Расчет трубчатой печи

Исходные данные:

нагрузка по сухому газу 40800 нм³/ч;

состав сухого газа (об. %): СН₄ 90,90;

С₂Н₆ 4,5;

С₃Н₈ 1,5;

С₄Н₁₀ 0,1;

С₅H₁₂ 0,3

N₂ 2,5;

отношение пар:газ 3,3;

давление 4 МПа;

температура газа на входе 515 °С;

температура газа на выходе 860 °С;

концентрация метана на выходе 6 об.%

Расчет равновесия ведем для следующих реакций:

СН₄ + Н₂О = СО + 3Н₂

СО + Н₂О = СО₂ + Н₂

Принимаем, что все высшие гомологи метана конвертируются до СН₄. Реакция конверсии монооксида углерода идет до равновесия.

Уравнения нормального сродства:

К_р =5,2

Рассчитаем константу равновесия реакции конверсии оксида углерода:

К_р2 = 0,86

 

 

Расчет материального баланса ведем на 1000 нм³ сухого газа.

Введем обозначения неизвестных компанентов:

Х1 – количество CO на выходе, кмоль;

Х2 – количество СО₂ на выходе, кмоль;

Х3 – количество водорода на выходе, кмоль;

Х4 – количество прореагировавшей воды, кмоль;

Х5 – количество CH₄, кмоль.

С учетом принятых обозначений составляем балансовые уравнения по элементам, входящим в состав реагирующих веществ, общий баланс и условие равновесия:

условие равновесия по первому маршруту

 

 

условие равновесия по второму маршруту

 

 

0,5-ст. прибижение

b=X1+X2+X3+X4+X5+n_N2+n_Ar

 

баланс по углероду

 

 

баланс по водороду

 

баланс по кислороду

 

 

Решая систему уравнений, получаем

Х1 = 14,27;

Х2 = 13,38;

Х3 = 97,56;

Х4 = 106,43;

Х5 = 12,54.

Результаты расчета сводим в таблицу 3.1.

Таблица 3.1

Материальный баланс трубчатой печи на 1000 нм³ сухого газа

Компо-	Приход	Расход
нент	Кмоль	кг	Кмоль	кг
Сухой газ, в т.ч. СН4 С2Н6 С3Н8 С4Н10 С5H12 N2 H2 СО СО2 Ar	34,44 1,656 0,554 0,036 0,112 2,513 4,843 - 0,074 0,417	551,04 49,68 24,38 2,09 8,06 70,36 9,69 - 3,55 16,67	12,54 - - - - 2,51 97,56 14,26 13,38 0,42	200,69 - - - - 70,36 195,12 399,42 588,90 16,67
Водяной пар	147,31	2651,58	106,43	1915,72
Итого	191,95	3386,83	247,1	3386,83

 

 

3.3.2.Тепловые расчеты

 

 

Qт.п.

 

Общее уравнение теплового баланса:

Q₁ + Q_x + Q_тп = Q₂

здесь Q₁- теплосодержание входного потока, кДж/1000нм³;

Q₂- теплосодержание выходного потока, кДж/1000нм³;

Q_x- тепловыделение за счет химической реакции, кДж/1000нм³;

Q_т.п.- теплоподвод к реакционной трубе, кДж/1000нм³;

Q₁- теплоподвод, кДж/1000нм³.

Расчитаем тепло входного потока:

Q₁= tº ∑ Cp_i n_i^н ,

здесь tº-начальная температура, (515 ºС);

n_i-количество i-го компонента перед входом в колонну, кмоль;

Ср_i-средняя теплоемкость i-го вещества (Дж/(моль*К)).

 

Таблица 3.3.2.1

Средняя теплоёмкость веществ и соединений

вещество	Cр кДж /моль (t=788K)	Cр кДж /моль (t=1133K)
С2H6	82,57	96.00
СО2	45,56	47.84
Н2	29,27	29.72
СН4	49,56	56.99
N2	30,21	30.84
СО	30,47	31.14
Н2О	36,02	37,59
Ar	20,79	20.79
C5H12	192,6	221.6
C4H10	155,9	179.9
C3H8	118,8	137.9

 

Q₁=515*((34,44*49,56)+(1,656*82,57)+(0,55*118,8)+(0,036*155,9)+

(0,112*192,6)+(0,074*45,56)+(2,513*30,21)+(0,417*20,79)+(4,843*29,27)+

(147,313*36,02))=3848337,5кДж/моль*К

Расчитаем тепло выходного потока:

Q₂= t_к ∑Cp_i n_i^к ,

где t_к-конечная температура (860ºС)

Q₂=860*((56,99*12,543)+(47,84*13,384)+(30,84*2,513)+(20,79*0,417)+

(29,72*97,558)+(37,59*106,429)+(31,14*14,265))=7555607,4 кДж/моль*К

Тепло химической реакции:

Q_x=∑ΔHr_jΔn ,

где Нr_j-энтальпия j-го вещества, КДж/моль

 

Таблица 3.3.2.2

Изменения стандартной энтальпии

вещество	ΔНf , 298 КДж/моль
СО2 СО Н2О H2 Ar N2 C5H12 C4H10 C3H8 С2H6 СН4	- 393,51 - 110,5 - 241,84 -146,4 -124,7 -103,9 -84,67 -74,85

 

Q_x=-74,85*10³*21,87+(-84,67*10³*1,656)+(-103,9*10³*0,554)+

(-124,7*10³*0,036)+(-146,4*10³*0,112)+(-393,51*10³*(-13,31))+

(-241,84*10³*40,884)+(-110,5*10³*14,625) = - 8123481,53 кДж/моль*К

Q_т.п. + Q₁ + Q_x = Q₂

- Q_т.п. = Q₁ + Q_x - Q₂

- Q_т.п. = 3848337,5-8123481,53-7555607,4

Q_т.п = 11830751,43 кДж/моль*К

 

Таблица 3.3.2.3

Тепловой баланс колонны синтеза

ПРИХОД	РАСХОД
	к*моль	кг		к*моль	Кг
CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 CO2 N2	40,58 2,01 0,67 0,05 0,13 0,09 1,12	649,28 60,3 29,48 2,9 9,36 3,96 31,36	CO2 N2 O2 H2O ВСЕГО	50,93 418,47 14,48 100,89	2240,92 11717,86 260,64 1816,02 16034,74
ВОЗДУХ т.ч. O2 N2 H2O ВСЕГО	107,42 417,35 9,99	3237,44 11685,8 17,982 16089,7