Тепловой баланс

 

Приход теплоты

,

где: – физическая теплота паро-газовой смеси, кДж;

– физическая теплота сжигаемого газа, (расходуемого на обогрев трубчатой печи), кДж;

– физическая теплота, вносимая воздухом, поступающим в печь, кДж;

– теплота сгорания природного газа, кДж.

 

= V_г · с_г · t° + V(Н₂О) · с(Н₂О) · t°,

 

где: с_г и с(Н₂О) – средние теплоемкости при 360° сухого газа и водяного пара соответственно, кДж/(м³·К);

 

= 100 · 1,965 · 380 + 250 · 1,555 · 380 = 223000 кДж.

 

Пусть для обогрева печи необходимо сжечь х м³ природного газа, тогда:

 

Q_сг=ΔН_сг · х,

 

где: ΔН_сг – теплота сгорания 1 м³ природного газа, определяемая исходя из теплот сгорания компонентов газа (табл.3) и его состава, кДж/м³.

 

 

Таблица 3

Теплоты сгорания углеводородов ΔН_сг (У) при 18°С и 1·10⁵ Па (кДж/кмоль):

 

У	ΔНсг(У)	У	ΔНсг(У)
СН4		С3Н8
С2Н6		С4Н10

 

ΔН_сг= 889500 · 0,978/22,4 + 1558 · 0,005/22,4 + 2297800·0,002/22,4+

+ 2870000·0,001/22,4 = 39540 кДж

 

Q_сг=39540·х, кДж.

Теплота, вносимая сжигаемым газом при 18°С:

 

х · с_г · t_н,

 

где: с_г – средняя теплоемкость газа при 18°С, кДж/(м³·К)

 

х · 2,08 · 18 = 37,4·х, кДж.

 

Общий приход тепла (кроме тепла, вносимого в печь воздухом, количество которого будет рассчитано ниже), кДж:

=223000 + 39540·х +37,4·х = 223000 + 39577,4·х.

 

Расход теплоты

,

 

где: – теплота, расходуемая на проведение эндотермических реакций конверсии, кДж;

– теплота конвертированного газа, кДж;

– теплота дымовых газов, кДж;

– потери теплоты в окружающее пространство, кДж.

Q_р определяем в соответствии с законом Гесса для реакций (а)- (д):

Q_р = ΣΔН_f(пр) – ΣΔН_f(исх),

 

где: ΔН_f(пр) и ΔН_f(исх) – энтальпии образования продуктов реакции и исходных веществ соответственно, кДж/м³.

 

Q_p=ΔН_f(СН₄) · V^к(СН₄) + ΔН_f(СО) · V^к(СО) + ΔН_f(СО₂) · V^к(СО₂) + + ΔН_f(Н₂О) · V^к(Н₂О) - ΔН_f(СН₄) · V(СН₄) - ΔН_f(С₂Н₆) · V(С₂Н₆) – - ΔН_f(С₃Н₈) · V(С₃Н₈) - ΔН_f(С₄Н₁₀) · V(С₄Н₁₀) - ΔН_f(Н₂О) · V(Н₂О) = -3300 · 32,9 – 4930 · 33,8 – 7600 · 33,1 – 10800 · 150 + 3300 · 97,8 + 3680 · 0,5 + 4520 · 0,2 + 5480 · 0,1 + 10800 · 250 = 535000 кДж

 

Теплота влажного конвертированного газа при 700°С:

 

=V_к · с_к · t^к,

где: V_к – объем влажного конвертированного газа, м³;

с_к – его средняя теплоемкость, при температуре t^к, кДж/(м³·К).

=483,8 · 1,55 · 700 = 524000 кДж.

Для определения найдем количество дымовых газов, образующихся при сжигании 1 м³ природного газа до СО₂ и Н₂О при коэффициенте избытке воздуха α=1,25. Необходимое количество кислорода для сжигания 1 м³ газа и состав дымовых газов определим по реакциям:

 

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О (е)

С₂Н₆ + 3,5О₂ = 2СО₂ + 3Н₂О (ж)

С₃Н₈ + 5О₂ = 3СО₂ + 4Н₂О (з)

С₄Н₁₀ + 6,5О₂ = 4СО₂ + 5Н₂О (и)

Для сжигания 1 м³ газа необходим следующий объем кислорода:

V(O₂) = α(V(CН₄)·2 +V(C₂Н₆)·3,5 + V(C₃Н₈) · 5 +V(C₄Н₁₀) · 6,5) = 1,25(0,978 ·2 + 0,005 ·3,5 + 0,002 ·5 + 0,001 ·6,5) = 2,49 м³;

Это соответствует 21% (об). в составе воздуха, следовательно, необходимое количество воздуха составит:

 

V(возд) = V(О₂) · 100/21 = 2,49 · 100/21 = 11,8 м³.

Содержание азота в воздухе:

V(N₂) = 11,8 – 2,49 = 9,31 м³.

Количество водяного пара, поступающего с воздухом при 18°С и влажности воздуха φ=0,016 м³/м³:

 

V^возд(Н₂О) = V(возд) · φ = 11,8 · 0,016 = 0,19 м³.

 

Определим состав дымовых газов при сгорании 1 м³ газа: образуется в соответствии с уравнениями (е)-(и):

–СО₂: V^дым(СО₂)=0,978·1+0,005·2+0,002·3+0,001·4=0,998 м³

–Н₂О: V^обр(Н₂О)=0,978·2+0,005·3+0,002·4+0,001·5=1,984 м³.

 

Останется кислорода:

V^дым(О₂) = 2,49 – 2,49/1,25 = 0,5 м³.

Газ содержит водяных паров (с учетом влажности воздуха):

V^дым(Н₂О) = V^обр(Н₂О) + V^возд(Н₂О) = 1,984 + 0,19 = 2,174 м³.

 

Состав дымового газа занесем в таблицу 4:

Таблица 4

Состав дымового газа (при сжигании 1 м³ газа)

 

Компонент	СО2	О2	N2	Н2О	Всего
V, м3	0,998	0,500	9,310	2,174	12,982 13
w, % (об)	7,7	3,9	71,7	16,7

 

Расход теплоты с дымовым газом составит:

= V_дым · с_дым · t_дым = 13 · х · 1,48 · 800 = 15450·х, кДж

 

Приход теплоты с поступающим в печь воздухом (при 18°C):

 

= (V(возд) · с(возд) + V^возд(Н₂О) · с(Н₂О)) · t_n · x =

= (11,8 · 0,983 + 0,19 · 1,79) ·18 · х = 218х, кДж

 

Уравнение теплового баланса трубчатой печи с учетом теплопотерь в окружающую среду (4% от прихода):

 

0,96(22300 + 39577х + 218х) = 535000 + 524000 + 154500х;

Откуда х =37,3 м³.

После подстановки значения х находим, кДж:

= 39540 х = 39540 · 37,3 = 1473000;

= 37,4 х = 37,4 · 37,3 = 1390;

= 218 х = 218 · 37,3 = 8120;

= 15450х = 15450 · 37,3 = 578000.

Расход влажного воздуха, подаваемого в топку:

 

V^вл(возд) = (V(возд) + V^возд(Н₂О)) · х = (11,8 + 0,19) · 37,3 = 447 м³.

 

Количество дымового газа:

 

V_дым = 13 · х = 13 · 37,3 = 485 м³.

 

Занесем результаты расчета теплового баланса в таблицу 5.

 

Тепловой баланс трубчатой печи

 

Приход	кДж	%	Расход	кДж	%
Физическая теплота паро-газовой смеси ()		13,14	Теплота затраченная на реакции ()		31,40
Физическая теплота сжигаемого газа ()		0,08	Теплота конвертированного газа ()		30,70
Физическая теплота вносимая воздухом ()		0,48	Теплота дымовых газов ()		33,90
Теплота сгорания природного газа ()		86,30	Теплопотери	1705510 · 0,04 = 67510	4,00
Итого		100,00	Итого		100,00

 

Варианты для самостоятельного расчета

Составить материальный и тепловой балансы трубчатой печи для конверсии природного газа.

 

	Вариант 1	Вариант 2	Вариант 3
Состав природного газа (об.%): CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 N 2	0,3 0,1 0,3 0,2 1,1	0,5 0,1 0,2 1,0 1,2	96,5 0,8 0,8 0,4 1,5
Отношение объемов пар:газ в исходной смеси	3:1	2:1	2,5:1
Степень конверсии газа по углероду, %
Температура, 0С: - парогазовой смеси на входе в печь - на выходе из печи - дымовых газов на выходе
Потери тепла в окружающую среду, % от прихода тепла		3,5

Соотношение между СО и СО₂ в конвертированном газе соответствует равновесию реакции

СО + Н₂О = СО₂ + Н₂

при температуре газа на выходе из печи

Расчет выполнить на 100 м³ природного газа.