Энерготехнология
BОглавление
1 Введение ...................................................... 2
2 Описание технологической схемы на базе печи пиролиза этана.... 3
3 Термодинамический анализ печи пиролиза этана .................. 4
3.1 Материальный и тепловой баланс процесса пиролиза. ........... 4
3.2 Гидравлический расчет змеевика печи пиролиза этана .......... 5
3.3 Определение тепловой нагрузки частка e-f ................... 7
3.4 Эксергетический КПД процесса пиролиза ....................... 8
3.5 Энтропийный баланс процесса пиролиза ........................ 9
4 Горение ....................................................... 10
4.1 Материальный баланс ......................................... 10
4.2 Энтальпийный баланс. Определение Тад ........................ 10
4.3 Эксергетический баланс ...................................... 11
5 Термодинамический анализ химического реактора ................. 14
5.1 Энергетический баланс ....................................... 14
5.2 Эксергетический баланс реактора............................. 14
6 Термодинамический анализ процесса теплообмена ................. 15
7 Разработка ЭХТС на базе печи пиролиза этана ................... 15
7.1 Энергетический баланс закалочно-испарительного аппарата..... 15
7.2 Паросиловой цикл Ренкина .................................... 16
7.2.1 часток 1-2 ............................................... 16
7.2.2 часток 2-2' .............................................. 17
7.2.3 часток 2'-4 .............................................. 17
7.2.4 часток 4-1 ............................................... 17
7.2.5 Цикл целиком .............................................. 17
8 Кинетические расчеты .......................................... 18
8.1 Кинетический расчет поверхности радиантной зоны печи ........ 18
8.2 Расчет конвекционной зоны печи пиролиза ..................... 19
8.2.1 Определение промежуточных температур ...................... 19
8.2.2 Определение температуры пара разбавления .................. 20
8.3 Определение поверхности теплообмена конвекционной зоны...... 20
Приложение ...................................................... 22
Литература ...................................................... 23
B1 Введение
Энерготехнология - общетехническая фундаментальная дисциплина,
изучающая методы получения, передачи и использования теплоты, так-
же принципы действия и конструктивные особенности тепло- и парогене-
раторов, трансформаторов теплоты, тепловых машин, аппаратова и с-
тройств.
В химической промышленности энергетик непосредственно час-
твует в процессе производств продукции, и нарушение нормального
энергоснабжения вызывает прекращение деятельностиа производственных
звеньев или даже производства в целом. Энергетическое хозяйство хи-
мического предприятия включает собственно энергетические становки,
энергетические элементы теплотехнических становок и энергетические
элементы комбинированных энергохимико-технологических систем (ЭХТС),
производящих технологическую и энергетическую продукцию, а также с-
тановки для использования вторичных энергетических ресурсов (ВЭР).
Совершенствование энергетики химического производства связано с
его интенсификацией, применением агрегатов большей единичной мощнос-
ти, применением наиболее рациональных видов энергии и энергоносите-
лей, повышением степени тилизации вторичныха энергетическиха ресур-
сов, лучшением систем нормирования энергоресурсов, внедрением и оп-
тимизацией ЭХТС, созданием безотходной по сырью и энергииа экономи-
чески и экологически выдержанной технологии.
Одной из главных целей оптимизации ЭХСа является минимизация
потребления энергии при сохранении высокого выхода целевого продук-
та. Преимуществ комбинированного теплоиспользования переда раз-
дельным производствома технологической и энергетической продукции
наиболее ярко выделяются при использовании эксергетического метода
анализа, который позволяет определить предельные возможности процес-
сов, источники потерь и пути их странения, повысить эффективность
ЭХТС и ее элементов. Наиболее эффективен системный подхода к оценке
сложных ЭХТС при помощи эксергетического иа энтропийного балансов,
которые учитывают различную ценность энергоресурсов разной физичес-
кой природы или разного потенциала, в отличии от простого энергети-
ческого баланса, не учитывающего перечисленных факторов и са особен-
ностей процессов, связанных с различными проявлениями иха необрати-
мости.
Задача данного поверочного расчета при помощи термодинамическо-
го анализа оптимизировать разработанную ЭХТС на основе пиролиз г-
леводородного сырья, определив основные параметры системы и подоб-
рав необходимое сырье (топливо, силовой пар и пар разбавления).
@ B2 Описание технологической схемы на базе печи пиролиза этана.
-l─── ┌───┐ │
┌──┘ └──┐ a-│-a
│ ┌──┼───────────┘ 1
│ \а │ ┌──────────────>─────────────────────────┼─┐
│ /а │ а ┌──────────<─────┐ 1 │
│ \──┼───────────┐ │ │
-y───а │ │ │ с b-│-b │ │
│ ┌──┼───<───┼───│───────────────────┐ │
│ \а │ │ с │ │ │ │
│ /а │ │ к │ │ │ │
│ \──┼───>───┼───│────┐ │ │ │
│ │ а │ к d │ │ │ │ │
-x───а │ ┌──┼─────────┼─┤ │ │ │ │
│ \а │ а d │ │ │ │ │
│ /а │ │ │ │ │ ┌<─┐ │ │
│ \а │ │ пара ┌──────┴─┴┐ а │ насос │
│ /а │ │ │сепаратор│ │ ┌─┼─┐ │/│
│ \а │ │ │ │ │ │ ^ │ │ │
│ /а │ │ └─┬───────┘ │ │ │ │ ─ ─ ─ ─ ─│ │
│ \а │ │ o─│─o │ └─┬─┘ │ │
┌───────┘ / e└─┼───┼──┐а fа ┌──┴─┐а g │ турбина \│
│ \─┼┐ а │┌─┼──┼──┤\/\/├──┼─ а │ │
│ ┌──────┐e│ └/\/┘│ f /└──┬─┘а g │ 2─│─2
│ │ ├┐│ │┌┤ ЗИ p─│─p а │теплообменник │
│ │ ├┘│ │└┤ │ а │2'┌────────┐а │
│ │ ├┐│ │┌┤ └─><────>─┘ └┼─┤┌/\/\/\┐├──┘
│ │ ├┘└──────┘└┤ 2'└┼──────┼┘
└────────┴──────┴──────────┘ │ │
Исходное сырье следующего состава и температуры поступает по трубам
┌──────────────────────────────────────────┬───────────────┐
│ Состав исходной смеси кмоль/с на 1 трубу │Параметры входа│
├─────────┬─────────┬─────────┬────────────┼───────┬───────┤
│ СН4 │ СН6 │ СН6 │ СН8 │ Та [К] D мм │
├─────────┼─────────┼─────────┼────────────┼───────┼───────┤
│ 0.10 │ 0.0138а │ 0.78 │ 0.80 378а │ 102/8 │
└─────────┴─────────┴─────────┴────────────┴───────┴───────┘
из сечения а-а, в змеевик печи пиролиза где нагревается за счет теп-
лоты отходящих газов до Тb = 468 К, затем ва сеченииа d-dа разбав-
ляется водяным паром. Количество водяного пар =а 0.01002а кмоль/с.
Затем в змеевике данная смесь нагревается до температуры Те = 900 К.
После этого, в радиантной зоне печи происходит пиролиз данной смеси
до следующего состава:
┌────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Состав конечной смеси кмоль/с на 1 трубу │
├──────┬───────┬───────┬────────┬────────┬────────┬──────┬───────┤
│СН4 │ СН4 а│ СН6 а│ СН6 │ СН6 │ СН6 │СН10 │ СОа │
├──────┼───────┼───────┼────────┼────────┼────────┼──────┼───────┤
│0.0034│ 0.0084│ 0.0046│ 0.45│ 0.19│ 0.8│0.1│ 0.1│
└──────┴───────┴───────┴────────┴────────┴────────┴──────┴───────┘
Давление на выходе из печи Pf = 3.5 бар. Температура Tf = 0 K.
В целях экономии тепла, также для получения энергии н базеа печи
пиролиза этана сооружают энерго-химико-технологическуюа схему, сос-
тоящую из закалочно-испарительного аппарата (ЗИА), паросилового цик-
ла Ренкина, включающего в себя турбину, насос, теплообменник, змее-
вик и сепаратор. Тепло забирается от отходящих дымовых газова иа ко-
нечных продуктов пиролиза этанового сырья. Температура отходящих га-
зов на выходе из печи = 250 С, конечных продуктов Тg = 673 K.
B3 Термодинамический анализ печи пиролиза этана
@3.1 Материальный и тепловой баланс процесса пиролиза.
1. Поиск количества НО. Поэлементный баланс по кислороду. Весь
кислород в системе входит с водой, выходит са водойа и гарным
газом. Количество СО = НО(вход)-НО(выход)
n(НО) = 0.01002-0.1 = 0.00992 кмоль/с
м(НО) = 0.00992*18 = 0.17856 кг/с
2. Пересчет на массовый и объемный расходы. м = n*М
Вход
м(СН4) = 0.10*28 = 0.0028а кг/с
м(СН6) = 0.01380*30 = 0.414 кг/с
м(СН6) = 0.78*42 = 0.03276 кг/с
м(СН8) = 0.80*44 = 0.0352а кг/с
м(H2O)а = 0.01002*18 = 0.18036 кг/с
Выход
м(СН4)а = 0.0034*16а = 0.0544а кг/с
м(СН4) = 0.0084*28а = 0.2352а кг/с
м(СН6) = 0.0046*30а = 0.138 кг/с
м(СН6) = 0.45*42 = 0.0189а кг/с
м(СН6) = 0.19*54 = 0.01026 кг/с
м(СН6) = 0.8*78 = 0.00624 кг/с
м(СН10)= 0.10*58 = 0.0058а кг/с
м(СО) = 0.1*28а = 0.0028а кг/с
Расчет количества сажи (баланс по глероду).
Вход
n(C) = 2*n(СН4)+2*n(СН6)+3*n(СН6)+3*n(СН8) =
2*0.10+2*0.01380+3*0.78+3*0.80=0.03254 кмоль/с
Выход
n(C) = n(СН4)+2*n(СН4)+2*n(СН6)+3*n(СН6)+4*n(СН6)+6*n(СН6)+
+4*n(СН10)+n(СО) = 0.0034+2*0.0084+2*0.0046+3*0.45+
+4*0.19+6*0.8+4*0.10+0.1 = 0.03249 кмоль/с
n(C) = 0.03254-0.03249=0.5 кмоль/с
м(C) = 0.5*12=0.6 кг/с
3. Поиск количества Н2. Для опредления потока Н2 необходимо взять
разницу между входящим и выходящим потоками.
м(Н2) = 0.66512-0.65076 = 0.01436 кг/с
n(Н2) = 0.01436/2 = 0.00718 кмоль/с
4. Таблица материального баланса.
┌──────────────────────┬──────────────────────┐
приход расход Сажа в газовой фа-
├──┬────────┬──────────┼──┬────────┬──────────┤а зе не присутствует,
│N │вещество│ м [кг/с] │N │вещество│ м [кг/с] так что ва дальней-
├──┼────────┼──────────┼──┼────────┼──────────┤а ших расчетах ее не
│1 │ СН4 │ 0.0028 │1 │ СН4 │ 0.0544 учитываем.
│2 │ СН6 │ 0.414 │2 │ СН4 │ 0.2352 │
│3 │ СН6 │ 0.03276а │3 │ СН6 │ 0.138 │
│4 │ СН8 │ 0.0352 │4 │ СН6 │ 0.0189 │
│5 │ H2O │ 0.18036а │5 │ СН6 │ 0.01026а │
│ │ │6 │ СН6 │ 0.00624а │
│ │ │7 │ СН10а │ 0.0058 │
│ │ │8 │ СО │ 0.0028 │
│ │ │9 │ НО │ 0.17856а │
│ │10│ Н2 │ 0.01436а │
│ │ │11│ C │ 0.6 │
├──┼────────┼──────────┼──┼────────┼──────────┤
│ итого │ 0.66512а │ итого │ 0.66512а │
└──┴────────┴──────────┴──┴────────┴──────────┘
@3.2 Гидравлический расчет змеевика печи пиролиза этана
│ │
e f
│ │ │ │ │
─┬──d── │ │ │──d─ ┌───────┐ ┌────┐ ┌──────
│ │ │ │ а │ │ │ а │
│ │ │ │ / \а e │ │ │ f
9.5м │ │ │ │ а │ │ │ а │
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │
─┴── │ │ │ │ │ │ │ │ │
\ /а \ / │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ └───────┘ │ │ │ │ │
└──────────────┘ └────┘ └────┘
Pf
п
│-VdP = Ltef+ [(wf)hr align="left" size="1"> 2+(we)hr align="left" size="1"> 2]/2 + g(zf-ze) +а Фef
Pe
0.0325 - принятый коэффициент трения
dвн - диаметр трубопровода = 86 мм
L - длина змеевика (70-78) м
p - плотность потока
s - площадь сечения трубы
По формуле Вейсбаха
Рf-Pe = [0.0325*L*pwhr align="left" size="1"> 2]/(2dэ)
dэ = 4*S/П = dвн
Р*Vhr align="left" size="1"> n = Р1*V1hr align="left" size="1"> n
n = ln[Pe/Pf]/ln[pe/pf]
m = pe*we*se = pf*wf*sf
sf = se = 3.1416*dвнhr align="left" size="1"> 2/4 = 3.1416*0.086**2/4=0.005809 мд
В интегральной форме баланс механической энергии выглядит так:
[1] n *[(Pe/pe)-(Pf/pf)] = [1](wf)2 [1]-(we)2 + Фef газы идеальные
n-1 2 рe = Pe/ReTe
рf = Pf/RfTf
n = ln[Pe/Pf]/ln[pe/pf] R = 8314/M
Фef = [0.0325*l/dвн]*whr align="left" size="1"> 2/2
Принимаем, что параметры меняются линейно вдоль длины трубы
(р = (pe+pf)/2 w = (we+wf)/2)
Расчет молярных масс потоков
Ме = сумма[MiYi] Mf = cумма[MjYj]
┌────────┬─────────┬──────────┬────┬──────────┬──────────┐
│Вещество ni │ Yi │ Mi │ Mi*Yi Ri │
├────────┼─────────┼──────────┼────┼──────────┼──────────┤
│СН4 │ 0.10 │ 0.003922 │ 28 │ 0.109816 │ 296.9286 │
│СН6 │ 0.01380 │ 0.541176 │ 30 │16.235280 │ 277.1 │
│СН6 │ 0.78 │ 0.030588 │ 42 │ 1.284696 │ 197.9524 │
│СН8 │ 0.80 │ 0.031373 │ 44 │ 1.380412 │ 188.9545 │
│H2O │ 0.01002 │ 0.392941 │ 18 │ 7.072938 │ 461.9 │
│ │ │ │ │ │ │
│итого │ 0.02550 │ 1. │ │ │ │
│ │ │ │ Me │ Re │
│поток е │ │ │ 26.0832 │ 318.7492 │
└────────┴─────────┴──────────┴────┴──────────┴──────────┘
┌────────┬─────────┬──────────┬────┬──────────┬──────────┬────────┐
│Вещество│ ni │ Yi │ Mi │ Mi*Yi │ Ri │ pj │
├────────┼─────────┼──────────┼────┼──────────┼──────────┼────────┤
│СН4 │ 0.00340 │ 0.098780 │ 16 │ 1.580480 │ 519.6250 │ 0.6068 │
│СН4 │ 0.00840 │ 0.244044 │ 28 │ 6.833232 │ 296.9286 │ 1.0619 │
│СН6 │ 0.00460 │ 0.133643 │ 30 │ 4.009290 │ 277.1 │ 1.1378 │
│СН6 │ 0.45 │ 0.013074 │ 42 │ 0.549108 │ 197.9524 │ 1.5929 │
│СН6 │ 0.19 │ 0.005520 │ 54 │ 0.298080 │ 153.9630 │ 2.0480 │
│СН6 │ 0.8 │ 0.002324 │ 78 │ 0.181272 │ 106.5897 │ 2.9582 │
│СН10 │ 0.10 │ 0.002905 │ 58 │ 0.168490 │ 143.3448 │ 2.1997 │
│СО │ 0.10 │ 0.002905 │ 28 │ 0.081340 │ 296.9286 │ 1.0619 │
│НО │ 0.00992 │ 0.288205 │ 18 │ 5.187690 │ 461.9 │ 0.6827 │
│Н2 │ 0.00718 │ 0.208600 2 │ 0.417200 │4157. │ 0.0759 │
│ │ │ │ │ │ │ │
│итого │ 0.03442 │ 1. │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ Mf │ Rf │pf кг/мhr align="left" size="1"> 3│
│поток f │ │ │ │ 19.30618 │ 430.6393 │ 0.7322 │
└────────┴─────────┴──────────┴────┴──────────┴──────────┴────────┘
Из баланса механической энергии получили значения:
wf = m/sf/pf = 0.66512/(0.005809*0.7322) = 156.388 м/с
we = 58.033 м/с
pf = 0.7322 кг/мhr align="left" size="1"> 3
ре = 1.973 кг/мhr align="left" size="1"> 3
Ре = 5.66 бар
Lef = m((wf)hr align="left" size="1"> 2-(we)hr align="left" size="1"> 2)/2=0.66512*(156.388**2-58.618**2)/2=7029.45 Вт
@3.3 Определение тепловой нагрузки участка e-f
n*I = n*(Н'298 + a*(T-To) + 0.5*b*(T+To)*(T-To))
Вход:
T+To = 900+298 = 1198 K T-To = 900-298 = 602 K
┌────────┬─────┬───────┬──────┬─────────┬───────┬───────┬──────────┐
│Вещество aа а в │Срh │Cph(T-To)а n │ dH298 │I Дж/кма │
├────────┼─────┼───────┼──────┼─────────┼───────┼───────┼──────────┤
│СН4 │11.32│0.12201│ 84.40│ 50808.84│0.10│ 523│ 573808.84│
│СН6 │ 5.75│0.17511│110.64│ 05.28│0.01380│ -84670│ -18064.72│
│СН6 │12.44│0.18838│125.28│ 75418.56│0.78 20410 95828.56│
│СН8 │ 1.72│0.27075│163.90│ 98667.89│0.80│-103850 -5182.11│
│H2Oг │30.00│0.01071│ 36.42│ 21924.84│0.01002│-241810│-219885.16│
└────────┴─────┴───────┴──────┴─────────┴───────┴───────┴──────────┘
Сумма n*I = -2324.58 Вт
Выход:
T+To = 0+298 = 1408 K T-To = 0-298 = 812 K
┌──────┬──────┬───────┬──────┬─────────┬───────┬───────┬───────────┐
│В-во a а в │Срh │Cph(T-To)а n │ dH298 │I Дж/кмоль│
├──────┼──────┼───────┼──────┼─────────┼───────┼───────┼───────────┤
│СН4 │ 14.32│0.07466│ 66.88│ 54306.56│0.00340│ -74850│ -20543.44 │
│СН4а │ 11.32│0.12201│ 97.22│ 78942.64│0.00840 52300│ 131242.64 │
│СН6а 5.75│0.17511│129.03│104772.36│0.00460│ -84670 20102.36 │
│СН6а │ 12.44│0.18838│145.06│117788.72│0.45 20410│ 138198.72 │
│СН6а 8.08│0.27322│200.43│162749.16│0.19│ 110160│ 272909.16 │
│СН6а │-21.09│0.40012│260.59│211599.08│0.8 82930│ 294529.08 │
│СН10 │ 18.23│0.30356│231.94│188335.28│0.10│-126150 62185.28 │
│СО │ 28.41│0.00410│ 31.30│ 25415.60│0.10│-110530│ -85114.40 │
│НО │ 30.00│0.01071│ 37.54│ 30482.48│0.00992│-241810│-211327.52 │
│Н2 │ 27.28│0.00326│ 29.58│ 24018.96│0.00718│ 0 24018.96 │
└──────┴──────┴───────┴──────┴─────────┴───────┴───────┴───────────┘
Сумма n*I = -663.54 Вт
Qef = -663.54-(-2324.58) = 1661.04 Вт
Qef = Qef + Lef = 1661.04+7.03 = 1668 Вт (с четом мех. работы)
@3.4 Эксергетический КПД процесса пиролиза.
сумма(ni*Exi) + Ех(Qef) + L(t)ef = сумма(nj*Exj) + Def
Ех(Qef) = Qef*(1-Toc/Tcp)= 1668*(1-298.15/1001.34)=1167.6 Вт
Tcp = (Tf-Te)/ln(Tf/Te) = (0-900)/ln(0/900)=1001.34 K
КПД = [сумма(nj*Exj) - сумма(ni*Exi)]/Ех(Qef)
Вход
Ex = Ex'298 + Cph(T-To) - Toc*Cps*ln(T/To) + Toc*R*ln(P/Po)
To = 29К
T = Tе = 90К
Срh = a + 0.5b * (T+To)
Cps = a + b * [(T-To)/ln(T/To)]
T+To = 298+900 = 1198 K
T-To = 900-298 = 602 К
(T-To)/ln(T/To) = (900-298)/(ln(900/298)) = 544.65 K
Toc*ln(T/To) = 298*ln(900/298) = 329.38 K
┌────────┬─────┬───────┬───────┬───────┬────────────┬──────────────┐
│Вещество aа а в │Срh │Cps │Cph(T-To) │TocCpsln(T/To)│
├────────┼─────┼───────┼───────┼───────┼────────────┼──────────────┤
│СН4 │11.32│0.12201│ 84.40 │ 77.77 │ 50808.84 25615.88 │
│СН6 │ 5.75│0.17511│110.64 │101.12 │ 05.28 06.91 │
│СН6 │12.44│0.18838│125.28 │115.04 │ 75418.56 37891.88 │
│СН8 │ 1.72│0.27075│163.90 │149.18 │ 98667.89 49136.91 │
│H2Oг │30.00│0.01071│ 36.42 │ 35.83 │ 21924.84 11801.69 │
└────────┴─────┴───────┴───────┴───────┴────────────┴──────────────┘
┌────────┬────────────┬────────┬────────┬─────────────┬────────────┐
│Вещество│Ех
'KДж/кмоль n(i)а Y(i)а │ln[PYi]*Toc*R│Ex KДж/кмоль│
├────────┼────────────┼────────┼────────┼─────────────┼────────────┤
│СН4 136 │0.10 │0.003922 -9421.26 │ 1375771.70 │
│СН6 1494 │0.01380 │0.541176а 2792.28 │ 1530090.65 │
│СН6 2001 │0.78 │0.030588 -4329.70 │ 2034196.98 │
│СН8 215 │0.80 │0.031373 -4266.90 │ 2195264.08 │
│H2Oг │ 8600 │0.01002 │0.392941а 1998.85 а 20722.00 │
│ │ │ │ │ │
│итого │ │0.02550 │1.│ │ │
└────────┴────────────┴────────┴────────┴─────────────┴────────────┘
Значит oбщая эксергия входа = сумма[n(i)*Ex(i)] = 24803.34 Вт
Выход
Ex = Ex'298 + Cph(T-To) - Toc*Cps*ln(T/To) + Toc*R*ln(P/Po)
To = 29К
T = Tf = К
Срh = a + 0.5b * (T+To)
Cps = a + b * [(T-To)/ln(T/To)]
T+To = 298+0 = 1408 K
T-To = 0-298 = 812 К
(T-To)/ln(T/To) = (0-298)/(ln(0/298)) = 619.85 K
Toc*ln(T/To) = 298*ln(0/298) = 390.38 K
┌────────┬──────┬───────┬──────┬───────┬────────────┬──────────────┐
│Вещество a а в │Срh │Cps │Cph(T-To) │TocCpsln(T/To)│
├────────┼──────┼───────┼──────┼───────┼────────────┼──────────────┤
│СН4 │ 14.32│0.07466│ 66.88│ 60.60 54306.56а а 23657.03 │
│СН4 │ 11.32│0.12201│ 97.22│ 86.95 78942.64а а 33943.54 │
│СН6 5.75│0.17511│129.03│114.29 │ 104772.36а а 44616.53 │
│СН6 │ 12.44│0.18838│145.06│129.21 │ 117788.72а 50441.00 │
│СН6 8.08│0.27322│200.43│177.44 │ 162749.16а 69269.03 │
│СН6 │-21.09│0.40012│260.59│226.92 │ 211599.08а 88585.03 │
│СН10 │ 18.23│0.30356│231.94│206.39 │ 188335.28а 80570.53 │
│СО │ 28.41│0.00410│ 31.30│ 30.95 25415.60а а 12082.26 │
│НО │ 30.00│0.01071│ 37.54│ 36.64 30482.48а а 14303.52 │
│Н2 │ 27.28│0.00326│ 29.58│ 29.30 24018.96а а 11438.13 │
└────────┴──────┴───────┴──────┴───────┴────────────┴──────────────┘
┌────────┬────────────┬────────┬────────┬─────────────┬────────────┐
│Вещество│Ех
'KДж/кмоль n(i)а Y(i)а │ln[pYi]*Toc*R│Ex KДж/кмоль│
├────────┼────────────┼────────┼────────┼─────────────┼────────────┤
│СН4 а 83 │0.00340 │0.009878 -2632.75 858016.78 │
│СН4 136 │0.00840 │0.024404а -390.77 │ 1404608.33 │
│СН6 1494 │0.00460 │0.013364 -1883.46 │ 1552272.37 │
│СН6 2001 │0.45 │0.001307 -7645.59 │ 2060702.13 │
│СН6 25 │0.19 │0.552 -9782.94 │ 2583697.19 │
│СН6 3432 │0.8 │0.232│ -11927.34 │ 3543086.71 │
│СН10 2803 │0.10 │0.291│ -11374.33 │ 2899390.42 │
│СО а 275400 │0.10 │0.291│ -11374.33 277359.01 │
│НО │ 8600 │0.00992 │0.028820│ 21.51 а 24800.47 │
│Н2 а 235 │0.00718 │0.020860а -779.77 246801.06 │
│итого │ │0.03442 │1.│ │ │
└────────┴────────────┴────────┴────────┴─────────────┴────────────┘
Значит oбщая эксергия выхода = сумма[n(j)*Ex(j)] = 25893.81 Вт
КПД(Ех) = [сумма(ni*Exi) - сумма(ni*Exi)]/Ех(Qef)
КПД(Ех) = (25893.81-24803.34)/1167.6 = 0.934
Def = сумма(ni*Exi)-сумма(nj*Exj)+Ех(Qef)+Lef
Def = 24803.34-25893.81+1167.6+7.03=84.16 Вт
@3.5 Энтропийный баланс процесса пиролиза
сумма(nj*Sj) - сумма(ni*Si) = Qef/Tcp + Sнеобр
S = S298 + Cps*ln(T/To) - R*ln(P/Po)
Qef = 1668 Вт Tcp = 1001.34 K
Вход
ln(T/To) = ln(900/298) = 1.105
R*ln(P/Po) = 8.314*ln(5.66/1) = 14.41 Дж/Кмоль
┌────────┬─────┬───────┬───────┬───────┬─────────┬───────┬─────────┐
│Вещество aа а в а n │Cps │Cp*lnT/Toа S S*n │
├────────┼─────┼───────┼───────┼───────┼─────────┼───────┼─────────┤
│СН4 │11.32│0.12201│0.10│ 77.77 85.94а │ 290.98│ 0.02910 │
│СН6 │ 5.75│0.17511│0.01380│101.12 │ .74а │ 326.82│ 4.51012 │
│СН6 │12.44│0.18838│0.78│115.04 │ 127.12а │ 379.65│ 0.29613 │
│СН8 │ 1.72│0.27075│0.80│149.18 │ 164.85а │ 420.35│ 0.33628 │
│H2Oг │30.00│0.01071│0.01002│ 35.83 39.59а │ 213.90│ 2.14328 │
│сумм │ │ │ │ │ │ │ 7.31491 │
└────────┴─────┴───────┴───────┴───────┴─────────┴───────┴─────────┘
Выход
ln(T/To) = ln(0/298) = 1.315
R*ln(P/Po) = 8.314*ln(3.5/1) = 10.416 Дж/Кмоль*К
┌────────┬──────┬───────┬───────┬───────┬────────┬───────┬─────────┐
│Вещество a а в n(i) │Cps │CplnT/Toа S S*n │
├────────┼──────┼───────┼───────┼───────┼────────┼───────┼─────────┤
│СН4 │ 14.32│0.07466│0.00340│ 60.60 79.69 │ 255.54│ 0.86884 │
│СН4 │ 11.32│0.12201│0.00840│ 86.95 │ 114.34 │ 323.37│ 2.71631 │
│СН6 5.75│0.17511│0.00460│114.29 │ 150.29 │ 369.36│ 1.69906 │
│СН6 │ 12.44│0.18838│0.45│129.21 │ 169.91 │ 426.43│ 0.19189 │
│СН6 8.08│0.27322│0.19│177.44 │ 233.33 │ 501.65│ 0.09531 │
│СН6 │-21.09│0.40012│0.8│226.92 │ 298.46 │ 557.24│ 0.04458 │
│СН10 │ 18.23│0.30356│0.10│206.39 │ 271.47 │ 571.17│ 0.05712 │
│СО │ 28.41│0.00410│0.10│ 30.95 40.73 │ 227.86│ 0.02279 │
│НО │ 30.00│0.01071│0.00992│ 36.64 48.18 │ 226.48│ 2.24668 │
│Н2 │ 27.28│0.00326│0.00718│ 29.30 38.53 │ 158.63│ 1.13896 │
│сумм │ │ │ │ │ │ │ 9.08167 │
└────────┴──────┴───────┴───────┴───────┴────────┴───────┴─────────┘
Sнеобр = сумма(nj*Sj) - сумма(ni*Si) - Qef/Tcp
Sнеобр = 9.08167-7.31491-1668/1001.34 = 0.10086 Дж/(Кмоль*К)
Def = Toc*Sнеобр = 298*0.10086=30.05628
B4 Горение.
Расчет ведется на 1 кмоль/с топлива
@4.1 Материальный баланс
таблиц Шаболинское месторождение. Состав газа.
┌─────┬─────┬─────┬─────┬─────┬─────┬─────┬─────┬────────┬────────┐
│СН4а │СН4 │СН8 │СН10│СН12│ Н2а │ N2а │СО2а │р[кг/мhr align="left" size="1"> 3]│Q Дж/м3│
├─────┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────┼────────┼────────┤
│89.67│ 5.2 │1.70 │0.50 │0.10 │0.03 │ 2.7 │ 0.1 │ 0.799а 37.4а │
└─────┴─────┴─────┴─────┴─────┴─────┴─────┴─────┴────────┴────────┘
Коэффициент избытка воздуха 1.03
Уравнение сгорания топлива без чета диссоциации
0.896СН4 + 0.05СН4 + 0.01СН8 + 0.00СН10 + 0.00СН12 +
0.Н2 + 8.0685N2 + 0.00СО2 + 2.1387O2 = 1.СО2 + 1.НО
+ 0.062О2 + 8.0685N2
расчет стехиометрических коэффициентов в уравнении
n(СО2) = 0.8967+2*0.052+3*0.017+0.02+0.005+0.001 = 1.0
n(H2O) = (0.8967*2+2*0.052+0.017*4+0.005*5+0.001*6+0.003)= 1.4
n(O2)а = 1.03*(1.0-0.001+1.4/2) =2.1387
n(N2)а = 3.76*2.1387+0.027 = 8.0685
Уравнение сгорания топлива с четом диссоцциации выглядита следую-
щим образом.
СО2 = СО + 0.О2 НО = ОН + 0.Н2 х - Степень превращения СО2
1-х х 0.5х 1-у у 0.5у у - Степень превращения НО
0.896СН4 + 0.05СН4 + 0.01СН8 + 0.00СН10 + 0.00СН12 +
+0.Н2 + 8.0685N2 + 0.00СО2 + 2.138О2 = 1.0(1-х)СО2 +
+1.0(х)СО + 0.5389(х)О2 + 1.4(1-у)НО + 1.4(у)ОН +
+0.7(у)Н2 + 0.062О2 + 8.0685N2
Определение мольных долей СО2 и НО
сумма долей = 1.0+1.4+0.0623+8.0685=11.2079
Y(СО2) = 1.0/11.2079=0.09615а Р(СО2)=10Па*0.09622=9.615 Па
Y(НО) = 1.9967/11.2079=0.17815 Р(НО)=10КПА*0.17828=17.815 КПА
@4.2 Энтальпийный баланс. Определение Тад.
Q = энтальпия выходного потока - энтальпия входного потока
(при отсутствии работы на валу технического стройства )
При определении Тада Q = 0
Из графической интерполяции данных таблиц 2 и 3а получили зависи-
мость степеней превращения СО2 и НО от температуры (см. таблицу)
┌────┬──────────────────┬───────────────────┐
│Т[К]│Х(Р(СО2)=9.61Па)│У(Р(НО)=17.81КПА)│ В результате обработ-
├────┼──────────────────┼───────────────────┤ ки этих данныха мето-
│1873│ 0.0151 │ 0.0052 │ дом МНК получили фор-
│2073│ 0.046 │ 0.0147 │ мульные зависимости
│2173│ 0.077 │ 0.0243 │ степеней превращения
│2273│ 0.126 │ 0.0351 │ от температуры:
│2373│ 0.184 │ 0.0528 │
└────┴──────────────────┴───────────────────┘
x(Т) = 2.42377-2.5791*10hr align="left" size="1"> -3*Т+6.9086*10hr align="left" size="1"> -7*Тhr align="left" size="1"> 2
y(Т) = 0.03511+3.06377*10hr align="left" size="1"> -5*Т-7.31057*10hr align="left" size="1"> -9*Тhr align="left" size="1"> 2-4.0*10hr align="left" size="1"> -11*Тhr align="left" size="1"> 3+
+1.667*10hr align="left" size="1"> -14*Тhr align="left" size="1"> 4
Определение энтальпии входного потока на один кмоль топлива
Т=То=298.1К
0.8967*I(СН4)+0.052*I(СН4)+0.017*I(СН8)+0.005*I(СН10)+0.001*
*I(СН12)+0.3*I(Н2)+8.0685*I(N2)+0.001*I(СО2)+2.1387*I(О2)=
0.8967*-74.85+0.052*52.30+0.017*-103.85+0.005*-126.15+0.001*-173.1+
+0.3*0+8.0685*0+0.001*-393.51+2.1387*0 = -67.3612 Дж/кмоль
Определение энтальпии выходного потока на один кмоль топлива
Т=Тад=? x(T),y(T) см. выше
1.0(1-х)*I(СО2) + 1.0(х)*I(СО) + 0.53890(х)*I(О2) +
1.4(1-у)*I(НО) + 1.4(у)*I(ОН) + 0.7(у)*I(Н2) +
0.0623*I(О2) + 8.0685*I(N2) =а сумма nj*Ij
I(СО2) = -393510+(44.14+0.5*0.00904*(T+298))*(T-298) Дж/кмоль
I(СО)а = -110530+(28.41+0.5*0.00410*(T+298))*(T-298) Дж/кмоль
I(НО) = -241810+(30.00+0.5*0.01071*(T+298))*(T-298) Кдж/кмоль
I(ОН)а = 42100+(29.00+0.5*0.00400*(T+298))*(T-298) Кдж/кмоль
I(Н2)а = 0+(27.28+0.5*0.00326*(T+298))*(T-298) Кдж/кмоль
I(О2)а = 0+(31.66+0.5*0.00339*(T+298))*(T-298) Кдж/кмоль
I(N2)а = 0+(27.28+0.5*0.00427*(T+298))*(T-298) Кдж/кмоль
Получаем уравнение вида сумма(nj*Ij)-сумма(ni*Ii)=F(T) решая кото-
рую получаем Тад = 0 К
@4.3 Эксергетический баланс
Расчет ведем на один кмоль/с топлива.
0.8967*Ex(СН4) + 0.052*Ex(СН4) + 0.017*Ex(СН8) + 0.005*Ex(СН10)+
+ 0.001 *Ex(СН12) + 0.3*Ex(Н2) + 8.0685*Ex(N2) + 0.001*Ex(СО2)+
+ 2.1387*Ex(О2) = 1.0(1-х)*Ex(СО2) + 1.0(х)*Ex(СО) +
+ 0.5389(х)*Ex(О2) + 1.4(1-у)*Ex(НО) + 1.4(у)*Ex(ОН) +
+ 0.7(у)*Ex(Н2) + 0.0623*Ex(О2) + 8.0685*Ex(N2) + dEx
Ex = Ex'298 + Cph(T-To) - Toc*Cps*ln(T/To) + Toc*R*ln(P/Po)
Вход
Так как газы входят при нормальных словиях и 298'15 К то вклада в
эксергию компонентов вносят лишь нулевая химическая эксергия и эк-
сергия смешения:
Ex(вход) = Ex'298 + Toc*R*ln(P/Po) Р/Ро = Y Y = n(i)/сумме n(i)
Toc*R = 298.15*8.314=2478.8191 Дж/кмоль
┌────────┬────────────┬────────┬────────┬─────────────┬────────────┐
│Вещество│Ехhr align="left" size="1"> 'KДж/кмоль n(i)а Y(i)а │ln[Yi]*Toc*R │Ex KДж/кмоль│
├────────┼────────────┼────────┼────────┼─────────────┼────────────┤
│СН4 │ 83а │ 0.8967 │0.080204а -6254.5 а 823745.5 │
│СН4 а 136а │ 0.052а │0.004651 -13312.9 1346687.1 │
│СН8 а 215а │ 0.017а │0.001521 -16083.5 2133916.5 │
│СН10 а 2803а │ 0.005а │0.447 -19119.0 2783881.0 │
│СН12 а 3455а │ 0.001а │0.89 -23119.6 3431880.4 │
│Н2 │ 235а │ 0.3 │0.27 -26076.4 а 208923.6 │
│CО2 │ 20100а │ 0.001а │0.89 -23119.6 │ -3019.6 │
│О2 │ 3950а │ 2.1387 │0.191294а -4099.8 │ -149.8 │
│N2 │ 700а │ 8.0685 │0.721678│ -808.5 │ -108.5 │
│ │ │ │ │ │ │
│итого │ │ 11.1802│1.│ │ │
│ │ │ │ │ │ │
│топливо │ │ 0.973а │ │ │ │
└────────┴────────────┴────────┴────────┴─────────────┴────────────┘
Значит oбщая эксергия входа=сумма[n(i)*Ex(i)] = 861172.033 Вт/кмоль
Выход
Ex = Ex'298 + Cph(T-To) - Toc*Cps*ln(T/To) + Toc*R*ln(P/Po)
To = 29К
T = Tад = К
Срh = a + 0.5b * (T+To)
Cps = a + b * [(T-To)/ln(T/To)]
T+To = 298+0=2518K
T-To = 0-298=192К
(T-To)/ln(T/To) = (0-298)/(ln(0/298)) = 957.091 К
Toc*ln(T/To) = 298*ln(0/298) = 598.44 К
x(Т) = 0.1031а y(Т) = 0.0283
┌────────┬─────┬───────┬───────┬───────┬────────────┬──────────────┐
│Вещество aа а в │Срh │Cps │Cph(T-To) │TocCpsln(T/To)│
├────────┼─────┼───────┼───────┼───────┼────────────┼──────────────┤
│СО │28.41│0.00410│33.3997│32.2361│ 64194.2234 19291.3717а │
│СО2 │44.14│0.00904│55.1417│52.5760│105982.3474 31463.5814а │
│Н2 │27.28│0.00326│31.2474│30.3│ 60057.5028 18146.0174а │
│N2 │27.28│0.00427│32.4766│31.2647│ 62420.0252 18710.0471а │
│O2 │31.46│0.00339│35.5856│34.6235│ 68395.5232 20720.0873а │
│H2Oг │30.00│0.01071│43.0341│39.9944│ 82711.5402 23934.2487а │
│OH │29 │0.00400│33.8680│32.7327│ 65094.2960 19588.5570а │
└────────┴─────┴───────┴───────┴───────┴────────────┴──────────────┘
Мольные доли компонентов находим, из стехиометрических коэффициентов
подставляя значения х(Т),у(Т) для веществ, подвергшихся диссоциации.
┌────────┬────────────┬────────┬────────┬─────────────┬────────────┐
│Вещество│Ехhr align="left" size="1"> 'KДж/кмоль n(i)а Y(i)а │ln[Yi]*Toc*R │Ex KДж/кмоль│
├────────┼────────────┼────────┼────────┼─────────────┼────────────┤
│СО а 275400 │ 0. │0.009891│ -10057.7122 │ 310245.1395│
│СО2 │ 20100а а│ 0.9033 │0.080421 -5491.6787 89127.0873│
│Н2 а 235 │ 0.0283 │0.002520│ -13036.9554 │ 263874.5300│
│N2 │ 700 │ 8.0685 │0.718343а -720.7708 43689.2073│
│O2 │ 3950 │ 0.1215 │0.010817 -9862.7214 41762.7145│
│H2Oг │ 8600 │ 1.9428 │0.172969 -3823.0497 63554.2418│
│OH а 157 │ 0.0566 │0.005039│ -11527.1476 │ 190978.5914│
│ │ │ │ │ │
│итого │ │ 11.2321│1.│ │ │
└────────┴────────────┴────────┴────────┴─────────────┴────────────┘
Значит oбщая эксергия выхода=сумма[n(j)*Ex(j)]=614307.4904 Вт/кмоль
dEx =Ex(вход)-Ex(выход)=861172.033-614307.4904=246864.5426 Вт/кмоль
КПД(Ех) = Ex(выход)/Ex(вход) = 614307.4904/861172.033 = 0.7133
B5 Термодинамический анализ химического реактора.
@ 5.1 Энергетический баланс
Qp = nв*q(н) + nв*Cp(в)*(T1-To) + nl*Cp(l)*(T1-To)
Т1 = То = 298 К
Т2 = Тперегиба = 1271 К по данным работы печи.
Р1 = Р2 = Ро = 1 бар
Q(потерь) = 0.08*Qef
nj - стехометрические коэффициенты в уравнении сгорания топлива для
выхлопных газов.
Qp = Qef + 0.08*Qef + nв*сумма(nj*Cр{2})*(T2-To)
nв = 1.08*Qef/(q(н)-сумма(nj)*сумма(Yj*Cp(j))*(T2-To)
T+To = 298+1271 = 1569 K
T-To = 1271-298 = 973 К
(T-To)/ln(T/To) = (973)/(ln(1271/298)) = 671 K
Toc*ln(T/To) = 298*ln(1271/298) = 432.1 K
Для выхлопных газов без чета диссоциации можно записать
┌────────┬─────┬───────┬───────┬───────┬────────────┬──────────────┐
│Вещество aа в │Срh │Cps │Cph(T-To) │TocCpsln(T/To)│
├────────┼─────┼───────┼───────┼───────┼────────────┼──────────────┤
│СО2 │44.14│0.00904│ 51.36 │ 50.30 49973.28а а 21734.63 │
│N2 а│27.28│0.00427│ 30.69 │ 30.19 29861.37а а 13045.10 │
│O2 │31.46│0.00339│ 34.17 │ 33.77 33247.41а а 14592.02 │
│H2Oг │30.00│0.01071│ 38.56 │ 37.39 37518.88а а 16156.22 │
└────────┴─────┴───────┴───────┴───────┴────────────┴──────────────┘
┌────────┬────────────┬────────┬────────┬─────────────┬────────────┐
│Вещество│Ехhr align="left" size="1"> 'KДж/кмоль n(i)а Y(i)а │ln[Yi]*Toc*R │Ex KДж/кмоль│
├────────┼────────────┼────────┼────────┼─────────────┼────────────┤
│СО2 │ 20100а а│ 1.0 │0.096155 -5804.88 42533.77а │
│N2 │ 700 │ 8.0685 │0.719894а -814.67 16701.60а │
│O2 │ 3950 │ 0.0623 │0.009│ -12870.86 9734.53а │
│H2Oг │ 8600 │ 1.4 │0.178392 -4272.92 25689.74а │
│ │ │ │ │ │
│итого │ │11.2079 │1.│ │ │
└────────┴────────────┴────────┴────────┴─────────────┴────────────┘
Значит oбщая эксергия выхода = сумма[n(j)*Ex(j)]=232566.03 Вт/кмоль
сумма(nj)*сумма(Yj*Cp(j))*(T2-To) = 11.2079*34.1*973=371870.28 Вт
nв = 1.08*Qef/(q(н)-сумма(nj)*сумма(Yj*Cp(j))*(T2-To)
nв = 1.08*1668/(837760-371870.28)=0.00387 Кмоль/с
@ 5.2 Эксергетический баланс реактора
КПД(Ех) = [1][сумма{f}nj*Exj - сумма{e}ni*Exi]
[сумма{1}Yi*Exi - сумма{2}Yj*Exj]*nв
КПД(Ех)= (25893.81-24803.34)/(0.00388*(861172.03-232566.03))=0.447
B6 Термодинамический анализ процесса теплообмена
КПД(реактора) = КПД(Т/О)*КПД(ад.горения)*КПД(пиролиза)
КПД(Т/О) = КПД(реактора)/(КПД(ад.горения)*КПД(пиролиза))
КПД(Т/О) = 0.447/(0.7133*0.934) = 0.671
@ B7 Разработка энерго-химико-технологической схемы на базе печи
@ Bпиролиза этана.
-l─── ┌───┐ │
┌──┘ └──┐ a-│-a
│ ┌──┼───────────┘ 1
│ \а │ ┌──────────────>─────────────────────────┼─┐
│ /а │ а ┌──────────<─────┐ 1 │
│ \──┼───────────┐ │ │
-y───а │ │ │ с b-│-b │ │
│ ┌──┼───<───┼───│───────────────────┐ │
│ \а │ │ с │ │ │ │
│ /а │ │ к │ │ │ │
│ \──┼───>───┼───│────┐ │ │ │
│ │ а │ к d │ │ │ │ │
-x───а │ ┌──┼─────────┼─┤ │ │ │ │
│ \а │ а d а│ │ │ │
│ /а │ │ │ │ │ ┌<─┐ │ │
│ \а │ │ пара ┌──────┴─┴┐ а │ насос │
│ /а │ │ │сепаратор│ │ ┌─┼─┐ │/│
│ \а │ а │ │ │ │ ^ │ │ │
│ /а │ │ └─┬───────┘ │ │ │ │ ─ ─ ─ ─ ─│ │
│ \а │ │ o─│─o │ └─┬─┘ │ │
┌───────┘ / e└─┼───┼──┐а fа ┌──┴─┐а g а │ турбина\│
│ \─┼┐ а │┌─┼──┼──┤\/\/├──┼─ а │ │
│ ┌──────┐e│ └/\/┘│ f /└──┬─┘а g │ 2─│─2
│ │ ├┐│ │┌┤ ЗИ p─│─p а │теплообменник │
│ │ ├┘│ │└┤ │ а │2'┌────────┐а │
│ │ ├┐│ │┌┤ └─><────>─┘ └┼─┤┌/\/\/\┐├──┘
│ │ ├┘└──────┘└┤ x = 0.98 2'└┼──────┼┘
└────────┴──────┴──────────┘ │ │
┌──────────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┐
│Параметра │ 1 │ 2s │ 2' │ 4 │ o │ p │ f │ g │
├──────────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┤
│Р [бар] │ 120а │ 0.05 │ 0.05 │ 120а │ 120а │ 120а │ 3.5а │ 3.5а │
├──────────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┤
│T [K] │ 813а │ 306а │ 306а │ 468а │ 596а │ 596а │ 0 │ 673а │
├──────────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┤
│h [Дж/кг]│ 3465 │ 2130 │ 137а │ 834а │ 1482 │ 2665 │ │ │
└──────────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┘
@7.1 Энергетический баланс закалочно-испарительного аппарата.
Qfg = сумма[n(j)*I(j)] - сумма[n(j)*I(j)]
Qop = сумма[n(j)*I(j)] - сумма[n(j)*I(j)]
-Qfg = Qop + Qпотерь
Принимаем Qпотерь пренебрежимо малым.
В отсутствии химической реакции Y(j) = Y(i)а n(i) = n(j)
Po = Pp = 120 бар
Pf = Pg = 3.5 бар
To = Tp = 596 K
Tg = 673.15 K
Qfg = (сумма[n(i)*I(j)] - сумма[n(i)*I(i)])
Qop = m(пар)*[h(pх) - h'(o)]
h'(o) = 353.9 ккал/кг = 1481.71 Дж/кг
h" = 642.5 ккал/кг
h(pх) = h"*x + h'(a)*(1-x) = 642.5*0.98+343.9*0.02=636.53 ккал/кг
h(pх) = 636.53 ккал/кг = 2665.02 Дж/кг
из энергетического баланса частка e-f известно
сумма[n(i)*I(i)] = -663.54 Вт
сумма[n(i)*I(j)] = n(j)*[dH298 + Cp(j)*(Tg-To)]
Tg+To = 673+298 = 971 K Tg-To = 673-298 = 375 K
┌──────┬──────┬───────┬──────┬─────────┬───────┬───────┬───────────┐
│В-во a а в │Срh │Cph(T-To)а n │ dH298 │I Дж/кмоль│
├──────┼──────┼───────┼──────┼─────────┼───────┼───────┼───────────┤
│СН4 │ 14.32│0.07466│ 66.88│ 25080.00│0.00340│ -74850│ -49770.00 │
│СН4а │ 11.32│0.12201│ 97.22│ 36457.50│0.00840 52300 88757.50 │
│СН6а 5.75│0.17511│129.03│ 48386.25│0.00460│ -84670│ -36283.75 │
│СН6а │ 12.44│0.18838│145.06│ 54397.50│0.45 20410 74807.50 │
│СН6а 8.08│0.27322│200.43│ 75161.25│0.19│ 110160│ 185321.25 │
│СН6а │-21.09│0.40012│260.59│ 97721.25│0.8 82930│ 180651.25 │
│СН10 │ 18.23│0.30356│231.94│ 86977.50│0.10│-126150│ -39172.50 │
│СО │ 28.41│0.00410│ 31.30│ 11737.50│0.10│-110530│ -98792.50 │
│НО │ 30.00│0.01071│ 37.54│ 14077.50│0.00992│-241810│-227732.50 │
│Н2 │ 27.28│0.00326│ 29.58│ 11092.50│0.00718│ 0 11092.50 │
└──────┴──────┴───────┴──────┴─────────┴───────┴───────┴───────────┘
сумма[n(i)*I(j)] = -1700.52
Qfg = (сумма[n(i)*I(j)]-сумма[n(i)*I(i)])=-1700.52+663.54= -1037 Вт
m(пар) = -Qfg/[h(pх)-h'(o)] = 1037/(2665.02-1481.71) = 0.87636 кг/c
@7.2 Паросиловой цикл Ренкина.
Из-за частично-необратимых процессов в компрессоре и насосе для рас-
чета реальных величин вводим два изоэнтропных КПД
КПД(турб) = 0.92 КПД(насос) = 0.6
[1]7.2.1 Участок 1-2.
) Обратимый dq = 0а бs = 0а dФ = 0
q(1,2s) = h(2s) - h(1) + l(1,2s)
l(1,2s) = h(1) - h(2s) = 3465-2130 = 1335 Дж/кг
б) Необратимый
КПД(турб) = [h(1)-h(2d)]/[h(1)-h(2s)]
h(2d) = h(1)-КПД(турб)*[h(1)-h(2s)] = 3465-0.92*1335 = 2236.8 Дж/кг
[1]7.2.2 Участок 2-2'.
) Обратимый dP = 0а l(1,2s) = 0а l(1,2d) = 0
q(2,2') = h(2') - h(2s) + l(1,2s) = 137-2130 = -1993 Дж/кг
б) Необратимый
q(2,2') = h(2d') - h(2d) + l(1,2d)
h(2') = Cp(H2O)*t = 4.185*32.81 = 137.3 Дж/кг
h(2d') = q(2,2') + h(2d) = -1993+2236.8 = 243.8 Дж/кг
[1]7.2.3 Участок 2'-4.
) Обратимый dq = 0а бs = 0а dФ = 0
q(2',4s) = h(4s) - h(2') + l(2',4s)
l(2',4s) = h(2') - h(4s) = 137.3-834 = -696.7 Дж/кг
б) Необратимый
КПД(насос) = [h(2')-h(4s)]/[h(2d')-h(4d)]
h(4d) = h(2d')-[h(2')-h(4s)]/КПД(насос)=243.8+696.7/0.6=1405 Дж/кг
[1]7.2.4 Участок 4-1.
) Обратимый dP = 0а l(4s,1) = 0а l(4d,1) = 0
q(4s,1) = h(1) - h(4s) + l(4s,1) = 3465-834 = 2631 Дж/кг
б) Необратимый
q(4d,1) = h(1) - h(4d) + l(4d,1) = 3465-1405 = 2060 Дж/кг
[1]7.2.5 Цикл целиком
Lц = m(пар)*lца qц = lц
qц = q(4,1)+q(2,2') = 2631-1993 = 638 Дж/кг
lц = l(1,2)+l(2',4) = 1335-697 = 638 Дж/кг
Lц = 0.87636*638 = 559 Вт
КПД(th) = lц/q(4,1) = 638/2631 = 0.2425
КПД(Ex) = lц/Ex[q(4,1)] = 638/1322 = 0.4826
Ex[q(4,1)] = q(4,1)*(1-Toc/Tcp) = 2631*(1-298/599)=1322 Дж/кг
Tcp = q(4,1)/(S(1)-S(4)) = 2631/(6.65-2.26) = 599 K
S(4) = Cp(H2O)*ln(T(4)/Tr) = 4.184*ln(468/273) = 2.26 Дж/кг*K
B8 Кинетические расчеты
@8.1 Кинетический расчет поверхности радиантной зоны печи.
n(в)*q*КПД(цикла) = Qрад + n(топ.газов)*Ср(топ.газов)*(Т2-Тос)
Qрада = Qр.з = Qлуч + Qконв
Qконв = [2.04*(Т2-О)hr align="left" size="1"> 0.25]*Fтруб*(Т2-О)
О = (Те+Тf)/2 + (30 б 40) = (900+0)/2 + (30б40)
Qлуча = Cs*Hs*[(T2/100)hr align="left" size="1"> 4 - (O/100)hr align="left" size="1"> 4] Cs = 5.66 Вт/мдКhr align="left" size="1"> 4
Т2 = 1271 К
Нл = К*Нпл = К*[S(n-1)+dн]*lпол
Hshr align="left" size="1"> - эквивалентая поверность абсолютно черного тела
s - шаг между центрами труб = 2*dн
K - коэф. формы
n - число труб
dн - 102 мм
lпол - полезная длина змеевика = 9.5 м
К = 2*(0.65+0.21) = 1.72 для двух рядов горелок и двух рядов труб
┌─────┐ b = 2+S*sqrt(3)/2 = 2+2*0.102*sqrt(3)/2 = 2.177 м
/│ /│ lг = 10 м
/а /а │ h h = (n-1)*S+0.5s+2*dн = 32*2*0.102+3*0.102=6.834м
┌─────┐ │ n = n(общ)/2 = F/(3.14*dн*lг*2)
└─│───┘ n = 206/(3.14*0.102*10*2) = 33 трубы
/а /
│/ │/а lг Fсум = b*lг+2*lг*h+2*b*h
└─────┘ Fсум = 2.177*10+2*10*6.834+2*2.177*6.834=188.2 мд
hr align="left" size="1"> аb Hл = 1.72*(2*0.102*32+0.102)*9.5 = 108.33 мд
Fнеэкр = Fсум - Hл = 188.2-108.33 = 79.87 мд
Hs = Ev/Ф(т)*[Hл*Eh + в*Ef*Fнеэкр]
Ф(т) = 0.85
Eh = Ef = 0.9
a = 1.03
Ev = 2/(1+2.15*1.03) = 1-exp(-0.96/a) = 0.61
p = Hл/(Hл+Fнеэкр) = Hл/Fсум = 79.87/188.2 = 0.424
в = 1/[1+Ev/(1-Ev)*1/(Eh*p)] = 1/(1+0.61/(0.39*0.9*0.424)) = 0.196
Hs = 0.61/0.85*(108.33*0.9+0.196*0.9*79.87) = 80 мд
О = (900+0)/2+40 = 1045 К
Qконв = 2.04*(1271-1045)**0.25*206*(1271-1045)=368500 Вт
Qлуча = 5.66*80*(12.71**4-10.45**4) = 6416769 Вт
Qрада = Qконв + Qлуч = 372.7+6416.8 = 6789.5 Вт
4*Qef = 1668*4 = 6672 Вт < 6789.5 Вт
@8.2 Расчет конвекционной зоны печи пиролиза
[1]8.2.1 Определение промежуточных температур в конвекционной зоне
Ta = 378 K = 105 C
Tb = Td = 463 K = 190 C
Tc = 468 K = 195 C
Tk = 596 K = 323 C
Tl = 523 К = 250 С
) часток l-y
Qab = сумма[n(j)*I(j)] - сумма[n(i)*I(i)] + Lab
Qyl = сумма[n(j)*I(j)] - сумма[n(i)*I(i)] + Lyl
Qab = - Qyl
Но на частке аb нет химической реакции n(i) = n(j)
h = Cp(T-To)
┌────────┬─────┬───────┬───────┬────────┬────────┬─────────┐
│Вещество aа в а n │ h(a) │ h(b) │h(b)-h(a)│
├────────┼─────┼───────┼───────┼────────┼────────┼─────────┤
│СН4 │11.32│0.12201│0.10│ 6832.72│11260.24│ 4427.52 │
│СН6 │ 5.75│0.17511│0.01380│ 8441.83│14113.97│ 5672.14 │
│СН6 │12.44│0.18838│0.78│ 9894.62│16403.13│ 6508.51 │
│СН8 │ 1.72│0.27075│0.80│12120.36│20424.37│ 8304.01 │
│ а │ │ │ │ │ │ │
│ а │5.915│0.18038│0.01548│8694.75 │14537.00│ 5842.25 │
└────────┴─────┴───────┴───────┴────────┴────────┴─────────┘
Qab = сумма[n(i)*dh(i)] = 90.44 Вт
Для выхлопных газов без чета диссоциации можно записать
┌────────┬─────┬───────┬───────┬────────┬────────┬──────────────┐
│Вещество aа в │Срh (l) n(i)а Y(i)а │h(l) Дж/кмоль│
├────────┼─────┼───────┼───────┼────────┼────────┼──────────────┤
│СО2 hr align="left" size="1"> а│44.14│0.00904│ 47.85 │ 1.0 │0.096155 10766.25 │
│N2 hr align="left" size="1"> а│27.28│0.00427│ 29.03 │ 8.0685 │0.719894а 6531.75 │
│O2 hr align="left" size="1"> а│31.46│0.00339│ 32.85 │ 0.0623 │0.009а 7391.25 │
│H2Oг hr align="left" size="1"> а│30.00│0.01071│ 34.39 │ 1.4 │0.178392а 7737.75 │
│ hr align="left" size="1"> а│ │ │ │ │ │ │
│ │29.40│0.00587│ 31.82 │11.2079 │1. 7158.84 │
└────────┴─────┴───────┴───────┴────────┴────────┴──────────────┘
M(газов) = 27.78 кг/кмоль
Cp(газов) = сумма[Y(i)*Cp(i)] = 34.1 Дж/Кмоль
сумма(nj)*сумма(Yj*Cp(j))*(T2-To) = 11.2079*34.1*973=371870.28 Вт
Qab = n(газов)*[h(y)-h(l)] = n(газов)*Cp(газов)*[Ty-Tl]
Qпар = m(пар)*(h(1)-h(px))а = 0.87636*(3465-2665) = 701 Вт
n(в) = [1.08*(Qef+Qпар)]/[q(n)-сумма(nj)*Cp(газов)*(T2-Toc)]
n(в) = (1.08*(1668+701))/(837760-371870.28)=0.0055 Кмоль/с
n(газов) = n(в)*сумма(n(j)газов)
n(газов) = 0.0055*11.2079=0.06165 Кмоль/с
q(n) = Vm*Q(н) = 22.4*37400 = 837760 Дж/кмоль
h(y) = Qab/n(газов)+h(l)= 90.44/0.06165+7158.84=8625.83
Ty = 568 K
б) часток у-х
m(вода)*(h(k)-h(c)) = n(газов)*(h(x)-h(y))
h(x) = m(вода)(h(k)-h(c))/n(газов) + h(y)
h(x) = 0.87636*4.186*(353.9-199.3)/(0.06165)+8625.83 = 17825.2 Вт
T(x) = 842 K
в) часток х-2
n(газов)*(h(2)-h(x)) = n(смеси)*(h(e)-h(d))
h(d) = h(e) - n(газов)*(h(2)-h(x))/n(смеси)
h(d) = 50262.03-0.06165*(33086.9-17825.2)/0.0255 = 13364.63 Дж/км*с
T(d) = 515 K
[1]8.2.2 Определение температуры пара разбавления в сечении d.
──<этан 463 K>──┐ dq = 0
┌┴┐ dP = 0
│d├──<смесь Td = 515 K >──
└┬┘
──<пара T=? >───┘
сумма[n(i)I(i)] = сумма[n(j)I(j)]
n(эт)*h(b) + n(пар)*h(пар) = n(смеси)*h(d)
h(пар) = [n(смеси)*h(d)-n(эт)*h(b)]/n(пар)
h(пар) = (0.0255*13364.63-0.01548*14537)/0.01002 = 11553.42
T(пар) = 628 K
P = 12 бар
@8.3 Определение поверхности теплообмена конвекционной зоны.
Примем ориентировочный коэффициент теплообмена Кор = 35 Вт/(мдК).
Qкз = Кор*Fкз*dTcp = сумма[n(j)*I(j)] - сумма[n(i)*I(i)] + L(de)
Qкз = сумма[n(смеси)*(h(e)-h(d)]
Qкз = 0.0255*(50262.03-13364.63) = 940884 Вт
dTcp = [(T2-Te)-(Tx-Td)]/ln[(T2-Te)/(Tx-Td)]
dTcp = ((1271-900)-(842-515))/ln((1271-900)/(842-515)) = 348.54 K
tcpа = (T2+Tx)/2 = (998+569)/2 = 784 C
Fкз = Qкз/(Кор*dTcp) =а 940884/35/348.54 = 77.13 мд
Определение общего числа труб в конвекционной зоне, расположенныха в
шахматном порядке с шагом 1.7-2 dн. Число труб в ряду 4-6 штук.
dн = 102 мм, lпол = 9.5 ма шаг s = 200 мм
n(общ) = F/(3.1416*dн*lпол) = 77.13/(3.1416*0.102*9.5)=25.34 штуки
в качестве приближения примем 5 рядов по 5 труб.
Уточненный расчет коэффициента теплообмена.
alfa(дым) = [alfa(к)+alfa(л)]
alfa(к) = 0.34*E*U0.6*dн0.4
alfa(к) = 0.34*23.7*0.86**0.6/0.102**0.4 = 14 Вт/(мдК).
из графика со стр 102 [2] находим Е = 23.7
поиск средней масовой скорости
U = 4*(n(газов)*М(газов))/f = 4*0.06165*27.78/8 = 0.86 кг/с
f = (b-n(pяда)*dн)*lпол = (1.352-5*0.102)*9.5 = 8 мд
b = s(n(pяда)+1)+dн+0.05а = 0.2*(5+1)+0.102+0.05 = 1.352 м
определение коэффициентов лучистого теплообмена
tст = [t(e)+t(dсм)]/2 + 20 = (900+515)/2+20 = 728 K = 455 C
Sэфф = 3.49*s-4.1*dн = 3.49*0.2-4.1*0.102 = 0.2798 м
Р'(СО2) = Sэфф*P~ = 0.2798*0.0962 = 0.027 м*бар
P'(НО) = Sэфф*P~ = 0.2798*0.1782 = 0.050 м*бар
из диаграммы со страницы 52 методички 2970 находим
alfa(СО2) = 11 Вт/(мдК)
alfa(НО) = 14 Вт/(мдК)
alfa(л) = 25 Вт/(мдК)
К = 1.1*(alfa(л)+alfa(к)) = (25+14)*1.1 = 43 Вт/(мдК)
Fкз = Qкз/(К*dTcp) =а 940884/43/348.54 = 63 мд
n(общ) = F/(3.1416*dн*lпол) = 63/(3.1416*0.102*9.5)=21 штука
Берем с запасом 6 рядов по 4 трубы.
Fкз = n(общ)*(3.1416*dн*lпол) = 24*3.1416*0.102*9.5 = 73 мд
BЗаключение
Пиролиз КПД(Ех) = 0.934
Горение КПД(Ех) = 0.713
Реактор КПД(Ех) = 0.447
Т/О КПД(Ех) = 0.671
Путем анализа расчетов по эксперементальным данныма определили, что
при существующих технологиях КПД реактора не можета превышать 45%.
(Это при почти идеальных словиях работы всех систем). Если бы теп-
лот отходящих газов и продуктов не тилизовалась, то эффективность
всей системы была бы гораздо меньше. Что подтверждаета целесообраз-
ность введения ЭХТС вместо обычных систем.
BПриложение
таблица 1 Физические свойства некоторых газов
┌────────┬────────────┬────────────┬────────────┬────────┬────────┐
│Вещество│Ехhr align="left" size="1"> 'Дж/кмоль│бН'Дж/кмоль│ S Дж/кмоль в*10hr align="left" size="1"> 3 │
├────────┼────────────┼────────────┼────────────┼────────┼────────┤
│СН4 │ 830 а -74.85 186.27 14.32 74.66 │
├────────┼────────────┼────────────┼────────────┼────────┼────────┤
│СН4 а а1360 │ 52.30 а 219.45 11.32 │ 122.01 │
├────────┼────────────┼────────────┼────────────┼────────┼────────┤
│СН6 │ 1494 а -84.67 229.49 а 5.75 │ 175.11 │
├────────┼────────────┼────────────┼────────────┼────────┼────────┤
│СН6 │ 2001 │ 20.41 266.94 12.44 │ 188.38 │
├────────┼────────────┼────────────┼────────────┼────────┼────────┤
│СН8 │ 2150 -103.85 269.91 а 1.72 │ 270.75 │
├────────┼────────────┼────────────┼────────────┼────────┼────────┤
│СН6 │ 2500 а 110.16 278.74 а 8.08 │ 273.22 │
├────────┼────────────┼────────────┼────────────┼────────┼────────┤
│СН10 │ 2803 -126.15 310.12 18.23 │ 303.56 │
├────────┼────────────┼────────────┼────────────┼────────┼────────┤
│СН6 │ 3432 │ 82.93 269.20 │ -21.09 │ 400.12 │
├────────┼────────────┼────────────┼────────────┼────────┼────────┤
│СО │ 275.4а -110.53 │ 197.55 28.41 4.10 │
├────────┼────────────┼────────────┼────────────┼────────┼────────┤
│СО2 │ 20.1а -393.51 213.66 44.14 9.04 │
├────────┼────────────┼────────────┼────────────┼────────┼────────┤
│Н2 а 235 │ 0 а 130.52 27.28 3.26 │
├────────┼────────────┼────────────┼────────────┼────────┼────────┤
│N2 │ 0.7а │ 0 191.50 27.28 4.27 │
├────────┼────────────┼────────────┼────────────┼────────┼────────┤
│O2 │ 3.95 │ 0 а 205.04 31.46 3.39 │
├────────┼────────────┼────────────┼────────────┼────────┼────────┤
│H2Oг │ 8.6а -241.81 188.72 30.00 10.71 │
├────────┼────────────┼────────────┼────────────┼────────┼────────┤
│OH │ 157 │ 42.10 │ ── 29 4.00 │
├────────┼────────────┼────────────┼────────────┼────────┼────────┤
│СН12 │ 3455 -173.1 │ ── а ── ── │
└────────┴────────────┴────────────┴────────────┴────────┴────────┘
таблица 2 степень диссоциации СО2 %
┌─────────┬───────────────────────────────────────────────────────┐
│ │ ПАРЦИАЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ СО2,КП │
│ ├──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┤
│ T,C │ 4.9а │ 9.8а │ 14.7 │ 19.6 │ 29.4 │ 32.9 │ 49.0 │ 98.1 │
├─────────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┤
│ 1500 0.5 0.5 │ 0.45 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 │
│ 1600 1.9 1.5 │ 1.35 1.3 1.1 │ 0.95 │ 0.85 0.7 │
│ 1700 3.5 2.8 │ 2.45 2.2 1.9 │ 1.75 │ 1.65 1.3 │
│ 1800 5.9 4.6 │ 4.10 3.7 3.3 3.0 │ 2.75 2.2 │
│ 1900 9.5 7.6 │ 6.65 6.1 5.3 4.9 4.5 3.6 │
│ 2 │ 15.4 │ 12.5 │ 11.0 │ 10.0 8.8 8.0 7.4 6.0 │
│ 2100 │ 22.8 │ 18.3 │ 16.2 │ 14.9 │ 13.1 │ 12.0 │ 11.2 9.0 │
│ 2200 │ 32.5 │ 27.0 │ 24.0 │ 22.0 │ 19.8 │ 18.0 │ 17.0 │ 13.5 │
│ 2300 │ 42.5 │ 35.9 │ 32.4 │ 30.0 │ 26.9 │ 24.8 │ 23.2 │ 19.0 │
│ 2400 │ 53.7 │ 46.6 │ 42.5 │ 39.6 │ 35.8 │ 33.3 │ 31.4 │ 26.0 │
│ 2500 │ 64.1 │ 56.9 │ 52.7 │ 49.7 │ 45.4 │ 42.6 │ 40.4 │ 34.0 │
└─────────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┘
таблица 3 степень диссоциации H2O %
┌─────────┬───────────────────────────────────────────────────────┐
│ │ ПАРЦИАЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ H2O,КП │
│ ├──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┤
│ T,C │ 4.9а │ 9.8а │ 14.7 │ 19.6 │ 29.4 │ 32.9 │ 49.0 │ 98.1 │
├─────────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┤
│ 1600 │ 0.8а │ 0.6а │ 0.55 │ 0.50 │ 0.46 │ 0.42 │ 0.38 │ 0.28 │
│ 1800 │ 2.25 │ 1.80 │ 1.57 │ 1.40 │ 1.25 │ 1.15 │ 1.05 │ 0.83 │
│ 1900 │ 3.80 │ 3.00 │ 2.55 │ 2.35 │ 2.10 │ 1.90 │ 1.70 │ 1.40 │
│ 2 │ 5.35 │ 4.30 │ 3.70 │ 3.40 │ 2.95 │ 2.65 │ 2.50 │ 2.00 │
│ 2100 │ 7.95 │ 6.35 │ 5.60 │ 5.10 │ 4.55 │ 4.10 │ 3.70 │ 3.00 │
│ 2200 │ 11.5 │ 9.30 │ 8.15 │ 7.40 │ 6.50 │ 5.90 │ 5.40 │ 4.40 │
│ 2300 │ 15.4 │ 12.9 │ 11.4 │ 10.4 │ 9.10 │ 8.40 │ 7.70 │ 6.20 │
│ 2400 │ 21.0 │ 17.2 │ 15.3 │ 13.9 │ 12.2 │ 11.2 │ 10.4 │ 8.40 │
│ 2500 │ 26.8 │ 22.1 │ 19.7 │ 18.0 │ 15.9 │ 14.6 │ 13.7 │ 11.0 │
└─────────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┘
Литература
1. Адельсон С.В. Процессы и аппараты нефтепереработки и нефтехимии.
М.: Химия, 1963.
2. Примеры и задачи по технологии переработки нефти и газа. Сарданашвили А.Г.
3. Пиролиз глеводородного сырья/Мухина Т.Н. и др. М.: Химия 1987.