3.2.2 Тепловая нагрузка печи, кпд печи и расход топлива

Полезное тепло печи

, (3.5)

где Q₁ – расход тепла на нагревание смеси газов в камере конвекции, кВт; Q₂ – расход тепла на нагревание парогазовой смеси и химическую реакцию в камере радиации печи, кВт.

Температура сырья перед реакционным змеевиком (радиантная секция печи), должна быть ниже той, при которой начинается его пиролиз. Согласно литературным данным [4], для этана эта температура составляет порядка 700-720 °С, для пропана – 640-660 °С. В случае пиролиза бензина температура сырья перед камерой конвекции принимается равной порядка 500-600 °С.

В данном случае принимается температура сырьевой смеси на выходе из камеры конвекции равной Т_КОНВ = 650 °С.

Количество тепла Q₁:

, (3.6)

где G_УСТ и Z – расходы сырья и водяного пара соответственно, кг/с; – энтальпия паросырьевой смеси на выходе из камеры конвекции при температуре Т_КОНВ = 650 °С (923 К); – энтальпия паросырьевой смеси на входе печь при температуре Т_Н = 40 °С (313 К).

Энтальпия парогазовой смеси определяется по правилу аддитивности, при этом энтальпия отдельных компонентов вычисляется по уравнению

, (3.7)

где а, b, c – коэффициенты, зависящие от компонента; Т – температура, К.

Коэффициенты для расчета энтальпий приведены в таблице 3.3.

Результаты расчета энтальпий сведены в таблицу 3.4. В таблице доли массовые указаны в пересчете на 100 %, например массовая доля метана определена из таблицы 3.2 как 15,9/120 = 0,132. В таблице 3.4 также вычислена энтальпия продуктовой смеси при заданной температуре Т_К = 845 °С (1118 К).

Таблица 3.3 – Коэффициенты для расчета энтальпий компонентов

Компонент	Коэффициенты к уравнению (3.7)
	a	b	c
Водород	-6,03	13,585	0,00077
Метан	70,74	1,376	0,00156
Этан	-83,14	1,138	0,00147
Этилен	-37,40	1,015	0,00120
Пропан	-110,90	1,085	0,00145
Пропилен	-179,6	1,100	0,00119
н-Бутан	-143,77	1,158	0,00138
Изобутилен	-162,09	1,139	0,00119
Бутадиен 1,3	-167,88	1,209	0,00102
н-Пентан	-152,95	1,167	0,00136
В.П.	29,71	1,649	0,00032
н-Октан	-131,54	1,200	0,00133
Бензол	-146,23	0,784	0,00096
Нафталин	-231,60	0,793	0,00090
Ацетилен	-95,11	1,568	0,00050

При пиролизе бензина, ввиду сложного углеводородного состава исходного сырья, пироконденсата и тяжелой смолы пиролиза, условно можно принять за бензин – н-октан; за пироконденсат – бензол; за тяжелую смолу пиролиза – нафталин.

Таким образом, количество тепла, переданное паросырьевой смеси в камере конвекции, составит:

Таблица 3.4 – Результаты расчета энтальпий потоков

Компонент	ТН= 313 К (40 °С)			ТКОНВ= 923 К (650 °С)				ТК= 1118 К (845 °С)
	хi,доля масс.	Hi, кДж/кг	Hi∙xi	хi,доля масс.	Hi, кДж/кг	Hi∙xi	хi,доля масс.		Hi, кДж/кг	Hi∙xi
Водород	0	4321,5	0,00	0	13188,9	0,00	0,013		16144,4	209,88
Метан	0	654,3	0,00	0	2669,8	0,00	0,132		3559,0	469,79
Этан	0	417,1	0,00	0	2219,6	0,00	0,021		3026,5	63,56
Этилен	0	397,9	0,00	0	1921,8	0,00	0,219		2597,3	568,81
Пропан	0,833	370,8	308,88	0,833	2125,9	1770,87	0,217		2914,5	632,45
Пропилен	0	281,3	0,00	0	1849,5	0,00	0,158		2537,6	400,94
Бутаны	0	353,9	0,00	0	2100,7	0,00	0,000		2875,8	0,00
Бутилены	0	311,0	0,00	0	1903,0	0,00	0,012		2598,7	31,18
Бутадиен	0	310,5	0,00	0	1817,0	0,00	0,011		2458,7	27,05
С5+	0	345,6	0,00	0	2082,8	0,00	0,048		2851,7	136,88
Водяной пар	0,167	577,2	96,39	0,167	1824,4	304,67	0,167		2273,3	379,64
Итого	1,00		405,27	1,00		2075,54	0,998			2920,18

Количество тепла Q₂:

, (3.8)

где Q_P – расход тепла на реакцию пиролиза, кВт; Q_НРАД – расход тепла на нагрев парогазовой смеси в камере радиации печи от Т_КОНВ = 923 К до Т_К = 1118 К.

Расход тепла на нагрев парогазовой смеси в камере радиации печи

, (3.9)

Расход тепла на реакцию пиролиза

, (3.10)

где ∆Н – тепловой эффект реакции, кДж/моль сырья; - расход сырья, моль/с.

Тепловой эффект реакции определяется по уравнению

, (3.11)

где Н_ПРОД и Н_С – теплоты образования продуктов реакции (пирогаза) и исходного сырья соответственно, кДж/моль.

Теплоты образования индивидуальных углеводородов приведены в литературе [9]. В интервале температур 300-1500 К теплоту образования можно приближенно вычислить по формуле

, (3.12)

где а, b, c, d – коэффициенты, зависящие от углеводорода; Т – температура, К.

Коэффициенты для расчета теплоты образования углеводородов приведены в таблице 3.5.

Таблица 3.5 – Коэффициенты для расчета теплоты образования

Компонент	Коэффициенты к уравнению (3.12)
	a	b	c	d
Метан	-4,1286∙10-9	2,4911∙10-5	-4,7861∙10-2	-62,658
Этан	-9,6604∙10-9	4,9028∙10-5	-8,0416∙10-2	-64,801
Этилен	-5,3836∙10-9	2,7239∙10-5	-4,7531∙10-2	64,240
Пропан	-1,5156∙10-8	7,1489∙10-5	-1,0808∙10-1	-77,617
Пропилен	-9,3048∙10-9	4,6564∙10-5	-7,6513∙10-2	39,419
н-Бутан	-1,9165∙10-8	8,9893∙10-5	-1,3259∙10-1	-94,126
Изобутилен	-1,2015∙10-8	6,0585∙10-5	-9,6417∙10-2	6,817
Бутадиен 1,3	-1,1507∙10-8	3,9926∙10-5	1,2140∙10-1	111,160
н-Пентан	-2,3095∙10-8	1,0802∙10-4	-1,5722∙10-1	-108,610
В.П.	-3,4413∙10-10	3,6457∙10-6	-1,2724∙10-2	-238,510
н-Октан	-3,5416∙10-8	1,6385∙10-4	-2,3218∙10-1	-152,870
Бензол	-1,3266∙10-8	5,8873∙10-5	-8,7802∙10-2	104,270
Нафталин	-1,7778∙10-8	7,6571∙10-5	-1,0904∙10-1	177,100
Ацетилен	4,8485∙10-9	-1,3288∙10-5	5,1565∙10-3	226,240

При температуре Т_К = 1118 К расчет значений и представлен в таблице 3.6.

Из таблицы 3.6 теплота реакции составит

Таблица 3.6 – Расчет теплового эффекта химической реакции

Компонент	Теплота образования , кДж/моль	Сырье		Пирогаз
		Доля мольн.,	∙	моль/моль сырья, Gi'/G'УСТ	Gi'/G'УСТ∙
Водород	0,000	0,00	0	0,357	0,000
Метан	-90,799	0,00	0	0,438	-39,770
Этан	-106,924	0,00	0	0,032	-3,422
Этилен	37,624	0,00	0	0,421	15,840
Пропан	-130,274	1,00	-130,274	0,259	-33,741
Пропилен	-0,924	0,00	0	0,194	-0,179
Бутаны	-156,784	0,00	0	0,000	0,000
Бутилены	-42,041	0,00	0	0,016	-0,673
Бутадиен	280,710	0,00	0	0,016	4,491
С5+	-181,638	0,00	0	0,032	-5,812
Итого		1,00	-130,274	1,765	-63,266

Расход тепла на реакцию пиролиза:

_{Радиантное тепло печи:}

Полезное тепло печи:

Определение КПД печи.

Потери тепла в окружающую среду q₁ примаются равными в количестве 7% от теплоты сгорания топлива , в том числе, 5 % в камере радиации, 2 % в камера конвекции.

Ввиду довольно большого объема расчета процесса горения топлива он здесь опускается. Принимается, что в качестве топлива используется метан, низшая теплота сгорания которого, определенная по формуле Менделеева, составляет = 51183 кДж/кг. Принимается коэффициент избытка воздуха печи равным 1,05. Зависимость энтальпии продуктов сгорания метана от температуры при этих условиях представлена на рисунке 3.2.

При необходимости более подробного расчета процесса горения топлива можно воспользоваться литературой [5].

Рисунок 3.2 – Зависимость энтальпии продуктов сгорания метана от температуры

Температуру уходящих дымовых газов рекомендуется принимать в пределах 300-400 °С (с дальнейшим их охлаждением в котле-утилизаторе). Температура уходящих из печи дымовых газов принимается Т_УХ = 300 °С (573 К). В этом случае по рисунку 3.2 определяется энтальпия продуктов сгорания топлива, которая составит q₂ = 6536 кДж/кг.

КПД печи определяется по уравнению

, (3.13)

Расход топлива определяется по уравнению

, (3.14)