Проверочный расчет установки пиролиза этана

где n_i – число атомов углерода в данном компоненте топлива.

 Содержание углерода, % мас.:

                                            С=∑(g_i*12*n_i)/M_i                            

С=(52,71*12*1)/16 + (16,28*12*2)/28

С=53,49.

 Содержание  водорода, % мас. по формуле (4.19):

Н=∑((g_i*m_i)/M_i)                         /6, с. 156/                        (4.19)

где m_i – содержание атомов водорода в данном компоненте топлива

Н=(52,71*4)/16+ (16,28*4)/28 + (31,01*2)/2

Н=46,51

Проверка:

С + Н = 100 % масс.

53,49+46,51=100 % масс.

Определяем теоретическое количество воздуха, необходимого для сжигания 1 кг газа по формуле (4.20):

                       L₀=(0,0267*С + 0,08*Н)/0,23           /6, с. 156/                    (4.20)   

где Н – содержание углерода и  водорода в любом компоненте топлива  в                                                                                      массовых процентах

L₀= (0,0267*53,49 + 0,08*46,51)/0,23

L₀=22,39 кг/кг

Для печей с излучающими стенками топки коэффициент избытка воздуха  α=1,03÷1,07. Принимаем α=1,05. Тогда действительное количество воздуха по формуле (4.21):

                            L_д=α*L₀                                                               /6, с. 156/                 (4.21)   

     L_д=1,05*22,39

     L_д=23,51 кг/кг

или по формуле (4.22):

                             L_д/ρ_в=23,51/1,293                        /6, с. 156/                    (4.22)

где ρ_в =1,293 кг/м³ -  плотность воздуха при нормальных условиях (273 К и 0,1*10⁶ Па)

                                 L_д/ρ_в=18,18 м³/кг

    Определим количество  продуктов сгорания, образующихся  при сжигании      1 кг топлива по формуле (4.23)-(4.26)

                             m_CO2=0,0367*С                            /6, с. 157/                   (4.23)   

    m_CO2=0,0367*53,49

    m_CO2=1,96 кг/кг

    m_Н20=0,09*Н                               /6, с. 157/                    (4.24)

    m_Н20=0,09*46,51

    m_Н20=4,19 кг/кг

   m₀₂=0,23*L₀*(α-1)                      /6, с. 157/                   (4.25)  

    m₀₂=0,23*22,39(1,05-1)

    m₀₂=0,26 кг/кг

    m_N2=0,77* L₀*α + 0,01N           /6, с. 157/                      (4.26)

    m_N2=0,77*22,39*1,05

    m_N2=18,10 кг/кг

Суммарное количество продуктов сгорания по формуле (4.27):

                         ∑m_i= m_Н20 + m_CO2 + m₀₂ + m_N2           /6, с. 157/                 (4.27)

∑m_i=1,96+4,19+0,26+18,10

∑m_i=24,51 кг/кг

Проверка по формуле (4.28):

                              ∑m_i=1+α* L₀                                                           /6, с. 157/                 (4.28)

∑m_i=1+1,05*22,39

∑m_i=24,51кг/кг

Содержанием влаги в воздухе  пренебрегаем.

Найдем объёмное количество продуктов сгорания (в м³) на 1 кг топлива (при нормальных условиях) находим по формулам (4.29)-(4.33):

                        V_CO2= ( m_CO2*22,4) ÷ М_СО2          /6, с. 157/             (4.29)

 где М_СО2 – молекулярная масса СО₂

V_CO2= (1,96*22,4)÷44

V_CO2=0,99м³/кг

V_Н2О= (m_Н2О*22,4)÷M_Н2О               /6, с. 157/             (4.30)   

где  M_Н2О – молекулярная масса Н₂О

V_Н2О=(4,19*22,4)÷18

V_Н2О=5,21 м³/кг

                                   V_О2= (m_O2*22,4)÷M _О2                         /6, с. 157/              (4.31)

где M _О2 – молекулярная масса О₂

V_О2= (0,26*22,4)÷32

V_О2=0,18 м³/кг

                                   V_N2= (14,47*22,4)÷М_N2                 /6, с. 157/           (4.32)   

где  М_N2 – молекулярная масса N₂

V_N2= (18,1*22,4)÷28

V_N2=14,48 м³/кг

Суммарный объём продуктов сгорания:

 ∑V_i= V_CO2 + V_Н2О + V_О2 + V_N2                     /6, с. 157/            (4.33)  

 ∑V_i=0,99+5,21+0,18+14,48

 ∑V_i=20,86 м³/кг

Плотность продуктов сгорания при 273 К и 0,1*10⁶ Па находим по формуле (4.34):

ρ₀=∑m_i / ∑V_i                     /6, с. 157/              (4.34)   

ρ₀=24,51/20,86

ρ₀=1,17 кг/м³

 Определим энтальпию продуктов  сгорания на 1 кг топлива при  различных температурах по уравнению  (4.35):

q_T= (T-273)*( m_CO2*С _CO2 + m_Н20*С _Н20 + m₀₂* С_О2 + m_N2*С _N2)   /2, с. 49/    (4.35)   

 где  Т – температура  продуктов сгорания, К;  С _CO2, С _Н20, С₀₂, С _N2 – средние массовые теплоёмкости продуктов сгорания, приведенные в таблице 4.6

Таблица 4.6 – Средняя массовая теплоемкость газов, кДж/ (кг*К)

T=300K	T=500K	T=700K	T=1000K	T=1500K	Т = 1700К
С CO2 = 0.8286	С CO2 = 0,9207	С CO2 = 0.9906	С CO2 = 1.0902	С CO2 = 1.1564	С CO2 = 1,1811
С Н20 = 1.8632	С Н20 = 1,9004	С Н20 = 1.9557	С Н20 = 2.0847	С Н20 = 2.2195	С Н20 = 2,2827
С02   =  0.9169	С02  = 0,9391	С02   = 0.9688	С02 = 1.0182	С02 = 1.0530	С02 = 1,0664
С N2  = 1.0308	С N2 = 1,0362	С N2  = 1.05	С N2 = 1.0886	С N2 = 1.1279	С N2 = 1,1443

 

Найдём величину q_T результаты расчетов занесем в таблицу 4.7

q₃₀₀ = (300-273)*(1,96*0,8286 + 4,19*1,8632 + 0,26*0,9169 + 18,1*1,0308) = 765 кДж/кг

q₅₀₀ = (500-273)*(1,96*0,9207 + 4,19*1,9004 + 0,26*0,9391 + 18,1*1,0362) = 6530 кДж/кг

q₇₀₀ = (700-273)*(1,96*0,9906 + 4,19*1,9557 + 0,26*0,9688 + 18,1*1,05) = 12551 кДж/кг

q₁₀₀₀ = (1000-273)*(1,96*1.0902 + 4,19*2.0847 + 0,26*1.0182 + 18,1*1.0886) = 22421 кДж/кг

q₁₅₀₀ = (1500-273)*(1,96*1.1564 + 4,19*2.2195 + 0,26*1.0530 + 18,1*1,1279) = 39577 кДж/кг     

 q₁₇₀₀ = (1700-273)*(1,96*1.1811 + 4,19*2.2827 + 0,26*1.0664 + 18,1*1,1443) = 46903 кДж/кг     

Таблица 4.7 – Зависимость энтальпии от температуры

Т, К	273	300	500	700	1000	1500	1700
qT, кДж/кг	0	765	6530	12551	22421	39577	46903

 

По данным таблицы строим график q-T (энтальпия продуктов сгорания – температура), рисунок 4.1

            

           энтальпия, кДж/кг

Рисунок 4.1 – График зависимости температура – энтальпия

 

4.2.2 Состав сырья и пирогаза

 

 Для последующих расчётов  необходимо иметь характеристики  сырья и пирогаза. Характеристики сырья и пирогаза приведём в таблицах 4.8 и 4.9. 

Таблица 4.8 – Характеристика сырья

Компонен-ты сырья	Моле-куляр-ная масса, Мi	Плотность ρi, кг/м3	Мольная (объём-ная) доля, С′i (CVi)	Mi* CVi	Массовая доля, Сi=( Mi* CVi)÷∑( Mi* CVi)	Плотность сырья  ρi* CVi, кг/м3	Количество
							Gi=8000 *Ci кг/ч	G′i= Gi/ Mi , кмоль/ч
СН4 С2Н6 С3Н8 СО2 Н2S	16 30 44 44 34	0,717 1,342 1,967 1,977 1,539	0,0368 0,9427 0,02031 0,00014 0,00002	0,5888 28,281 0,8936 0,00616 0,00068	0,01978 0,95 0,03 0,0002 0,00002	0,02638 1,2651 0,03995 0,00028 0,000019	158,24 7600 240 1,6 0,16	9,89 253,33 5,45 0,036 0,005
Сумма	-	-	1,0000	29,7703	1,0000	1,331729	8000	268,71

 

  Из таблицы  имеем:

 молекулярная масса сырья  М_С=29,7703;

 плотность сырья ρ_С=1,331729 кг/м³.

 

 

Таблица 4.9 – Характеристика пирогаза

Ком-по-нен-ты пиро-газа	Моле-куляр-ная масса, Мi	Плот-ность ρi , кг/м3	Мольная (объём-ная) доля  x′i (xVi)	Mi* x′i	Массовая доля xi=( Mi*x′i)÷ ∑( Mi* x′i)	ρi* xVi , кг/м3	Количество		Всего продук-тов пиролиза, кмоль/ кмоль сырья
							gi=8000 *xi  кг/ч	g′i= gi/ Mi   кмоль/ч
Н2 СН4 С2Н4 С2Н6 С2H2 С3H6 С3Н8 С4H6 С4H8 С4H10 С5H10 С6H6 CO СО2 Н2S	2 16 28 30 26 42 44 54 56 58 70 78 28 44 34	0,090 0,717 1,260 1,342 1,162 1,915 1,967 0,650  0,630 0,600 3,220 0,880 1,250 1,977 0,964	0,35487 0,05964 0,35581 0,21514 0,00032 0,00931 0,00137 0,00114 0,00039 0,00065 0,00051 0,00013 0,00061 0,00009 0,00001	0,70974 0,95424 9,96268 6,4542 0,00832 0,39102 0,06028 0,06156 0,02184 0,0377 0,0357 0,01014 0,01708 0,00396 0,00034	0,03789 0,05094 0,53191 0,34466 0,00049 0,02087 0,00321 0,00328 0,00119 0,00201 0,00189 0,00054 0,00091 0,00020 0,00002	0,0319 0,0428 0,4483 0,2887 0,0004 0,0178 0,0027 0,0007 0,0003 0,00039 0,0016 0,0001 0,0008 0,0002 0,000009	303,12 407,52 4255,28 2757,28 3,92 166,96 25,68 26,24 9,52 16,08 15,12 4,32 7,28 1,60 0,16	151,56 25,47 151,97 91,91 0,15 3,98 0,58 0,49 0,17 0,28 0,22 0,06 0,26 0,04 0,005	0,564 0,095 0,566 0,342 0,0006 0,015 0,002 0,002 0,0006 0,001 0,0008 0,0002 0,0009    0,0001 0,00002
Сумма	-	-	1,00000	18,7288	0,52117	0,836699	8000	427,145	1,59022

 

    Из таблицы 4.9 имеем:

  молекулярная масса пирогаза  М_Х=18,7288

  плотность пирогаза  ρ_Х=0,836699  кг/м³.  

Составим сводную таблицу  4.10 состава парогазовой смеси при входе её в змеевик печи ( сырьё и водяной пар ) и на выходе из змеевика ( пирогаз и водяной пар )

Таблица 4.10 – Состав парогазовой смеси на входе и на выходе из змеевика  печи

Компоненты	Парогазовая смесь при входе  в печь				Парогазовая смесь на выходе из печи
	количество		доля		количество		доля
	кг/ч	кмоль/ч	массовая	мольная	кг/ч	кмоль/ч	массовая	мольная
Н2 СН4 С2Н4 С2Н6 С2H2 С3Н6 С3Н8 С4H6 C4H8 C4H10 С5H10 C6H6 CO СО2 H2S Н2О	158,24   7600     240             1,6 0,16 3200	9,89   253,33     5,45             0,036 0,005 177,78	0,0141   0,6786     0,0214             0,00014 0,000014 0,2857	0,0222   0,5674     0,0122             0,00008 0,00001 0,3982	303,12 407,52 4255,28 2757,28 3,92 166,96 25,68 26,24 9,52 16,08 15,12 4,32 7,28 1,60 0,16 3200	151,56 25,47 151,97 91,91 0,15 3,98 0,58 0,49 0,17 0,28 0,22 0,06 0,26 0,04 0,005 177,78	0,0271 0,0364 0,3799 0,2462 0,00035 0,0149 0,0023 0,0023 0,00083 0,00144 0,00135 0,00039 0,00065 0,00014 0,00001 0,2857	0,2506 0,0421 0,25129 0,1519 0,00023 0,00657 0,00097 0,00081 0,00028 0,00046 0,00036 0,00009 0,00043 0,00006 0,000008 0,29375
Сумма	11200	446,49	1,0000	1,0000	11200	604,925	1,0000	1,0000