Расчёт характеристик потоков конвекционной части печи парового риформинга для увеличения паровой конверсии метана

Введение

Процесс паровой конверсии метана используется для получения водорода из природного газа. Паровая каталитическая конверсия гидроочищенного углеводородного газа проводится в трубчатых печах с подводом тепла через стенки труб и является основным процессом, происходящим в печи парового риформинга. Однако получаемое тепло от сгорания топлива и хвостовых газов также используется в печах и в конвекционной части для передачи тепла различным потокам для их нагрева или парообразования. Этот процесс происходит в конвекционной части печи, которая соединена с радиантными камерами футерованными дымовыми каналами. Такие печи оборудованы системами принудительной подачи воздуха на горение и принудительного удаления дымовых газов.

В рассматриваемой в этой статье печи в конвекционной камере расположены змеевики с горизонтальными трубами (рис. 2):

• сырья гидроочистки,
• перегрева пара высокого давления, поступающего на смешение с газосырьевой смесью риформинга (2 потока),
• смеси обессеренного сырья с водяным паром,
• котловой питательной воды для парогенерации.

Также в рассматриваемой в этой статье печи существует недостаток паровыработки для правильной работы всей установки и проведения парового риформинга, в частности. Рассмотрен случай, когда на смешение с сырьем подается недостаточное количество водяного пара, и необходимо рассчитать конвекционную часть печи и обнаружить возможности для решения проблемы.

Расчет расхода и теплотворности дымовых газов

Расчет расхода дымовых газов, а также все последующие расчеты выполнены в виде программы на языке программирования Python (рис. 1).

Известно, что в горелки печи подается на сгорание два потока:

• топливный газ (метан),
• хвостовые газы установки (метан + углекислый газ).

В расчете массового расхода дымовых газов необходимо воспользоваться формулой сгорания метана [1]:

(1)

Таким образом, зная молярные массы и коэффициенты сгорания, рассчитываются массовые расходы углекислого газа и паров воды реакции:

(2)

(3)

где – суммарный расход метана на входе в печь, – молярные массы веществ.

Таким образом, зная, массовые доли газов, входящих в состав дымовых, а также удельные их теплоемкости, можно посчитать удельную теплоемкость горячего потока дымовых газов в конвекционной части печи:

(4)

где – массовые доли, – удельные теплоемкости.

Рис. 1. Расчетный код потока дымовых газов

Расчет расхода генерации пара

Рис. 2. Расположение и состав змеевиков конвекционной камеры печи

Для расчета задаются известные параметры каждого из холодных потоков, а также потока дымовых газов (табл.).

Таблица

Наличие характеристик потоков конвекционной части печи

Далее рассчитывается количество тепла для каждого из четырех полностью определенных холодных потоков и потока дымовых газов:

(5)

где c – удельная теплоемкость потока, m – массовый расход потока, T_вх – входная температура потока, T_вых – выходная температура потока.

Вычитая из количества тепла потока дымовых газов сумму количества тепла холодных четырех потоков, получаем количество тепла, ушедшее на парогенерацию. Тогда количество образованного пара в конвекционной части печи будет:

(6)

где L – удельная теплота парообразования потока.

Рис. 3. Расчетный код массового расхода потока пара

Расчет необходимого количества пара для парового риформинга метана

В случае с рассматриваемой печью на смешение с сырьем подается недостаточно пара, а именно на 14250 кг/ч метана подается 45000 кг/ч водяного пара. Рассчитаем необходимое количества пара при учете, что нужное мольное соотношение водяной пар∶ метан = 3,5 [2]:

, (7)

где – мольный расход метана,

, (8)

где – мольный расход водяного пара.

Расчетный код на языке Python представлен ниже (рис. 4).

Рис. 4. Расчетный код необходимого количества пара

Исходя из получившегося расчета, необходимо найти способ прибавить на 11000 кг/ч генерацию пара, а также в дальнейшем расчете изменить массовый расход потока перегрева пара на 11000 кг/ч.

Расчет необходимой площади теплообмена

Так как в печи предусмотрено место для потенциальных новых змеевиков, показанное пунктиром на рисунке 2, то существует возможность расположить новые змеевики парогенератора. Необходимо вычислить их количество и возможность уместить их в отведенное место. Расчет на языке Python представлен на рисунке 5.

Расчет площади теплообмена необходимо начать с вычисления коэффициентов теплоотдачи [3]. Теплоотдача при кипении в трубах считается с помощью сравнения коэффициентов теплоотдачи при кипении в большом объеме (9) и при вынужденном турбулентном течении в трубах (11) [4]:

, (9)

, (10)

, (11)

где q – плотность теплового потока, p – давление насыщения потока, R_e – число Рейнольдса, Pr – критерий Прандтля, Nu – критерий Нуссельта 
ε_t – поправочный коэффициент, λ – коэффициент теплопроводности пара, d – внутренний диаметр трубы.

Коэффициент теплоотдачи со стороны дымовых газов вычисляется с помощью формулы (12):

, (12)

где Ra – критерий Рэлея.

Таким образом, найдя все коэффициенты теплоотдачи, а также зная коэффициент теплопроводности материала трубы, находится коэффициент теплопередачи:

. (13)

Площадь теплообмена:

, (14)

где Q – тепловой поток дополнительной парогенерации, ΔT – разница средних температур потоков.

Рис. 5. Расчетный код необходимой площади теплообмена

Так как на свободные места в печи может поместиться используемых труб на 124 м², то полученный результат в 86 позволяет разместить змеевики парогенератора.

Расчет новой выходной температуры дымовых газов

Учитывая изменения во всех потоках, можно выполнить расчет по уравнениям (5) и (6) для нахождения новой температуры выходных газов. Необходимо учитывать, чтобы новая температура не была ниже пороговой для использования в следующих этапах установки. Код на языке Python представлен ниже (рис. 6).

Рис. 6. Расчетный код новой температуры выхода дымовых газов

Вывод

На основе приведенных математических формул получен расчет для конвекционной части печи, позволяющий проводить аналитическую работу по изменениям характеристик потоков, нагреваемых в печи, а также потока горячих дымовых газов.