АВС) 10 м³ (поток 2); в) состав ПГ , % об.: СН4 = 93,7; С2Н6 = 3,3; С3Н8 = 1,6; N2 = 1,4; г) состав АВС, % об.: N2 = 24,54; Н2 = 74,16; СН4 = 1; Аr = 0,3; д) пар на конверсию в избытке, объемное отношение на входе в трубную печь пар: ПГ=3,7:1; е) содержание СН4 в конвертированном газе 9% об. в пересчете на сухой газ; ж) Гомологи СН4конвертируют полностью; з) объемы СО и СО2 в конвертированном газе определяются константой равновесия реакции (2) при температуре конверторного газа; и) температура газовой смеси на выходе из катализаторных труб = 827 °С.

Расчет:

1) Запишем V и состав газовых потоков на входе в печь (технол. ПГ, АВС, ПГ+АВС, м³)

2) Обозначим: V- общий объем сухого газа на выходе из печи, Vco₂ – объем СО2 в газе на выходе, Vco – объем СО на выходе, Vн₂ – объем н₂ на выходе, Vн₂о – объем водяного пара вступившего в реакцию с углеводородами.

3) Введем обозначения неизвестных объемов, м³:

х – объем прореагировавшего метана по реакции (1), м^3; у – объем прореагировавшего СО по реакции (2) к моменту прихода системы в состояние равновесия, м³; V – общий объем сухого газа на выходе; - объемы соответствующих компонентов в газе на выходе, м³.

4) Выразим объем сухого газа на выходе;

5) Выразим VСН₄ оставшегося в газе;

6) Выразим константу равновесия реакции (2) через парциальные объемы:

, (7)

парциальные объемы компонентов в газе на выходе из реакционных труб, м³.

7) Рассчитаем константу равновесия реакции при температуре на выходе из труб по эмпирической формуле , (9)

8) Подставим в (7) соответствующие выражения парциальных объемов и рассчитанное значение константы равновесия. Вместо х подставляем объем метана оставшегося в газе (из пункта 5). После преобразований приходим к квадратному уравнению, решаем его относительно y. Находим х из выражения полученного в 5 пункте.

9) Заполняем таблицу МБ.

Вопрос 5 Методика расчета теплового баланса радиантной зоны трубчатой печи

Цель: 1) определение прихода теплоты в радиантную зону печи со всеми потоками и расхода теплоты из радиантной зоны со всеми потоками; 2) определение расхода топливного ПГ в топочную зону; 3) определение объема и состава дымовых газов (ДГ) образующихся в межтрубном пространстве печи.

Схема тепловых потоков радиантной зоны трубчатой печи

Уравнение теплового баланса:

Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ = Q₅ + Q₆ + Q₇ + Q₈ (1)

Q₁ - физическое тепло парогазовой смеси на входе; Q₂ - физическое тепло топливного ПГ; Q₃ - физическое тепло воздуха подаваемого в горелке; Q₄ – тепло выделяющееся при сгорании топливного природного газа; Q₅ – расход тепла на эндотермические реакции; Q₆ - физическое тепло конвертированного ПГ, на выходе из катализаторной зоны; Q₇ - физическое тепло дымовых газов на выходе из топочной зоны; Q₈ – потери тепла в окружающую среду.

Исходные данные:

1) состав газа на входе в радиантную зону печи ПГ+АВС=СН₄,С₂Н₆,С₃Н₈,С₄Н₁₀, С₅Н₁₂,N₂,Н₂,Аr и состав газа на выходе из радиантной зоны СН₄,СО,СО₂,Н₂,N₂,Аr, Н₂О;

2) Температура газа на входе в катализатор (525 ˚С ) и выходе из него (827 ˚С);

3) Температура дымовых газов на выходе из топочной зоны 1040⁰С;

4) Средняя теплоёмкость компонентов газа (из справочника);

5) Энтальпия и влагосодержание воздуха (из справочника);

6) Энтальпия образования компонентов газа (из справочника);

7) Состав воздуха, подаваемого на сжигание топливного ПГ: О₂– 21%, N₂– 78%, Ar– 1%;

8) Коэффициент избытка воздуха при сжигании топливного ПГ 1,15;

9) Температура топливного ПГ 85 ˚С;

10) Температура воздуха, подаваемого в горелки 25 ˚С;

11) Относительная влажность воздуха 80%;

12) Потери тепла в окружающую среду 3% от прихода тепла.

Расчет ведётся на 100м³ технологического ПГ.

Расчет:

1) Физическая теплота ПГС на входе в аппарат рассчитывается по формуле (в кДж)

_, (2)

где V – объем газовой смеси, м³; c – средняя объемная теплоемкость газовой смеси, (кДж/(м³К)); t – температура газовой смеси,⁰С. Для нахождения средней объемной теплоемкости газовой смеси нужно рассчитать теплоемкости компонентов парогазовой смеси при заданной температуре по эмпирическим формулам, а затем найти среднюю объемную теплоемкость по правилу аддитивности.

2) Рассчитаем Q₂ - физическое тепло топливного ПГ по формуле (2) (аналогично пункту 1).

3) Физическая теплота воздуха Q₃, подаваемого в горелки, определяется по формуле:

Q = m_сух ∙Н_вл , (3)

где m_сух – масса сухого воздуха, кг; Н_вл - энтальпия влажного воздуха, приходящегося на 1 кг сухого воздуха при заданной Т и относительной влажности, кДж/кг. Рассчитаем теоретический объем кислорода, затрачиваемый на сжигание 1 м³ ПГ по реакциям:

СH₄+2O₂=CO₂+2H₂O (4)

С₂H₆+3,5O₂=2CO₂+3H₂O (5)

С₃H₈+5O₂=3CO₂+4H₂O (6)

С₄H₁₀+6,5O₂=4CO₂+5H₂O (7)

С₅H₁₂+8O₂=5CO₂+6H₂O (8)

СО+0,5О₂=СО₂ (9)

Определим по стехиометрии реакций сколько кислорода используется на реакции (4)-(9). Найдем необходимый объем воздуха. Выполним пересчет на 100 м³ ПГ. Рассчитаем практический объем воздуха с учетом 15% избытка, а затем пересчет объема воздуха на массу. Далее проведем расчет по уравнению (3).

4) Выразим теплоту Q₄, выделяющуюся при сгорании топливного ПГ.

Воспользуемся уравнениями реакций горения (4)-(9). Рассчитаем изменения энтальпий по следствию из закона Гесса:

, (10)

- стандартная мольная энтальпия образования вещества, кДж/моль; n_i , n_j - количество участников реакции, моль.

5) Выразим общий приход теплоты.

6) Рассчитаем Q₅ (тепло расходуемое на эндотермические реакции).

, (11)

V_i – объемы компонентов на выходе из зоны реакции и на входе в нее, м³; ∆Н_i – объемные энтальпии образования этих компонентов, кДж/м³.

7) Рассчитаем Q₆ физическое тепло конвертированного ПГ на выходе из катализаторной зоны по формуле (2) (аналогично пункту 1).

8) Выразим Q₇ физическое тепло дымовых газов на выходе из топочной зоны. Для этого рассчитаем объем ДГ образующихся при сжигании 1 м³ ПГ. Для этого вычислим объёмы компонентов ДГ, т.е. N₂, O₂, Ar, CO₂, Н₂О.

V_N2=V_{сух воздуха}∙0,78+V_{N2прир.газа}

V_Ar=V_{сух воздуха}∙0,01

V_О2=V_{О2практ} – V_О2теор

V_СО2 и V_Н2О, образующегося по реакциям:

СН₄+2О₂=СО₂+2Н₂О

С₂Н₆ +3,5О₂=2СО₂+3Н₂О

С₃Н₈ +5О₂=3СО₂+4Н₂О

К реакционному водяному пару надо прибавить пары воды, поступившие с влажным воздухом. Определим объём ДГ при сгорании 1 м³ топливного ПГ:

V´_дг= (V_N2+V_O2+V_AR+V_CO2+V_H2O) м³

При сгорании х м³ топливного ПГ образуется ДГ:

V_дг= х∙(V_N2+V_O2+V_AR+V_CO2+V_H2O) м³

9) Выразим потери тепла в окружающую среду Q_8.

10) Выразим общий расход тепла.

11) Приравняв приход и расход, найдем неизвестные величины и заполним таблицу ТБ.