книги / Расчёт и проектирование систем обеспечения безопасности.-1

7. На основе найденного коэффициента массоотдачи и условия равновесия определяется средний коэффициент массопередачи в процессе сушки для каждого участка сушилки:

ki = f (Rei , Pri , D, Ap) .

8. На основе знания движущей силы в начале и в конце процесса сушки определяется средняя движущая сила процесса:

9. На основе заданного или найденного эквивалентного диаметра частиц определяется удельная поверхность материала:

где dэквi – средний эквивалентный диаметр частиц на i-м участке сушилки.

10. На основе знаний расхода и плотности твердой фазы определяется объемный расход твердой фазы в сушилке:

V = Gтв.i .

ρтв.i

11.На основе найденного расхода влаги и кинетических характе-

ристик процесса определяется время сушки материала:тв.i

Таким образом рассчитывают время сушки при решении внешней задачи массопередачи. Для определения времени сушки массивных тел решают внутреннюю задачу массопереноса.

12.Из условия аэродинамики аппарата или движения материала

всушилке определяютфактическое время пребывания материала всушке:

τприб.i = li , Vтв.i

τприб = ∑ τприб.i .

13. Зная τсушки материала и τприб его в сушке проверяют основное условие сушки:

371

τвнутр. ≤ τприб , сушкиi

τвнеш. ≤ τприб. сушкиi

14. На основе объемного расхода сушеного агента и предельной скорости его движения определяется сечение сушильного аппарата:

15. На основе скорости движения материала и времени пребывания определяется необходимая длина аппарата:

lап = ∑ lап.i .

16. На основе знания скорости сушеного агента и геометрических размеров аппарата определяется гидравлическое сопротивление сушилки:

где ξi – коэффициент сопротивления i-го участка аппарата.

17. На основе расхода сушеного агента и гидравлического сопротивления сушилки рассчитывается необходимая мощность вентилятора:

16.2. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СООРУЖЕНИЙ ДЛЯ ПИРОЛИЗА ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ

Пиролиз (от греч. pyr – огонь, жар и lysis – разложение, распад) – термическое разложение органических соединений (древесины, нефтепродуктов, угля и прочего) без доступа воздуха. При пиролизе образуется синтез-газ (сингаз), а также другие продукты.

В промышленных условиях пиролиз осуществляют при температурах 800–900 °C 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 с. Большинство исследователей придерживаются теории цепного свободно-радикаль-

372

ного механизма разложения при пиролизе в вышеуказанных условиях. Условно все реакции при пиролизе можно разделить на первичные

ивторичные. Первичные реакции протекают с увеличением объёма реакционной массы. Это в основном реакции расщепления парафинов

инафтеновых 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.

В промышленности распространение получили трубчатые реакторы пиролиза. Печи пиролиза состоят из двух секций (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 излучением (Формула Планка) 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 °C) 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.

Существуют проекты уничтожения отходов с помощью пиролиза. Затруднения с организацией пиролиза шин, пластмасс и других органических отходов связаны не с технологией собственно пироли-

373

за, которая не отличается от технологии термической переработки других твёрдых материалов. Проблема состоит в том, что в большинстве отходов содержатся фосфор, хлор и сера. Сера и фосфор в окисленной форме летучи и наносят вред окружающей среде. Хлор активно реагирует с органическими продуктами пиролиза с образованием стойких ядовитых соединений (например, диоксины). Улавливание этих соединений из дыма – процесс не из дешёвых и имеющий свои сложности. Проблема переработки изношенных автомобильных шин и вышедших из эксплуатации резинотехнических изделий имеет большое экологическое и экономическое значение для всех развитых стран мира. А невосполнимость природного нефтяного сырья диктует необходимость использования вторичных ресурсов с максимальной эффективностью, то есть вместо гор мусора мы могли бы получить новую для нашего региона отрасль промышленности – коммерческую переработку отходов.

Шины и полимеры представляют собой ценное сырье, в результате их переработки методом низкотемпературного пиролиза (до 500 °C) получаются жидкие фракции углеводородов (синтетическая нефть), углеродистый остаток (технический углерод), металлокорд и горючий газ. В то же время, если сжечь 1 т шин, то в атмосферу выделится 270 кг сажи и 450 кг токсичных газов [12–17].

Расчет процесса горения и определение конструктивной схемы печи для пиролиза

Исходные данные

Вид топлива: попутный или нефтяной газ (месторождение Нижняя Омра).

Состав топлива:

СН4 = 68,86 %, С2Н6 = 11 %, С3Н8 = 9 %, С4Н10 = 6 %, С5Н12 = 1,10 %, СО2 = 0,04 %, N2 = 4 %.

374

Сжиганиетопливаосуществляетсяскоэффициентомрасходаα= 1,06. Влагосодержание в окислителе (воздухе) dок = 10 г\м3, температура

окислителя Ток = 293 К. Состав газов пиролиза:

gCH4 = 0,327, gC2H4 = 0,283, gC2H6 = 0,075, gC3H6 = 0,115, gC3H8 = 0,012, gC4H8 = 0,060, gC4H10 = 0,040, gC4H6 = 0,030, gC5 = 0,043,

gH2 = 0,015,

ρ = 0,886 кг\м3.

Время пребывания пирогаза в зоне реакции τ = 0,9 с. Состав сырья:

Вид сырья – бензин 140.

Количество водяного пара, мас. % от массы сырья – 60. Расход сырья – 8,5 т/ч.

Температура продукта на входе в печь tпр = 110 ºС.

Температура продукта на входе в радиантную камеру tпр = 630 ºС. Температура продукта на выходе из радиантной камеры tпр = 780 ºС. Бензин 140 – бензиновая фракция с температурой кипения до 140 ºС

(справочные данные берем для n-октана).

I. Расчет процесса горения

Определяем низшую теплоту сгорания топлива по формуле

Qнс = 0,01·∑ ri·Qнсi,

где ri – объемная доля i-го компонента топлива,

Qнсi – низшая теплота сгорания i-го компонента топлива, определяем по справочным данным,

375

QнсCH4 = 35,82 МДж/нм3,

QнсC2H6 = 63,75 МДж/нм3,

QнсC3H8 = 91,40 МДж/нм3,

QнсC4H10 = 118 МДж/нм3,

QнсC2H6 = 146 МДж/нм3,

Определяем теоретический расход окислителя:

νoRo2 = 0, 01(1·68,86 + 2·11+ 3·9 + 4·6 + 5·1,10 + 0,04) = 1,474 нм3/нм3,

376

=2,433 нм3/нм3,

νoN2 = 0, 01(Nок2 νоок Nm2 ) ,

νoN2 = 0, 01(79·12,810 + 4) = 10,159 нм3/нм3.

Таким образом, νопг = 2,433 + 1,474 + 10,159 = 14,067 нм3/нм3. То-

гда действительный выход продуктов горения найдем из уравнения

νпг = νRo2 + νH2o + νN2 + νo2 ,

где слагаемые – действительные выходы соответствующих компонентов продуктов горения, которые находим из следующих выражений:

νRo2 = νoRo2 = 1,474 нм3/нм3,

νн2о = νон2о + 0, 01(α−1)0,124dок νоко ,

νн2о = 2,433 + (1,06 – 1) 0,124·10·10–3 · 12,810 = 2,434 нм3/нм3,

νN2 = νoN2 + 0, 01 (α−1) N2 νоок ,

νN2 = 10,159 + 0,01 (1,06 – 1) 79 · 12,810 = 10,767 нм3/нм3,

νо2 = 0, 01 (α−1)О2 νоок ,

νо2 = 0,01 (1,06 – 1) 21 · 12,810 = 0,1614 нм3/нм3.

Следовательно, νпг = 1,474 + 2,434 + 10,767 + 0,1614 = 14,8364 нм3/нм3.

Определим объемные доли содержания компонентов в продуктах горения с помощью соотношений:

377

Верность полученных значений проверим выполнением условия

∑ri =100 %,

9,935 + 72572 + 16,406 + 1,088 = 100 %.

Как видно, условие выполняется, значит, значения объемных процентов найдены верно.

В качестве значимого элемента процесса горения необходимо определить расход топлива.

Для расчета расхода топлива воспользуемся соотношением

где Qгор – теплота горения.

Вычислим теплоту горения по формуле

Qгор = Qηпол ,

п

КПД печи ηп находим с учетом тепловых потерь из выражения

ηп =1− (qух + qхн + qмн + qос) ,

где qух, qхн, qмн, qос – соответственно теплоты, потерянные с уходящими газами, из-за химического и механического недожогов и в окружающую

где Qнс – низшая теплота сгорания, найденная выше,

Нуг – теплосодержаниеуходящихгазов, рассчитываемоепоуравнению

Нуг = ∑ νi C′pi tуг = ∑ νi Нi ,

378

Нуг = νRo2 · 771,8 + νН2О · 626,2 + νN2 · 526,5 + νо2 · 551,

Нуг = 1,474 · 771,8 +2,434 · 626,2 +10,767 · 526,5 +0,1614 · 551 = = 8419,56 кДж/нм3.

Тогда определяем qух = 8419, 56 = 0, 204 . 41187

Следовательно, КПД печи составляет:

ηп = 1 – (0,204 + 0,06) = 0,736, то есть ηп = 73,6 %.

Полезную теплопроизводительность Qпол, идущую на осуществление процесса, находим как сумму теплотконвективнойирадиантнойкамер:

Qпол = Qконв + Qр .

Определим теплоту конвективной камеры:

Найдем теплоты бензина и водяного пара в конвективной камере:

Qконвфиз = Мс ∆ Hисп,С8Н18 ,

379

Qконвпер ,г = 8500 · (3,631·630 − 2,152·140) = 16 883 125 кДж/ч.

Значит, теплота конвективной камеры определяется как

Qконв = 2,58 106 + 568 395 +16 883125 = 20 031520 = 20,031 106 кДж/ч.

Определяем теплоту радиантной камеры:

Qр = Qрхим + Qрн2о + Qрпир ,

где ∑hобр – энтальпии образования продуктов реакции и исходных компонентов, определяемые по следующим соотношениям:

380