Устройство трубчатой печи. Использование топливного природного газа в качестве источника тепла для процесса на первой ступени. Методика расчёта теплового баланса радиантной зоны трубчатой печи

3. Устройство трубчатой печи. Использование топливного природного газа в качестве источника тепла для процесса на первой ступени. Методика расчёта теплового баланса радиантной зоны трубчатой печи. Расчёт объёма дымовых газов. Утилизация тепла дымовых газов.

3.1 Устройство трубчатой печи

Печь первичного риформинга типа ППР-1360 состоит из двух зон: радиантной и конвекционной. Преимущества печи: компактность, небольшие тепловые потери. Недостатки: невозможность отключения одной или нескольких труб при их аварийном состоянии без остановки всего агрегата, значительное сопротивление катализатора. В радиантной  зоне 504 трубы с катализатором типа ГИАП-16 (NiO-24-26, Al₂O₃-65,CaO-8%мас). Диаметр каждой трубы 114×21мм, высота 11м, сталь ОХ20Н25С2, трубы подвешены к балкам на пружинах. Температура парогазовой смеси на входе в трубу 520⁰С,  на выходе 800-830⁰С.

3.2 Использование топливного природного газа в качестве источника тепла для процесса на первой ступени

Нагрев основного потока газа осуществляется за счёт горения топливного природного газа. Температура продуктов сгорания в зоне горелок составляет 1700 – 1800 ⁰С. Для проведения процесса до конца в трубчатой печи т.е. до остаточного содержания метана 0,4 – 0,5% потребовалось бы резкое увеличение размеров печи, поэтому остальной метан оставляют для превращения на второй ступени конверсии. Для этого конвертированный газ поднимается по 12 подъёмным трубам. При этом он подогревается до 850 ˚С и направляется на вторую ступень в шахтный реактор.

3.3 Утилизация тепла дымовых газов

Горячие дымовые газы после отдачи части тепла катализаторным трубам переходят из радиантной в конвекционную зону с температурой 950 – 1050 ˚С и в конвекционной зоне последовательно передают тепло потокам в шести нагревателях, охлаждаясь при этом до 200 ˚С. Затем дымовые газы выбрасываются в атмосферу.

3.4 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 

3.5 Расчёт объёма дымовых газов

Рассчитаем объём дымовых газов, образующихся при сгорании 1м³ топливного ПГ. Для этого вычислим объёмы компонентов ДГ, т.е. N₂, O₂, Ar, CO₂, Н₂О.

V_N2=V_{сух воздуха}∙0,78+V_{N2прир.газа}

V_Ar=V_{сух воздуха}∙0,01

V_О2=V_{О2практ}  – V_О2теор

V_СО2 и V_Н2О, образующегося по реакциям:

СН₄+2О₂=СО₂+2Н₂О

С₂Н₆ +3,5О₂=2СО₂+3Н₂О

С₃Н₈ +5О₂=3СО₂+4Н₂О

К реакционному водяному пару надо прибавить пары воды, поступившие с влажным воздухом. Определим объём ДГ при сгорании 1 м³ топливного ПГ:

V´_дг= (V_N2+V_O2+V_AR+V_CO2+V_H2O) м³

При сгорании х м³ топливного ПГ образуется ДГ:

V_дг= х∙(V_N2+V_O2+V_AR+V_CO2+V_H2O) м³

3.4 Методика расчёта теплового баланса радиантной зоны трубчатой печи (продолжение)

Q₈=0,03Q_прих  

Решая уравнение Q₁+Q₂+Q₃+Q₄=Q₅+Q₆+Q₇+Q₈ относительно х, определим расход топливного природного газа, а затем все потоки тепла.

32. Дать полную характеристику трубчатой печи, как реактору паровой конверсии природного газа. Материал трубчатой печи.

1) по характеру процесса: в трубчатой печи степень конверсии метана составляет около 70%, что соответствует снижению концентрации метана с 94 до 9% на выходе. При расчетах принимают, что состав газа определяется константой равновесия при заданной температуре

2) по фазовому состоянию: гетерогенный катализ

3) по тепловому эффекту: в трубном пространстве эндотермические реакции, в межтрубном – экзотермические реакции

4) по температуре: высокотемпературный реактор

5) по давлению: 3,3МПа – выс.

6) по степени перемешивания – реактор идеального вытеснения

7) по температурному режиму: политермический реактор (теплообмен с внешней средой и подвод тепла)

8) по времени – непрерывного действия политермический реактор, характеризуется изменением температуры по длине реакционной зоны из-за совместного влияния теплового эффекта реакции и теплообмена с окружающей средой

Материал – жаропрочная легирующая сталь ОХ20Н25С2, давление 2 – 3 МПа.