Энерготехнология

Энергетическое хозяйство химического предприятия включает собственно энергетические установки, энергетические элементы теплотехнических установок и энергетические элементы комбинированных энергохимико-технологических систем (ЭХТС), производящих технологическую и энергетическую продукцию, а также установки для использования вторичных энергетических ресурсов (ВЭР). Совершенствование энергетики химического производства связано с его интенсификацией, применением агрегатов большей единичной мощности, применением наиболее рациональных видов энергии и энергоносителей, повышением степени утилизации вторичных энергетических ресурсов, улучшением систем нормирования энергоресурсов, внедрением и оптимизацией ЭХТС, созданием безотходной по сырью и энергии экономически и экологически выдержанной технологии. Одной из главных целей оптимизации ЭХТС является минимизация потребления энергии при сохранении высокого выхода целевого продукта.

Преимущества комбинированного теплоиспользования перед раздельным производством технологической и энергетической продукции наиболее ярко выделяются при использовании эксергетического метода анализа, который позволяет определить предельные возможности процессов, источники потерь и пути их устранения, повысить эффективность ЭХТС и ее элементов.

Наиболее эффективен системный подход к оценке сложных ЭХТС при помощи эксергетического и энтропийного балансов, которые учитывают различную ценность энергоресурсов разной физической природы или разного потенциала, в отличии от простого энергетического баланса, не учитывающего перечисленных факторов и с особенностей процессов, связанных с различными проявлениями их необратимости.

Задача данного поверочного расчета при помощи термодинамического анализа оптимизировать разработанную ЭХТС на основе пиролиза углеводородного сырья, определив основные параметры системы и подобрав необходимое сырье (топливо, силовой пар и пар разбавления). @ B2 Описание технологической схемы на базе печи пиролиза этана. -l a- -a 1 > / 1 -y с b- -b с / к > к d -x d / пар насос / сепаратор / ^ / o o / e f g турбина // e // f / g 2 2 ЗИА p p теплообменник 2' > /// 2' Исходное сырье следующего состава и температуры поступает по трубам Состав исходной смеси кмоль/с на 1 трубу Параметры входа С 2Н 4 С 2Н 6 С 3Н 6 С 3Н 8 Та [К] D мм 0.00010 0.0138 0.00078 0.00080 378 102/8 из сечения а-а, в змеевик печи пиролиза где нагревается за счет теплоты отходящих газов до Тb = 468 К, а затем в сечении d-d разбавляется водяным паром.

Количество водяного пара = 0.01002 кмоль/с. Затем в змеевике данная смесь нагревается до температуры Те = 900 К. После этого, в радиантной зоне печи происходит пиролиз данной смеси до следующего состава: Состав конечной смеси кмоль/с на 1 трубу СН 4 С 2Н 4 С 2Н 6 С 3Н 6 С 4Н 6 С 6Н 6 С 4Н 10 СО 0.0034 0.0084 0.0046 0.00045 0.00019 0.00008 0.0001 0.0001 Давление на выходе из печи Pf = 3.5 бар.

Температура Tf = 1110 K. В целях экономии тепла, а также для получения энергии на базе печи пиролиза этана сооружают энерго-химико-технологическую схему, состоящую из закалочно-испарительного аппарата (ЗИА), паросилового цикла Ренкина, включающего в себя турбину, насос, теплообменник, змеевик и сепаратор. Тепло забирается от отходящих дымовых газов и конечных продуктов пиролиза этанового сырья.

Температура отходящих газов на выходе из печи = 250 С, а конечных продуктов Тg = 673 K. B3 Термодинамический анализ печи пиролиза этана @3.1 Материальный и тепловой баланс процесса пиролиза. 1. Поиск количества Н 2О. Поэлементный баланс по кислороду. Весь кислород в системе входит с водой, а выходит с водой и угарным газом.

Количество СО = Н 2О(вход)-Н 2О(выход) n(Н 2О) = 0.01002-0.0001 = 0.00992 кмоль/с м(Н 2О) = 0.00992*18 = 0.17856 кг/с 2. Пересчет на массовый и объемный расходы. м = n*М Вход м(С 2Н 4) = 0.00010*28 = 0.0028 кг/с м(С 2Н 6) = 0.01380*30 = 0.414 кг/с м(С 3Н 6) = 0.00078*42 = 0.03276 кг/с м(С 3Н 8) = 0.00080*44 = 0.0352 кг/с м(H 2O) = 0.01002*18 = 0.18036 кг/с Выход м(СН 4) = 0.0034*16 = 0.0544 кг/с м(С 2Н 4) = 0.0084*28 = 0.2352 кг/с м(С 2Н 6) = 0.0046*30 = 0.138 кг/с м(С 3Н 6) = 0.00045*42 = 0.0189 кг/с м(С 4Н 6) = 0.00019*54 = 0.01026 кг/с м(С 6Н 6) = 0.00008*78 = 0.00624 кг/с м(С 4Н 10)= 0.00010*58 = 0.0058 кг/с м(СО) = 0.0001*28 = 0.0028 кг/с Расчет количества сажи (баланс по углероду). Вход n(C) = 2*n(С 2Н 4)+2*n(С 2Н 6)+3*n(С 3Н 6)+3*n(С 3Н 8) = 2*0.00010+2*0.01380+3*0.00078+3*0.00080=0.03254 кмоль/с Выход n(C) = n(СН 4)+2*n(С 2Н 4)+2*n(С 2Н 6)+3*n(С 3Н 6)+4*n(С 4Н 6)+6*n(С 6Н 6)+ +4*n(С 4Н 10)+n(СО) = 0.0034+2*0.0084+2*0.0046+3*0.00045+ +4*0.00019+6*0.00008+4*0.00010+0.0001 = 0.03249 кмоль/с n(C) = 0.03254-0.03249=0.00005 кмоль/с м(C) = 0.00005*12=0.0006 кг/с 3. Поиск количества Н 2. Для опредления потока Н 2 необходимо взять разницу между входящим и выходящим потоками. м(Н 2) = 0.66512-0.65076 = 0.01436 кг/с n(Н 2) = 0.01436/2 = 0.00718 кмоль/с 4. Таблица материального баланса. приход расход Сажа в газовой фазе не присутствует, N вещество м [кг/с] N вещество м [кг/с] так что в дальнейших расчетах ее не 1 С 2Н 4 0.0028 1 СН 4 0.0544 учитываем. 2 С 2Н 6 0.414 2 С 2Н 4 0.2352 3 С 3Н 6 0.03276 3 С 2Н 6 0.138 4 С 3Н 8 0.0352 4 С 3Н 6 0.0189 5 H 2O 0.18036 5 С 4Н 6 0.01026 6 С 6Н 6 0.00624 7 С 4Н 10 0.0058 8 СО 0.0028 9 Н 2О 0.17856 10 Н 2 0.01436 11 C 0.0006 итого 0.66512 итого 0.66512 @3.2 Гидравлический расчет змеевика печи пиролиза этана e f d d / e f 9.5м / / Pf Ї -VdP = Ltef+ [(wf) 2+(we) 2]/2 + g(z f-z e) + Ф ef ї Pe 0.0325 - принятый коэффициент трения dвн - диаметр трубопровода = 86 мм L - длина змеевика (70-78) м p - плотность потока s - площадь сечения трубы По формуле Вейсбаха Рf-Pe = [0.0325*L*pw 2]/(2dэ) d э = 4*S/ П = d вн Р *V n = Р 1*V1 n n = ln[Pe/Pf]/ln[pe/pf] m = pe*we*se = pf*wf*sf sf = se = 3.1416*dвн 2/4 = 3.1416*0.086**2/4=0.005809 м¤ В интегральной форме баланс механической энергии выглядит так: [1] n *[(Pe/pe)-(Pf/pf)] = [1] (wf) 2 [1] -(we) 2 + Фef газы идеальные n-1 2 р e = Pe/ReTe р f = Pf/RfTf n = ln[Pe/Pf]/ln[pe/pf] R = 8314/M Фef = [0.0325*l/dвн]*w 2/2 Принимаем, что параметры меняются линейно вдоль длины трубы ( р = (pe+pf)/2 w = (we+wf)/2) Расчет молярных масс потоков Ме = сумма[MiYi] Mf = cумма[MjYj] Вещество ni Yi Mi Mi*Yi Ri С 2Н 4 0.00010 0.003922 28 0.109816 296.9286 С 2Н 6 0.01380 0.541176 30 16.235280 277.1333 С 3Н 6 0.00078 0.030588 42 1.284696 197.9524 С 3Н 8 0.00080 0.031373 44 1.380412 188.9545 H 2O 0.01002 0.392941 18 7.072938 461.8889 итого 0.02550 1.000000 Me Re поток е 26.0832 318.7492 Вещество ni Yi Mi Mi*Yi Ri pj СН 4 0.00340 0.098780 16 1.580480 519.6250 0.6068 С 2Н 4 0.00840 0.244044 28 6.833232 296.9286 1.0619 С 2Н 6 0.00460 0.133643 30 4.009290 277.1333 1.1378 С 3Н 6 0.00045 0.013074 42 0.549108 197.9524 1.5929 С 4Н 6 0.00019 0.005520 54 0.298080 153.9630 2.0480 С 6Н 6 0.00008 0.002324 78 0.181272 106.5897 2.9582 С 4Н 10 0.00010 0.002905 58 0.168490 143.3448 2.1997 СО 0.00010 0.002905 28 0.081340 296.9286 1.0619 Н 2О 0.00992 0.288205 18 5.187690 461.8889 0.6827 Н 2 0.00718 0.208600 2 0.417200 4157.0000 0.0759 итого 0.03442 1.000000 Mf Rf pf кг/м 3 поток f 19.30618 430.6393 0.7322 Из баланса механической энергии получили значения: wf = m/sf/pf = 0.66512/(0.005809*0.7322) = 156.388 м/с we = 58.033 м/с pf = 0.7322 кг/м 3 ре = 1.973 кг/м 3 Ре = 5.66 бар Lef = m((wf) 2-(we) 2)/2=0.66512*(156.388**2-58.618**2)/2=7029.45 Вт @3.3 Определение тепловой нагрузки участка e-f n*I = n*( Н ' 298 + a*(T-To) + 0.5*b*(T+To)*(T-To)) Вход : T+To = 900+298 = 1198 K T-To = 900-298 = 602 K Вещество a в Ср h Cp h(T-To) n dH 298 I КДж / км С 2 Н 4 11.32 0.12201 84.40 50808.84 0.00010 523000 573808.84 С 2 Н 6 5.75 0.17511 110.64 66605.28 0.01380 -84670 -18064.72 С 3 Н 6 12.44 0.18838 125.28 75418.56 0.00078 20410 95828.56 С 3 Н 8 1.72 0.27075 163.90 98667.89 0.00080 -103850 -5182.11 H 2O г 30.00 0.01071 36.42 21924.84 0.01002 -241810 -219885.16 Сумма n*I = -2324.58 КВт Выход : T+To = 1110+298 = 1408 K T-To = 1110-298 = 812 K В - во a в Ср h Cp h(T-To) n dH 298 I КДж / кмоль СН 4 14.32 0.07466 66.88 54306.56 0.00340 -74850 -20543.44 С 2 Н 4 11.32 0.12201 97.22 78942.64 0.00840 52300 131242.64 С 2 Н 6 5.75 0.17511 129.03 104772.36 0.00460 -84670 20102.36 С 3 Н 6 12.44 0.18838 145.06 117788.72 0.00045 20410 138198.72 С 4 Н 6 8.08 0.27322 200.43 162749.16 0.00019 110160 272909.16 С 6 Н 6 -21.09 0.40012 260.59 211599.08 0.00008 82930 294529.08 С 4 Н 10 18.23 0.30356 231.94 188335.28 0.00010 -126150 62185.28 СО 28.41 0.00410 31.30 25415.60 0.00010 -110530 -85114.40 Н 2 О 30.00 0.01071 37.54 30482.48 0.00992 -241810 -211327.52 Н 2 27.28 0.00326 29.58 24018.96 0.00718 0 24018.96 Сумма n*I = -663.54 КВт Qef = -663.54-(-2324.58) = 1661.04 КВт Qef = Qef + Lef = 1661.04+7.03 = 1668 КВт (с учетом мех. работы) @3.4 Эксергетический КПД процесса пиролиза. сумма(ni*Exi) + Ех(Qef) + L(t)ef = сумма(nj*Exj) + Def Ех(Qef) = Qef*(1-Toc/Tcp)= 1668*(1-298.15/1001.34)=1167.6 КВт Tcp = (Tf-Te)/ln(Tf/Te) = (1110-900)/ln(1110/900)=1001.34 K КПД = [ сумма (nj*Exj) - сумма (ni*Exi)]/ Ех (Qef) Вход Ex = Ex' 298 + Cp h(T-To) - Toc*Cp s*ln(T/To) + Toc*R*ln(P/Po) To = 298 К T = T е = 900 К Ср h = a + 0.5b * (T+To) Cp s = a + b * [(T-To)/ln(T/To)] T+To = 298+900 = 1198 K T-To = 900-298 = 602 К (T-To)/ln(T/To) = (900-298)/(ln(900/298)) = 544.65 K Toc*ln(T/To) = 298*ln(900/298) = 329.38 K Вещество a в Ср h Cp s Cp h(T-To) TocCp sln(T/To) С 2 Н 4 11.32 0.12201 84.40 77.77 50808.84 25615.88 С 2 Н 6 5.75 0.17511 110.64 101.12 66605.28 33306.91 С 3 Н 6 12.44 0.18838 125.28 115.04 75418.56 37891.88 С 3 Н 8 1.72 0.27075 163.90 149.18 98667.89 49136.91 H 2O г 30.00 0.01071 36.42 35.83 21924.84 11801.69 Вещество Ех 'K Дж / кмоль n(i) Y(i) ln[PYi]*Toc*R Ex K Дж / кмоль С 2 Н 4 1360000 0.00010 0.003922 -9421.26 1375771.70 С 2 Н 6 1494000 0.01380 0.541176 2792.28 1530090.65 С 3 Н 6 2001000 0.00078 0.030588 -4329.70 2034196.98 С 3 Н 8 2150000 0.00080 0.031373 -4266.90 2195264.08 H 2O г 8600 0.01002 0.392941 1998.85 20722.00 итого 0.02550 1.000000 Значит o бщая эксергия входа = сумма [n(i)*Ex(i)] = 24803.34 КВт Выход Ex = Ex' 298 + Cp h(T-To) - Toc*Cp s*ln(T/To) + Toc*R*ln(P/Po) To = 298 К T = Tf = 1110 К Ср h = a + 0.5b * (T+To) Cp s = a + b * [(T-To)/ln(T/To)] T+To = 298+1110 = 1408 K T-To = 1110-298 = 812 К (T-To)/ln(T/To) = (1110-298)/(ln(1110/298)) = 619.85 K Toc*ln(T/To) = 298*ln(1110/298) = 390.38 K Вещество a в Ср h Cp s Cp h(T-To) TocCp sln(T/To) СН 4 14.32 0.07466 66.88 60.60 54306.56 23657.03 С 2 Н 4 11.32 0.12201 97.22 86.95 78942.64 33943.54 С 2 Н 6 5.75 0.17511 129.03 114.29 104772.36 44616.53 С 3 Н 6 12.44 0.18838 145.06 129.21 117788.72 50441.00 С 4 Н 6 8.08 0.27322 200.43 177.44 162749.16 69269.03 С 6 Н 6 -21.09 0.40012 260.59 226.92 211599.08 88585.03 С 4 Н 10 18.23 0.30356 231.94 206.39 188335.28 80570.53 СО 28.41 0.00410 31.30 30.95 25415.60 12082.26 Н 2 О 30.00 0.01071 37.54 36.64 30482.48 14303.52 Н 2 27.28 0.00326 29.58 29.30 24018.96 11438.13 Вещество Ех 'K Дж / кмоль n(i) Y(i) ln[pYi]*Toc*R Ex K Дж / кмоль СН 4 830000 0.00340 0.009878 -2632.75 858016.78 С 2 Н 4 1360000 0.00840 0.024404 -390.77 1404608.33 С 2 Н 6 1494000 0.00460 0.013364 -1883.46 1552272.37 С 3 Н 6 2001000 0.00045 0.001307 -7645.59 2060702.13 С 4 Н 6 2500000 0.00019 0.000552 -9782.94 2583697.19 С 6 Н 6 3432000 0.00008 0.000232 -11927.34 3543086.71 С 4 Н 10 2803000 0.00010 0.000291 -11374.33 2899390.42 СО 275400 0.00010 0.000291 -11374.33 277359.01 Н 2 О 8600 0.00992 0.028820 21.51 24800.47 Н 2 235000 0.00718 0.020860 -779.77 246801.06 итого 0.03442 1.000000 Значит o бщая эксергия выхода = сумма [n(j)*Ex(j)] = 25893.81 КВт КПД ( Ех ) = [ сумма (ni*Exi) - сумма (ni*Exi)]/ Ех (Qef) КПД ( Ех ) = (25893.81-24803.34)/1167.6 = 0.934 Def = сумма (ni*Exi)- сумма (nj*Exj)+ Ех (Qef)+Lef Def = 24803.34-25893.81+1167.6+7.03=84.16 КВт @3.5 Энтропийный баланс процесса пиролиза сумма(nj*Sj) - сумма(ni*Si) = Qef/Tcp + Sнеобр S = S 298 + Cps*ln(T/To) - R*ln(P/Po) Qef = 1668 КВт Tcp = 1001.34 K Вход ln(T/To) = ln(900/298) = 1.105 R*ln(P/Po) = 8.314*ln(5.66/1) = 14.41 КДж / Кмоль Вещество a в n Cp s Cp*lnT/To S S*n С 2 Н 4 11.32 0.12201 0.00010 77.77 85.94 290.98 0.02910 С 2 Н 6 5.75 0.17511 0.01380 101.12 111.74 326.82 4.51012 С 3 Н 6 12.44 0.18838 0.00078 115.04 127.12 379.65 0.29613 С 3 Н 8 1.72 0.27075 0.00080 149.18 164.85 420.35 0.33628 H 2O г 30.00 0.01071 0.01002 35.83 39.59 213.90 2.14328 сумма 7.31491 Выход ln(T/To) = ln(1110/298) = 1.315 R*ln(P/Po) = 8.314*ln(3.5/1) = 10.416 КДж / Кмоль * К Вещество a в n(i) Cp s CplnT/To S S*n СН 4 14.32 0.07466 0.00340 60.60 79.69 255.54 0.86884 С 2 Н 4 11.32 0.12201 0.00840 86.95 114.34 323.37 2.71631 С 2 Н 6 5.75 0.17511 0.00460 114.29 150.29 369.36 1.69906 С 3 Н 6 12.44 0.18838 0.00045 129.21 169.91 426.43 0.19189 С 4 Н 6 8.08 0.27322 0.00019 177.44 233.33 501.65 0.09531 С 6 Н 6 -21.09 0.40012 0.00008 226.92 298.46 557.24 0.04458 С 4 Н 10 18.23 0.30356 0.00010 206.39 271.47 571.17 0.05712 СО 28.41 0.00410 0.00010 30.95 40.73 227.86 0.02279 Н 2 О 30.00 0.01071 0.00992 36.64 48.18 226.48 2.24668 Н 2 27.28 0.00326 0.00718 29.30 38.53 158.63 1.13896 сумма 9.08167 S необр = сумма (nj*Sj) - сумма (ni*Si) - Qef/Tcp S необр = 9.08167-7.31491-1668/1001.34 = 0.10086 КДж /( Кмоль * К ) Def = Toc*S необр = 298*0.10086=30.05628 B4 Горение.

Расчет ведется на 1 кмоль/с топлива @4.1 Материальный баланс таблица Шаболинское месторождение.

Состав газа. СН 4 С 2Н 4 С 3Н 8 С 4Н 10 С 5Н 12 Н 2 N 2 СО 2 р[кг/м 3] Q МДж/м3 89.67 5.2 1.70 0.50 0.10 0.03 2.7 0.1 0.799 37.4 Коэффициент избытка воздуха 1.03 Уравнение сгорания топлива без учета диссоциации 0.8967СН 4 + 0.052С 2Н 4 + 0.017С 3Н 8 + 0.005С 4Н 10 + 0.001С 5Н 12 + 0.0003Н 2 + 8.0685N 2 + 0.001СО 2 + 2.1387O 2 = 1.0777СО 2 + 1.9994Н 2О + 0.0623О 2 + 8.0685N 2 расчет стехиометрических коэффициентов в уравнении n(СО 2) = 0.8967+2*0.052+3*0.017+0.02+0.005+0.001 = 1.0777 n(H 2O) = (0.8967*2+2*0.052+0.017*4+0.005*5+0.001*6+0.003)= 1.9994 n(O 2) = 1.03*(1.0777-0.001+1.9994/2) =2.1387 n(N 2) = 3.76*2.1387+0.027 = 8.0685 Уравнение сгорания топлива с учетом диссоцциации выглядит следующим образом. СО 2 = СО + 0.5О 2 Н 2О = ОН + 0.5Н 2 х - Степень превращения СО 2 1-х х 0.5х 1-у у 0.5у у - Степень превращения Н 2О 0.8967СН 4 + 0.052С 2Н 4 + 0.017С 3Н 8 + 0.005С 4Н 10 + 0.001С 5Н 12 + +0.0003Н 2 + 8.0685N 2 + 0.001СО 2 + 2.1387О 2 = 1.0777(1-х)СО 2 + +1.0777(х)СО + 0.5389(х)О 2 + 1.9994(1-у)Н 2О + 1.9994(у)ОН + +0.9997(у)Н 2 + 0.0623О 2 + 8.0685N2 Определение мольных долей СО 2 и Н 2О сумма долей = 1.0777+1.9994+0.0623+8.0685=11.2079 Y(СО 2) = 1.0777/11.2079=0.09615 Р(СО 2)=100КПа*0.09622=9.615 КПа Y(Н 2О) = 1.9967/11.2079=0.17815 Р(Н 2О)=100КПА*0.17828=17.815 КПА @4.2 Энтальпийный баланс.

Определение Тад. Q = энтальпия выходного потока - энтальпия входного потока (при отсутствии работы на валу технического устройства ) При определении Тад Q = 0 Из графической интерполяции данных таблиц 2 и 3 получили зависимость степеней превращения СО 2 и Н 2О от температуры (см. таблицу) Т[К] Х(Р(СО2)=9.615КПа) У(Р(Н 2О)=17.815КПА) В результате обработки этих данных мето- 1873 0.0151 0.0052 дом МНК получили фор- 2073 0.046 0.0147 мульные зависимости 2173 0.077 0.0243 степеней превращения 2273 0.126 0.0351 от температуры: 2373 0.184 0.0528 x(Т) = 2.42377-2.5791*10 -3*Т+6.9086*10 -7*Т 2 y(Т) = 0.03511+3.06377*10 -5*Т-7.31057*10 -9*Т 2-4.0555*10 -11*Т 3+ +1.667*10 -14*Т 4 Определение энтальпии входного потока на один кмоль топлива Т=То=298.15К 0.8967*I(СН 4)+0.052*I(С 2Н 4)+0.017*I(С 3Н 8)+0.005*I(С 4Н 10)+0.001* *I(С 5Н 12)+0.0003*I(Н 2)+8.0685*I(N 2)+0.001*I(СО 2)+2.1387*I(О 2)= 0.8967*-74.85+0.052*52.30+0.017*-103.85+0.005*-126.15+0.001*-173.1+ +0.0003*0+8.0685*0+0.001*-393.51+2.1387*0 = -67.3612 МДж/кмоль Определение энтальпии выходного потока на один кмоль топлива Т=Тад=? x(T),y(T) см. выше 1.0777(1-х)*I(СО 2) + 1.0777(х)*I(СО) + 0.53890(х)*I(О 2) + 1.9994(1-у)*I(Н 2О) + 1.9994(у)*I(ОН) + 0.9997(у)*I(Н 2) + 0.0623*I( О 2) + 8.0685*I(N 2) = сумма nj*Ij I(СО2) = -393510+(44.14+0.5*0.00904*(T+298))*(T-298) КДж/кмоль I(СО) = -110530+(28.41+0.5*0.00410*(T+298))*(T-298) КДж/кмоль I(Н2О) = -241810+(30.00+0.5*0.01071*(T+298))*(T-298) Кдж/кмоль I(ОН) = 42100+(29.00+0.5*0.00400*(T+298))*(T-298) Кдж/кмоль I(Н2) = 0+(27.28+0.5*0.00326*(T+298))*(T-298) Кдж/кмоль I(О2) = 0+(31.66+0.5*0.00339*(T+298))*(T-298) Кдж/кмоль I(N2) = 0+(27.28+0.5*0.00427*(T+298))*(T-298) Кдж / кмоль Получаем уравнение вида сумма(nj*Ij)-сумма(ni*Ii)=F(T) решая которую получаем Тад = 2220 К @4.3 Эксергетический баланс Расчет ведем на один кмоль/с топлива. 0.8967*Ex(СН 4) + 0.052*Ex(С 2Н 4) + 0.017*Ex(С 3Н 8) + 0.005*Ex(С 4Н 10)+ + 0.001 *Ex(С 5Н 12) + 0.0003*Ex(Н 2) + 8.0685*Ex(N 2) + 0.001*Ex(СО 2)+ + 2.1387*Ex(О 2) = 1.0777(1-х)*Ex(СО 2) + 1.0777(х)*Ex(СО) + + 0.5389(х)*Ex(О 2) + 1.9994(1-у)*Ex(Н 2О) + 1.9994(у)*Ex(ОН) + + 0.9997(у)*Ex(Н 2) + 0.0623*Ex(О 2) + 8.0685*Ex(N 2) + dEx Ex = Ex' 298 + Cp h(T-To) - Toc*Cp s*ln(T/To) + Toc*R*ln(P/Po) Вход Так как газы входят при нормальных условиях и 298'15 К то вклад в эксергию компонентов вносят лишь нулевая химическая эксергия и эксергия смешения: Ex(вход) = Ex' 298 + Toc*R*ln(P/Po) Р/Ро = Y Y = n(i)/сумме n(i) Toc*R = 298.15*8.314=2478.8191 КДж/кмоль Вещество Ех 'KДж/кмоль n(i) Y(i) ln[Yi]*Toc*R Ex KДж/кмоль СН 4 830000 0.8967 0.080204 -6254.5 823745.5 С 2Н 4 1360000 0.052 0.004651 -13312.9 1346687.1 С 3Н 8 2150000 0.017 0.001521 -16083.5 2133916.5 С 4Н 10 2803000 0.005 0.000447 -19119.0 2783881.0 С 5Н 12 3455000 0.001 0.000089 -23119.6 3431880.4 Н 2 235000 0.0003 0.000027 -26076.4 208923.6 CО 2 20100 0.001 0.000089 -23119.6 -3019.6 О 2 3950 2.1387 0.191294 -4099.8 -149.8 N 2 700 8.0685 0.721678 -808.5 -108.5 итого 11.1802 1.000000 топливо 0.973 Значит oбщая эксергия входа=сумма[n(i)*Ex(i)] = 861172.033 КВт/кмоль Выход Ex = Ex' 298 + Cp h(T-To) - Toc*Cp s*ln(T/To) + Toc*R*ln(P/Po) To = 298 К T = T ад = 2220 К Ср h = a + 0.5b * (T+To) Cp s = a + b * [(T-To)/ln(T/To)] T+To = 298+2220=2518K T-To = 2220-298=1922 К (T-To)/ln(T/To) = (2220-298)/(ln(2220/298)) = 957.091 К Toc*ln(T/To) = 298*ln(2220/298) = 598.44 К x( Т ) = 0.1031 y( Т ) = 0.0283 Вещество a в Ср h Cp s Cp h(T-To) TocCp sln(T/To) СО 28.41 0.00410 33.3997 32.2361 64194.2234 19291.3717 СО 2 44.14 0.00904 55.1417 52.5760 105982.3474 31463.5814 Н 2 27.28 0.00326 31.2474 30.3222 60057.5028 18146.0174 N 2 27.28 0.00427 32.4766 31.2647 62420.0252 18710.0471 O 2 31.46 0.00339 35.5856 34.6235 68395.5232 20720.0873 H 2O г 30.00 0.01071 43.0341 39.9944 82711.5402 23934.2487 OH 29 0.00400 33.8680 32.7327 65094.2960 19588.5570 Мольные доли компонентов находим , из стехиометрических коэффициентов подставляя значения х(Т),у(Т) для веществ, подвергшихся диссоциации.

Вещество Ех 'KДж/кмоль n(i) Y(i) ln[Yi]*Toc*R Ex KДж/кмоль СО 275400 0.1111 0.009891 -10057.7122 310245.1395 СО 2 20100 0.9033 0.080421 -5491.6787 89127.0873 Н 2 235000 0.0283 0.002520 -13036.9554 263874.5300 N 2 700 8.0685 0.718343 -720.7708 43689.2073 O 2 3950 0.1215 0.010817 -9862.7214 41762.7145 H 2Oг 8600 1.9428 0.172969 -3823.0497 63554.2418 OH 157000 0.0566 0.005039 -11527.1476 190978.5914 итого 11.2321 1.000000 Значит oбщая эксергия выхода=сумма[n(j)*Ex(j)]=614307.4904 КВт/кмоль dEx =Ex(вход)-Ex(выход)=861172.033-614307.4904=246864.5426 КВт/кмоль КПД(Ех) = Ex(выход)/Ex(вход) = 614307.4904/861172.033 = 0.7133 B5 Термодинамический анализ химического реактора. @ 5.1 Энергетический баланс Qp = nв*q(н) + nв*Cp(в)*(T1-To) + nl*Cp(l)*(T1-To) Т1 = То = 298 К Т2 = Тперегиба = 1271 К по данным работы печи. Р1 = Р2 = Ро = 1 бар Q(потерь) = 0.08*Qef nj - стехометрические коэффициенты в уравнении сгорания топлива для выхлопных газов. Qp = Qef + 0.08*Qef + nв*сумма(nj*Cр{2})*(T2-To) nв = 1.08*Qef/(q(н)-сумма(nj)*сумма(Yj*Cp(j))*(T2-To) T+To = 298+1271 = 1569 K T-To = 1271-298 = 973 К (T-To)/ln(T/To) = (973)/(ln(1271/298)) = 671 K Toc*ln(T/To) = 298*ln(1271/298) = 432.1 K Для выхлопных газов без учета диссоциации можно записать Вещество a в Ср h Cp s Cp h(T-To) TocCp sln(T/To) СО 2 44.14 0.00904 51.36 50.30 49973.28 21734.63 N 2 27.28 0.00427 30.69 30.19 29861.37 13045.10 O 2 31.46 0.00339 34.17 33.77 33247.41 14592.02 H 2Oг 30.00 0.01071 38.56 37.39 37518.88 16156.22 Вещество Ех 'KДж/кмоль n(i) Y(i) ln[Yi]*Toc*R Ex KДж/кмоль СО 2 20100 1.0777 0.096155 -5804.88 42533.77 N 2 700 8.0685 0.719894 -814.67 16701.60 O 2 3950 0.0623 0.005559 -12870.86 9734.53 H 2Oг 8600 1.9994 0.178392 -4272.92 25689.74 итого 11.2079 1.000000 Значит oбщая эксергия выхода = сумма[n(j)*Ex(j)]=232566.03 КВт/кмоль сумма(nj)*сумма(Yj*Cp(j))*(T2-To) = 11.2079*34.1*973=371870.28 КВт nв = 1.08*Qef/(q(н)-сумма(nj)*сумма(Yj*Cp(j))*(T2-To) nв = 1.08*1668/(837760-371870.28)=0.00387 Кмоль/с @ 5.2 Эксергетический баланс реактора КПД(Ех) = [1] [сумма{f}nj*Exj - сумма{e}ni*Exi] [сумма{1}Yi*Exi - сумма{2}Yj*Exj]*nв КПД(Ех)= (25893.81-24803.34)/(0.00388*(861172.03-232566.03))=0.447 B6 Термодинамический анализ процесса теплообмена КПД(реактора) = КПД(Т/О)*КПД(ад.горения)*КПД(пиролиза) КПД(Т/О) = КПД(реактора)/(КПД(ад.горения)*КПД(пиролиза)) КПД(Т/О) = 0.447/(0.7133*0.934) = 0.671 @ B7 Разработка энерго-химико-технологической схемы на базе печи @ Bпиролиза этана. -l a- -a 1 > / 1 -y с b- -b с / к > к d -x d / пар насос / сепаратор / ^ / o o / e f g турбина // e // f / g 2 2 ЗИА p p теплообменник 2' > /// x = 0.98 2' Параметр 1 2s 2' 4 o p f g Р [бар] 120 0.05 0.05 120 120 120 3.5 3.5 T [K] 813 306 306 468 596 596 1110 673 h [КДж/кг] 3465 2130 137 834 1482 2665 @7.1 Энергетический баланс закалочно-испарительного аппарата. Qfg = сумма [n(j)*I(j)] - сумма [n(j)*I(j)] Qop = сумма [n(j)*I(j)] - сумма [n(j)*I(j)] -Qfg = Qop + Qпотерь Принимаем Qпотерь пренебрежимо малым. В отсутствии химической реакции Y(j) = Y(i) n(i) = n(j) Po = Pp = 120 бар Pf = Pg = 3.5 бар To = Tp = 596 K Tg = 673.15 K Qfg = ( сумма [n(i)*I(j)] - сумма [n(i)*I(i)]) Qop = m( пар )*[h(p х ) - h'(o)] h'(o) = 353.9 ккал / кг = 1481.71 КДж / кг h' = 642.5 ккал / кг h(p х ) = h'*x + h'(a)*(1-x) = 642.5*0.98+343.9*0.02=636.53 ккал / кг h(p х ) = 636.53 ккал / кг = 2665.02 КДж / кг из энергетического баланса участка e-f известно сумма [n(i)*I(i)] = -663.54 КВт сумма [n(i)*I(j)] = n(j)*[dH 298 + Cp(j)*(Tg-To)] Tg+To = 673+298 = 971 K Tg-To = 673-298 = 375 K В - во a в Ср h Cp h(T-To) n dH 298 I КДж / кмоль СН 4 14.32 0.07466 66.88 25080.00 0.00340 -74850 -49770.00 С 2 Н 4 11.32 0.12201 97.22 36457.50 0.00840 52300 88757.50 С 2 Н 6 5.75 0.17511 129.03 48386.25 0.00460 -84670 -36283.75 С 3 Н 6 12.44 0.18838 145.06 54397.50 0.00045 20410 74807.50 С 4 Н 6 8.08 0.27322 200.43 75161.25 0.00019 110160 185321.25 С 6 Н 6 -21.09 0.40012 260.59 97721.25 0.00008 82930 180651.25 С 4 Н 10 18.23 0.30356 231.94 86977.50 0.00010 -126150 -39172.50 СО 28.41 0.00410 31.30 11737.50 0.00010 -110530 -98792.50 Н 2 О 30.00 0.01071 37.54 14077.50 0.00992 -241810 -227732.50 Н 2 27.28 0.00326 29.58 11092.50 0.00718 0 11092.50 сумма [n(i)*I(j)] = -1700.52 Qfg = ( сумма [n(i)*I(j)]- сумма [n(i)*I(i)])=-1700.52+663.54= -1037 КВт m( пар ) = -Qfg/[h(p х )-h'(o)] = 1037/(2665.02-1481.71) = 0.87636 кг /c @7.2 Паросиловой цикл Ренкина. Из-за частично-необратимых процессов в компрессоре и насосе для расчета реальных величин вводим два изоэнтропных КПД КПД(турб) = 0.92 КПД(насос) = 0.6 [1] 7.2.1 Участок 1-2. а) Обратимый dq = 0 бs = 0 dФ = 0 q(1,2s) = h(2s) - h(1) + l(1,2s) l(1,2s) = h(1) - h(2s) = 3465-2130 = 1335 КДж / кг б) Необратимый КПД(турб) = [h(1)-h(2d)]/[h(1)-h(2s)] h(2d) = h(1)-КПД(турб)*[h(1)-h(2s)] = 3465-0.92*1335 = 2236.8 КДж/кг [1] 7.2.2 Участок 2-2'. а) Обратимый dP = 0 l(1,2s) = 0 l(1,2d) = 0 q(2,2') = h(2') - h(2s) + l(1,2s) = 137-2130 = -1993 КДж / кг б) Необратимый q(2,2') = h(2d') - h(2d) + l(1,2d) h(2') = Cp(H 2O)*t = 4.185*32.81 = 137.3 КДж/кг h(2d') = q(2,2') + h(2d) = -1993+2236.8 = 243.8 КДж/кг [1] 7.2.3 Участок 2'-4. а) Обратимый dq = 0 бs = 0 dФ = 0 q(2',4s) = h(4s) - h(2') + l(2',4s) l(2',4s) = h(2') - h(4s) = 137.3-834 = -696.7 КДж / кг б) Необратимый КПД(насос) = [h(2')-h(4s)]/[h(2d')-h(4d)] h(4d) = h(2d')-[h(2')-h(4s)]/КПД(насос)=243.8+696.7/0.6=1405 КДж/кг [1] 7.2.4 Участок 4-1. а) Обратимый dP = 0 l(4s,1) = 0 l(4d,1) = 0 q(4s,1) = h(1) - h(4s) + l(4s,1) = 3465-834 = 2631 КДж / кг б) Необратимый q(4d,1) = h(1) - h(4d) + l(4d,1) = 3465-1405 = 2060 КДж/кг [1] 7.2.5 Цикл целиком Lц = m(пар)*lц qц = lц qц = q(4,1)+q(2,2') = 2631-1993 = 638 КДж/кг lц = l(1,2)+l(2',4) = 1335-697 = 638 КДж/кг L ц = 0.87636*638 = 559 КВт КПД (th) = l ц /q(4,1) = 638/2631 = 0.2425 КПД (Ex) = l ц /Ex[q(4,1)] = 638/1322 = 0.4826 Ex[q(4,1)] = q(4,1)*(1-Toc/Tcp) = 2631*(1-298/599)=1322 КДж / кг Tcp = q(4,1)/(S(1)-S(4)) = 2631/(6.65-2.26) = 599 K S(4) = Cp(H 2O)*ln(T(4)/Tr) = 4.184*ln(468/273) = 2.26 КДж / кг *K B8 Кинетические расчеты @8.1 Кинетический расчет поверхности радиантной зоны печи. n(в)*q*КПД(цикла) = Qрад + n(топ.газов)*Ср(топ.газов)*(Т2-Тос) Qрад = Qр.з = Qлуч + Qконв Qконв = [2.04*(Т2-О) 0.25]*Fтруб*(Т2-О) О = (Те+Тf)/2 + (30 Ў 40) = (900+1110)/2 + (30Ў40) Qлуч = Cs*Hs*[(T2/100) 4 - (O/100) 4] Cs = 5.66 Вт/м¤К 4 Т2 = 1271 К Нл = К*Нпл = К*[S(n-1)+dн]*lпол Hs - эквивалентая поверность абсолютно черного тела s - шаг между центрами труб = 2*dн K - коэф. формы n - число труб dн - 102 мм lпол - полезная длина змеевика = 9.5 м К = 2*(0.65+0.21) = 1.72 для двух рядов горелок и двух рядов труб b = 2+S*sqrt(3)/2 = 2+2*0.102*sqrt(3)/2 = 2.177 м / / lг = 10 м / / h h = (n-1)*S+0.5s+2*dн = 32*2*0.102+3*0.102=6.834м n = n(общ)/2 = F/(3.14*dн*lг*2) n = 206/(3.14*0.102*10*2) = 33 трубы / / / / lг Fсум = b*lг+2*lг*h+2*b*h Fсум = 2.177*10+2*10*6.834+2*2.177*6.834=188.2 м¤ b Hл = 1.72*(2*0.102*32+0.102)*9.5 = 108.33 м¤ Fнеэкр = Fсум - Hл = 188.2-108.33 = 79.87 м¤ Hs = Ev/Ф(т)*[Hл*Eh + в*Ef*Fнеэкр] Ф ( т ) = 0.85 Eh = Ef = 0.9 a = 1.03 Ev = 2/(1+2.15*1.03) = 1-exp(-0.96/a) = 0.61 p = H л /(H л +F неэкр ) = H л /F сум = 79.87/188.2 = 0.424 в = 1/[1+Ev/(1-Ev)*1/(Eh*p)] = 1/(1+0.61/(0.39*0.9*0.424)) = 0.196 Hs = 0.61/0.85*(108.33*0.9+0.196*0.9*79.87) = 80 м ¤ О = (900+1110)/2+40 = 1045 К Qконв = 2.04*(1271-1045)**0.25*206*(1271-1045)=368500 Вт Qлуч = 5.66*80*(12.71**4-10.45**4) = 6416769 Вт Qрад = Qконв + Qлуч = 372.7+6416.8 = 6789.5 КВт 4*Qef = 1668*4 = 6672 КВт @8.2 Расчет конвекционной зоны печи пиролиза [1] 8.2.1 Определение промежуточных температур в конвекционной зоне Ta = 378 K = 105 C Tb = Td = 463 K = 190 C Tc = 468 K = 195 C Tk = 596 K = 323 C Tl = 523 К = 250 С а) Участок l-y Qab = сумма [n(j)*I(j)] - сумма [n(i)*I(i)] + Lab Qyl = сумма [n(j)*I(j)] - сумма [n(i)*I(i)] + Lyl Qab = - Qyl Но на участке аb нет химической реакции n(i) = n(j) h = Cp(T-To) Вещество a в n h(a) h(b) h(b)-h(a) С 2Н 4 11.32 0.12201 0.00010 6832.72 11260.24 4427.52 С 2Н 6 5.75 0.17511 0.01380 8441.83 14113.97 5672.14 С 3Н 6 12.44 0.18838 0.00078 9894.62 16403.13 6508.51 С 3Н 8 1.72 0.27075 0.00080 12120.36 20424.37 8304.01 5.915 0.18038 0.01548 8694.75 14537.00 5842.25 Qab = сумма[n(i)*dh(i)] = 90.44 КВт Для выхлопных газов без учета диссоциации можно записать Вещество a в Срh (l) n(i) Y(i) h(l) КДж/кмоль СО 2 44.14 0.00904 47.85 1.0777 0.096155 10766.25 N 2 27.28 0.00427 29.03 8.0685 0.719894 6531.75 O 2 31.46 0.00339 32.85 0.0623 0.005559 7391.25 H 2Oг 30.00 0.01071 34.39 1.9994 0.178392 7737.75 29.40 0.00587 31.82 11.2079 1.000000 7158.84 M(газов) = 27.78 кг/кмоль Cp(газов) = сумма[Y(i)*Cp(i)] = 34.1 КДж/Кмоль сумма(nj)*сумма(Yj*Cp(j))*(T2-To) = 11.2079*34.1*973=371870.28 КВт Qab = n(газов)*[h(y)-h(l)] = n(газов)*Cp(газов)*[Ty-Tl] Qпар = m(пар)*(h(1)-h(px)) = 0.87636*(3465-2665) = 701 КВт n(в) = [1.08*(Qef+Qпар)]/[q(n)-сумма(nj)*Cp(газов)*(T2-Toc)] n(в) = (1.08*(1668+701))/(837760-371870.28)=0.0055 Кмоль/с n(газов) = n(в)*сумма(n(j)газов) n(газов) = 0.0055*11.2079=0.06165 Кмоль/с q(n) = Vm*Q(н) = 22.4*37400 = 837760 КДж/кмоль h(y) = Qab/n(газов)+h(l)= 90.44/0.06165+7158.84=8625.83 Ty = 568 K б) Участок у-х m(вода)*(h(k)-h(c)) = n(газов)*(h(x)-h(y)) h(x) = m(вода)(h(k)-h(c))/n(газов) + h(y) h(x) = 0.87636*4.186*(353.9-199.3)/(0.06165)+8625.83 = 17825.2 Вт T(x) = 842 K в) Участок х-2 n(газов)*(h(2)-h(x)) = n(смеси)*(h(e)-h(d)) h(d) = h(e) - n(газов)*(h(2)-h(x))/n(смеси) h(d) = 50262.03-0.06165*(33086.9-17825.2)/0.0255 = 13364.63 КДж/км*с T(d) = 515 K [1] 8.2.2 Определение температуры пара разбавления в сечении d. dq = 0 dP = 0 d пар T=? > сумма [n(i)I(i)] = сумма [n(j)I(j)] n( эт )*h(b) + n( пар )*h( пар ) = n( смеси )*h(d) h( пар ) = [n( смеси )*h(d)-n( эт )*h(b)]/n( пар ) h( пар ) = (0.0255*13364.63-0.01548*14537)/0.01002 = 11553.42 T( пар ) = 628 K P = 12 бар @8.3 Определение поверхности теплообмена конвекционной зоны.

Примем ориентировочный коэффициент теплообмена Кор = 35 Вт/(м¤К). Q кз = Кор *F кз *dTcp = сумма [n(j)*I(j)] - сумма [n(i)*I(i)] + L(de) Q кз = сумма [n( смеси )*(h(e)-h(d)] Q кз = 0.0255*(50262.03-13364.63) = 940884 Вт dTcp = [(T2-Te)-(Tx-Td)]/ln[(T2-Te)/(Tx-Td)] dTcp = ((1271-900)-(842-515))/ln((1271-900)/(842-515)) = 348.54 K tcp = (T2+Tx)/2 = (998+569)/2 = 784 C F кз = Q кз /( Кор *dTcp) = 940884/35/348.54 = 77.13 м ¤ Определение общего числа труб в конвекционной зоне, расположенных в шахматном порядке с шагом 1.7-2 dн. Число труб в ряду 4-6 штук. dн = 102 мм , lпол = 9.5 м шаг s = 200 мм n(общ) = F/(3.1416*dн*lпол) = 77.13/(3.1416*0.102*9.5)=25.34 штуки в качестве приближения примем 5 рядов по 5 труб.