5. Тепловая нагрузка печи, ее к.П.Д. И расход топлива

Полезное тепло печи равно:

Q_полезн=Q₁ + Q_p

где Q₁ – расход тепла на нагревание смеси газов в реакционном змеевике, кВт; Q_p – расход тепла на реакцию, кВт.

Температура сырья перед реакционным змеевиком должна быть ниже той, при которой начинается реакция пиролиза [2, с. 35]. Согласно литера­турным данным, некаталитическое превращение пропилена в этилен начина­ется при 883 К [4, с.18], а пропана в этилен – при 923 К [2,с.43]. Поэтому в нашем расчете примем температуру входа сырья в реакционный змеевик Т_н = 873К.

Количество тепла, затрачиваемого на нагревание парогазовой смеси (сырье и водяной пар) от Т₁ = 308 К до Т_н = 873К, найдем по формуле:

Q₁ = (G + Z)(q₈₇₃ – q₃₀₈)

где G=ΣG_i = 10000 кг/ч – количество сырья; Z=2300 кг/ч – количество водя­ного пара; q₈₇₃ ,q₃₀₈ – энтальпии парогазовой смеси соответственно при Т_н = 873К и Т₁ = 308 К, кДж/кг.

Результаты расчета энтальпий сведены в таблицу 10, из которой сле­дует, что q₈₇₃ = 1560,968 кДж/кг и q₃₀₈ = 63,389 кДж/кг.

Таблица 10

Комп.	Т1 = 308				Тн = 873				Т = 1042
	мас. доля	qi, кДж/кг	qi*Xi	мас. доля		qi, кДж/кг	qi*Xi	мас. доля		qi, кДж/кг	qi*Xi
H2	0,0003	502,00	0,1263	0,0003		8750,00	2,202	0,0103		11650,00	120,370
CH4	0,0205	80,40	1,6457	0,0205		1897,00	38,829	0,1648		2743,00	451,949
C2H4	0,0253	57,40	1,4494	0,0253		1452,00	36,664	0,2835		2080,00	589,714
C2H6	0,1145	64,50	7,3858	0,1145		1690,00	193,519	0,1002		2453,00	245,846
C3H6	0,0846	57,00	4,8199	0,0846		1451,00	122,696	0,1287		2092,00	269,323
C3H8	0,5546	62,80	34,8282	0,5546		1658,00	919,508	0,0591		2400,00	141,841
C4	0,0134	62,00	0,8296	0,0134		1647,00	22,037	0,0080		2370,00	18,937
H2O	0,1870	65,80	12,3041	0,1870		1206,00	225,512	0,1870		1640,00	306,667
C5	0,0000	62,00	0,0000	0,0000		1638,00	0,000	0,0521		2353,00	122,531
C2H2	0,0000	62,00	0,0000	0,0000		1283,00	0,000	0,0063		1764,00	11,057
Cумма	1,0000		63,389	1,0000			1560,968	1,0000			2278,235

Ввиду небольшого давления в змеевике печи его влияние на этальпию не учитывается.

Получим:

Q₁ = (10000+2300)(1560,968-63,389) = 18420224,23 кДж/ч = 5116,7 кВт.

Тепло Q₁ вычислено с некоторым избытком, так как начальная темпе­ратура перегретого водяного пара, подаваемого в змеевик печи, значительно выше начальной температуры (Т₁=308 К) сырья.

Расход тепла на реакцию и нагревание в реакционном змеевике, или количество радиантного тепла печи, определим по формуле:

Q_p = Q_п + Q₂

где Q_п - расход тепла на реакцию пиролиза, кВт; Q₂ - расход тепла на нагре­вание парогазовой смеси от Т_н = 873 К (сырье и водяной пар) до Т = 1061К (пирогаз и водяной пар), кВт.

Расход тепла на реакцию пиролиза:

Q_п = ΔH ΣG’_i

где ΔH – тепловой эффект реакции, кДж/кмоль сырья; Σ G’_i=257,96 кмоль/ч – часовое количесвто молей сырья.

Тепловой эффект реакции найдем по уравнению:

ΔH = H₂ – H₁

где H₁ и H₂ – соответственно теплоты образования исходного сырья и пиро­газа, кДж/моль.

Теплоты образования H₁ и H₂ можно определить путем суммирования парциальных теплот образования компонентов соответственно сырья и пиро­газа при конечной температуре Т реакции.

При температуре Т = 1061К теплоты образования компонентов сырья и пирогаза и расчет значений H₁ и H₂ приведены в таблице 11.

Таблица 11

Компо­нент	Теплота об­разования ΔHf, кДж/моль	Сырье			Пирогаз
		мол. доля	Xi'∙ΔHf	C'i выход, кмоль/кмоль сырья		C'i∙ΔHf
H2	0	0,006	0,00	0,2463		0,00
CH4	-90280	0,061	-5507,08	0,4910		-44329,35
C2H2	223000	0	0,00	0,0115		2563,49
C2H4	38080	0,043	1637,44	0,4828		18385,39
C2H6	-106500	0,182	-19383,00	0,1593		-16964,85
C3H6	-428	0,096	-41,09	0,1462		-62,56
C3H8	-130000	0,601	-78130,00	0,0640		-8326,00
C4	-156600	0,011	-1722,60	0,0066		-1028,68
C5	-181300	0,000	0,00	0,0345		-6252,38
Сумма	-	1,000	-103146,33	1,6422		-56014,94
			Н1			Н2

Теплота реакции:

ΔH = H₂ – H₁ = -56014,94 – (-103146,33) = 47131,39 кДж/моль сырья

Расход тепла на реакцию пиролиза:

Q_п = ΔH G’_i =47131,39*257,96 = 12157919,96 кДж/ч = 3377,20 кВт

Количество тепла, которое затрачивается на нагревание парогазовой смеси от от Т_н = 873 К (сырье и водяной пар) до Т = 1061 К (пирогаз и водя­ной пар):

Q₂ = (G + Z)(q₁₀₆₁ – q₈₇₃) = (10000+2300)(2278,235 – 1560,968) =

= 8822376,174 кДж/ч = 2450,7 кВт

Величина q₁₀₆₁ = 2278,235 кДж/кг взята из табл. 10.

Подставляя числовые значения величин в формулу для расчета количе­ства радиантного тепла печи, получим:

Q_p = 3377,20+2450,7 = 5827,9 кВт

Полезное тепло печи:

Q_полезн = 5116,7+5827,9 = 10944,6 кВт

Потери тепла печью в окружающую среду q₁ примем равными 7% от рабочей теплоты сгорания топлива Q_р^н, в том числе, в камере радиации 5 %, в камере конвекции 2%.

Примем температуру уходящих из печи дымовых газов Т_ух = 673 К (с последующим их охлаждением в котле-утилизаторе). Тогда по графику q – Т (рис.2) найдем их энтальпию: q₂ = 9100 кДж/кг.

Теперь найдем к.п.д. печи:

Расход топлива:

B = =кг/ч