Технологический расчет и эксергетический анализ конверсии метана и процесса горения. Разработка энергохимико-технологической системы путем составления энергетического баланса горения и оценки расхода топлива. Расчет механической мощности турбокомпрессора.
Аннотация к работе
В первый ступени, которой служит трубчатая печь, совершается конверсия метана с водяным паром; во второй ступени, которой является шахтный реактор, конверсия метана осуществляется кислородом воздуха. Очищенный от тяжелых фракций во входном холодильнике-конденсаторе (на схеме не показан) природный газ (в данной работе - метан) сжимается турбокомпрессором ТК от давление Р6 до давления Р7. Охлаждение осуществляется водой в охладителе ОХ. Пройдя аппарат сероочистки (на схеме не показан) нагретый до температуры Т8 газ смешивается с водяным паром и подается в трубчатую печь, в первую ее ступень - подогреватель газовой смеси ПГС. Конвертируемый газ после радиантных труб РТ трубчатой печи ТП направляется с параметрами Р9, Т9 в конвертор второй ступени - шахтный реактор (на схеме не показан).Мольные потоки на выходе: Прореагировало: Поэлементный материальный баланс: а) по "H": б) по "C" : в) по "O" : Массовый поток на выходе (проверка правильности материального баланса):Исходные данные: Температура на входе в реактор и выходе из него: T8=573K, T9=1073K.Газовые смеси подчиняются законам идеальных газов. Баланс кинетической энергии записывается в виде: Давление P8 на входе в реактор ищем методом итераций: Определяем величины, не изменяющиеся в ходе итераций: Массовый расход парогазовой смеси: Сечение пучка труб Потеря давления в реакторе происходит за счет трения и за счет местных сопротивлений. Вязкость газовой смеси определяем как среднее арифметическое средних вязкостей на входе в реактор и выходе из него: Компонент= 0,603Процесс протекает изобарно при давлении 1атм (или близком к нему). Исходные компоненты и продукты сгорания рассматриваются как идеальные газы. Воздух, подаваемый в камеру сгорания, рассматривается как двухкомпонентная система с объемным соотношением компонентовC учетом того, что ?изб=1,01, уравнение реакции запишется в виде: 0,4CH4 0,5C3H8 3,465O2 13,028N2 0,1N2 > Рассматриваемый процесс является стационарным процессом, совершающимся в открытой термодинамической системе. В этом случае энергетический баланс записывается в виде: Полученное балансовое выражение является энтальпийным балансом: Энтальпия компонента на входе в камеру сгорания равна стандартной энтальпии образования ; на выходе - определяется из соотношения: Энтальпии компонентов на входе в камеру сгорания.Для сечения 2-2 эксергии компонентов определяем по формуле: (вывод формулы - см. Мольные доли компонентов: Эксергии компонентов: Компонент Вся тепловая мощность, полученная при охлаждении топочных газов от температуры адиабатного горения до температуры T2=1835К, передается смеси метана и воды.Эксергетический КПД химического реактора определяется из соотношения: Зависимость эксергии компонента от температуры и парциального давления выражается соотношением: Сечение 1-1: T1=Toc=T0=298,15K ; P1= P?=1 атм Эксергии компонентов: Компонент O2 3,95 0,198 0 Эксергиями компонентов воздуха пренебрегаемДопущение: участвующие в теплообмене газы рассматриваются как идеальные.Исходные данные: Давление метана на входе в компрессор P6=8 бар Температура на входе в компрессор Т6=300К Давление метана на выходе из компрессора принимается равным давлению газовой смеси на входе в реактор, P7=P8=35 бар (см.Массовый поток метана: Механическую мощность турбокомпрессора находим по формуле Степень сжатия газа в ступени полагаем ?=3; Значит, турбокомпрессор - двухступенчатый, z=2. Работа обратимого процесса (удельная): Внешняя работа (работа реального процесса): Механическая мощность турбокомпрессора: Графическое представление процесса сжатия в турбокомпрессоре.Расчет проводится как для реального цикла, так и для теоретического. 3’-4 - Реальный процесс в насосе. 4-1 - Реальный процесс в котле-утилизаторе. Эти таблицы показывают справедливость 1 закона термодинамики для циклических процессов: qц=lц . Энергетический баланс: Зависимость энтальпии топочных газов от температуры в расчете на 1 кмоль топлива (без учета диссоциации продуктов сгорания): (см.В данной работе рассмотрена упрощенная схема процесса конверсии метана. В данной ЭХТС производится утилизация тепла топочных газов; эта ЭХТС не требует энергозатрат, т.к. механическая мощность паротурбинной установки достаточно велика для удовлетворения потребностей данной ЭХТС в механической работе (турбокомпрессор, питательный насос) и в электроэнергии (насос, подающий холодную воду в водооборотном цикле); возможно также получение некоторого дополнительного количества электроэнергии, которую можно использовать в различных целях.
План
Содержание
1. Введение
2. Описание технологической схемы
3. Технологический расчет и эксергетический анализ конверсии метана
3.1 Материальный баланс конверсии метана
3.2 Энергетический баланс
3.3 Баланс механической энергии
3.4 Эксергетический КПД процесса конверсии метана
4. Технологический расчет и эксергетический анализ процесса горения
4.1 Материальный баланс процесса горения
4.2 Энергетический баланс
4.3 Эксергетический баланс
5. Разработка ЭХТС на базе печи конверсии метана
5.1 Энергетический баланс горения, определение расхода топлива
5.2 Эксергетический анализ химического реактора
6. Процесс теплообмена
6.1 Эксергетический анализ
6.2 Расчет турбокомпрессора
6.3 Определение механической мощности турбокомпрессора
6.4 Парасиловой цикл Ренкина
6.4.1 Аналитический расчет парасилового цикла
6.4.2 Определение механической мощности ПСЦ
6.4.3 Определение термического КПД ПСЦ
6.4.4 Определение эксергетического КПД ПСЦ
Выводы
Список литературы
Введение
Технологические газы - смесь Н2, СО, СО2, Н2О и некоторых других - используют в агрегатах синтеза аммиака и метанола.
Преимущественно их получают путем двухступенчатой конверсии углеводородных газов, в основном, метана. В первый ступени, которой служит трубчатая печь, совершается конверсия метана с водяным паром; во второй ступени, которой является шахтный реактор, конверсия метана осуществляется кислородом воздуха. В данной работе берется в расчет только первая ступень конверсии.
Очищенный от тяжелых фракций во входном холодильнике-конденсаторе (на схеме не показан) природный газ (в данной работе - метан) сжимается турбокомпрессором ТК от давление Р6 до давления Р7. Турбокомпрессор - двухступенчатый. После сжатия в первой ступени метан охлаждается до исходной температуры T6. Охлаждение осуществляется водой в охладителе ОХ. Для охлаждения воды используется градирня Г. Подача охлажденной воды осуществляется насосом Н.
Пройдя аппарат сероочистки (на схеме не показан) нагретый до температуры Т8 газ смешивается с водяным паром и подается в трубчатую печь, в первую ее ступень - подогреватель газовой смеси ПГС. Трубчатая печь состоит из двух последовательно включенных по ходу газа теплообменников: конвективного подогревателя ПГС и радиантных труб РТ. Конвективный и радиантный подогреватели конструктивно представляют систему параллельно включенных труб. Радиантные трубы содержат насадку-катализатор в форме колец Рашига или таблеток.
Химический процесс конверсии метана эндотермический, поэтому для осуществления такого превращения необходим подвод теплоты конвертируемому газу. С этой целью в топке-печи сжигается топливо. Конвертируемый газ после радиантных труб РТ трубчатой печи ТП направляется с параметрами Р9, Т9 в конвертор второй ступени - шахтный реактор (на схеме не показан). Дальнейший ход данного процесса в работе также не рассматривается.
Дымовые газы, образовавшиеся при сжигании топлива в топке трубчатой печи, передают теплоту конвертируемому газу в РТ и ПГС, потом воде и водяному пару в котле-утилизаторе КУ. Котел-утилизатор состоит из водяного экономайзера ВЭ, парового котла ПК, паросборника-сепаратора (на схеме не показан), пароперегревателя ПП.
После того как дымовые газы, передав теплоту воде в водяном экономайзере, покинут парогенератор, они с температурой 450К проходят очистку и выбрасываются дымососом D через дымовую трубу в атмосферу (в данной работе эти процессы не рассматриваются).
Питательная вода для парогенератора подается питательным насосом ПН сначала в водяной экономайзер ВЭ, затем в барабан паросборника ПС.
Из парогенератора выходит перегретый пар с параметрами Р1,Т1. Перегретый пар, получаемый в парогенераторе, используется в паровой турбине ПТ для привода турбокомпрессора и насоса, а также и для других целей, если мощность турбины превосходит суммарную мощность турбокомпрессора и насоса. После совершения работы на лопатках турбины пар конденсируется в конденсаторе К при давлении 0,05 бар и снова подается питательным насосом в парогенератор. Вода, используемая в конденсаторе К для охлаждения водяного пара, также охлаждается с помощью градирни Г.
Вывод
В данной работе рассмотрена упрощенная схема процесса конверсии метана. Рассчитаны основные составляющие этой схемы. Учтены технологические особенности данного процесса. Определены КПД, характеризующие процессы, протекающие в данной системе. Полученные результаты удовлетворяют физическим представлениям.
В данной ЭХТС производится утилизация тепла топочных газов; эта ЭХТС не требует энергозатрат, т.к. механическая мощность паротурбинной установки достаточно велика для удовлетворения потребностей данной ЭХТС в механической работе (турбокомпрессор, питательный насос) и в электроэнергии (насос, подающий холодную воду в водооборотном цикле); возможно также получение некоторого дополнительного количества электроэнергии, которую можно использовать в различных целях.
Список литературы
1. Смирнов В.А., Шибаева Л.Ф., Миносьянц С.В. Термодинамические расчеты основных процессов в энергохимико-технологических системах. Учебное пособие. - М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1988. - 68 с.
2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов / Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. - 10-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987. - 576 с., ил.