Проверочный расчет установки пиролиза этана

В=(12556,32 *3600)/( 116633,46*0,84)

В=461,38 кг/ч

 

4.2.5 Определение температуры дымовых газов, покидающих радиантную камеру

 

  Из уравнения теплового баланса  топки найдём энтальпию уходящих  из неё дымовых газов по  формуле (4.48):

                q^г_{Т П}= Q^”_P* η_T – (Q_P / В)               /6, с. 209/                (4.48)

где  η_T – к.п.д. топки равный η_T=1-0,5=0,95

q^г_{Т П}=116633,46*0,95–(9055,85 *3600)/461.38

q^г_{Т П}=40141.897кДж/кг

  По графику q-T (рисунок.4.1) этой энтальпии соответствует температура Т_П=1510 К.

 

 

   4.2 6 Поверхность нагрева реакционного змеевика (экранных труб)

 

   Величина средней теплонапряжённости поверхности экранных реакционных труб в печах современных конструкций принимается равной 34,7-37,2 кВт/м². Принимаем теплонапряжённость равную 37,2 кВт/м².

    Определим  поверхность нагрева змеевика  по формуле(4.49):

                                           F_p=Q_P / q_p                           /6, с. 209/               (4.49)             

где q_p – средняя теплонапряжённость поверхности нагрева экранных труб,      кВт/м²

       Q_P – количество радиантного тепла печи, кВт

F_p=9055,85 /37,2

F_p=243,44 м²

Поверхность нагрева змеевика по сравнению  с заводом, которая составляет 250 м² меньше на 2,6%.  

Принимаем диаметр труб 0,14 м и толщину стенок 0,008 м 

Находим общую рабочую  длину труб по формуле (4.50):

L_P=F_P / (π*d_н)                    /6, с. 210/                      (4.50)      

 где  d_н – принимаемый диаметр труб, м

L_P=243,44/(3,14*0,14)

L_P=553,77 м

Число параллельных потоков сырья  m в печи для проектируемой печи принято m = 4. Тогда рабочая длина труб в одном потоке (4.51):

                                                 L′_P=L_P / m                         /6, с. 210/           (4.51)

 где   m – число параллельных потоков

L′_P=553,77 /4

L′_P=138,44 м

  Выбираем рабочую длину одной  трубы 12,5 м. Тогда число труб  в одном потоке реакционного  змеевика составит по формуле (4.52):

N′_P= L′_P / l_т                     /6, с. 210/             (4.52)

  где   l_т – рабочая длина одной трубы, м

N′_P=138,44 /12,5

N′_P=11,08

 Полная длина одной трубы  13 м. Найдём общую длину труб  в одном потоке по формуле  (4.53):

L′′_P= N′_P*l′_т                  /6, с. 210/             (4.53)

 где    l′_т – полная длина одной трубы, м

L′′_P= 11,08*13

L′′_P= 143,98 м

 

4.2.7 Время пребывания парогазовой смеси в реакционном змеевике

 

 Массовая скорость парогазовой  смеси в реакционном змеевике по формуле(4.54):

U=(4*(G+ Z) / (3600*m*π*(d_B)²)              /6, с. 210/            (4.54)

 где   G – количество сырья, кг/ч

          Z – количество водяного пара, кг/ч

          m – число параллельных потоков сырья

          d_B – внутренний диаметр трубы, м

U=(4*(8000+3200) / (3600*4*3,14*0,124²)

U=64,438 кг/( м²/с)

     На основании литературных  данных /12, с. 57/ давления ∆Р_Р в реакционном (радиантном) змеевике равен 245*10³ – 343*10³ Па.,

      Давление Р_К на выходе из реактора в большинстве случаев равно 100*10³ – 196*10³ Па.

      Примем  ∆Р_Р=335*10³ Па и Р_К=100*10³ Па. Тогда давление в начале змеевика будет равно по формуле (4.55):

Р_Н= Р_К + ∆Р_Р                     /6, с. 210/             (4.55)            

Р_Н=100*10³ + 335*10³

Р_Н=435*10³ Па

   Плотность парогазовой смеси в начале реакционного змеевика:

а) при нормальных условиях находим  по формуле (4.56)

ρ′₀=М_ВХ / 22,4                       /6, с. 210 /             (4.56)      

 где   М_ВХ – молекулярная масса парогазовой смеси при входе в змеевик                                              печи (в начале реакционного змеевика она будет такой же, поскольку реакция пиролиза ещё не началась)

ρ′₀=26,22/ 22,4

ρ′₀=1,17 кг/м³

  б) при Т_Н=873 К и Р_Н=435*10³ Па по формуле (4.57)

ρ_н= ρ′₀ *(Т₀*Р_Н) / Т_Н*Р₀             /6, с. 211/             (4.57)

   где   Т₀=273 К и Р₀=98,1*10³ Па – стандартные величины, принимаемые для расчёта данной формулы

ρ_н=(1,17*273*435*10³) / (873*98,1*10³)

ρ_н=1,62 кг/м³

  Плотность парогазовой смеси  в конце реакционного змеевика:

 а) при нормальных условиях находим по формуле (4.58)

ρ′′₀= М_ВЫХ / 22,4               /6, с. 211/             (4.58)          

  где  М_ВЫХ – молекулярная масса парогазовой смеси на выходе из                                              

          реакционного змеевика 

ρ′′₀=18,51/ 22,4

ρ′′₀=0,826 кг/м³

 б) при Т=1102 К и Р_К=100*10³ Па по формуле (4.59)

ρ_К= ρ′′₀ *(Т₀*Р_К) / (Т*Р₀)              /6, с. 211/             (4.59)                       

ρ_К=(0,826*273*100*10³) / (1102*98,1*10³)

ρ_К=0,209 кг/м³

Средняя плотность смеси в реакционном змеевике находим по формуле (4.60):

ρ_СР=(ρ_Н + ρ_К) / 2              /6, с. 211 /             (4.60)                       

ρ_СР=(1,62 + 0,209) / 2

ρ_СР=0,92м³

   Линейная скорость парогазовой  смеси находим по формулам (4.61), (4.62):

 а) в начале реакционного  змеевика

w_H=U / ρ_Н                     /6, с. 211 /             (4.61)             

w_H=64,438 / 1,62

w_H=39,78м/с

б) в конце реакционного змеевика

                                                     w_K=U / ρ_К                 /6, с. 2111              (4.62)                         

w_K=64,438/0,209

w_K=308,32 м/с

      в) средняя скорость  по формуле (4.63)

w_СР= ( w_H + w_K ) / 2              /6, с. 211 /             (4.63)                    

w_СР= (39,78 +308,32) / 2

w_СР=174,05 м/с

 Определим время пребывания  смеси в реакционном змеевике  по уравнению (4.64)

τ_ОБЩ = L′′_P / w_СР              /6, с. 211 /             (4.64)                         

где   L′′_P – общая длина труб в одном потоке, м

        w_СР – средняя линейная скорость газа в реакционном змеевике, м/с

τ_ОБЩ = 143,98 /174,05

τ_ОБЩ =0,83 с

  Полученная величина не превышает  ранее принятого значения τ_ОБЩ =0,945 с, поэтому пересчёта не делаем.

 

      4.2.8 Потери напора в реакционном (радиантном) змеевике печи

 

     Определим температуру парогазовой смеси в реакционном змеевике по формуле (4.65):

Т_СР= ( Т_Н + Т ) / 2              /6, с. 212 /             (4.65)                    

 где  Т_Н – температура входа сырья в реакционный змеевик, К

         Т - конечной  температуры пирогаза на выходе из змеевика печи, К

Т_СР= ( 873 + 1108,27 ) / 2

Т_СР=990,64 К

      Определим среднюю  молекулярную массу смеси углеводородных  газов по формуле (4.66):

М_СР= (М_С + М_Х) / 2              /6, с. 212 /             (4.66)                      

 где  М_С – молекулярная масса сырья

         М_Х – молекулярная масса пирогаза

М_СР=(29,7703 + 18,7288) / 2

М_СР=24,25

По таблице экстраполяцией находим  кинематическую вязкость этих газов  при 990,64 К: ν_Г=71*10^-6 м²/с.

  Кинематическая вязкость водяного пара при 990,64 К по таблице: ν_В.П.=120,9*10^-6 м²/с.

  Среднее содержание водяного  пара в парогазовой смеси определяем  по формуле (4.67):

y′_СР= (y′_П + y′′_П) /2              /6, с. 212 /             (4.67)                      

 где    y′_П – содержание водяного пара в парогазовой смеси при входе печь, мол.доли

          y′′_П – содержание водяного пара в парогазовой смеси на выходе из печи, молл.доли

y′_СР=(0,3982-0,29375) / 2

y′_СР=0,052 мол. доли

 Тогда кинематическая вязкость  парогазовой смеси в реакционном  змеевике по формуле (4.68)

ν_СМ= 1 / ((1- y′_СР)/ ν_Г + y′_СР/ ν_В.П.)              /6, с. 212/             (4.68)          

ν_СМ=1 / (1-0,052) / 71*10^-6 + (0,052 / 120,9*10^-6)

ν_СМ=72,56*10^-6 м²/с

  Подсчитаем числовое значение  критерия Рейнольдса по формуле  (4.69):

Re = (w_CP*d_B) /  ν_СМ               /6, с. 212 /             (4.69)                      

Re = (174,05 *0,124) / 72,56*10^-6

Re = 297439,36

Относительная шероховатость равна по формуле (4.70):

l / d_н = 0,0001 / 0,124             /6, с. 212 /             (4.70)                    

 где l = 0,0001 м – среднее значение высоты выступов шероховатости

l / d_н =0,0008

    По графику Re = 297439,36 и относительной шероховатости найдём коэффициент гидравлического сопротивления:

 λ=0,025

Определим эквивалентную длину  труб одного потока радиантного змеевика по формуле (4.71):

l_ЭКВ = N′_P*l′_ТР + ( N′_P – 1 )*ψ*d_B              /6, с. 212 /             (4.71)          

 где  ψ – коэффициент, зависящий от типа соединения труб, принимаем ψ=50

l_ЭКВ =11,08*13 + (11,08-1)*50*0,124

l_ЭКВ =206,536 м

    Выше была принята  величина потерь напора в реакционном  змеевике печи ∆Р_Р=320*10³ Па. Проверим правильность принятой величины ∆Р_Р, вычислив её значение по формуле (4.72):

∆Р_Р=λ*( l_ЭКВ / d_B)*(U² / (2*ρ_СР))              /6, с. 212/             (4.72)          

     где   λ – коэффициент  гидравлического сопротивления

        l_ЭКВ – эквивалентная длина труб одного потока радиантного змеевика, м

        U – массовая скорость парогазовой смеси в реакционном змеевике,

         кг/(м²*с)

         ρ_СР – средняя плотность смеси в реакционном змеевике, кг/м³

∆Р_Р=0,025*(206,536 / 0,124)*(( 64,438)² / 2*0,92)

∆Р_Р=93968,08 Па

     Полученная величина  ∆Р_Р=93968,08 Па меньше  ранее принятой величины ∆Р_Р=32*10⁴ Па, поэтому повторного расчёта не делаем.

 

4.2.9 Расчет необходимого числа печей для обеспечения заданной производительности установки

 

Расчет необходимого числа печей  производится с учетом заданной и  принятой производительности печи:

n=25942,10 /8000=3,24

К установке принимают 4 печи.

 

4.2.10 Расчет  конвекционной камеры

 

Определим поверхность  нагрева пароперегревателя по формуле (4.73)

F_k = Q₁ /(к₁ *ΔТ_ср)               /6, с. 169/                            (4.73)

где Q₁ - тепло необходимое для нагрева сырья и водяного пара, кВт;

      к₁   - коэффициент теплопередачи в конвекционной камере, Вт/(м²*К);

      ΔТ_ср  - средний температурный напор, К

Коэффициент теплопередачи  в конвекционной камере рассчитываем по формуле (4.74):

    к₁ ≈ 1,1* (α₁ + α_л )                                    /6, с. 169/                            (4.74)

где α₁ – коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к трубам, Вт/(м²*К);

      α_л – коэффициент теплоотдачи излучением трехатомных  газов к трубам, Вт/ (м²*К).

Коэффициент α₁ определим по формуле (4.75) :

α₁ = с* β* (λ_г / d_н)* Re^0.6 * Pr^1/3                       /8, с. 133/                            (4.75)

где с  - постоянная, для шахматного пучка труб, равная 0,33;

      β - коэффициент, зависящий от числа рядов труб в пучке /8, с. 133/, - полагая, что число рядов будет более 10, примем β = 1;

    λ_г - коэффициент теплопроводности дымовых газов, Вт/(м*К).

Критерии Re и Рг в формуле (4.75) вычисляются при средней температуре   дымовых   газов   в   камере   конвекции    (определяющий размер – наруңный диаметр труб, скорость газов находится для самого узкого сечения пучка).

В камере конвекции устанавливаются  трубы с полезной длиной l_тр = 9,5 м, наружным диаметром d_н = 140мм, и толщиной стенки 8мм. В камере размещается змеевик для четырех потоков сырья, которые расположены в шахматном порядке по шесть труб с шагом S = 172 мм.