Паровая конверсия природного газа

Приход тепла:

,

где 100 - объем природного газа, поступающего на конверсию с  добавкой азотоводородной смеси;  2,1717 - средняя теплоемкость сухого смешанного  газа от 0 до 525⁰С, кДж/(м³*⁰С); 350 – общее количество водяного пара от 0 до 525⁰С, кДж/(м³*⁰С), 1,5960- средняя теплоёмкость водяного пара от 0 до 525⁰С, кДж/(м³×⁰С)

Для определения  теплотворной способности природного газа принимаем  следующие значения теплотворной способности  отдельных углеводородов (кДж/м³):

CH₄ – 35840; C₂H₆ – 63760; C₃H₈ – 91020; C₄H₁₀ – 118650; C₅H₁₂ – 146080.

Низшую теплотворную способность 1м³ природного газа можно рассчитать, используя данные таблицы 2.

 

Температуру природного газа и воздуха, поступающих на сжигание в горелках, принимаем равной 0⁰С,тогда:

Q₂=36761 кДж.

Всего поступает тепла:

 

Расход тепла:

Тепловой эффект реакции  согласно закону Гесса определяем из разности:

Q₃=SQ_к-SQ_н,

где SQ_н – алгебраическая сумма теплот образования соединений в конечной парогазовой смеси; SQ_к – алгебраическая сумма теплот образования соединений в начальной парогазовой смеси.

Принимаем следующие значения теплот образования (DH) соединений при 0⁰С (кДж/м³): CO₂ – 17547; CO – 4932; H₂O – 10789; CH₄ – 3295; C₂H₆ – 3697; C₃H₈ – 4517; C₄H₁₀ – 5489; C₅H₁₂ – 6364.

Тогда расход тепла с учетом таблиц 1 и 2 будет:

 

V_вл.г=316710/45000=704

 

где  704 – объем влажного газа на выходе из печи; 1,5814 – средняя теплоемкость влажного газа на выходе от 0 до 825⁰С.

Для вычисления Q₅ определяем количество и состав дымовых газов при сжигании 1 м³ природного газа до CO₂ и H₂O.

Теоретический расход О₂ на сжигание:

Расход воздуха на сжигание при коэффициенте избытка воздуха  α равном 1,25:

 

в том числе  ; ; .

Количество и состав дымовых  газов, образующихся при сжигании 1 м³ природного газа при α=1,25:

Таблица 5

	м3	об.%
CO2	1,045	7,6
O2	0,513	3,7
N2	9,51	68,9
Ar	0,122	0,9
H2O	2,605	18,9
Всего	13,795	100

 

При сжигании x м³ природного газа образуется 13,795 м³ дымовых газов. Средняя теплоемкость влажных дымовых газов от 0 до 1040⁰С равна 1,5180 кДж/(м³*⁰С). Отсюда,

 

Потери тепла в окружающую среду Q₆ по практическим данным принимаем равными 83740 кДж на 100 м³ природного газа, подвергаемого конверсии.

Общий расход тепла:

Уравнение теплового баланса  печи:

 

откуда  

Из сводного теплового  баланса трубчатой печи  (табл.3) видно, что теплота сгорания природного газа составляет около 99,001% от общего прихода  тепла. Значительное количество тепла, выносимого дымовыми газами (59,2% от общего расхода тепла), используется в блоке  теплоиспользующей аппаратуры, расположенном  за радиантной секцией трубчатой  печи и имеющем с ней общие  металлоконструкции. Здесь дымовые  газы охлаждаются с 1040 до 160⁰С.

Таблица 4 – Тепловой баланс трубчатой печи

Приход тепла	Количество		Расход тепла	Количество
	кДж	%		кДж	%
Со смесью природного газа и водяного пара при 525°С	407279	0,01	С парогазовой смесью на выходе из печи при 825°С		0,03
Теплота сгорания природного газа	3523179032	99,99	С дымовыми газами на выходе из печи при 1040°С	2087203520	59,2
			Теплота реакций при 0°С		40,7
			Потери в окружающую среду	83740	0,002
Всего	3523586311	100		3523583432	100

 

7 Обоснование выбора реактора

 

Количество тепла, передаваемого  через стенки реакционных труб, на основании теплового баланса  трубчатой печи (см. табл. 4) составит:

 

Принимаем температуру стенок реакционных труб 950°С, а тепловое напряжение в расчете на внутреннюю поверхность труб 271,5*10⁷ кДж/(м²/час).

Тогда необходимая внутренняя поверхность нагрева реакционных  труб составит:

 

Принимаем реакционные трубы  внутренним диаметром 72 мм, наружным диаметром 114 мм (толщина стенки труб 21,5 мм) и длиной облучаемой части 9,6 м.

Необходимое количество реакционных  труб:

 

Материал труб - жаропрочная  сталь типа Х25Н20С2. Принимаем трубчатую  печь из 12 реакционных камер  по 42 трубы в каждой камере.

Общий объем никелевого катализатора в трубах:

0,785*0,072²*9,6*504=19,7 м³

Объемная скорость в расчете  на природный газ при 0°С и 760 мм.рт.ст,:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7 – Многорядная трубчатая  печь типа Kellog:

 

 

1 – топочная (радиационная) камера; 2 – реакционная труба; 3 – нижний  коллектор; 4 – секционная газоотводящая  труба; 5 – футеровка; 6 – газоход; 7 – сводовая инжекционная горелка; 8 – газосборный коллектор; 9 –  система пружинной подвески; 10 –  газоподводящая труба; 11 – газоотводящий  коллектор; 12 – конвективная камера; 13 – газоход вспомогательного  котла; 14 – дополнительные горелки; 15 – 2 ступень пароперегревателя; 16 – подогреватель паровоздушной  смеси; 17 – подогреватель парогазовой  смеси; 18 – 1 ступень пароперегревателя; 19 – экономайзер; 20 – подогреватель  топливного газа.

На рис.7 и 8 показаны разрез и общий  вид трубчатой печи такого типа (ППР-1360). В топочной камере установлены 12 параллельных секций, каждая из которых имеет 42 реакционные трубы, центробежнолитые, из стали 0Х20Н25С2. Диаметр трубы 114X21 мм, высота 11 м, длина обогреваемой части 9,6 м. Трубы вварены в нижний секционный коллектор с шагом 230 мм. Коллектор, диаметр которого 142Х>19 км, снаружи теплоизолирован. Реакционные трубы подвешены к несущим балкам на пружинах. В центре секции установлена подъемная труба, соединяющая секционный коллектор со сборным газоходом-2.

Трубный экран каждой секции по условиям монтажа состоит из 3 ча- стей, шаг между крайними трубами которых больше, чем 230 мм. Этим обусловлена неравномерность освещения труб экрана, что приводит к перегреву части экранных труб. Секции труб свободно висят в топочном пространстве камеры. Кольцевые зазоры между реакционными трубами и сводом -топочной камеры уплотняют огнеупорными сальниковыми устройствами.

 

 

 

 

 

                                                  

 

Рисунок 8 – Общий вид топочной (радиационной) камеры многорядной трубчатой печи:

1 – водяная рубашка; 2 — общий футерованный коллектор конвертированного газа; Я — люк-лаз; 4 — сборные газоходы; 5 —нижние секционные коллекторы; 6 — футеровка; Т — дополнительные горелки; 8 — газоотводящая секционная труба; 9— реакционные трубы; 10 — газоподводящне трубы; 7 — основные горелки камеры; 12 — корпус камеры; JJ — смотровое окно; 14 — коллекторы парогазовой смеси.

 

 

 

 

 

Заключение

Тема курсового проекта  посвящена проектированию реактора паровой конверсии природного газа, работающей в составе установки  конверсии аммиака.

Установка конверсии природного газа необходима для крупнотонажного  производства аммиака, который в  свою очередь необходим для функционирования многих отраслей промышленности.

Аммиак используется в  основном для получения азотной  кислоты и карбомидов, которые  используются в производстве гербицидов, меламина, нитролаков, тротила, аммонитов  и др.

Сложно представить отрасль  хозяйства, в которой бы не использовался  аммиак, получаемый путем двухступенчатой  конверсии СО.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

1.А. Г. Аншиц, Е. Н.  Воскресенская. Окислительная конденсация  метана – новый процесс переработки  природного газа.

2.Сосна М.Х., Энтин Б.М., Лейтес И.Л. Нонограммы для  определения состава газа конверсии  метана//Химическая промышленность. – 1989. - №7. - с.59

3.Крейндель Э.М. Конверсия  метана природного газа. Л.:-1964.

4.Г.С. Яблонский. Кинетические  модели гетерогенно-каталитических  реакций. Элементы теории кинетики  сложных химических реакций. Глава  1. В сб.: Химическая и биологическая  кинетика / Под ред. Н.М. Эмануэля, И.В. Березина, С.Д. Варфоломеева. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1983.

5.Водород. Свойства, получение,  хранение, транспортирование, применение: Справ. изд./Д.Ю. Гамбург, В.П.  Семенов, , Л.Н. Смирнова; Под ред.  Д.Ю. Гамбурга, Н.Ф. Дубовкина. –  М.: Химия, 1989.

6.Кутепов,А.М.-Общая химическая  технология./А.М.Кутепов - М.: Высшая  школа,1985.