Расчёт трубчатого реактора пиролиза

Министерство образования  и науки Российской Федерации

федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 

НЕФТИ И ГАЗА ИМЕНИ И. М. ГУБКИНА»

ФИЛИАЛ РГУ НЕФТИ И  ГАЗА

 ИМЕНИ И. М. ГУБКИНА 

В г. ОРЕНБУРГЕ

Оценка       

        

" "  2013 г.     

 

^{(подпись)}

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

 

на тему: " Расчёт трубчатого реактора пиролиза"

 

 

 

Пояснительная записка

 

 

Руководитель проекта 

  доцент БУСЫГИН И. Г.     

^{(должность, звание, фамилия, инициалы)}

 

 

^{(подпись)} 

Студентка гр.          ХН-08__      _  

   

          Олесик Екатерина Сергеевна   

                                                                                                                                  ^{(фамилия, имя,  отчество)}

                      

                                                                                                  ^{(подпись)}

                                    

                                                                                                                                    ^(дата)

 

 

 

 

 

 

 

 

Оренбург 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.......................................................................................................................................3

1 Теоретические основы  пиролиза.............................................................................................4

2 Технологическое оформление  процесса пиролиза…………………………………………………………….8

3 Расчет трубчатого ректора  пиролиза…………………………………………………………………………………12

3.1 Расчет процесса горения

3.1.1 Состав сырья и пирогаза

3.1.2 Конечная температура  реакции

3.2 Тепловая нагрузка печи, ее к.п.д. и расход топлива

3.3 Определение температуры дымовых газов, покидающих радиантную камеру

3.4 Поверхность нагрева  реакционного змеевика (экранных  труб)

3.5 Время пребывания парогазовой смеси в реакционном змеевике

3.6 Потери напора в реакционном (радиантном) змеевике печи

Список используемой литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВедение

            Пиролиз представляет собой процесс  глубокого расщепления углеводородного  сырья под действием высоких  температур. Газ пиролиза, богатый  этиленом, пропиленом, бутиленами, является целевым продуктом процесса. В настоящее время важным источником бутадиена является также фракция С₄  газа пиролиза. Первые промышленные установки по производству олефинов были спроектированы для использования этана и пропана. Как видно из табл.1, этан и пропан с высокими выходами превращаются в этилен, а пропан, кроме того, с высоким выходом образует пропилен.

 

Таблица 1 -  Выходы продуктов на установках по производству олефинов из различных видов сырья

Продукт	Выход, т/т сырья
	Этан	Пропан	Бутан	Нафта	Газойль
Этилен	0,80	0,40	0,36	0,23	0,18
Пропилен	0,03	0,18	0,20	0,13	0,14
Бутен	0,02	0,02	0,05	0,15	0,06
Бутадиен	0,01	0,01	0,03	0.04	0,04
Топливный газ	0,13	0,38	0,31	0,26	0,18
Бензин	0,01	0,01	0,05	0,18	0,18
Газойль	—	—	—	0,01	0,12
Пек	—	—	—	—	0,10

 

               Из приведенных данных видно,  что выходы этилена и пропилена  из газового сырья значительно выше, чем из нефтяных фракций. В настоящее время около половины заводов по производству этилена используют этан-пропановое сырье, а остальные — в основном нафту и газойль.

 

 

 

 

 

1 Теоретические основы пиролиза

Пиролиз приводит к глубокому  преобразованию исходного сырья,  в результате чего образуются газообразные углеводороды, ароматические моно- и полициклические углеводороды,  а также продукты уплотнения.  Если обратиться к графику изменения энергии Гиббса для некоторых углеводородов в зависимости от температуры [приложение 1] то станет очевидным, что в области высоких температур наиболее стабильны олефины и ароматические углеводороды. Выше 790 °С этилен становится стабильнее этана (прямые для этана и этилена пересекаются); при ещё более высоких температурах (³1120°С) наиболее стабилен ацетилен; таким образом, интервал 790¸1120°С является термодинамически возможным для получения этилена из этана. Аналогичные данные для пиролиза пропана с целью получения этилена позволяют установить примерный температурный интервал от 660 до 930°С.

Первичные реакции расщепления  парафинов могут идти в двух направлениях:

1) разрыва цепи по связи  С¾C с образованием непредельного и предельного углеводородов    

СН₃¾СН₂¾СН₃                СН₂=СН₂    +   СН₄         или

2) дегидрирования

СН₃¾СН₂¾СН₃                 СН₃¾СН=СН₂    +    Н₂

 

Первое направление термодинамически более вероятно, так как энергия  разрыва связи С¾С меньше, чем связи С¾Н. Обе реакции идут с поглощением тепла и увеличением объёма, следовательно им благоприятствуют высокие температуры и пониженные давления.

Вторичные реакции, протекающие  при пиролизе, весьма многочисленны: изомеризация парафиновых цепей, нафтеновых  циклов и алкильных групп алкилароматических углеводородов; циклизация диенов; полимеризация олефинов и диенов; конденсация ароматических углеводородов. Все эти реакции в противоположность реакциям расщепления, идут с выделением тепла и уменьшением объёма, поэтому их протеканию благоприятствуют повышенное давление и сравнительно невысокие температуры.

Пиролиз протекает по радикально-цепному механизму. Поэтому на примере этана можно выделить три последовательных стадии:

 

инициирование цепи:

СН₃¾СН₃                      2•СН₃     (1)

передача цепи:

•СН₃   +   СН₃¾СН₃                   СН₄   +    СН₃¾СН₂•      (2)

продолжение цепи:

СН₃¾СН₂•                   Н•    +    СН₂=СН₂           (3)

Н•  +  СН₃¾СН₃                  Н₂  +  СН₃¾СН₂•         (4)

обрыв цепи:

2•СН₃                   СН₃¾СН₃           (5)

•СН₃     +   СН₃¾СН₂•                  С₃Н₈       (6)

2•С₂Н₅                       С₄Н₁₀        (7)

 

Реакции (1) - (7) описывают  образование основных продуктов  распада этана на начальных стадиях  пиролиза, основными продуктами которого являются водород, этилен и метан. Для пиролиза этана характерно, что цепь распада ведёт радикал Н•, а радикал •СН₃ образуется в незначительных количествах только на стадии инициирования.

В случае же пиролиза пропана  на стадии продолжения цепи большую  роль играет как радикал Н•, так и метильный радикал •СН₃. Поэтому при пиролизе этана преимущественно протекает дегидрирование, а при пиролизе пропана и более тяжёлых углеводородов превалирует расщепление:

инициирование цепи:

СН₃¾СН₂¾СН₃                 •СН₃  +  •СН₂¾СН₃      (8)

реинициирование цепи:

•СН₂¾СН₃                  СН₂=СН₂  +  Н•     (9)

продолжение цепи:

                                                                               СН₃ ¾•СН¾СН₃  +  СН₄    (10)

           •СН₃ + СН₃¾СН₂¾СН₃                                                                                                      

                                                                               •СН₂¾СН₂¾СН₃  +  СН₄     (11)

 

                                                                               СН₃ ¾•СН¾СН₃ +  Н₂      (12)

            Н•  +  СН₃¾СН₂¾СН₃                                                                                                       

                                                                               •СН₂¾СН₂¾СН₃  +  Н₂        (13)

 

 •СН₂СН₃  +  СН₃СН₂СН₃                          С₂Н₆   +  •С₃Н₇        (14)

СН₃ ¾•СН¾СН₃                       СН₃¾СН=СН₂   +  Н•        (15)

 •СН₂¾СН₂¾СН₃               СН₂=СН₂    +   •СН₃        (16)

обрыв цепи:

2•СН₃                     С₂Н₆        (17)

•СН₃    +   •СН₂СН₃                     СН₃СН₂СН₃        (18)

2•СН₂СН₃                          С₄Н₁₀               (19)

Большое влияние на состав продуктов пиролиза оказывает температура. При низких температурах преимущественно  протекают реакции (10) и (12), в меньшей  степени – реакции  (11) и (13), так энергия разрыва связи С-Н у первичного углеродного атома больше, чем у вторичного. Соответственно образуется больше пропилена по реакции (6) и меньше этилена по реакции (7). При высоких температурах, напротив, образуется больше этилена, а пропилена меньше, так как с ростом температуры более ускоряются реакции, имеющие более высокую энергию активации, а именно (11) и (13).

Выход этилена и других олефинов зависит также от давления.  При понижении давления снижается  концентрация реагирующих веществ  и уменьшается число соударений между молекулами. Последнее приводит к уменьшению количества продуктов уплотнения. Поэтому процесс пиролиза ведут при разбавлении сырья водяным паром (до 20% на сырьё), снижая парциальное давление углеводородных паров.

Время контакта - важнейший параметр пиролиза, который, наряду с температурой, подбирается таким образом, чтобы получать максимальное количество этилена и других низших олефинов. При этом каждой температуре соответствует оптимальное время контакта [11], при котором выход целевого продукта максимален. Например, максимальный выход этилена из этана соответствует температуре  приблизительно 1000 °С и времени контакта 0,01 с. На промышленной установке выбор температуры определяется в значительной степени особенностями аппаратурного оформления, так как применение в трубчатых печах температур выше 1000°С затрудняется из-за необходимости подбора жароупорных материалов, вследствие забивания труб сажей, а также весьма малого времени контакта.      

Этиленовому режиму пиролиза соответствует пониженный выход  пропилена, так как он при этом частично превращается в этилен. Наиболее мягкими являются “бутиленовый” и “бутилен-бутадиеновый” режимы.