Пиролиз углеводородов жидких углеводородных фракций (стр. 10 из 19)

Конструктивное оформление оборудования определяются технологическими параметрами протекающих в нем процессов. Для обеспечения сочетания прочности и надежности химической аппаратуры с ее экономичностью и материалоемкостью на стадии проектирования необходимо провести механический расчет, который характеризуется следующими параметрами:

Согласно справочным данным [7,207] тепловой эффект процесса пиролиза в стандартных условиях – 6133 кДж/кг.

1. Находим необходимую поверхность нагрева:

F = Q/q_уд [12, 103]

где

F – поверхность нагрева, м²;

Q - тепловая нагрузка печи, кДж/час;

q_уд – удельный тепловой поток, Вт/м²

F = 22 147/40 = 554 м²

2. Используя данные из [9, 147]принимаем диаметр труб – 0,16 м, толщину стенки – 0,008 м. Находим общую длину труб:

L= F/ πd [10, 75]

где

L- общая длина труб, м;

F – поверхность нагрева, м²;

π – 3,14;

d – диаметр труб, м.

L = 554/ 3,14 ∙ 0,16 = 1 103 м

3. Число параллельных потоков m сырья в печи не рекомендуется брать больше 4. Для проектируемой печи принимаю m=4. Рабочая длина труб в одном потоке:

L_раб = L/ m

где

L_раб - рабочая длина труб, м;

L- общая длина труб, м;

m – число параллельных потоков сырья

L_раб = 1 103/4 = 276 м

4. Согласно справочным данным [9, 247] рабочая длина одной трубы не более 9 м. Тогда количество труб равно:

N = L_раб/Ln

где

N – общее количество труб;

L_{раб –} рабочая длина труб, м;

Ln – рабочая длина одной трубы, м

N = 276/9 = 31 труб

5. Рассчитываем время контакта τ:

τ = L / W_ср [13, 104]

где

τ – время контакта, сек;

L - общая длина труб в основном потоке, м;

W_{ср –} средняя скорость потока, м/сек.

Согласно справочным данным средняя скорость сырья для змеевиков типа SRT-II – 400-410 м/сек. Принимаем 400 м/сек, отсюда:

τ = 276/400= 0,7 сек

6. Рассчитываем теплоту, передаваемую радиантной камере печи:

Q_p = B ∙ Q_рⁿ ∙ η_т∙ μ [3, 286]

где

Q_{p –} количество тепла, переданного радиантным трубам, кДж/час;

B – расход топлива. Кг/час;

Q_рⁿ – теплота сгорания топлива, кДж/кг;

η_{т –} к.п.д. топки

μ – коэффициент прямой отдачи

Теплота сгорания топливного газа – 32 000 кДж/кг, коэффициент прямой отдачи – 0,2 [10, 538], к.п.д. топки – 0,9

Q_p = 13 000 ∙ 32 000 ∙ 0,9 ∙ 0,2 = 74 880 000 кДж/час

7. Рассчитываем поверхность нагрева радиантных труб:

Нр= Q_p/ q_р

где

Нр – поверхность нагрева радиантных труб, м²;

Q_{p -} количество тепла, переданного радиантным трубам, кДж/час;

q_р – средняя теплонапряженность по камере радиации, кДж/м² ,

Cредняя теплонапряженность по камере радиации равен 130 230 кДж/м² (10, 524)

Нр= 74 880 000 / 130 230 = 575 м²

8. Рассчитываем теплоту, передаваемую конвекционной камере печи:

Q_к=Q- Q_p

Q_к = 134 479 250,40–74 880 000 = 59 599 250,40 кДж/час = 16 555,35 Вт/час

9. Рассчитываем поверхность нагрева конвекционных труб:

F_k = Q_k/К [12, 545]

где

F_k - поверхность нагрева конвекционных труб, м²;

Q_k – количество тепла, воспринимаемого концекционными трубами, кДж/кг;

K – коэффициент теплопередачи от дымовых газов к сырью (12, 545)

Находим коэффициент теплопередачи от дымовых газов к сырью:

К = α₁ [12, 545]

α₁ = 1,1 (α_к + α_р) [12, 545]

α_р = 0,0256 t_ср – 2,33 [12, 545]

Согласно справочных данных [89] α_к = 9

К = α₁ = 1,1 ∙ [(0,0256 ∙260,5 – 2,33) + 9] = 14,67

Отсюда следует, что поверхность нагрева конвекционных труб:

F_k = 16 555,35 /14,67 = 1 128,52 м²

8. Выбор основного и вспомогательного оборудования

Основным оборудованием процесса пиролиза является печь пиролиза. Вспомогательным оборудованием является теплообменник, расположенный перед печью пиролиза предназначенный для нагрева бензина и закалочно-испарительный аппарат, предназначенный для закалки пирогаза с целью прекращения процессов пиролиза и предотвращения побочных реакций.

Расчет теплообменника:

Кожухотрубный теплообменник представляет собой аппарат, выполненный из пучков труб, собранных при помощи трубных решеток, и ограниченные кожухами и крышками со штуцерами. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из этих пространств разделено при помощи перегородок на несколько ходов. Перегородки устанавливаются с целью увеличения времени пребывания, следовательно, и интенсивности теплообмена между теплоносителями.

Бензин поступает в трубное пространство. Масло поступает в межтрубное пространство теплообменника. Наружный диаметр трубок принимаю равным 25×2 мм. Для определения характера течения в трубках ( критерий Re ) необходимо знать скорость газа. Для определения скорости предварительно вычисляю проточное сечение, определяемое количеством трубок. Далее рассчитываем:

1. Температурный режим аппарата.

Принимаем конечную температуру масла 100 ºС.

Принимаем противоточную схему движения теплоносителей

Определим расход теплоты и расход масла. Примем индекс «1» для горячего теплоносителя (масла), индекс «2» - для холодного теплоносителя (бензина).

1. Находим среднюю разность температур:

150

100 °С;

25

120° С;

t_б = 125°С t_м = 20°С

= 58,33°С

где

- средняя разность температур

2. Найдем среднюю температуру бензина:

t₂ = 0,5 (120 + 25) = 72,50 С;

3. Средняя температура масла:

= 72,50 + 58,33 =130,83 С

4. Находим количество теплоты, передаваемой бензину в теплообменнике:

Q=G₂·c₂(t_2к – t_2н)

где:

Q – тепловая нагрузка аппарата, кДж/кг

G₂ - массовый расход бензина, кг/час

с₂ = 2,03 кДж/кг∙град – теплоемкость бензина

Q=13000·2,03·95=2 507 050,00 кДж/час

5. Находим необходимое количество масла для нагрева бензина:

30 024,55 кг/час

где:

G – массовый расход масла, кг/час

c – удельная теплоемкость компонента, кДж/кг·°С

t_н – начальная температура компонента, °С

t_к – конечная температура компонента, °С

Q – тепловая нагрузка аппарата по бензину.

5. Объемный расход масла и бензина:

V=G/ρ·3600

где:

V – объемный расход веществ, м³/с

G – массовый расход веществ, кг/час

ρ – плотность веществ, кг/м³

V₁= 30 024,55 /880·3600=9,48·10^-3 м³/с

V₂=13 000,00/720·3600=5,02·10^-3 м³/с

6. Величину поверхности теплообмена определяю из уравнения [1,175]

;

где:

F – поверхность теплообмена, м²

К – коэффициент теплопередачи для данного типа оборудования, выбирается по таблице, кДж/час [1, 180],

– разность температур; °С

Q – количество теплоты, передаваемое в теплообменнике бензину, кДж/м² ∙ час ∙ град [1,175]

Из величины F следует, что проектируемый теплообменник может быть многоходовым. Поэтому для правильности расчета нужно сделать поправку

для многоходовых теплообменников.

Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Бензин направим в трубное пространство, так как это активная среда, масло - в межтрубное пространство.

7. В теплообменных трубах Æ25*2 мм по ГОСТ 15120-79 скорость течения смеси при Re > 10000 должна быть более. Для расчета критерия Рейнольдса:

Рассчитываем проточное сечение в трубном пространстве: [1,176]:

F₁ = 397

;

где:

f₁ – проточное сечение; м²

d₁ – диаметр трубопровода, м²

f₁ = 397

= 0,2 м²

13. Скорость движения в трубках [1,175]:

с₁ =

;

где V₁ – объемный масла при средней температуре, м³/час

f₁ – проточное сечение; м²

с₁ – скорость движения в трубках, м/с

с =

= 41,7 м/с