Вторичная переработка нефти: гидрообессерива-ниедизельных фракций

3. Цилиндрические печи, трубы которых расположены на поверхности цилиндра (пристенное расположение труб змеевика). Нагревательный змеевик собран из U-образных трубных секций. Вход и выход продукта осуществляется сверху.

4. Печи с наклонным сводом, имеющие две камеры радиации и одну камеру конвекции в центре печи. Нагреваемое сырье поступает в конвекционную камеру и двумя потоками проходит через трубы. В печах имеются муфели, в которых располагаются форсунки.

 

 

4. Трубчатая печь с объемно-настильным сжиганием топлива

Трубчатая печь с объемно-настильным пламенем (рис. 5) является разновидностью печей с восходящим потоком газов. Печь состоит из двух камер. Характерная особенность данной печи – наклонное расположение горелок в низу печи (под углом 450С). Такое расположение позволяет обеспечить соприкосновение факела с поверхностью стены из жароупорного материала  в середине камеры радиации.

Рис. 5.

Трубчатая печь с объемно-настильным сжиганием топлива.

1-форсунка, 2 – настильная  стенка, 3 – радиантная камера (топочная камера), 4 – камера конвекции, 5 – дымовая труба, 6 – змеевик конвекционных труб,7 – змеевик радиантных труб, 8 – футеровка.

Потоки: I – вход сырья, II  - выход сырья, III – топливо и воздух, IV – дымовые газы.

 

Распыленное топливо, а также необходимый для горения воздух вводятся в топочную камеру при помощи форсунки. Воздух подводят к устью форсунки, то есть к началу факела. В некоторых форсунках топливо распыляется воздухом, который вводится в топку совместно с топливом. Чем выше дисперсность топлива, тем интенсивнее происходит его перемешивание с воздух и тем эффективнее горение. В результате соприкосновения факела с поверхностью настильной стены, повышается ее температура, и излучение происходит не только от факела, но и от раскаленной стены. Настильная стена, а также другие стены кладки, у которых расположены трубы (экранированная часть кладки) или свободные трубы (незаэкранированные) называются вторичными излучателями. При повышении температуры воздуха увеличивается температура факела, повышается скорость горения и сокращаются размеры факела. При недостатке воздуха факел получается растянутым, топливо не сгорает полностью, что приводит к потере тепла. Тепло, выделенное при сгорании топлива, расходуется на повышение температуры дымовых газов и частиц горящего топлива.

 Радиантные трубы получают тепло как излучением, так и в результате соприкосновения дымовых газов с поверхностью труб, имеющих более низкую температуру. При этом значительная часть тепла передается излучением (85-90%) [26].

Топочные газы двигаются вверх, отдавая тепло трубам конвекционной камеры с более холодной поверхностью, а затем направляются в дымовую трубу. Сырье двигается по конвекционным трубам вниз, нагреваясь за счет тепла топочных газов. Передача тепла в конвекционной камере происходит за счет радиации дымовых газов и излучения стенок кладки. Здесь наибольшее количество тепла передается конвекцией.

Скорость движения дымовых газов  и способ размещения труб в камере конвекции являются важными факторами, влияющими на эффективность передачи тепла конвекцией. Значительную скорость движения обеспечивают размещением минимального числа труб в одном горизонтальном ряду. В свою очередь, сокращение числа труб ведет к увеличению высоты камеры. При расположении труб в шахматном порядке в связи с более эффективной турбулентностью потока дымовых газов тепло передается лучше, чем при расположении коридорным методом.

Более интенсивной передачи тепла также способствует уменьшение диаметра труб в связи с возможностью более компактного их расположения. Это позволяет создать более высокие скорости дымовых газов.

 

 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ

Вариант 39

Данные для расчёта

Состав газа (объёмные %): СH4	90,0
C2H5	8,3
C3H8	0,1
C4H10	0,2
N2	1,4
Отношение объёмов пар:газ в исходной смеси (η)	2,5
Степень конверсии газа по углероду (хг)	0,67
Объём газа (Vг), м3	100
Температура парогазовой смеси: на входе в печь (t0), °C	370
на выходе из печи (tк), °C	700
дымовых газов на выходе (tдым), °C	790
природного газа (для обогрева печи) (tкп), °C	18
Теплопотери в окружающую среду (% от прихода тепла)	5,5
Давление в конвенторе  (P), Па	1·105

 

 

 

 

 

 

 

1. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ

Соотношение между СO и СО2 в конвертированном газе соответствует равновесию реакции:

 

Расчёт ведём на 100 м3 природного газа.

При конверсии СН4 и его гомологов протекают следующие эндотермические реакции:

(б)

(в)

(г)

(д)

Образующийся СО конвертируется водяным паром по экзотермической реакции (а).

Обозначим содержание компонентов в конвертированном газе, м3:

• СО2 – а
• СО – b
• Н2 – с
• водяного пара, вступившего в реакцию с углеводородами и СО – d

 

Объём углеводородов в пересчёте на СН4 в конечном газе составляет:

 

где хг – степень конверсии газа по углероду.

 

 

Составим балансовое уравнение по содержанию каждого элемента в исходном и конвертированном газах, м3:

а). по углероду:

 

СО2 – а, СО – b, тогда:

.

 

 

 

б). по кислороду:

В исходной парогазовой смеси содержится

 

 

 

 

 

 

в). По водороду:

 

 

 

 

 

Соотношение между СО и СО2 в конечном газе по условию определяется равновесием реакции конверсии СО (а). константа равновесия равна:

 

Подставляя значение а из уравнения (1) в уравнение (2), получаем:

 

 

 

Подставляя в уравнение (1) значение b из уравнения (5), находим:

 

Подставляя в уравнение (4) значения a,b,c, выраженные через d, получаем:

 

 

Решаем данное уравнение методом подбора. Находим d:        d=106,6 м3. Тогда:

 

 

 

 

Объём водяного пара, вступившего в реакцию:

- с СО:

 

- с углеводородами:

 

 

Осталось в газе водяного пара:

 

 

 

Сведём полученные данные в таблицу (табл.4):

 

 

 

Табл.4.

Компонент	Влажный газ		Сухой газ
СН4 Н2 СО СО2 N2 H2O	м3	% об.	м3	% об.
	35,54 241,8 37,72 34,44 1,4 143,4	7,1 49 7,6 7 0,3 29	35,54 241,8 37,72 34,44 1,4 -	10,1 69 10,7 9,8 0,4 -
Итого	494,3	100	350,9	100

 

 

Материальный баланс трубчатой печи

Табл. 5.

Приход	м3	кг	Расход	м3	кг
СН4 С2Н6 С3Н8 С4Н10 N2	90 8,3 0,1 0,2 1,4	64,3 11,1 0,2 0,5 1,75	СН4 Н2 СО N2 CO2	35,54 241,8 37,72 1,4 34,44	25,4 21,6 47,1 1,75 67,7
Всего сухого газа	100	77,85	Всего сухого газа	350,9	163,55
Водяной пар	250	200,9	Водяной пар	143,4	115,2
Итого	350	278,75	Итого	494,3	278,75

 

 

Перевод из объёма в массу:

 

Аналогично – для остальных компонентов.

 

2. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ

Приход теплоты

 

где   – физическая теплота парогазовой смеси, кДж,

 –  физическая теплота сжигаемого  газа, кДж,

 –  физическая теплота, вносимая воздухом, поступающим в печь, кДж,

 –  теплота сгорания природного  газа, кДж.

 

 

где Сг и – средние теплоёмкости при температуре на входе в печь сухого газа и водяного пара соответственно.

Сг=1,965 кДж/(м3·К)

= 1,555 кДж/(м3·К)

 

 

Пусть для обогрева печи необходимо сжечь х м3 природного газа, тогда:

 

где     – теплота сгорания 1 м3 природного газа, определяемая исходя из теплот сгорания компонентов газа и его состава, кДж/м3.

Табл. 6.

Углеводороды	, кДж/м3
СН4 С2Н6 С3Н8 С4Н10	889500 1558000 2297800 2870000

 

 

 

 

 

 

Теплота, вносимая сжигаемым газом при 18°С:

 

где  =2,08 кДж/(м3·К),

        – температура для обогрева печи, .

 

 

Общий приход тепла (кроме тепла, вносимого в печь воздухом):

 

 

Расход теплоты.

,

где  – теплота, расходуемая на проведение эндотермических реакций конверсии, кДж,

 –  теплота конвертированного газа, кДж,

 –  теплота дымовых газов, кДж,

 –  потери теплоты в окружающее  пространство, кДж.

 

Qр определяем в соответствии с законом Гесса для реакций (а-д):

 

где     и     – энтальпия образования продуктов реакции и исходных веществ соответственно, кДж/м3.

 

Энтальпия образования углеводородов, кДж/м3

Табл. 7.

Вещество	Энтальпия
СН4 СО СО2 H2O C2H6 C3H8 C4H10	-3300 -4930 -7600 -10800 -3680 -4520 -5480

 

 

 

 

Теплота влажного конвертированного газа при tк=700 °С составляет:

 

где   – объём влажного конвертированного газа,

        – средняя теплоёмкость при tк. .

 

 

Для определения находим количество дымовых газов, образующихся при сжигании 1 м3 природного газа до СО2 и Н2О при коэффициенте избытка воздуха α=1,25. Необходимое количество кислорода для сжигания 1 м3 газа и состав дымовых газов определяем по реакциям:

 

 

 

 

Для сжигания 1 м3 необходимое количество кислорода составит:

 

Необходимое количество воздуха составит:

 

Содержание N2 в воздухе:

 

Количество водяного пара, поступающего с воздухом при tкп=18°С и влажности воздуха φ=0,016:

 

Определим состав дымовых газов при сгорании 1 м3 газа. В соответствии с уравнениями (е-и) образуется:

а). СО2:

 

б). H2O:

 

 

 

Останется кислорода:

 

 

Газ содержит водяных паров (с учетом влажности воздуха):

 

 

Состав дымового газа ( при сжигании 1 м3 газа)

Табл. 8.

Компонент	СО2	О2	N2	H2O	Всего
V, м3	1,08	0,53	9,9	2,26	13,8
% об.	8	4	71,6	16,4	100

 

 

Расход теплоты с дымовым газом:

 

где – теплоёмкость газов.

 

Приход теплоты с поступающим в печь воздухом (при 18°С):

 

где

 

 

Уравнение теплового баланса трубчатой печи с учетом теплопотерь в окружающее пространство:

 

 

 

 

 

Тогда:

 

 

 

 

Расход влажного воздуха, подаваемого в топку:

 

Количество дымового газа:

 

 

Тепловой баланс трубчатой печи

Табл.9.

Приход	кДж	%
Физическая теплота парогазовой смеси, Физическая теплота сжигаемого газа, Физическая теплота, вносимая воздухом, Теплота сгорания природного газа,	216543   1970   12041   2204906	9   0,1   0,5   90,4
Итого	2435460	100

 

 

Расход	кДж	%
Теплота, затраченная на реакции, Qр Теплота конверсии газа, Теплота дымовых газов, Теплопотери	915386 536315 849079 133951	37,6 22 34,9 5,5
Итого	2434731	100