Исходные данные и пример расчета
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Прощекальников Д.В
Лабораторные занятия
к дисциплине «Источники энергии теплотехнологии»
(Методические указания)
Казань-2008
УДК 662.61+621.181.7
Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Источники энергии теплотехнологии». Сост. Прощекальников Д. В.
Казань, Казанский Государственный Энергетический Университет,
2008-38 с.
В методических указаниях приведены четыре лабораторных работы и задания для выполнения студентами. В каждой работе приведены алгоритмы расчета и обработки экспериментальных данных.
Методические указания рекомендованы для студентов специальности 140 105.65 «Энергетика теплотехнологии».
СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение….……………………………………………………………..4
2. Моделирование процесса конверсии в трубчатом реакторе………….5
3. Определение температуры горения топлив …………………………10
4. Изучение процесса термического разложения в печи пиролиза ……16
5. Отбор экстра пара в выпарной установке…………………………….31
Литература…………………………………………………………………24
Введение.
Лабораторные занятия по курсу «Источники энергии теплотехнологии» проводятся в соответствии с программой курса в объеме 16 аудиторных часовпо учебному плану о специальности 140 105.65 «Энергетика теплотехнологии».
С целью развития навыков и умения самостоятельно решать задачи выпускной квалификационной работы, рекомендуется использовать все приведенные варианты условий выполнения лабораторных работ по изучению теплотехнологических процессов и выбора конструкции оборудования.
Настоящие методические указания помогут студентам овладеть методикой и алгоритмами решения отдельных задач при выполнении лабораторных работ по курсу «Источники энергии теплотехнологии».
Лабораторная работа №1
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНВЕРСИИ
В ТРУБЧАТОМ РЕАКТОРЕ
Цель: Составить материальный и тепловой баланс в трубчатом реакторе конверсии метана водяным паром. Проанализировать экономическую эффективность процесса посредством установления зависимости расходного коэффициента K=H2/ (H2O + CH4) от конверсии СО и СН4.
Схема установки
1- линии подачи исходного сырья, 2 – смеситель, 3 – трубчатый реактор , 4 – линия подачи воздуха, 5 – выход реакционной смеси
СН4(90%), СО2(10%).
4
Смеситель Тн=1050С
1
Воздух 2
 | |||||
 | |||||
 | |||||
Н2О
Реакционная смесь Тк=9000К 
 | |||
 | |||
 | |||
5
Описание установки
В смеситель 2 подают природный газ и воду. Паро-газо-водяная смесь поступает в смеситель подогретой до температуры T=1050C. Проходя смеситель, исходная смесь с направляется в трубчатый реактор 3, где протекают реакции I-III. Для подержания теплового баланса в реактор подают кислород по воздушной линии 4. Продукты реакции выходят и охлаждаются в холодильнике 5.
(I) CH4 + H2O = CO + 3H2 - Q1 (Q1 = 206200 кДж/к моль)
(II) CO + H2O = CO2 + H2 + Q2 (Q2 = 500000 кДж/к моль)
(III) CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + Q3 (Q3 = 890950 кДж/к моль)
Исходные данные и пример расчета
1) Пусть в реакторе протекают реакции конверсии метана водорода I-III
2) Углекислый газ подается с водяным паром в соотношении CH4:H2O=1:2
3) Температура реагентов на входе tвх =105 °C
Температура продуктов на выходе tк =900 °C
4) Конверсия метана 
CH 
= 100%.
5) В качестве топлива используют природный газ состава % от
CH4 90%, CO2 10%
6) потери тепла Qтп = 6%
7) Теплотворная способность CH4 - 890950 кДж/моль
8) Конверсия CО(%) = (10,20,30,40,50, 60,70
9) Теплоемкость веществ приводится из справочных данных:
| Мол. масса | Теплоемкость, при t=105 ° C | кДж/к моль, 900 ° C | ||
| CH4 16 | 36,72 | |||
| H2O 18 | 33,29 | 38,14 | ||
| CO 28 | 28,97 | 31,16 | ||
| H2 2 | 29,1 | 29,9 | ||
| CO2 44 | 37,4 | 39,8 | ||
| O2 32 | 29,3 | |||
| N2 28 | 29,3 | |||
Расчет производится из предположения, что производительность
по водороду равна 1000 кг/ч H2
Алгоритм расчета
1) Материальный баланс.
Расчет первой реакции.
1.1. Если производительность по H2 задана и равна 50 кг, то можно рассчитать первую реакцию
CH4 + H2O CO + 3H2 + Q1
1.2. Количество CO рассчитываем по пропорции
50 x
3·2 28 x = 
= 233,3
1.3. Аналогично рассчитываем CH4 и H2O вступающих в реакцию
CH4 = 133,3 кг H2O = 150 кг
Расчет второй реакции.
2.1. Если задана конверсия CO, например CO = 40% (0,4), то на вторую реакцию понадобиться CO (2)
CO (2) = CO · CO = 233,3 · 0,4 = 93,3
на выходе CO = 233,3 93,3 = 140 кг
2.2. по известному CO (2) = 93,3 кг рассчитываем H2O (2) воду во второй реакции CO2 (2) H2 (2) углекислый газ и водород во второй реакции
28 18 28 44
93,3 H2O (2) H2O (2) = 59,9 кг 93,3 CO2 (2) CO2 (2) = 146,6 кг
28 2
93,3 H2 (2) H2 (2) =6,66 кг
Суммарная вода в реакции 1,2. H2O (1+2) = 209,9. Подаваемая вода 300 кг.
На выходе H2O = 300 209,9 = 90,1 кг
3.1. Поскольку конверсия CH4 100%, то на выходе из реагентов будет только вода, поскольку взята в избытке. Ее количество равно разности поданной воды H2O (1+2) = 300 кг и вступившей в реакцию (H2O)пр. = 209,9
(H2O)вых. = 300-209,9 = 90,1 кг
3.2. Воздух подается в реактор состава O2 – 21% от N2 – 79% об.
Количество кислорода вступившего в реакцию 3 определяется из условия баланса тепла, что рассмотрено ниже.
Тепловой баланс
4.1. Физические потоки тепла определяются из уравнения
Qi = Gi Ci ti,
где Gi – количество вещества; Ci – его теплоемкость; ti – температура (на входе или выходе). Пусть задана таблица теплоемкостей (см. исходные данные, к примеру, расчета) тогда для CH4 (1), H2O (1+2) потоки тепла вычисляются
QCH4 = 8,3·36,7·105=32130 kДж
QH2O = 16.6·33.2·105=58257 kДж
QH2O = 5·38,14·900=171630 kДж
4.2. Теплоты реакции заносятся в таблицу теплового баланса
поглощенное тепло 
8,3·206200 = 1718333 kДж
выделяемое тепло 
CO(2) вычисляется из заданной конверсии CO (см. исходные данные) т.к. конверсия CO равна 0,4 CO(2) = 233,3·0,4 = 93,32 кг, поэтому CO(2)·Q2 = 
·50000 = 1664285 kДж, количество CH4(3) подбирается так чтобы был выполнен тепловой баланс. В примере реакции оно равно CH4 (3) = 2,072 kмоль и 
= 1664285 + 18·46048 = 3510333 kДж
Расчет балансов производится в прикладном пакете EXEL, где исходные данные имеют вид
| Условия | Мол. масса | Теплоемкость C, (КДж / К моль) t =105 ºC | Теплоемкость C, КДж / К моль t = 900 ºC |
| H2O/ CH4(мольн) 0,5 | CH4 16 | 36,72 | |
| tн = 105 | H2O 18 | 33,29 | 38,14 |
| tк = 900 | CO 28 | 28,97 | 31,36 |
| Исх. газ | H2 2 | 29,1 | 29,9 |
| CH4(%) 90 | CO2 44 | 37,4 | 39,8 |
| CO2(%) 10 | O2 32 | 29,3 | |
| Потери(%) 5 | N2 28 | 29,3 | |
| Пр-сть по H2 кг/ч 50 | |||
| Конверсия CO (%) 40 | |||
| Конверсия CH4 (%) 100 |
При этом каждому студенту (или подгруппе) можно всегда задать или изменить условия в исходных данных.
Программа рассчитывает по исходным данным материальный баланс, который автоматически уравнивается в силу закона сохранения массы. Тепловой баланс уравнивается через изменение (вариацию) количества метана в реакции III. Это производится изменением соответствующего числа в табличном редакторе. При этом автоматически пересчитывается заново вся таблица. Процесс заканчивается когда тепло прихода сравняется с теплом ухода.
| МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС | |||||||
| П Р И Х О Д | Р АС Х О Д | ||||||
| Наименов | Кмоль | кг | Кдж | Наименов | Кмоль | кг | Кдж |
| CH4 (1) | 8,333333 | 133,3333 | H2 (1) | ||||
| CO2 (0) | 0,92592 | 14,81481 | 3636,11 | H2 (2) | 3,3333 | 6,66 | |
| O2 (возд) | 4,144 | 132,608 | 12749,02 | CO | |||
| N2 (возд) | 15,5893 | 436,5013 | 47960,5 | H2O (1) | |||
| H2O (1+2) | 16,6666 | 58257,5 | H2O (3) | 4,144 | 74,5 | 142246, | |
| CO2 (0) | 0,925926 | 14,81 | 33166,67 | ||||
| CO2 (2) | 3,333333 | 146,6 | |||||
| CO2 (3) | 2,072 | 91,1 | 74219,04 | ||||
| O2 | |||||||
| N2 | 15,58933 | 436,5 | 477033,6 | ||||
| DHэкз (2) | DHэнд | ||||||
| CH4 (3) | 2,072 | 33,152 | DQпот | ||||
| DH экз (3) | |||||||
| БАЛАНС | БАЛАНС | ||||||
| СУММА | 1050,409 | СУММА | 1050,409 |
Задание: 1) По исходным данным рассчитать материальный и тепловой баланс процесса
2) Построить зависимость расходного коэффициента 
в зависимости от конверсии CO и выбрать наиболее экономичный вариант
Контрольные вопросы
1) Пояснить работу химического реактора по схеме и назначения всех элементов.
2) Привести алгоритм расчета материального баланса.
3) Чем отличаются теплоты связанные с физическими потоками и теплоты реакции.
4) Как уравнивается тепловой баланс реактора.
5) Что такое расходный коэффициент и как определяется оптимальный выбор параметров процесса: соотношении CH4: H2O; конверсия CO.
Лабораторная работа 2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ГОРЕНИЯ ТОПЛИВ.
Цель: Рассчитать температуры горения различных топлив и сделать их сравнительный анализ на основе модели регрессии
Элементный состав топлива
Данные для горючей массы задают из таблицы 1.
Элементный состав горючей массы различных видов топлива. Таблица 1.
| Топливо | Состав горючей массы | ||||
| С | Н | О | N | S | |
| Древесина | 42,6 | 0,5 | – | ||
| Торф | 2,5 | – | |||
| Бурый уголь | 64-77 | 4-6 | 15-25 | 0,5-7,5 | |
| Длиннопламенный | 75-80 | 5-6 | 10-14 | 1,5 | 0,5-7 |
| Тощий | 88-90 | 4-4,5 | 3-4 | 1,5 | 1-3 |
| Антрацит | 90-93 | 2-4 | 2-4 | 0,5-2 | |
| Горючие сланцы | 60-75 | 7-9 | 10-17 | 5-15 | |
| Мазут | 86-88 | 10-10,5 | 0,5-0,8 | 0,5-0,8 | 0,5-3 |
