Процесс конверсии метан и его гомологов, страница 6

          Исходные данные [6]:

состав реакционного газа на входе и выходе                          табл. 3.2;

температура газа на входе                                                         380 °С;

температура газа на выходе                                                      860 °С;

температура дымовых газов на выходе                                   900 °С;

состав природного газа (об. %):       СН₄                                  93,7;

                                                             С₂Н₆                                3,2;

                                                             С₃Н₈                                1,1;

                                                             С₄Н₁₀                               1,3;

                                                             N₂                                    0,7;

избыток воздуха на сжигание                                                   1,25.

          Уравнение теплового баланса будет иметь следующий вид:

,

где Q₀ – тепло, вносимое с исходной паро-газовой смесью; Q_пг – тепло, с вносимое природным газом, подаваемым на сжигание; Q_в – тепло, вносимое с воздухом, подаваемым на сжигание; Q_гор – теплота горения природного газа; Q – тепло, уходящее с паро-газовой смесью; Q_хр – тепло химической реакции; Q_дг – тепло, уходящее с дымовыми газами; Q_пот – потери тепла (принимаем 4 % от прихода).

          По данным таблицы 3.5 рассчитываем теплоемкости компонентов на входе в печь при температуре 380 °С (653 К) [кДж/(м³°С)]: СН₄ – 2,48; С₂Н₆ – 4,26; С₃Н₈ – 6,17; С₄Н₁₀ – 7,90; N₂ – 1,37; Н₂ – 1,32; Н₂О – 1,65.

          Средняя теплоемкость сухого газа на входе составит:

          По данным таблицы 3.5 рассчитываем теплоемкости компонентов на входе в печь при температуре 860 °С (1133 К) [кДж/(м³°С)]: СН₄ – 3,42; N₂ – 1,46; Н₂ – 1,38; СО – 1,47; СО₂ – 2,40; Н₂О – 1,88.

          Средняя теплоемкость сухого газа на выходе составит:

          Теплота, вносимая исходной паро-газовой смесью:

 МДж/ч.

          Теплота, уходящая с паро-газовой смесью:

 МДж/ч.

          Тепло химической реакции:

          Удельная теплота сжигания природного газа:

          Количество кислорода на сжигание 1 м³ природного газа:

 м³.

          Количество воздуха на сжигание 1 м³ природного газа:

V_воз = 2,66/0,21 = 12,65 м³,

в т.ч. объем азота 9,99 м³.

          Количество СО₂, образующееся при сжигании 1 м³ природного газа:

 м³

          Количество Н₂О, образующееся при сжигании 1 м³ природного газа:

 м³

          Остается кислорода:

 м³

          Состав дымовых газов при сжигании 1 м³ природного газа:

                                         м³                                     об.%

СО₂                                  1,09                                  7,55

О₂                                    0,53                                  3,69

N₂                                    10,69                                74,32

Н₂О                                  2,08                                  14,45

Всего                               14,39                                100

          По данным таблицы 3.5 рассчитываем теплоемкости компонентов природного газа и воздуха на входе в печь при температуре 18 °С (291 К) [кДж/(м³°С)]: СН₄ – 1,54; С₂Н₆ – 2,31; С₃Н₈ – 3,24; С₄Н₁₀ – 4,41; N₂ – 1,3; О₂ – 1,25.

          Средняя теплоемкость природного газа на входе:

          Средняя теплоемкость воздуха на входе:

          По данным таблицы 3.5 рассчитываем теплоемкости компонентов дымовых газов на выходе из печи при температуре 900 °С (1173 К) [кДж/(м³°С)]: N₂ – 1,47; О₂ – 1,57; СО₂ – 2,42; Н₂О – 1,9.

          Средняя теплоемкость дымовых газов:

          Тогда уравнение теплового баланса перепишется как:

Решая полученное уравнение относительно V_пг, получаем расход природного газа, подаваемого на сжигание составит 14535 нм³/ч.

          С учетом рассчитанного расхода природного газа составляем сводную таблицу теплового баланса.

Таблица 3.6

Тепловой баланс трубчатой печи

Приход тепла			Расход тепла
Статья	МДж/ч	%	Статья	МДж/ч	%
1.  Тепло с паро-газовой смесью 2.  Тепло горения 3.  Тепло с природ-ным газом 4.  Тепло с воздухом	129844 761406 424 4269	14,49 84,98 0,05 0,48	1.  Тепло с паро-газовой смесью 2.  Тепло химичес-кой реакции 3.  Тепло с дымо-выми газами 4.  Потери	360055 197685 302365 4269	40,19 22,06 33,75 4,00
Итого	895943	100	Итого	895943	100

3.3.3. Конструктивный расчет основного аппарата

Расчет трубчатой печи

          В трубчатую печь загружается никелевый катализатор. Рекомендуемая объемная скорость паро-газовой смеси 11000 ч^–1 [21]. Тогда при коэффициенте запаса 20 % получаем объем катализатора:

 м³.

          Принимаем внутренний диаметр трубы 71 мм. Трубы изготовлены из жаропрочной стали, для которой допускаемое напряжение при температуре 1100 °С составляет 13 МПа [26]. Тогда толщина стенки трубы:

 мм.

Принимаем толщину стенки трубы 15,5 мм. Отсюда наружный диаметр трубы 102,0 мм.

          Высота реакционных труб 9 м. Количество труб составит:

 шт.

Принимаем количество труб равное 504 шт.

Расчет шахтной печи

          В шахтную печь загружается никелевый катализатор и верхний слой – алюмо-хромовый катализатор. Диаметр аппарата по футеровке 3730 мм. Рекомендуемая объемная скорость по влажному газу 8500 ч^–1. Тогда при коэффициенте запаса 20 % получаем объем катализатора:

 м³.

Принимаем объем катализатора 38,5 м³.

          Толщина футеровки 270 мм. Тогда диаметр обечайки составит 4270 мм. Расчетная температура стенки обечайки 540 °С. Допускаемое напряжение составит 135 МПа [26]. Тогда толщина стенки обечайки:

 мм.

Принимаем толщину стенки обечайки 68 мм.