Федеральноеагентство по образованию.
Государственноеобразовательное учреждение высшего профессионального образования.
Самарскийгосударственный технический университет.
Кафедра:«Химическая технология и промышленная экология»
Расчеттеплоутилизационной установки вторичных энергоресурсовКурсовая работа по курсу: «Техническойтермодинамика и теплотехника»
Вариант 15
Выполнил:студент III – ХТ – 2
Степанов А. А.
Руководитель:старший преподаватель,
доценткафедры «ХТПЭ» Финаева Н. В.
Самара
2006 г.
Содержание:
1.Введение. 3
2. Постановка задачи. 5
3.Описание технологическойсхемы… 5
4. Технологический расчёт. 6
4.1 Подготовка исходных данных по топливномугазу и водяному пару. 6
4.2. Расчет процесса горения в печи. 8
4.3. Тепловой баланс печи, определение КПД печии расхода топлива. 11 4.4. Гидравлический расчет змеевикапечи……………………………….......135. Тепловой баланс котла-утилизатора(анализ процесса парообразования)..156. Тепловойбаланс воздухоподогревателя. 19
7. Тепловой баланс скруббера(КТАНа)……………………………………….20
8. Расчет энергетического КПД тепло-утилизационной установки. 21
9. Расчет эксергетического КПД процесса горения. 21
10. Заключение. 22
Введение
Химический комплекс,оказывая существенное воздействие на ускорение научно-технического прогресса вотраслях-потребителях его продукции, превосходит средние удельные показатели поэнергоемкости в 2-3 раза. При этом следует учитывать, что в химических отрасляхпромышленности потребление топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) определяетсяусловиями протекания химических реакций, сопровождаемых тепловым эффектом, и вобозримом будущем не следует ожидать его снижения.
В последние годыструктура потребления ТЭР менялась незначительно, несмотря на существенный ростэнергетических затрат в отрасли (за период с 1985 по 2000 г. – в два раза). В виде тепловой энергии потребляется 48,3%, электроэнергии – 30,2% ипервичного топлива – 12,5% (без учета топлива, используемого в качестве сырья).
В химическойпромышленности непосредственное потребление топлива на энергетические целисоставляет около 1/8 суммарного энергопотребления. Около 40% сжигается впромышленных котельных и на ТЭУ для производства тепловой и электрическойэнергии. Остальная часть топлива (преимущественно твердого и газообразного)используется в технологических установках.
В отраслях химическогокомплекса основной источник потерь энергии связан с путями ее использования.Например, КПД процесса синтеза аммиака колеблется в пределах 40-50% взависимости от вида сырья. Энергетический КПД для обычных методов получениявинилхлорида – 12-17%, для синтеза NO – всего лишь 5-6,5% и т.д. Высокотемпературные химические процессы(>4000С) сопровождаются потерями энергии, достигающими в среднем 68%.
Подобное состояние делопределяется не только объективными причинами. По традиции химики-технологи воглаву угла ставят вопросы увеличения выхода продукта реакции и конверсии сырья,но не создания энергетически эффективных технологических процессов.
Для коренного улучшенияситуации в химической отрасли, касающейся рационального использования ТЭР,разработана энергетическая программа СНГ, согласно которой намечаются следующиеосновные направления:
· Изменениеструктуры производства с вытеснением энергоемких видов химической продукциименее энергоемкими;
· Интенсификация,оптимизация параметров и режимов производственных процессов;
· Созданиепринципиально новых химических технологий;
· Электрификациятехнологических процессов;
· Созданиехимических производств с использованием ядерных источников энергии.
Наряду с энергетическойрационализацией самих химических методов (технологии) и аппаратурногооформления, необходимо выявлять вторичные источники энергии и использовать их.По подсчетам специалистов этот путь является вдвое-втрое более выгодным, чемдополнительная добыча и транспортировка эквивалентного количества топлива.
Использованиевторичных энергетических ресурсов (ВЭР)
В химических отрасляхдостаточно хорошо используются ВЭР с высоким температурным потенциалом (tж>1500C, tг>3000C). С помощью этих теплоносителей в котлах-утилизаторахпроизводится пар, который направляется либо в технологический цикл, либо напривод турбомашин. Совершенно иная ситуация с низкопотенциальными сброснымитепловыми потоками (НТП). Традиционные решения утилизации теплоты НТП неприемлемыи по техническим, и по экономическим соображениям. В то же время доля НТП вхимической отрасли доходит до 50% всех вторичных энергетических ресурсов.
Использованиенизкопотенциальных ВЭР связано с решением двух задач:
· созданиемнадежной и эффективной системы теплопотребления;
· Созданиемнадежного утилизационного оборудования.
В отечественной изарубежной практике пока имеется очень небольшой опыт использования основныхвидов НТП – отходящих дымовых газов, сбросных вод, циркулирующих и продукционныхпотоков, конденсата, вторичного пара и т.п. Тем не менее, можно указатьследующие основные технические средства утилизации:
· Многоступенчатыеустановки с аппаратами мгновенного вскипания для использования теплотызагрязненных стоков;
· Многоступенчатыеустановки с аппаратами типа «тепловая труба» для использования теплотыагрессивных жидкостей;
· Контактныеаппараты с различными насадками для использования теплоты отходящих газов (ОГ);
· Абсорбционныехолодильные установки (водоаммиачные, бромистолитиевые и др.);
· Скрубберно-солевыеустановки для утилизации теплоты дымовых газов;
· Тепловые насосы(пароструйные, абсорбционные и компрессионные) для производства холода итеплоснабжения;
· Рекуперационныеагрегаты для использования теплоты паровоздушной смеси в схеме рециркуляции;
· Регенеративныевращающиеся теплообменники, пластинчатые рекуператоры, теплообменники спромежуточным теплоносителем, с тепловыми трубами для использования теплотывентиляционных выбросов;
· Рекуперативные ирегенеративные воздухоподогреватели.
Использование НТПвторичных энергоресурсов перспективно в абсорбционно-холодильных установках дляпроизводства холода (+5- +70С) и в теплонаносных установках для выработкитепловой энергии (порядка 80 0С).
В производствестекловолокна за счет утилизации теплоты, теряемой через кладку бассейна, напечи производительностью 14-18 т/сутки экономится около 8 тыс. т насыщенногопара в год и около 800 тыс. кВт-час электроэнергии. Программа изготовления ивнедрения систем испарительного охлаждения на других производствах можетобеспечить выработку теплоты в количестве до 850 тыс. ГДж в год.
Утилизация теплотыотходящих газов распылительной сушилки белой сажи для нагрева воды оцениваетсявеличиной 54 тыс. ГДж/год.
Использование ВЭР вхимической технологии таит в себе огромнейшие резервы экономии различных видовэнергии.
2. Постановказадачи
Проанализировать работупечи перегрева водяного пара и для эффективности использования теплотыпервичного топлива предложить теплоутилизационную установку вторичныхэнергоресурсов.
3. Описаниетехнологической схемы
Печь перегрева водяногопара на установке производства стирола предназначена для повышения температурынасыщенного водяного пара до необходимой по технологии величины.
Источником теплотыявляется реакция окисления (горения) первичного топлива. Образующиеся пригорении дымовые газы отдают свою теплоту в радиационной, а затем конвективнойкамерах сырьевому потоку (водяному пару). Перегретый водяной пар поступает кпотребителю, а продукты сгорания покидают печь, имея достаточно высокуютемпературу (450-5000С).
Для повышенияэффективности использования теплоты первичного топлива на выходе из печиустановлена утилизационная установка, состоящая из котла-утилизатора,воздухоподогревателя и КТАНа.
Теплоносителем в КУявляются дымовые газы, покинувшие печь. В результате протекания процессатеплообмена в котле-утилизаторе температура дымовых газов снижается от t´1 до t´2. Питательная вода поступает в КУ с блокаводоподготовки, пройдя необходимую очистку от солей жесткости и деарацию. Навыходе из котла-утилизатора образуется водяной пар (нас.). Параметры работы КУвыбираются таким образом, чтобы температура полученного пара соответствовалатемпературе входа в печь, так как образовавшийся поток вводится в основной поток,поступающий с ТЭЦ. За КУ установлен воздухоподогреватель, служащий дляподогрева воздуха, подаваемого в топку для обеспечения процесса горения.
Послевоздухоподогревателя дымовые газы поступают в контактный аппарат с активнойнасадкой (КТАН), где их температура снижается от t3 до температуры t4. Съем теплоты дымовых газов осуществляется двумя раздельными потокамиводы. Один поток поступает в непосредственный контакт, а другой через стенкузмеевика.
Перемещение продуктовсгорания осуществляется за счет дымососа, а воздуха – за счет работывентилятора.
Температура водяногопара: t1-на входе в печь; t2-на выходе из печи.
Температура дымовыхгазов: tух — на выходе из печи; t1'- на входе в КУ; t2'- на выходе из КУ; t3’ — на входе в ВП; t4’-на выходе из ВП; t5’- на входе в скруббер; t6’- на выходе изскруббера.
4. Технологическийрасчет печи
4.1. Подготовкаисходных данных по топливному газу и водяному пару
4.1.1. />
4.1.2. />
4.1.3. Молекулярная массасмеси газов в топливе:
/>
Массовая доля газов втопливе:
/>; />,
/>, />
/>, />
/>.
/>
4.1.4. Удельная газоваяпостоянная для каждого из газов в смеси: />.
/> />
/> />
/> />
/>
/>,
/>
4.1.5. Плотностьтопливного газа при н.у. и при рабочих условиях:
/>
/>
4.1.6. Удельный объемтопливного газа:
/>
/>.
4.1.7. Парциальноедавление газов в смеси: />
/> />
/> />
/> />
/>
4.1.8. />/>/>/>Определение свойств водяногопара
Известно, что:
производительность печипо водяному пару G=4,5 кг/с,
давление пера на входеР1=1.0 МПа ≈ 10 бар = 9,87ат,
температура пара на входев печь t1=179ºС,
температура пара навыходе из печи t2=730ºС.
По таблице [1] определяемсвойства кипящей воды и сухого насыщенного пара
Таблица 1t,ºC Р=10 bar 730 ts=1790C v′′=0,1980 h′′=2775,25 s′′=6,5990 v h s 0,4709 3988,61 8,3446
Изменение энтальпии: />
Н – изменение энтальпии,приходящееся на 4,5кг.
Изменение энтропии: />
/>
Расчётным методомопределим энтальпию перегретого пара и сравним её значение с табличным.
/>
/>
Ошибка по энтальпии: />
Ошибка по температурекипения: />
Изменение внутреннейэнергии: />,/>
Рассчитанные пополиномиальным уравнениям:
/>
/>
/>
/>
/>
4.2. Расчет процессагорения в печи
4.2.1. Определениеосновных характеристик топлива:
/>
/>
Значения /> взяты из таблицы 1.
Таблица 1
Низшая теплота сгораниятопливаКомпонент
/>, МДж/м3 СН4 35.84 С2Н6 63.8 С3Н8 91,32 С4Н10 118.73 С5Н12 146.1 СО2 12.65
4.2.2. Элементарныйсостав топлива определяем по формулам:
/>
/>
/>
/>
/>
4.2.3. Теоретическоеколичество воздуха, необходимое для сгорания единицы количества топлива />, кг/кг, вычисляетсяпо формуле:
/>
/>, где:
α=1,16 – коэффициентизбытка воздуха.
4.2.4. Количество продуктов сгорания:
/>
/>
/>
/>
/>
или />.
Рассчитаем объемпродуктов сгорания />, а также содержание каждогокомпонента в массовых (/>) и объемных (/>) долях по формулам:
/>, />,
/>, />
Результаты расчетовпредставлены в таблице 2.
Таблица 2Наименование CO2 H2O N2 O2 Σ масса i-го комп. кг/кг 1,5253 0,9259 7,8828 0,3093 10,64
масс. %, /> 14,3312 8,6991 74,0635 2,9061 100 объем i-го комп., м3/кг 0,7763 1,1512 6,3032 0,2165 8,4473
объем. %, /> 9,1905 13,6281 74,6181 2,5632 100
4.2.4. Рассчитаемэнтальпию продуктов сгорания:
/>, где:
t – температура, К,
/> - теплоемкость i-го компонента, кДж/(кг٠К),
mi – масса i-го компонента, кг/кг
Результаты расчетовприведены в таблице 3.
Таблица 3t, 0C T, K ct, п.с., кДж/(кг٠К) Ht, п.с., кДж/кг 273 11,4391 0,0000 100 373 11,5414 1154,1390 200 473 11,6559 2331,1712 300 573 11,7946 3538,3688 400 673 11,9381 4775,2492 500 773 12,0820 5404,5230 600 873 12,2349 6040,9895 700 973 12,3919 7340,9414 800 1073 12,5416 8674,3359 1000 1273 12,8120 10033,2439 1500 1773 13,8046 12812,0027
Построим графикзависимости H t, п.с. = f(t):
/>
Рис. 2. Графикзависимости H t, п.с. = f(t).
4.3 Тепловой баланс печи,определение КПД печи и расхода топлива.
4.3.1. Полезная тепловаянагрузка печи />, Вт:
/>,
где />, />.
4.3.2. КПД печи:
/>, где:
/> – потери в окружающую среду,
/> при />,
/>– низшая теплота сгорания топлива.
КПД топки: />.
4.3.3. Расход топлива:
/>
4.3.4. Расчет радиантнойкамеры:
/>, где: /> – энтальпия дымовых газов притемпературе перевала печи tп = 852,30С.
Проверим распределениенагрузки в печи: />, т.е. условия соблюдены.
4.3.5. Тепловая нагрузкаконвекционной камеры:
/>
4.3.6.Энтальпия водяного пара на входе в радиантную камеру:
/>
При давлении Р1 = 9,87 атмзначение температуры водяного пара на входе в радиантную секцию tk =3150C.
4.3.7. Температура экранав рассчитываемой печи:
/>
4.3.8.Максимальная температура горения топлива:
/>,
где /> – удельная теплоемкостьпри температуре перевала.
4.3.9.Для tп и tmax по графикам определяем теплонапряженность абсолютночерной поверхности qs:
Таблица4q, 0C 200 400 600 qs, Вт/м2 178571,43 150000 117857,14
Определяемтеплонапряженность при q = 542,50С:qs = 127098,21 Вт/м2.
Таким образом, полныйтепловой поток, внесенный в топку:
/>
4.3.10. Эквивалентнаяабсолютно черной поверхность равна:
/>.
4.3.11.Принимаем степень экранирования кладки y = 0,45; для a=1,05 примем />.
Эквивалентная плоскаяповерхность: />.
Диаметр радиантных труб />, диаметрконвекционных труб />.
Принимаем однорядноеразмещение труб и шаг между ними />.
Для этих значений факторформы К= 0,87.
4.3.12.Величина заэкранированности кладки: />.
4.3.13.Поверхность нагрева радиантных труб: />
Таким образом, выбираемпечь />.
Характеристика печи:
Таблица 5Шифр
/> Поверхность камеры радиации, м2 180 Поверхность камеры конвекции, м2 180 Рабочая длина печи, м 9 Ширина камеры радиации, м 1,2 Способ сжигания топлива Беспламенное горение
Длина />.
Число труб в камерерадиации: />.
Теплонапряженностьрадиантных труб: />.
Число конвективных труб: />.
Располагаем трубы вшахматном порядке по 3 в одном горизонтальном ряду, шаг между трубами />.
4.3.14.Средняя разность температур: />
4.3.15.Коэффициент теплопередачи:
/>
4.3.16.Теплонапряженность поверхности конвективных труб:
/>.4.4.Гидравлический расчет змеевика печи
Для обеспечениянормальной работы трубчатой печи необходимо обосновано выбрать скоростьдвижения потока сырья через змеевик. При увеличении скорости движения сырья втрубчатой печи повышается коэффициент теплоотдачи от стенок труб к нагреваемомусырью, что способствует снижению температуры стенок, а следовательно, уменьшаетвозможность отложения кокса в трубах. В результате уменьшается вероятностьпрогара труб печи и оказывается возможным повысить тепло напряженностьповерхности нагрева. Кроме того, при повышении скорости движения потокауменьшается отложение на внутренней поверхности трубы загрязнении из взвешенныхмеханических частиц, содержащихся в сырье.
Применение более высокихскоростей движения потока сырья позволяет также уменьшить диаметр труб илиобеспечить более высокую производительность печи, уменьшить число параллельныхпотоков.
Однако увеличение скорости приводит к ростугидравлического сопротивления потоку сырья, в связи с чем увеличиваются затратыэнергии на привод загрузочного насоса, так как потеря напора, а следовательно,и расход энергии возрастают примерно пропорционально квадрату (точнее, степени1,7-1,8) скорости движения.
4.4.1. Находим потерюдавления водяного пара в трубах камеры конвекции.
Средняя скорость водяногопара:
/>,
где /> — плотность водяного пара при средней температуре идавлении в камере конвекции: />;
dк – внутренней диаметр конвекционныхтруб, м;
n – число потоков.
Значение критерияРейнольдса: />, где:
/> - кинематическая вязкость водяногопара.
Общая длина труб напрямом участке:/>.
Коэффициентгидравлического трения: />.
Потери давления натрение:
/> .
Потери давления наместные сопротивления:
/>,
где />.
Общая потеря давления:
/>.
4.4.2. Расчет потеридавления водяного пара в камере радиации.
Средняя скорость водяного пара в трубах радиационнойкамеры составляет:
/>, где:
/> — плотность водяного пара при среднейтемпературе и давлении в камере конвекции, />;
dр – внутренней диаметр конвекционныхтруб, м;
n – число потоков.
Значение критерияРейнольдса:
/>, где /> - кинематическая вязкость водяного пара.
Общая длина труб напрямом участке:
/> .
Коэффициентгидравлического трения:
/>.
Потери давления натрение:
/> .
Потери давления наместные сопротивления:
/>.
где />
Общая потеря давления вкамере радиации:
/>.
Общие потери давления впечи:
/>
Проведенные расчетыпоказали, что выбранная печь обеспечит процесс перегрева пара в заданномрежиме.5.Тепловой баланс котла-утилизатора (анализ процесса парообразования)
5.1.Теплоноситель – дымовые газы после печи.
Расход топлива В=0,33кг/с,
Температура входа />, выхода />.
Энтальпия входа />, выхода />,
Коэффициент полезногодействия />.
5.2.Нагреваемая среда – питательная вода.
Температура питательной водывхода />, выхода />,
Энтальпия питательнойводы входе при /> />
при /> />
Энтальпия водяного пара />.
5.3. Составляемуравнение теплового баланса: />
Исходя из того, что КПДкотла-утилизатора 0,95 получим, что:
/>/>/>.
Определяем расходпитательной воды:
/>/>/>
Доля водяного парасоставляет:
/>.
5.4. Анализпроцесса по стадиям.
1) Ищем температуру tх. На стадии нагревания:
/>/>
/>
По графику определяемтемпературу для данной энтальпии, которая составляет 259,4 0С. Таким образом />
2) Находим теплоту,пошедшую на испарение питательной воды:
/>
Находим теплоту, пошедшуюна нагрев питательной воды:
/>
Определяем общееколичество теплоты по питательной воде:
/>
Таким образом, долятеплоты, переданная на стадии нагревания составляет:
/>;
Определяем требуемуюплощадь поверхности теплообмена:
/>
Здесь />, средняя температура при нагреве питательной воды:
/>
Принимаем в зонеиспарения />. Определим среднюю температуру прииспарении питательной воды:
/>
Исходя из этого,поверхность испарения должна быть:
/>.
5.5. Общая площадьсоставляет:
/>
С запасом 20% принимаем: />
По данной площадиподбираем теплообменник со следующими характеристиками:
Таблица 6Диаметр кожуха, мм Число трубных пучков, шт Число труб в одном пучке, шт Поверхность теплообмена, м2 Площадь сечения одного хода по трубам, м2 2200 3 362 288 0,031
Алгоритмповерочного расчета котла-утилизатора.
Проверим, обеспечит ли выбранный стандартныйиспаритель протекание процесса теплопередачи при заданных условиях. Посколькуопределенное тепловое сопротивление будет со стороны дымовых газов, расчетбудем вести по зоне нагрева.
При средней температуре, равной />, получимкоэффициент кинематической вязкости n/>, теплопроводность/>, удельнаятеплоемкость />.
Найдем теплофизические свойства дымовых газов винтервале температур.
Определяем теплопроводность по формуле:
/>,
где /> - молярная доля i-го компонента; /> -теплопроводность i-го компонента; /> - молярная масса i-го компонента,кг/кмоль.
Кинематическая вязкость определяется по формуле:
/> Здесь />, где /> - динамическийкоэффициент вязкости i-го компонента, />; /> - плотностьдымовых газов, кг/м3.
Теплоемкость определяется по формуле:
/>, где /> - массовая доля i-го компонента; /> - удельнаятеплоемкость i-го компонента, />.
Теплофизические свойства дымовых газов.
Таблица 7Наименование 0 0С 100 0С 200 0С 300 0С 400 0С
Теплопроводность, /> 0,0228 0,0313 0,0401 0,0484 0,057
Кинематическая вязкость, /> 12,2 21,5 32,8 45,8 60,4
Удельная теплоемкость, /> 1,01 1,05 1,09 1,1 1,108
Плотность дымовых газов при средней температуреопределяется по формуле:
/>.
Средняя скорость дымовых газов составляет:
/>м/с,
где />
Критерий Рейнольдса определяется по уравнению:
/>.
Критерий Нуссельта определяется следующим образом:
/>.
Коэффициент теплоотдачи со стороны дымовых газовсоставляет:
/>.
Для определения коэффициента теплоотдачи со стороныкипящей воды воспользуемся следующим выражением:
/>, где /> - поправочныйкоэффициент; Р – абсолютное давление в аппарате; q– удельноеколичество теплоты, переданное через 1 м2 площади, />.
Тепло проводимость очищенной воды находим по формуле: />
Расчетный коэффициент теплопередачи:
/>, где />, />.
Делается вывод: так как Кр>Кф – выбранный аппаратобеспечит нагрев и испарение.
6. Тепловойбаланс воздухоподогревателя.
Исходные данные.
6.1. Теплоноситель: продукты сгорания (ОГ)
Расход топлива: В=0,33 кг/с.
Температура: входа />,
выхода />.
КПД: />.
2.Хладоагент: атмосферный воздух.
Расход: />.
Температура: входа />,
выхода />
Удельная теплоемкость: />.
Уравнение теплового баланса с учетом КПД:
/>,
/>,
/>.
7. Тепловойбаланс скруббера (КТАНа).
Исходные данные.
1.Теплоноситель: дымовые газы послевоздухоподогревателя.
Расход топлива: В=0,33 кг/с.
Температура: входа />,
выхода />.
2.Хладоагент: вода.
I поток (поступает в КУ): />
II поток (техническая вода): />, />, /> .
Тепловой баланс имеет вид: />
/>,
/>,
/>.
8.Расчет энергетического КПД тепло-утилизационной установки
Энергетический КПД установки рассчитывается поформуле:
/>,
где Qпол – полезная тепловая нагрузкатехнологической печи,
/> – полезная теплотакотла-утилизатора,
/> – полезная теплотаводоподогревателя,
/> – полезная теплота КТАНа.
Таким образом,
/> или 92%.
Очевидно, что наибольший вклад в КПДтепло-утилизационной установки обусловлен работой технологической печи.
9. Расчетэксергетического КПД системы «печь – котел-утилизатор».
Эксергетический метод анализа энерготехнологическихсистем позволяет наиболее объективно и качественно оценить энергетическиепотери, которые никак не выявляются при обычной оценке с помощью первого законатермодинамики. В качестве критерия в рассматриваемом случае используетсяэксергетический КПД, который определяется как отношение отведенной эксергии кподведенной эксергии:
/> или 24,095%, где Еподв – эксергиятоплива, МДж/кг; Еотв – эксергия, воспринятая потоком водяного пара в печи икотле-утилизаторе.
Таким образом, рассчитываем:
/>.
Для потока водяного пара, нагреваемого в печи:
/>,
где Нвп2 и Нвп1 — энтальпия водяного пара на выходе ивходе в печь соответственно,
G – расход пара в печи, кг/с,
/> - изменение энтропии водяногопара, />
Для потока водяного пара, получаемого в КУ:
/>,
где: /> - расход пара в КУ, кг/с,
/> - энтальпия насыщенного водяногопара при выходе из КУ, кДж/кг,
/> - энтальпия питательной воды навходе в КУ, кДж/кг,
/>
10. Заключение.
Поскольку КПД тепло-утилизационной установкисоставляет 92%, то есть всего 8% тепла теряется в ходе процесса утилизации,можно сделать вывод о целесообразности использования подобных установок в целяхэкономии. Внедрение в основную технологическую схему аппаратов подобногодействия благотворно сказывается на расходовании энергетических ресурсов иблокирует их потерю.