Материальный баланс потока

Материальный баланс потока производства технического углерода представлен в таблице 5.

Таблица 5 – Материальный баланс реактора получения технического углерода марки N 550

2.2 Расчёт реактора

Расчет реактора для получения технического углерода.

Расчетные данные:

расход сырья Gс=4500кг/ч;

=0,748кг/ м^3;

=1,29 кг/ м^3;

Исходные данные:

углерод в сырье=0,8970 мас. доли;

– содержание углерода в топливе=0,75 мас. доли;

– содержание водорода в сырье=0,0950 мас. доли;

– содержание водорода в природном газе=0,25 мас. доли;

– содержание кислорода в сырье=0,0006 мас. доли;

– содержание кислорода в воздухе среднего давления=0,2315 мас. доли;

– содержание кислорода в топливе=0,0022 мас. доли;

– содержание серы в сырье= 0,0069 мас. доли;

– содержание азота в топливе= 0,03 мас. доли;

2.2.1 Расчет количества и состава потоков, входящих в реактор

Количество сырья поступающего в реактор берем из задания на проектирование G_с = 4500 кг/ч.

Количество топлива, поступающего в реактор на сжигание (G_Т), берем из заводских данных

(1)

где – количество топлива, поступающего в реактор на горение, м³/ч;

– плотность топлива, кг/м³.

Принимаем: =900 м³/ч из заводских данный

Количество воздуха среднего давления, поступающего в реактор на горение (G_ВСД), рассчитывают по формуле:

(2)

где – расход воздуха среднего давления на горение, м³/ч;

– плотность воздуха среднего давления, кг/м³.

Принимаем: =14400 м³/ч из заводских данных

Количество влаги, содержащейся в воздухе среднего давления ( ), рассчитывают по формуле:

(3)

где – количество воздуха среднего давления, поступающего в реактор на горение, кг/ч;

– абсолютная влажность воздуха, мм рт. ст.

Количество углерода, содержащегося в сырье ( ), рассчитывают по формуле:

(4)

где – массовый расход сырья, кг/ч;

– содержание углерода в сырье, кг/кг сырья.

Количество углерода, содержащегося в природном газе ( ), поступающем в реактор, рассчитывают по формуле:

(5)

где – количество природного газа, поступающего в реактор на горение, кг/ч;

– содержание углерода в топливе, кг/кг сырья.

Количество водорода, содержащегося в сырье ( ), рассчитывают по формуле:

(6)

где – массовый расход сырья, кг/ч;

– содержание водорода в сырье, кг/кг сырья.

Количество водорода, содержащегося в природном газе ( ), рассчитывают по формуле:

(7)

где – количество природного газа, поступающего в реактор на гонение, кг/ч;

– содержание водорода в природном газе, кг/кг сырья.

Количество водорода, содержащегося во влаге воздуха среднего давления ( ), рассчитывают по формуле:

(8)

где – количество влаги, содержащейся в воздухе среднего давления, кг/ч;

Количество кислорода, содержащегося в сырье ( ), рассчитывают по формуле:

(9)

где – массовый расход сырья, кг/ч;

– содержание кислорода в сырье, кг/кг сырья.

Количество кислорода, содержащегося в воздухе среднего давления

( ), рассчитывают по формуле:

(10)

где – количество воздуха среднего давления, поступающего в реактор на горение, кг/ч;

– содержание кислорода в воздухе среднего давления, кг/ кг сырья.

Количество кислорода, содержащегося во влаге воздуха среднего ( ), давления рассчитывают по формуле:

(11)

где – количество влаги, содержащейся в воздухе среднего давления, кг/ч;

Количество кислорода, содержащегося в природном газе ( ), поступающем в реактор, рассчитывают по формуле:

(12)

где – количество природного газа, поступающего в реактор нагорение, кг/ч;

– содержание кислорода в топливе, кг/кг сырья.

Количество серы ( ) содержащейся в сырье, рассчитывают по формуле:

(13)

где – массовый расход сырья, кг/ч;

– содержание серы в сырье кг/кг сырья.

Количество азота, содержащегося в природном газе ( ), поступающем в реактор, рассчитывают по формуле:

(14)

где – количество природного газа, поступающего в реактор на горение, кг/ч;

– содержание азота в топливе, кг/кг сырья.

2.2.2 Расчет количества и состава потока выходящего из реактора

Количество технического углерода, образующегося в ходе реакции ( ), рассчитывают по формуле:

(15)

где – массовый расход сырья, кг/ч;

– выход технического углерода, кг/кг сырья.

Количество не сгоревшего топлива ( ), рассчитывают по формуле:

(16)

где – массовый расход сырья, кг/ч;

– объем не сгоревшего топлива, м³/кг сырья;

– плотность топлива, кг/м³.

Принимаем: =0,03 м³/кг сырья с последующей проверкой по материальному и тепловому балансам, тогда:

Суммарный объем углеродсодержащих газов ( ), рассчитывают по формуле:

(17)

где – содержание углерода в топливе, кг/кг сырья;

– содержание углерода в сырье, кг/кг сырья;

– расход топлива, кг/кг сырья;

– выход технического углерода, кг/кг сырья.

Суммарный объем водородсодержащих газов ( ), рассчитывают по формуле:

(18)

где – содержание водорода в топливе, кг/кг сырья;

– объем не сгоревшего топлива, м³/кг сырья;

– расход топлива, кг/кг сырья;

– содержание водорода в сырье, кг/кг сырья.

Суммарный объем СО₂ содержащих газов ( ), рассчитывают по формуле:

(19)

где – вспомогательные коэффициенты, рассчитываемые по формулам (20), (39) соответственно.

(20)

где – константа равновесия водяного пара, рассчитываемая по формуле (22);

– расход воздуха среднего давления, м³/кг сырья;

– суммарный объем водородсодержащих газов, м³/кг сырья;

– суммарный объем кислородсодержащих газов, м³/кг сырья.

(21)

где Т – температура в зоне реакции, К.

(22)

где – константа равновесия водяного пара;

– расход воздуха среднего давления, м³/кг сырья;

– суммарный объем кислородсодержащих газов, м³/кг сырья.

Суммарный объем СО содержащих газов ( ), рассчитывают по формуле:

(23)

где – суммарный объем СО₂ содержащих газов, м³/кг сырья;

– суммарный объем кислородсодержащих газов, м³/кг сырья.

Суммарный объем Н₂О содержащих газов ( ), рассчитывают по формуле

(24)

где – суммарный объем СО₂ содержащих газов, м³/кг сырья;

– расход воздуха среднего давления, м³/кг сырья;

– суммарный объем кислородсодержащих газов, м³/кг сырья.

Суммарный объем Н₂ содержащих газов ( ), рассчитывают по формуле:

(25)

где – суммарный объем Н₂О содержащих газов, м³/кг сырья;

– суммарный объем водородсодержащих газов, м³/кг сырья.

Количество СО₂ содержащееся в отходящих газах ( ), рассчитывают по формуле:

(26)

где – суммарный объем СО₂ содержащих газов, м³/кг сырья;

– массовый расход сырья, кг/ч;

– плотность СО₂, кг/м³.

Количество СО содержащееся в отходящих газах ( ), рассчитывают по формуле:

(27)

где – суммарный объем СО содержащих газов, м³/кг сырья;

– массовый расход сырья, кг/ч;

– плотность СО, кг/м³.

Количество водяных паров, содержащихся в отходящих газах ( ), рассчитывают по формуле:

(28)

где – суммарный объем водяных паров, м³/кг сырья;

– массовый расход сырья, кг/ч;

– плотность водяных паров, кг/м³.

Количество водорода, содержащееся в отходящих газах ( ), рассчитывают по формуле:

(29)

где – суммарный объем водорода, м³/кг сырья;

– массовый расход сырья, кг/ч;

– плотность водорода, кг/м³.

Количество углерода, выходящего из реактора с техническим углеродом ( ), рассчитывают по формуле:

(30)

где – количество образующегося технического углерода, кг/ч;

– содержание углерода в образующемся техническом углероде, кг/кг сырья.

Количество углерода, выходящего из реактора с не сгоревшим топливом ( ), рассчитывают по формуле:

(31)

где – количество не сгоревшего топлива, кг/ч;

– содержание углерода в топливе, кг/кг сырья.

Количество углерода, выходящего из реактора с двуокисью углерода ( ), рассчитывают по формуле:

(32)

где – количество образующейся двуокиси углерода, кг/ч;

– содержание углерода в образующейся двуокиси углерода, кг/кг сырья.

Количество углерода, выходящего из реактора с окисью углерода ( ), рассчитывают по формуле:

(33)

где – количество образующейся окиси углерода, кг/ч;

– содержание углерода в образующейся окиси углерода, кг/кг сырья.

Количество водорода, выходящего из реактора с техническим углеродом ( ), рассчитывают по формуле:

(34)

где – количество образующегося технического углерода, кг/ч;

– содержание водорода в образующемся техническом углероде, кг/кг сырья.

Количество водорода, выходящего из реактора с не сгоревшим топливом ( ), рассчитывают по формуле:

(35)

где – количество не сгоревшего топлива, кг/ч;

– содержание водорода в топливе, кг/кг сырья.

Количество водорода, выходящего из реактора с парами воды ( ), рассчитывают по формуле:

(36)

где – суммарное количество образующихся паров воды, кг/ч;

– содержание водорода в образующихся парах воды, кг/кг сырья.

Количество кислорода, выходящего из реактора с двуокисью углерода ( ), рассчитывают по формуле:

(37)

где – количество образующейся двуокиси углерода, кг/ч;

– содержание кислорода в образующейся двуокиси углерода, кг/кг сырья.

Количество кислорода, выходящего из реактора с окисью углерода ( ), рассчитывают по формуле:

(38)

где – количество образующейся окиси углерода, кг/ч;

– содержание кислорода в образующейся окиси углерода, кг/кг сырья.

Количество кислорода выходящего из реактора с парами воды ( ), рассчитывают по формуле:

(39)

где – суммарное количество образующихся паров воды, кг/ч;

– содержание кислорода в образующихся парах воды, кг/кг сырья.

Количество серы, выходящей из реактора с техническим углеродом ( ), рассчитывают по формуле:

(40)

где – количество образующегося технического углерода, кг/ч;

– содержание серы в образующемся техническом углероде, кг/кг сырья.

Количество серы, выходящей из реактора с сероводородом ( ), рассчитывают по формуле:

(41)

где – количество серы выходящей из реактора с сероводородом, кг/ч;

– количество серы поступающее в реактора с сырьем, кг/кг сырья.

Материальный баланс получения технического углерода марки N 550 представлен в таблице 6.

Таблица 6 – Материальный баланс реактора получения технического углерода марки N 550

Примечание: в процессе расчета было принято допущение, что содержание влаги в воздухе равно нулю, а сырье содержало только углерод и водород. Наличие влаги в воздухе приводит к смещению равновесия реакции. При этом содержание водорода уменьшается, а окиси и двуокиси углерода – увеличивается. Эти изменения не превышают 15 %, и это не оказывает заметного влияния на тепловой баланс, так как теплоемкости и теплоты сгорания Н₂ и СО практически одинаковы.

Тепловой баланс получения технического углерода

На основе рассчитанного материального баланса рассчитывают тепловой баланс.

2.2.3 Расчет количества тепла входящего в реактор

Количество тепла, образующееся в результате сгорания сырья ( ), рассчитывают по формуле:

(42)

где – массовый расход сырья, кг/ч;

– содержание углерода в сырье, кг/кг сырья;

– содержание водорода в сырье, кг/кг сырья;

– содержание кислорода в сырье, кг/кг сырья;

– содержание серы в сырье кг/кг сырья.

Количество тепла, образующееся в результате сжигания топлива ( ), рассчитывают по формуле:

(43)

где – массовый расход топлива, кг/ч;

– удельная теплота сгорания топлива, кДж/кг.

Количество тепла, поступающее в реактор с сырьем ( ), рассчитывают по формуле:

(44)

где – массовый расход сырья, кг/ч;

– удельная теплоемкость сырья, кДж/(кг·К) [2];

– температура сырья поступающего в реактор, К.

Количество тепла, поступающее в реактор с воздухом ( ), рассчитывают по формуле:

(45)

где – массовый расход воздуха, кг/ч;

– удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг·К) [11];

– температура воздуха поступающего в реактор, К.

2.2.4 Расчет количества тепла выходящего из реактора

Количество тепла, образующееся в результате сгорания технического углерода ( ), рассчитывают по формуле:

(46)

где – массовый расход технического углерода, кг/ч;

– содержание углерода в техническом углероде, кг/кг сырья;

– содержание водорода в техническом углероде, кг/кг сырья;

– содержание серы в техническом углероде кг/кг сырья.

Количество тепла, образующееся в результате сгорания топлива ( ), рассчитывают по формуле:

(47)

где – количество не сгоревшего топлива, кг/ч;

– удельная теплота сгорания топлива, кДж/кг.

Количество тепла, образующееся в результате сгорания окиси углерода ( ), рассчитывают по формуле:

(48)

где – количество образующейся окиси углерода, кг/ч;

– удельная теплота сгорания окиси углерода, кДж/кг.

Количество тепла, образующееся в результате водорода углерода ( ), рассчитывают по формуле:

(49)

где – количество образующегося водорода, кг/ч;

– удельная теплота сгорания водорода, кДж/кг.

Количество тепла, выходящее из реактора с техническим углеродом ( ), рассчитывают по формуле:

(50)

где – массовый расход технического углерода, кг/ч;

– удельная теплоемкость технического углерода, кДж/(кг·К);

– температура технического углерода, К.

Количество тепла, выходящее из реактора с газообразными продуктами реакции ( ), рассчитывают по формуле:

(51)

где – массовый расход сырья, кг/ч;

– расход воздуха среднего давления, м³/кг сырья;

– суммарный объем СО₂ содержащих газов, м³/кг сырья;

– суммарный объем Н₂О содержащих газов, м³/кг сырья;

– суммарный объем СО содержащих газов, м³/кг сырья;

– суммарный объем водород содержащих газов, м³/кг сырья;

– объем не сгоревшего топлива, м³/кг сырья;

– температура в зоне реакции, К.

Потери тепла в окружающую среду ( ), рассчитывают по формуле:

(52)

где Δt – разность температур между внешней поверхностью реактора и окружающей среды;

F_Р – поверхность реактора, м².

Принимаем, что зимой максимальная разность температур между внешней поверхностью реактора и окружающей среды будет достигать
200 °С , тогда:

Общее количество тепла входящее в реактор ( ):

(53)

где – количество тепла, образующееся в результате сгорания топлива, МДж/ч;

– количество тепла, образующееся в результате сгорания сырья, МДж/ч;

– количество тепла, поступающее в реактор с сырьем, МДж/ч;

– количество тепла, поступающее в реактор с воздухом, МДж/ч.

Общее количество тепла выходящее из реактора ( ):

(54)

где – количество тепла, образующееся в результате сгорания технического углерода, МДж/ч;

– количество тепла, образующееся в результате сгорания топлива, МДж/ч;

– количество тепла, образующееся в результате сгорания окиси углерода, МДж/ч;

– количество тепла, образующееся в результате водорода углерода, МДж/ч;

– количество тепла, выходящее из реактора с техническим углеродом, МДж/ч;

– количество тепла, выходящее из реактора с газообразными продуктами реакции, МДж/ч;

– потери тепла в окружающую среду, МДж/ч.

Дисбаланс теплового баланса (Δ), рассчитывают по формуле:

(55)

2.2.5 Расчет количества воды на закалку и охлаждение продуктов реакции

В процессе реакции не все высокомолекулярные соединения, входящие в состав сырья успевают сразу и полностью разложиться. Во избежание “замасливания” углеродной поверхности этими соединениями температура по окончании формирования дисперсной фазы должна быть снижена до величины в 1173 К – максимально допустимой температуры для рекуперативных подогревателей

2.2.6 Расчет количества воды на закалку и охлаждение продуктов реакции

Максимально допустимая температура для рекуперативных подогревателей 1173 К

Количество тепла, отдаваемое продуктами реакции в зоне закалки ( ), рассчитывают по формуле:

(56)

где – массовый расход сырья, кг/ч;

– расход воздуха среднего давления, м³/кг сырья;

– суммарный объем СО₂ содержащих газов, м³/кг сырья;

– суммарный объем Н₂О содержащих газов, м³/кг сырья;

– суммарный объем СО содержащих газов, м³/кг сырья;

– суммарный объем водород содержащих газов, м³/кг сырья;

– объем не сгоревшего топлива, м³/кг сырья;

– выход технического углерода, кг/кг сырья;

– средняя теплоемкость технического углерода в диапазоне температур 1173-1783 К [11];

– средняя теплоемкость атмосферного азота в диапазоне температур 1173-1783 К, кДж/м³ [11];

– разность температур на воде и выходе из зоны предзакалки, К.

Количество тепла, отдаваемое продуктами реакции в зоне закалки, будет равно теплоте испарения воды и нагрева ее паров до конечной температуры охлаждения продуктов реакции в зоне предзакалки, тогда расход воды в зоне закалки ( ) будет равен:

(57)

где – количество тепла, отдаваемое продуктами реакции в зоне закалки, кДж/ч;

– средняя теплоемкость паров воды при температуре 1173 К, кДж/м³ [12];

r_В – Теплота испарения воды при 273 К, кДж/кг,

– конечная температура охлаждения продуктов реакции, К.

2.2.7 Определение размеров зоны реакции и горения реактора

Размер зоны горения принимаем в соответствии с действующими реакторами [1,10]: диаметр – 1,92 м, длина – 0,94 м.

Диаметр реакционного канала принимаю в соответствии с рекомендациями [1,10], равным 0,83 м.

Длину реакционного канала (l_рк), рассчитывают по формуле:

(58)

где D – диаметр реакционного канала, м;

– время испарения капель сырья, с;

V – объем реакционных газов, м³/с.

В соответствии с действующими на ОАО “Ярославский технический углерод” реакторами для получения полуактивных марок технического углерода, общую длину реактора делаем на 1,5 метра больше, предусматривая объем в конце зоны закалки для испарения капель воды. Размер зоны закалки принимаем в соответствии с действующими реакторами: диаметр – 1,1 м, длина – 3,04 м.

К установке принимаем реактор со следующими характеристиками:

- диаметр зоны горения 1,92 м;

- длина зоны горения 0,94 м;

- диаметр реакционного канала 0,83м;

- длина реакционного канала 6,4 м;

- диаметр зоны закалки 1,1 м;

- длина зоны закалки 3,04м.

На действующем потоке эксплуатируется реактор со следующими характеристиками:

Габариты 3000- 2100- 9530

Масса - 2800 кг (без массы огнеупора)

Расход сырья до 6500 кг/час