Методика расчёта теплового баланса радиантной зоны трубчатой печи

Цель расчёта теплового баланса радиантной зоны трубчатой печи: определение прихода тепла в радиантную зону печи со всеми потоками и расхода тепла со всеми потоками; определение расхода топливного ПГ в топочную зону.

Исходные данные:

1) состав газа на входе в радиантную зону печи ПГ+АВС=СН₄,С₂Н₆,С₃Н₈,N₂,Н₂,Аr и состав газа на выходе из радиантной зоны СН₄,СО,СО₂,Н₂,N₂,Аr, Н₂О;

2) Температура газа на входе в катализатор (525 ˚С ) и выходе из него (827 ˚С);

3) Температура дымовых газов на выходе из топочной зоны 1040⁰С;

4) Средняя теплоёмкость компонентов газа (из справочника);

5) Энтальпия и влагосодержание воздуха (из справочника);

6) Энтальпия образования компонентов газа (из справочника);

7) Состав воздуха, подаваемого на сжигание топливного ПГ: О₂– 21%, N₂– 78%, Ar– 1%;

8) Коэффициент избытка воздуха при сжигании топливного ПГ 1,15;

9) Температура топливного ПГ 85 ˚С;

10) Температура воздуха, подаваемого в горелки 25 ˚С;

11) Относительная влажность воздуха 80%;

12) Потери тепла в окружающую среду 3% от прихода тепла.

Расчет ведётся на 100м³ технологического ПГ.

Q₁+ Q₂+Q₃+Q₄=Q₅+Q₆+Q₇+Q₈.

Q₁ – физическое тепло ПГС на входе в катализаторные трубы;

Q₂ – физическое тепло топливного ПГ;

Q₃ – физическое тепло воздуха в горелке;

Q₄ – тепло, выделяющееся при сгорании ПГ;

Q₅ – расход тепла на эндотермические реакции конверсии;

Q₆ – физическое тепло конвертированного газа на выходе из радиантной зоны;

Q₇ – физическое тепло дымовых газов на выходе из радиантной зоны;

Q₈ – потери тепла в окружающую среду.

Расчет:

Q₁=V∙с∙t, V=480 м³, t=525 ˚С, с при 525 ˚С;

Q₂= V∙с∙t, V=x, t=85 ˚С, c при 85⁰С;

Q₃=m_сух∙H_вл, m_сух – масса сухого воздуха, кг, Н – энтальпия влажного воздуха, приходящаяся на 1 кг сухого воздуха при заданных температуре и относительной влажности, кДж/кг. Необходимо рассчитать объём сухого воздуха, идущего на сжигание 1 м³ топливного ПГ с учётом коэффициента избытка, а затем его массу m_сух. Тогда на х м³ топливного ПГ: Q₃=х∙m_сух∙H_вл

Q₄ = V∙Q_сгор, V – объём топливного ПГ, м³ (V=х).

Q_сгор – теплота сгорания топлива, кДж/м³ топливного ПГ по реакциям горения ΔН₁+ΔН₂+ΔН₃:

СН₄+2О₂=СО₂+2Н₂О

С₂Н₆ +3,5О₂=2СО₂+3Н₂О

С₃Н₈ +5О₂=3СО₂+4Н₂О

Q₅ – тепло, расходуемое на эндотермические реакции. При расчете МБ учтено, что часть СО, образующегося в зоне катализа по сильно эндотермическим реакциям

СН₄+Н₂О=СО+3Н₂ (*), С₂Н₆+2Н₂О=2СО+5Н₂ (**), С₃Н₈+3Н₂О=3СО+7Н₂ (***) превращается в СО₂ по слабоэкзотермической реакции СО+Н₂О=СО₂+Н₂ (****). Поэтому часть тепла эндотермической реакции компенсируется теплом реакции (****). Однако большую часть тепла для эндотермических реакций необходимо подвести извне, т.е. сжиганием топливного ПГ в межтрубном пространстве печи. По результатам расчёта МБ известен состав ПГС на входе в зону катализа и после протекания всех реакций. Тогда для расчета потребности в тепле эндотермических реакций воспользуемся законом термохимии Гесса: общий тепловой эффект химических реакций зависит только от вида и состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути перехода исходных веществ в продукты: ∆Н= Σ(V_i∙∆H_i)_кон – Σ(V_i∙∆H_i)_исх, ∆Н_i – объемные энтальпии образования компонентов, кДж/м³, V_i – объёмы компонентов на входе в зону катализа и выходе из неё.

Q₆ = V∙с∙t, V=624,98 м³, t=827 ˚С, с при 827 ˚С

Q₇= V∙с∙t, t=1040 ˚С, с при 1040 ˚С, V=V_дг