Проверочный расчет установки пиролиза этана

Таблица 4.2- Компонентный состав сырья

Компонент	М	% масс.	Кг/ч	Кмоль/ч	% мол.
СН4	16	1,978	513,10	32,10	3,68
С2Н6	30	95,0	24645,00	821,50	94,27
С3Н8	44	3,0	778,30	17,70	2,031
СО2	44	0,02	5,20	0.12	0,014
H2S	34	0,002	0.50	0,015	0,002
Итого		100	25942,10	871,44	100

 

Кинетика основной реакции процесса пиролиза

  С₂Н₆  ↔ С₂Н₄ + Н₂                                                                                             (4 .1)

описывается уравнением первого порядка                                         

                         k = (2.303/τ)*lg(α/( α-x)),        /18, с.133/                        ( 4 .2)

где k – константа скорости реакции, с^-1;

τ – время пиролиза, с;

α,x – количество исходного реагента вступившего в реакцию, в %.

Константу скорости реакции определяем по формуле   

                    lgk = 14,676-15800/Т,                /6, с.150/                            (4 .3) 

где Т – температура  процесса, равная Т=830+273=1103К;

                        lgk=14,676-15800/1103=0,352

В результате расчета константа скорости k=2,25с^-1, время пиролиза τ=0,45с.

Находим степень  конверсии этана:

2,25=2,303/,45 * lg(100/(100-x))= 5.121*lg(100/(100-x));

lg(100/(100-x))=0.44;       х = 63,7%.

Фактическая степень  конверсии этана в этилен при 830⁰С и τ=0,45с составляет α^/ = 0,60./24, с. 151/

Количество водяного пара на входе в трубчатую печь составит    25942,10 *0,4=10376,8 кг/ч или 576,50 кмоль/ч

Количество парогазовой  смеси на входе в трубчатую  печь 25942,10+576,50=26518,60 кг/ч.

По основной реакции

           С₂Н₆ ↔ С₂Н₄ + Н₂                                                                             (4.4)

расход этана составляет 492,90 кмоль/ч  или 492,90 *30=14787 кг/ч.

В ходе этой реакции образуется:

- этилен 492,9 кмоль/ч или 13801,2 кг/ч;

- водород 492,9 кмоль/ч или 985,8 кг/ч.

Всего конвертируется этана 821,50 *0,637= 523,30 кмоль/ч или 15698,9 кг/ч.

Следовательно, на побочные реакции  расходуется этана  523,30-492,90 =30,40 кмоль/ч или 912 кг/ч.

По реакции 

         2С₂Н₆ ↔ С₃Н₆ + СН₄ + Н₂                                                                (4.5)

расход этана  составляет 50%, что соответствует 30,40 * 0,5 = 15,20 кмоль/ч или 456 кг/ч.

С учетом стехиометрии реакции образуется:

- пропилен 7,60 кмоль/ч или 319,20 кг/ч

- метан 7,60 кмоль/ч или  121,60 кг/ч

- водород 7,60 кмоль/ч или  15,20 кг/ч

По реакции

         С₂Н₆ + Н₂ ↔ 2СН₄                                                                            (4.6)

расход этана  составляет 30,40-7,60 = 22,80 кмоль/ч или 684 кг/ч

расход водорода 15,20 кмоль/ч или 30,4 кг/ч,

образуется метана 30,40 кмоль/ч или 486,4 кг/ч.

Пропан в составе  этановой фракции превращается по следующим  реакциям:

         С₃Н₈ ↔ С₃Н₆ + Н₂                                                                                              (4.7)

          2С₃Н₈ ↔ С₄Н₁₀ + С₂Н₄ + Н₂                                                             (4.8)

          2С₃Н₈ ↔ С₄Н₈ + 2СН₄                                                                    (4.9)

          2С₃Н₈ ↔ С₄Н₆ + 2СН₄ + Н₂                                                            (4.10)

          2С₃Н₈ ↔ С₅Н₁₀ + СН₄ + Н₂                                                             (4.11)

          С₃Н₈ + 2Н₂ ↔ 3СН₄                                                                        (4.12)

          С₂Н₄ ↔ С₂Н₂ + Н₂                                                                           (4.13)

В ходе реакции (4.7) расходуется 30% пропана, что составит 778,30* 0,3 = 233,49 кг/ч или 5,31 кмоль/ч и образуется:

- пропилен 5,31 кмоль/ч или 222,6 кг/ч

- водород 5,31 кмоль/ч или 10,60 кг/ч.

В ходе реакции (4.8) расходуется 10% пропана, что составит 778,30 * 0,1 = 77,83 кг/ч или 1.8 кмоль/ч,

образуются;

- бутан 1.8/2 = 0.9 кмоль/ч или 52,20 кг/ч;

- этилен 0.9 кмоль/ч или 25,2 кг/ч;

- водород 0.9 кмоль/ч или 1.8 кг/ч.

В ходе реакции (4.9) расходуется 6% пропана, что составит 778,30 * 0,06 = 48,40 кг/ч или 1,1 кмоль/ч,

образуется:

- бутилен 1,1/2 = 0,55 кмоль/ч или  30,80 кг/ч;

- метан 1,1  кмоль/ч или 17,60 кг/ч

В ходе реакции (4.10) расходуется 20% пропана, что составит 778,30*0,2 = 154 или 3,5 кмоль/ч,

образуется;

- бутадиена 3.5/2=1.75 кмоль/ч или 94,5кг/ч;

- метана 3.5 кмоль/ч или 56 кг/ч;

- водород 1.75 кмоль/ч или 3.5 кг/ч

В ходе реакции (4.11) расходуется 8% пропана, что составит 778,30*0,08 = 61,60 кг/ч или 1.40 кмоль/ч,

образуется:

- пентена 0.7 кмоль/ч или 49 кг/ч;

- метана 0.7 кмоль/ч или 11,2 кг/ч;

- водорода 0.7 кмоль/ч или 1.4 кг/ч.

В ходе реакции (4.12) расходуется 15% пропана, что составит 778,30*0,15 = 118,80 кг/ч или 2.7 кмоль/ч, а также 2.7 * 2 = 5,4 кмоль/ч или 10,8 кг/ч водорода,

образуется:

- метан 2.7 * 3 = 8,1 кмоль/ч или 129,6 кг/ч.

Расход пропана по реакциям (4.7), (4.8), (4.9), (4.10), (4.11), (4.12) составит:

233,2 + 79,2 + 48,2 + 154 +61,6 + 118,8 = 695 кг/ч или

5,3 + 1.8 + 1,1 + 3.5 + 1.4 + 2.7 = 15,80 кмоль/ч

Количество оставшегося пропана  в пирогазе 778,30– 695 = 83,3 кг/ч или 17,7 – 15,8 = 1.9 кмоль/ч.

По реакции (4.13) расходуется 50 % образовавшегося по реакции (4.8) этилена 25,2 * 0,5 = 11.7 кг/ч или 0.45 кмоль/ч,

образуется:

- ацетилен 0.45 кмоль/ч или 12,6 кг/ч;

- водород 0,45 кмоль/ч или 0.9 кг/ч,

Бутадиен взаимодействует с  этиленом по реакции:

           С₄Н₆ + С₂Н₄ ↔ С₆Н₆ + 2Н₂                                                           (4.14)

В эту реакцию вступает 10% образовавшегося  по реакции (4.10) бутадиена 94,5 * 0,1 = 9,45 кг/ч или 0,18 кмоль/ч.

Расходуется на эту реакцию этилена 0,18 кмоль/ч или 8 кг/ч, образуется:

- бензола 0,18 кмоль/ч или 14 кг/ч;

- водорода 0,36 кмоль/ч или 0.7 кг/ч.

Таким образом  по реакции (4.14) остается бутадиена 94,5 – 9,45 =

85,05 кг/ч или 1.58 кмоль/ч.

Всего образуется метана по реакциям (4.5), (4.6), (4.9), (4.10), (4.11), (4.12) 121,60  + 486,4  + 17,60 + 56+ 11,2 + 129,6  = 822,4 кг/ч или

7,60 + 30,40  + 1,1 + 3.5+ 0.7 + 8,1 = 51,40 кмоль/ч.

Общее количество в пирогазе метана составляет

513,10+ 822,40 = 1335,50 кг/ч  или

32,10 + 51,40 = 83,50 кмоль/ч.

Метан подвергается конверсии по реакции

          СН₄ + Н₂О ↔ СО +3Н₂                                                                  (4.15)

При этом расходуется 1% образовавшегося  метана

1335,50 * 0,01 = 13,36 или 0.84 кмоль/ч.

 Расход водяного пара составит  0.84*18 = 15 кг/ч.

По этой реакции образуется:

- оксида углерода 0.84 кмоль/ч или 23,50 кг/ч;

- водорода 2.52 кмоль/ч или 5,04 кг/ч.

Остается в пирогазе:

- метана  1335,50-13,36= 1322,15 кг/ч или 83,50– 0.84 = 82,67 кмоль/ч

- водяного пара 10376,8 – 15 = 10361,80 кг/ч  или 576,50 – 0.84 = 575,67 кмоль/ч.

Этилена образуется по реакции (4.8) 25,2 кг/ч (0.9 кмоль/ч), расходуется по реакциям (4.13), (4.14) 11.7 + 8= 19,70 кг/ч или 0,45 +0,18= 0,63 кмоль/ч.

Всего этилена в пирогазе содержится:

13801,2 + 25,2 –19,70  = 13806,70 кг/ч или

492,9  + 0.9 – 0,63 = 493,17 кмоль/ч.

Водород образуется по реакциям (4.4), (4.5), (4.7), (4.8), (4.10), (4.11), (4.13), (4.14), (4.15) в количестве:

985,8 + 15,20 + 10,60+ 1,8 + 3.5 + 1.4  + 0.9 + 0.7 + 5,04 = 1024,94 кг/ч или 512,47кмоль/ч.

Расход водорода по реакциям (4.6), (4.12) составит 30,4 + 10,8 = 41,20 кг/ч или 20,60 кмоль/ч.

Остается водорода в пирогазе 1024,94 – 41,20 = 983,74 кг/ч или 491,87 кмоль/ч.

Количество этана  в пирогазе  24645,00–15698,9 = 8946,10 кг/ч  или  821,50– 523,30 = 298,20 кмоль/ч.

Данные расчета материального  баланса сведены в таблицу  4.3

Таблица 4.3 – Материальный баланс печи пиролиза

Компонент	М	% масс.	Кг/ч	Кмоль/ч	% мол.
Приход
СН4	16	1,41	513,10	32,10	2,22
С2Н6	30	67,86	24645,00	821,50	56,74
С3Н8	44	2,14	778,30	17,70	1,22
СО2	48	0,014	5,20	0.12	0,008
H2S	34	0,0014	0.50	0,015	0,001
Водяной пар	18	28,57	10376,80	576,50	39,82
Итого		100	36318,90	1447,94	100
Расход
Н2	2	2,71	983,74	491,87	25,06
СН4	16	3,64	1322,15	82,67	4,21
С2Н4	28	37,99	13806,70	493,17	25,129
С2Н6	30	24,62	8946,10	298,20	15,19
С2Н2	26	0,035	12,60	0,45	0,023
С3Н6	42	1,49	541,80	12,90	0,657
С3Н8	44	0,23	83,30	1,90	0,097
С4Н6	54	0,23	85,05	1,58	0,081
С4Н8	56	0,085	30,80	0,55	0,028
С4Н10	58	0,144	52,20	0,90	0,046
С5Н10	70	0,135	49,00	0,70	0,036
С6Н6	78	0,038	14,00	0,18	0,009
СО	28	0,065	23,50	0,84	0,043
СО2	44	0,014	5,20	0,12	0,006
Н2S	34	0,001	0,50	0,015	0,0008
Водяной пар	18	28,559	10376,80	576,50	29,375
Итого		100	36333,44	1962,55	100

  

4.2 Расчет печи пиролиза этана

 

Исходные данные:

1)  Производительность печи  G=8000 кг/ч

2)  Количество водяного пара, добавляемого к исходному сырью перед его подачей в печь  Z=3200 кг/ч ( 40 % на сырьё )

3)  Температура сырья на входе  в печь 483 К

   Состав топливного газа  приведён в таблице 4.4

Таблица 4.4 – Состав топливного газа

Компоненты	Мольная (объёмная) доля, %
Н2 СН4 С2Н4	0,80 0,17 0,03

     

 4.2.1 Расчёт процесса горения

 

Определяем низшую теплоту сгорания топлива по формуле (4.16)

Q_р^н =251,2*Н2+360,33*СН4+590,4*С2Н4            /6, с. 155/                          (4.16)   

 где: СН4, С2Н4, Н2 - содержание соответствующих компонентов в топливе, объемн. %.

Q_р^н =251,2*80+360,33*17+590,4*3

Q_р^н =27992,81 кДж/м³

или                           

 Q_р^н =27992,81/ρ_т.г                                                                         /6, с. 155/                         (4.17)   

 где ρ_т..г.=0,24 плотность топливного газа

Q_р^н=27992,81/0,24

Q_р^н=116633,46 кДж/кг

 Пересчитаем состав топлива  в массовых процентах в таблице 4.5

Таблица 4.5 - Состав топлива в % массовых

Компоненты	Молекулярная масса, Мi	Мольная (объёмная) доля, ri	МI*ri	Массовый %, gi=(( Мi*ri) *100) ÷∑(Мi*ri)
Н2 СН4 С2Н4	2 16 28	0,80 0,17 0,03	1,6 2,72 0,84	31,01 52,71 16,28
Сумма		1,00	5.61	100

 

Определяем элементарный состав топлива  в массовых процентах.

Содержание углерода в любом  i-ом компоненте топлива находим по формуле (4.18):

                         С_i=(g_i*12*n_i)/M_i                           /6, с. 156/                      (4.18)