2.2. Расчёт трубчатой печи.

Для установки каталитического крекинга наиболее эффективными являются трубчатая печь беспламенного горения с излучающими стенами

Исходные данные для расчёта.

Состав топлива печи:

СН₄ – 98%;

С₂Н₆ – 0,3%;

С₃Н₈ – 0,2%;

н-С₄Н₁₀ – 0,1%;

СО₂ – 0,3%;

N₂ – 1,1%.

Производительность установки по сырью – G_с = 650 тыс т/год = 81000кг/ч.

Температура входа сырья – 200 ⁰С = 473 К.

Температура выхода сырья – 240 ⁰С = 513К.

Плотность сырья – 0,9074 г/см³.

е = 0 (массовая доля отгона при t=350 ⁰С).

Давление – 200000 Па.

Плотность газа – 0,730 кг/м³ (при нормальных условиях)

1. Расчёт процесса горения.

Для начала пересчитаем состав топлива в % масс. следующим образом:

x_i= (М_i * x_i) * 100%/ ∑(М_i * x_i) , где

x_i – массовая доля;

x’_i – массовая доля;

М_i –молекулярная масса.

∑(М_i * x_i) =16,36;

x = (16 * 0,98) *100%/ 16,36 =95,84%;

x = (30 * 0,003) *100%/ 16,36 =0,55%;

x = (44 * 0,002) *100%/ 16,36 =0,54%;

x = (58 * 0,001) *100%/ 16,36 =0,35%;

x = (44 * 0,003) *100%/ 16,36 =0,84%;

x = (28 * 0,011) *100%/ 16,36 =1,88%.

Результаты пересчёта сведены в таблице 1.16.

Таблица 1.16.

Компоненты	Молекулярная Масса	Мольная (объёмная) доля
СН4	16	0,980	15,680	95,84
С2Н6	30	0,003	0,090	0,55
	44	0,002	0,088	0,54
	58	0,001	0,058	0,35
СО2	44	0,003	0,132	0,84
N2	28	0,011	0,308	1,88
Сумма:	−	1,000	16,36	100,0

Определим теплоту сгорания без учёта конденсации паров:

Q =360,33 * СН₄+631,8*С₂Н₆+913,8*С₃Н₈+1195,0*н-С₄Н₁₀

где и т.д. – содержание соответствующих компонентов в топливе, объёмн. %.

Q =360,33*98+631,8*0,3+913,8*0,2+1195,0*0,1=35800кДж/м³

или

Q = 35800/0,730 = 49040 кдж/кг

Определяем элементарный состав топлива в массовых процентах.

Содержание углерода:

С=∑С_i=∑[g_i*12*n_i/M_i]=(95,84*12*1/16)+(0,55*12*2/30)+(0,54*12*3/44)+(0,35*12*4/58)+(0,84*12*1/44)=73,3% (n_i – число атомов углерода в данном компоненте)

Содержание водорода:

Н=∑Н_i=∑[g_i*m_i/M_i]=(95,84*4/16)+(0,55*6/30)+(0,54*8/44)+(0,35*1/58)=24,23% (m_i – число атомов водорода в данном компоненте)

Содержание кислорода:

О=g_СО2*16*Р/М_СО2 = 0,84*16*2/44=0,61% (Р – число атомов кислорода в молекуле углекислого газа)

Содержание азота:

N= g_N2*14*K/М_N2=1,88*14*2/28=1,88% (К – число атомов азота в молекуле газа)

Проверка:

С+H+O+N=73,3%+24,23%+0,61%+1,88%=100%

Определяем теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг газа, по формуле:

L₀ = (0,0267 * С+ 0,08 * Н+ 0,01 [S–О] ) / 0,23= =(0,0267*73,3+0,08*24,23+0,01[0-0,61])/0,23=16,94 кг/кг

Для печей с излучающими стенками коэффициент избытка воздуха α=1,03÷1,07. Принимаем α=1,06. Тогда действительное количество воздуха:

L_Д= α*L₀=1,06*16,94=17,96

или

L_Д/ρ_В=17,96/1,293=13,89 м³/кг

где кг/м³ – плотность воздуха при нормальных условиях (273 К и 0,1∙10⁶ Па).

Определим количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива:

m_CO=0,0367*С = 0,0367*73,3=2,69 кг/кг

m_Н2О=0,09*Н=0,09*24,23=2,18кг/кг

m_О=0,23L₀*(α-1)=0,23*16,94*(1,06-1)=0,23 кг/кг

m_N2=0,77*L₀*α+0,01*N=0,77*16,94*1,06+0,01*1,88=13,84кг/кг

Суммарное количество продуктов сгорания:

∑m_i=2,69+2,18+0,23+13,84=18,94кг/кг

Проверка:

∑m_i=1+α*L₀=1+1,06*16,94=18,95кг/кг

Содержанием влаги в воздухе пренебрегаем.

Найдём объёмное количество продуктов сгорания (в м³) на 1 кг топлива (при нормальных условиях):

V_СО2=m_CО2*22,4/М_СО2=2,69*22,4/44=1,37м³/кг

V_Н2О=m_Н2О*22,4/М_Н2О=2,18*22,4/18=2,71м³/кг

V_О2=m_О2*22,4/М_О2=0,23*22,4/32=0,16м³/кг

V_N2=m_N2*22,4/М_N2=13,84*22,4/28=11,07м³/кг

Суммарный объём сгорания:

ΣV_i=1,37+2,71+0,16+11,07=15,31м³/кг

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

ρ₀=Σm_i /ΣV=18,95/15,31=1,24кг/м³

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

q_T=(Т-273)*(m_CО2*с_СО2+m_Н2О*с_Н2О+m_О2*с_О2+m_N2*с_N2), где Т – температура продуктов сгорания, К; − средние массовые теплоёмкости продуктов сгорания, определяемые из таблицы, кДж/(кг∙К).

q₂₇₃=0;

q₃₀₀=(300-273)*(2,69*0,8286+2,18*1,8632+0,23*0,8452+ +13,84*0,9326)=561 кДж/кг

q₅₀₀= (500-273) *(2,69 * 0,9207+ 2,18 * 1,9004+ 0,23 * 0,9391+13,84*1,0362)=4807 кДж/кг

q₇₀₀= (700-273) *(2,69 * 0,9906+ 2,18 * 1,9557+ 0,23 * 1,0104+13,84*1,1149)=9260 кДж/кг

q₁₁₀₀= (1100-273) *(2,69 * 1,0902+ 2,18 * 2,0847+ 0,23 * *1,1119+13,84*1,2269)=18837 кДж/кг

Результаты сведены в таблице 1.17.

Т, К	273	300	500	700	1100
, кДж/кг	0	561	4807	9260	18837

П о данным этой таблицы строим график q – T