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 º С.

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:

t ₂ = 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 = G ₂ · c ₂ ( 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 Æ 25*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]:

F ₁ = 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

8. Число труб, обеспечивающих такой режим, должно быть:

 

т.е. число труб n < 245.

9. Рассчитываем проточное сечение в межтрубном пространстве: [1, 176]:

F ₂ = 397  ;

 

где:

f₂ – проточное сечение; м²

d₂ – диаметр трубопровода, м²

 

f₂ = 397  = 199, 45 м²

 

10. Скорость движения в межтрубном пространстве: [1, 175]:

С₂ =  ;

где V₂ – объемный масла при средней температуре, м³/час

f₂ – проточное сечение; м²

с₂ – скорость движения в трубках, м/с

 

с =  = 0, 2 м/с

 

Выберем вариант теплообменника

Теплообменник «кожухотрубный» D = 600; d = 25*2; z=4; n/z = 206; L = 6 м.

Скорость течения в трубах, для обеспечения турбулентного режима, должна быть более 41, 7 м/с.

а) Трубное пространство. Определим критерии Рейнольдса и Прандтля для масла:

9. Критерий Рейнольдса:

Re ₁ = G ₁ /[0, 785 d _вн ( n / z ) m ₁

 

где Re₁ – критерий Рейнольдса,

G₁ – расход нагревающего масла, м³/час,

d_вн –диаметр трубок = 0, 03,

m₁ – вязкость масла, 1, 2·10^-3 Па·с

 

Re₁ = 30 024, 55 /[0, 785× 0, 025(52/2) 1, 2 × 10^-3 = 40 863, 07

 

10. Режим движения турбулентный в этом случае критерий Нуссельта:

Nu₁ = 0, 021Re₁^{0, 8}Pr₁^{0, 42}(Pr₁/Pr _{ст 2} )^{0, 25},

 

где Рr₂ = 10, 02 – критерий Прандтля для бензина при 20 °С

Принимаем в первом приближении отношение (Pr₂/Pr_ст2)^{0, 25} = 1, тогда

 

Nu = 0, 021× 40 863, 07^{0, 8}× 101, 72^{0, 43} = 0, 021·987·7, 3=605, 24

 

б) Межтрубное пространство. Определим критерии Рейнольдса и Прандтля для масла:

11. Критерий Рейнольдса:

Re ₂ = G ₂ /[0, 785 d _вн ( n / z ) m ₂

 

где Re₂ – критерий Рейнольдса,

G₂ – расход бензина м³/час, d_вн – внутренний диаметр трубок, м

 

Re₂ = 13000/[0, 785× 0, 8(206/4) 0, 22 × 10^-3 = 18 270, 64

 

12. Режим движения турбулентный в этом случае критерий Нуссельта:

Nu₂ = 0, 021Re₂^{0, 8}Pr₂^{0, 42}(Pr₂/Pr _{ст 2} )^{0, 25},

 

где Рr₂ = 10, 02 – критерий Прандтля для бензина при 20 °С

Принимаем в первом приближении отношение (Pr₂/Pr_ст2)^{0, 25} = 1, тогда

 

Nu = 0, 021× 18 270, 64^{, 8}× 10, 02^{0, 43} = 0, 021·2130, 68·2, 69=120, 36

Расчет закалочно-испарительного аппарата:

Рассчитываем закалочно-испарительный аппарат для охлаждения пирогаза объемом 21 558, 67 от температуры 840°С до температуры 370°С. Далее расчет ведем по примеру из [3, 205]

1. Температурная схема для противотока:

840 370

220 25

Δ t_м=620 Δ t_б=345

 

2. Средняя разность температур:

Δ t _ср = Δ t _м - Δ t _б / ln Δ t _б / Δ t _м = 620 - 345/ln1, 8 = 275/0, 58 = 474°С

 

3. Средняя температура пирогаза:

 

Δ t_{пирогаза} = 840+370/2=605°С

 

4. Средняя температура воды:

 

Δ t_воды = 25+220/2=122, 5°С

 

5. Подсчет тепла, выделяемого при охлаждении пирогаза от 840°С до 370°С, ведется по отдельным компонентам:

 

Н2	169, 01
CH4	2591, 37
C2H4	3061, 55
C3H6	3 061, 55
Ароматические УВ	2 756, 04
С7	764, 85
Вода	7002, 77

 

6. Весовое количество газов:

 

Н2	169, 01·0, 0898= 15, 18 кг/час
CH4	2 591, 37·0, 717= 1 858, 01 кг/час
C2H4	5 213, 08·1, 26= 6 568, 48 кг/час
C3H6	3 061, 55·1, 91= 5 847, 56 кг/час
Ароматические УВ	2 756, 04·2, 01= 5 539, 64 кг/час
С7	764, 85·2, 51= 1 919, 77 кг/час
Вода	7 002, 77·0, 52= 3 641, 44 кг/час
	∑ Gт= 25 390, 08кг/час

 

7. Количество теплоты, необходимое для охлаждения компонентов определяем по формуле:

q = G ( c_s ) · Δ t _{пирогаза}

 

где

q - количество теплоты, необходимое для охлаждения компонентов, кДж/час

G – количество вещества, кг/час

c_s – теплоемкость компонента, кДж/кг · °С

Δ t _{пирогаза} – средняя температура конечной и начальной температуры пирогаза, равная 195°С

Охлаждение водорода:

 

q_Н2=169, 01·14, 3·605= 1 462 190, 01 кДж/час

 

Охлаждение метана:

 

q_CH4=2 591, 37·2, 23·605= 3 496 146, 84 кДж/час

 

Охлаждение этилена:

 

q_С2Н4=5 213, 08·1, 53·605= 7 033 226, 88 кДж/час

 

Охлаждение пропилена:

q_С3Н6=3 061, 55·1, 64·605= 3 037 669, 91 кДж/час

 

Охлаждение ароматических УВ:

 

q_{аром.УВ}=2 756, 04·1, 7·605= 2 834 587, 14 кДж/час

 

Охлаждение фракции С₇

 

q_С7 =764, 85·2, 2·605= 1 018 015, 35 кДж/час

 

Охлаждение воды:

 

Q_воды =7 002, 77·1, 8·605= 7 626 016, 53 кДж/час

 

8. Общее количество тепла, передаваемое в ЗИА:

 

Q_общ= q_Н2 + q_CH4 + q_С2Н4 + q_С3Н6 + q_{аром.УВ} + q_С7 + Q_воды = 1 462 190, 01 + 3 496 146, 84 + 7 033 226, 88 + 3 037 669, 91 + 2 834 587, 14 + 1 018 015, 35 + 7 626 016, 53 = 26 507 852, 66 кДж/час

 

Полученный данные сводим в таблицу теплового баланса

9. Находим расход воды для охлаждения пирогаза:

M_s = Q / c_s · Δ t

 

где:

M_s – расход воды, кг/час

Q – общее количество теплоты, передаваемое ЗИА, ккал/час

c_s – теплоемкость воды, кДж/кг · °С

Δ t - температура конечной и начальной температуры пирогаза, равная 605°С

 

M_s = 26 507 852, 66 /1, 8·605= 24 341, 46 кг/час

 

Полученный данные сводим в таблицу материального баланса

10. Рассчитываем проточное сечение [1, 176]:

f = 397  ;

 

где:

f – проточное сечение; м²

d – диаметр трубопровода, м²

 

f = 397  = 0, 5 м²

 

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

с =  ;

 

где V – объемный расход воды при средней температуре, м³/час

 f – проточное сечение; м²

 с – скорость движения в трубках, м/с

 

 с =  = 10, 55 м/с

 

14. Рассчитываем поверхность теплообмена:

F = Q / Δ t · k

 

Где К – коэффициент теплопередачи для данного типа оборудования, выбирается по таблице [1, 180], К = 600 кДж/м² ∙ час ∙ град;

 – разность температур; °С

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

 

F = 26 507 852, 66 /605 · 600 = 73, 02 м²

 

15. Отсюда длина труб:

L = F /π d_{c р}

L = 73, 02/3, 14·0, 0275 = 845, 63 м

 

15. При длине труб, равной 8 м получаем количество труб:

 

n = 845, 63: 6 = 140, 94 трубка

 

Исходя из этих расчетов выбираем 4-х ходовой теплообменник с поверхностью теплообмена 97 м² и количеством трубок 206

16. Критерий Рейнольдса [1, 175]:

Re = G /[0, 785 d _вн ( n / z ) m ₂

Re=25 390, 08/0, 785·0, 03·206/4·2, 8·10^-3=34 766, 67

 

Значение Re =14 093, 71 соответствует турбулентному типу течения

Контроль производства

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: