exemplu de calcul - recuperator caldura

6.1 Recuperarea căldurii reziduale de la o secţie de forjă a unei uzini constructoare de maşini

Forjarea este un procedeu de prelucrare a metalelor şi aliajelor prin

deformare plastică la cald sau la rece, folosit pentru obţinerea semifabricatelor. Forjarea la cald se desfăşoară la o temperatură cuprinsă între [(0,6 ÷ 0,85) Ttopire]. Încălzirea materialelor metalice are loc în cuptoare speciale cu ajutorul gazelor rezultate din arderea unui combustibil gazos. După încălzire, gazele de ardere părăsesc incinta cuptorului cu o temperatură cel puţin egală cu temperatura de încălzire a materialelor (cca. 800°C) posedând o mare cantitate de căldură, a cărei recuperare se poate face în două trepte:

• recuperare primară, care costă în utilizarea gazelor, la preîncălzirea combustibilului gazos (Qpc) şi a aerului necesar arderii acestuia (Qpa);

• recuperare secundară, care constă în cedarea cantităţii de căldură reziduală, Qc, rămasă după prima recuperare, unui agent termic într-un schimbător de căldură.

PROIECTE TEHNICO-ECONOMICE 6

Cantitatea de căldură din instalaţia respectiva se calculează cu relaţia:

Qcomb = Qs + Qr unde: Qcomb este căldura obţinută din arderea combustibilului;

Qs - cantitatea de căldură semifabricatelor; Qr - cantitatea de căldură a gazelor, după încălzirea

semifabricatelor. Cantitatea de căldură a gazelor este egală cu:

Qr = Qpc + Qpa + Qc + q unde: q este căldura pierdută în atmosferă Lucrarea de faţă are ca scop proiectarea unui schimbător de căldură pentru recuperarea căldurii reziduale (Qc), folosind ca agent de transfer termic apa. Apa, care preia cea mai mare parte din cantitatea de căldură a gazelor, poate fi utilizată ca:

agent termic în cadrul unor procese tehnologice; agent termic pentru încălzirea unei părţi din incinta uzinei; apă de spălare pentru grupurile sanitare din incinta uzinei.

Tema proiectului

Să se proiecteze un schimbător de căldură acvatubular utilizat la recuperarea căldurii reziduale a gazelor de ardere rezultate de la încălzirea materialelor metalice prelucrate într-un atelier de forjă.

Schema unui schimbător de căldură acvatubular este:

185

Etapele de calcul

I. Calculul debitului de apă care preia căldura II. Dimensionarea schimbătorului de căldură III. Determinarea economiilor de combustibil realizate şi a timpului

de recuperare a investiţiei. Datele de intrare folosite în cadrul proiectului se găsesc în

tabelul 6.1.1.

Date de intrare Tabelul 6.1.1

Varianta Nr. crt. Caracteristica UM Notaţie 1 2 3 4 5 6

1 Debitul de gaze Nm3 /h D 6000 7000 9000 10000 5000 6000 2 Temperatura

gazelor la intrare °C tgi 550 450 550 450 550 450

3 Temperatura gazelor la ieşire °C tgf 220 230 240 250 230 240

4 Temperatura apei la intrare °C tai 35 35 45 45 45 30

5 Temperatura apei la ieşire °C taf 95 85 80 95 85 80

kJ/m3*gr

C

1.35

1.3

1.31

1.3

1.25

1.27

kJ/m3*gr C 1.55 1.42 1.47 1.5 1.37 1.39

6 Căldura specifică gaze - la 200°C - la 600°C

7 Coeficientul de transfer termic kJ/mgr*h K 120 118 119 117 113 114

8 Diametrul ţevii M D 0.04 0.05 0.05 0.04 0.04 0.05 9 Randamentul

schimbătorului de căldură

% rc 80 75 90 80 90 75

10 Lungimea unei ţevi M L 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.1 11 Preţul

combustibilului Lei/t Cn 290000 280000 320000 310000 290000 280000

12 Puterea calorică kJ/kg pc 31000 31000 30500 31000 30000 30500 13 Randamentul

centralei termice % ra 75 70 65 85 90 75

14 Valoarea investiţiei mil.lei I 331 332 333 334 335 336 15 Timpul

de funcţionare h/an H 6500 6600 6700 6800 6900 7000

Nota: ca este căldura specifică a apei = constantă = 4,18 Kj/kg * grad nc – numărul schimbătoarelor de căldură – notaţia intervine în calcul

– între 200-600º C se consideră o variaţie liniară a căldurii specifice cu temperatura, de aceea căldura specifică pentru valori intermediare de temperatură se calculează prin interpolare, exemplu la sfârşitul proiectului

Relaţii de calcul Semnificaţiile notaţiilor folosite în relaţiile de calcul sunt cele din

tabelul de mai sus. I Calculul debitului de apă care preia căldura

I. 1 Căldura cedată de gaze, Qc

Qc = Qi – Qf, [kJ/h] (1) unde: Qi este căldura iniţială a gazelor

Qf - căldura finală a gazelor Cantitatea de căldură iniţială a gazelor este: Qi = D ⋅ cgi⋅tgi (2)

unde cgi este căldura specifică a gazelor la temperatura de intrare Cantitatea de căldură finală a gazelor se calculează cu relaţia: Qf = D⋅cgf⋅tgf (3)

unde cgf este căldura specifică a gazelor la temperatura de ieşire. Înlocuind relaţiile (2) şi (3) în relaţia (1) se obţine: Qc= D(cgi⋅tgi-cgf⋅tgf),[kJ/h] (4) Căldura specifică a gazelor, cgi şi cgf, la temperaturile tgi respectiv tgf,

se calculează prin interpolare. Ca exemplu de calcul se vor folosi valorile variaţiei 1 din tabelul 6.1.1.

Astfel pentru t = 600°C………………c = 1,55 kJ/m3⋅grad

t = 200°C………………c = 1,35 kJ/m3 grad ∆t=400°C………………∆c = 0,20 kJ/m3⋅grad

iar pentru tig = 550°C ∆t = (600-550)° = 50°C …… ∆c = x kJ/m⋅grad Variaţia căldurii specifice, x, este:

grad.m/kJ025,0400

20,0.50x 3==

Prin urmare c5500 = 1,55 – 0,025 = 1,525 kJ/m3⋅grad

La aceeaşi valoare se ajunge şi în cazul când căldura specifică se calculează în raport cu 2000C. Variaţia de temperatură ∆t = 550° - 200°= 350°C, iar variaţia căldurii specifice, ∆c = x,, rezultă:

grad.m/kJ175,0400

20,0.350x 3, ==

187

Atunci căldura specifică a gazelor la 550°C va fi: grad.m/kJ525,1175,035,1c 3

5500 =+=

I. 2 Căldura preluată de apă, Qprel

[ ]h/kJrQQ ccprel = (5)

I. 3 Cantitatea de apă ce preia căldura, ma, este egală cu debitul de apă şi se calculează din relaţia:

( )[ ]h/kJttcmQ iafaaaprel −= (6)

de unde: [ ]h/t,10 ) t- (t c

Qm 3

iafaa

prela = (7)

II Dimensionarea schimbătorului de căldură

II. 1 Suprafaţa de schimb termic, S, se calculează din relaţia:

mprel t.SKQ ∆= (8) de unde:

[ ]2

m

prel m,t.K

QS

∆= (9)

unde ∆tm este temperatura medie egală cu: ( ) ( ) [ ]C,

tttt

ln

ttttt 0

aigf

afgi

aigfafgim

−−

−−−=∆ (10)

II. 2 Lungimea totală a ţevilor, Ltot, se determină din suprafaţa

de schimb termic, care geometric este egală cu: [ ]2

tot mLR2S π= (11) unde, R este raza ţevii II. 3 Numărul de ţevi, n, se calculează din lungimea totală:

[ ].buc,L

Ln tot= (12)

II. 4 Volumul total al ţevilor, Vţevi, este: [ ]h/m,LRπ2V 32

ţevi = (13) II. 5 Timpul în care apa preia căldura, Tprel, este:

[ ].sec,mV

Ta

ţeviprel = (14)

III Determinarea economiei de combustibil realizată

şi a timpului de recuperare a investiţiei

III. 1 Cantitatea de combustibil economisită pe oră, mh, se calculează din relaţia:

achprel r.p.mQ = (15)

de unde: [ ]h/kg,r.p

Qm

ac

prelh = (16)

III. 2 Cantitatea de combustibil pe an, mH

[ ]an/t,H.mm hH = (17)

III. 3 Costul combustibilului economisit pe an, C, pentru fiecare schimbător de căldură:

[ ]lei/an,c.mC nH= (18)

III. 4 Valoarea totală a economiilor realizate pe an, Et [ ]lei/ann.CE ct = (19)

III. 5 Timpul de recuperare a investiţiei, Tr

[ ]ani,EIT

tr = (20)

Concluzii Din economiile realizate se amortizează investiţia făcută pentru

construirea cazanului. Investiţia este rentabilă dacă Tr ≤ Ta, unde Ta este timpul de

amortizare impus de standarde.

6.2 Rentabilizarea unei rafinării

Rentabilizarea unei întreprinderi constă, în esenţă, în creşterea beneficiilor. Această creştere se poate realiza fie prin creşterea preţului produsului, fie prin mărirea volumului de producţie, preţul rămânând constant. În condiţiile unei economii de piaţă reale prima modalitate nu se recomandă, deoarece produsul ar putea deveni necompetitiv. Cea de-a doua cale este urmată de întreprinderile care vor să reziste concurenţei. Pentru aceasta trebuie descoperite toate posibilităţile tehnice şi organizatorice care pot duce la mărirea volumului de producţie, fără cheltuieli materiale suplimentare.

Scopul activităţii unei rafinării este de prelucrare a petrolului pentru obţinerea de produse petroliere, care pot fi utilizate în alte ramuri industriale sau de consumatori individuali.

Procesul tehnologic de prelucrare a petrolului se desfăşoară conform următoarei scheme de flux tehnologic:

Sursa de energie termică în rafinărie este păcura, prin a cărei ardere

se obţine cantitatea de căldură necesară proceselor ce se desfăşoară în

petrol D

gaze benzină DA

lampant

motorină DA

Pacură D

combustibil

motorină DV

ulei mineral

R

C

hidrogen benzină RC fracţii grele RC

gaze de cracare benzină CC

motorină CC fracţii grele CC

(2)

(1)

instalaţiile rafinăriei. Pentru aceasta, o parte din păcura rezultată la distilarea atmosferică este folosită drept combustibil. Cu cât cantitatea de păcura utilizată pentru obţinerea căldurii este mai mică, cu atât volumul de producţie creşte. O posibilitate tehnică de micşorare a acestei cantităţi este folosirea gazelor rezultate din instalaţiile de distilare atmosferică şi de cracare catalitică, ca sursă de energie termică, concomitent cu păcura. Păcura astfel economisită va mări, prin prelucrarea sa, volumul de producţie a produselor finite, ceea ce face să crească beneficiile rafinăriei. Tema proiectului

Să se calculeze beneficiile pe care le obţine o rafinărie prin folosirea ca sursă de energie termică, alături de păcura, a gazelor rezultate din procesul tehnologic de prelucrare a petrolului.

Etapele de calcul

I. Calculul cantităţii de păcură folosită ca unică sursă de energie termică.

II. Calculul cantităţii de păcură folosită ca sursă de energie termică, concomitent cu un procent din gazele rezultate prin prelucrarea petrolului.

III. Calculul cantităţii suplimentare de produse finite. IV. Bilanţul de materiale. V. Calculul beneficiilor realizate de rafinărie.

Relaţii de calcul

I. Calculul cantităţii de păcură folosit ca unică sursă de energie termică

I.1 Calculul producţiei orare, Ch, a rafinăriei

Producţia orară realizată se calculează cu relaţia:

[ ] t/h,TVC

dh = , (1)

unde: V este producţia anuală, t/an (tabelul 6.2.1); Td – timpul disponibil anual, h/an.

Timpul disponibil anual este dat de relaţia: [ ]an/hZ.24T ld = (2)

unde: Zl este numărul de zile lucrătoare dintr-un an (tabelul 6.2.1).

I.2 Calculul cantităţii orare de produse rezultate din fiecare operaţie

Cantitatea orară, mij, a produsului i rezultat la operaţia j a procesului

tehnologic se determină cu relaţia: [ ]h/t,η .p.mm ijjij = (3)

unde: mj este cantitatea de materie primă prelucrată prin operaţia j a procesului considerat;

pij – procentul produsului i rezultat prin operaţia j a procesului considerat;

η – randamentul procesului tehnologic (tabelul 6.2.1). La calculul cantităţii produselor obţinute prin distilarea păcurii în

vid, se ţine seama că o parte din păcura rezultată de la operaţia de distilare atmosferică se foloseşte drept combustibil în întreaga rafinărie. Fie x această cantitate. Cu această valoare se micşorează cantitatea de păcură ce se prelucrează în instalaţia de distilare în vid, cu implicaţii asupra cantităţii produselor rezultate atât din această instalaţie, cât şi a acelora rezultate din cracarea catalitică.

I.3 Calculul cantităţii de păcură folosită ca unică sursă de energie termică

Cantitatea de păcură folosită ca sursă de energie termică, aşa cum s-a

menţionat mai sus, este x. Pentru calcularea sa se foloseşte ecuaţia căldurii, conform căreia cantitatea de căldură totală este egală cu suma cantităţilor parţiale de căldură necesare fiecărei operaţii:

[ ]h/MJ,QQQQQ RCCCDVDAt +++= (4)

unde: Qt este cantitatea totală de căldură, MJ/h; Q(DA, DV, CC, RC) – cantitatea de căldură necesară pentru operaţiile

considerate, anume operaţiile de distilare atmosferică, distilare în vid, cracare catalitică şi reformare catalitică, MJ/h.

Cantitatea totală de căldură ce se obţine prin arderea păcurii este egală cu:

[ ]h/MJ,η.P.xQ acpt = (5)

unde: Pcp este puterea calorică a păcurii, MJ/kg, tabelul 6.2.9; ηa – randamentul de ardere a instalaţiei termice, %,

tabelul 6.2.8. Cantităţile parţiale de căldură necesare fiecărei operaţii se calculează

cu relaţia:

( ) [ ]h/MJ,C.mQ jspjj = (6)

unde: Qj este cantitatea de căldură necesară operaţiei din instalaţia j a rafinăriei;

Csp(j) – consumul specific de energie pentru instalaţia j a rafinăriei, MJ/t, tabelul 6.2.7.

Aplicând relaţia (6.), cantităţile parţiale de căldură vor fi: cantitatea de căldură necesară operaţiei de distilare atmosferică,

Q(DA), MJ/h.

( ) ( ) [ ]h/MJ,C.CQDAsphDA = (7)

unde: Csp(DA) este consumul specific energetic pentru instalaţia DA, MJ/t, tabelul 6.2.7.

cantitatea de căldură necesară operaţiei de distilare în vid, Q(DV), MJ/h.

( ) ( )( ) ( ) [ ]h/MJ,C.xmQ DVspDApDV −= (8)

unde: mp(DA) este cantitatea de păcură rezultată de la distilarea atmosferică, t;

x – cantitatea de păcură folosită drept combustibil, t; Csp(DV) – consumul specific energetic pentru instalaţia DV, MJ/t,

tabelul 6.2.7.

cantitatea de căldură necesară operaţiei de cracare catalitică, Q(CC), MJ/h.

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )[ ] ( ) [ ]h/Mj,C.η.pxmm.8,0Q CCspDVDVmDApDAmCC −+= (9)

unde: mm(DA) este cantitatea de motorină rezultată la distilarea atmosferică, t;

pm(DV) – procentul de motorină rezultat din instalaţia DV, %, tabelul 6.2.3;

η(DV) – randamentul instalaţiei DV egal cu randamentul procesului tehnologic, %, tabelul 6.2.1;

Csp(CC) – consumul specific energetic pentru instalaţia CC, MJ/t, tabelul 6.2.7.

cantitatea de căldură necesară operaţiei de reformare catalitică, Q(RC), MJ/t.

( ) ( ) ( ) [ ]h/Mj,C.mQ RCspDAbRC = (10)

unde: mb(DA) – este cantitatea de benzină rezultată la distilarea atmosferică, t;

Csp(RC) – consumul specific energetic al instalaţiei RC, MJ/t, tabelul 6.2.7.

Introducând relaţiile (5), (6), (7), (8), (9) şi (10) în relaţia (4) se obţine o ecuaţie de gradul întâi cu o singură necunoscută:

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( ) ( ) ( )[ ] ( ) ( ) ( )RCspDAbCCspDVDVmDApDAm

DVspDApDAsphac

C.mC..ηp.xmm.8,0

C.xmC.Cη.P.x

+−++

+−+= (11)

Soluţia acestei ecuaţii, x, reprezintă cantitatea de păcură folosită ca unică sursă de energie termică pentru rafinărie.

II. Calculul cantităţii de păcură folosită ca sursă de energie termică, concomitent cu un procent din gazele rezultate prin prelucrarea petrolului

Gazele rezultate de la diferite operaţii ale procesului tehnologic pot fi utilizate ca sursă de energie termică, atunci când nu conţin compuşi nocivi. În această situaţie, poate fi utilizată drept combustibil întreaga cantitate de gaze, în starea în care părăsesc procesul tehnologic.

În cazul în care întreaga cantitate sau numai o parte conţine compuşi nocivi, cum sunt compuşii de sulf, aceasta nu se poate utiliza ca sursă de energie termică decât după un proces de purificare realizabil printr-o perfecţionare tehnologică, care necesită, de obicei, cheltuieli suplimentare, situaţie care nu se ia în considerare în studiul de faţă.

Fie y, procentul din gazele combustibile (tabelul 6.2.8) care se foloseşte ca sursă de energie termică şi x’ cantitatea de păcură folosită concomitent în acelaşi scop, pentru acoperirea necesarului de energie pe întreaga rafinărie.

Cantitatea totală de căldură va fi, acum, calculată cu relaţia: [ ]h/Mj,η.P.V.yη.P.xQ acggacp

't += (12)

unde: Pcg este puterea calorică a gazelor, MJ/Nm3, tabelul 6.2.9; Vg – volumul gazelor combustibile rezultate din procesul

tehnologic, Nm3; ηa – randamentul de ardere a instalaţiei termice, tabelul 6.2.8

Volumul gazelor se determină din relaţia de definiţie a densităţii şi este egală cu:

[ ]3

g

gg Nm,

mV

ρ= , (13)

unde: mg este masa gazelor combustibile rezultate din procesul tehnologic, t; ρg – densitatea gazelor, kg/Nm3. Formulele pentru calculul cantităţilor parţiale de căldură rămân

neschimbate. Ţinând seama şi de relaţiile (12) şi (13), relaţia (4) devine:

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )[ ] ( ) ( ) ( )RCspDAbCCspDVDVm,

pDAm

DVsp,

pDAsphacggacp,

C.mC.η.pxmm.8,0

C.xmC.Cη.P.V.yη.P.x

+−++

+−+=+ (14)

Ca şi ecuaţia (11) şi aceasta este o ecuaţie de gradul întâi cu o singură necunoscută, x’ Soluţia ei reprezintă cantitatea de păcură care se foloseşte, alături de gaze, ca sursă de energie termică.

III. Calculul cantităţii suplimentare de produse finite

Cantitatea suplimentară de produse finite obţinută datorită păcurii economisite prin folosirea concomitentă a unui procent din gazele de rafinărie ca sursă de energie termică, reprezintă creşterea volumului de producţie a rafinăriei.

III.1 Calculul cantităţii de păcură economisită, ∆mp prin

folosirea concomitentă a unui procent din gazele de rafinărie ca sursă de energie termică

Cantitatea de păcură economisită este:

( ) [ ]h/t,xxm ,DAp −=∆ (15)

III.2 Calculul cantităţii de produse finite obţinute

din păcura economisită

Păcura economisită de la ardere se prelucrează ca materie primă în instalaţia de distilare în vid. În consecinţă, vor creşte cantităţile produselor rezultate din această instalaţie şi din cea de cracare catalitică. Conform relaţiei generale (3), pentru instalaţia DV această creştere este:

( ) ( ) [ ]t/hη,.p.mm DVijDApij ∆=∆ (16)

unde: pij sunt cantităţile procentuale ale produselor rezultate de la distilarea în vid, cu pm(DV) pentru motorină şi pum(DV) pentru ulei mineral, tabelul 6.2.3.

Astfel, valorile cu care cantităţile produselor de distilare în vid se măresc vor fi:

– pentru motorină: ∆mm(DV) = ∆mp(DA)⋅pm(DV)⋅η, [t/h] (17) – pentru ulei mineral: ∆mum(DV) = ∆mp(DA)⋅pum(DV)⋅η, [t/h] (18)

Creşterea cantităţii de motorină, ∆mm(DV), suplimentează cantitatea de materie primă ce se prelucrează în instalaţia de cracare catalitică determinând o creştere corespunzătoare a cantităţilor de produse obţinute din această instalaţie şi anume:

creşterea cantităţii gazelor de cracare, ∆mg(CC1)

∆mg(CC1) = ∆mm(DV)⋅pg(CC1)⋅η, [t/h] (19) - creşterea cantităţii de benzină, ∆mb(CC1)

∆mb(CC1) = ∆mm(DV)⋅pb(CC1)⋅η, [t/h] (20) - creşterea cantităţii de motorină, ∆mm(CC1)

∆mm(CC1) = ∆mm(DV)⋅pm(CC1)⋅η, [t/h] (21) creşterea cantităţii fracţiilor grele, ∆mfg(CC1)

∆mfg(CC1) = ∆mm(DV)⋅pfg(CC1)⋅η, [t/h] (22) IV. Bilanţul de materiale

Bilanţul de materiale ne permite să verificăm exactitatea calculelor

efectuate şi să comparăm rezultatele procesului tehnologic în situaţiile considerate.

Bilanţurile de materiale se vor întocmi atât pe operaţii cât şi pe întregul proces tehnologic.

V. Calculul beneficiilor realizate de rafinărie

Beneficiile, By, pe care rafinăria le poate realiza prin creşterea

volumului de producţie a produselor finite se vor calcula cu relaţia:

∑∆= ijy mB [ ]/aneil,T10Cd

3

i

i ⋅⋅⋅ρ

(23)

unde: ∆mij este creşterea cantităţii produsului i obţinut prin operaţia j, punctul III.2;

Ci – preţul de vânzare al produsului i, lei/l; ρi – densitatea produsului i, kg/dm3.

Formula (23) ţine seama de toate produsele finite, care se pot vinde şi a căror cantitate creşte.

În cazul în care toate gazele rezultate din prelucrare se folosesc ca sursă de energie termică, beneficiile rafinăriei vor fi:

[ ]an/leiBy

100B y⋅= , (24)

Datele de intrare necesare rezolvării proiectului sunt cuprinse în tabelele (6.2.1.) – (6.2.9.) Observaţii: – produsele comune mai multor instalaţii sunt individualizate prin specificarea instalaţiei (de exemplu, motorina DA, motorina DV, motorina CC1, motorina CC2 etc.);

– la instalaţia de cracare catalitică s-a notat în mod distinct cu: CC1 – prelucrarea motorinei provenite de la instalaţia DV; CC2 – prelucrarea motorinei provenite de la instalaţia DA.

Caracteristici de producţie

Tabelul 6.2.1 Caracteristici / Variante UM 0 1 2 3 4 5 Producţia anuală, V t 79200 75000 79000 75000 79000 75000 Zile lucrătoare pe an, Zl zile 330 365 330 365 330 365 Randamentul procesului, η % 99,9 97,6 98,8 99,9 97,6 98,8 Procent de prelucrare - motorină DA - motorină DV

%

80 100

90 95

95 95

80 100

90 95

95 95

Preţ benzină Lei/l 30000 29000 29500 29900 29100 30100 Preţ motorină Lei/l 24000 24400 24200 24900 24500 24600 Preţ ulei mineral Lei/l 50 ⋅ 103 45 ⋅ 103 48 ⋅ 103 45 ⋅ 103 46 ⋅ 103 45,5 ⋅ 103 Preţ fracţii grele Lei/l 10 ⋅ 103 12 ⋅ 103 10 ⋅ 103 13 ⋅ 103 11,5 ⋅ 103 10⋅ 103 Preţ gaze Lei/Nm3 12 ⋅ 103 11 ⋅ 103 12 ⋅ 103 11 ⋅ 103 11,5 ⋅ 103 11 ⋅ 103

Cantităţile procentuale ale produselor rezultate la prelucrarea ţiţeiului în instalaţia DA

Tabelul 6.2.2 Produse / Variante 0 1 2 3 4 5

Gaze de rafinărie 0,8 0,7 0,9 0,6 0,7 0,9 Benzină DA 15,2 13,8 18,3 11,5 14,1 16,5 Lampant 5,5 8,5 6,0 9,2 8,2 6,4 Motorină DA 21,5 22,0 24,8 20,7 23,0 20,2 Păcură 57,0 55,0 50,0 58,0 54,0 56,0

Cantităţile procentuale ale produselor rezultate la prelucrarea păcurii în instalaţia DV

Tabelul 6.2.3 Produse / Variante 0 1 2 3 4 5 Motorină DV 40 35 38 37 36 41 Ulei mineral 60 65 62 63 64 59

Cantităţile procentuale ale produselor rezultate din prelucrarea motorinei DV în instalaţia de cracare catalitică (pe direcţia CC1)

Tabelul 6.2.4 Produse / Variante 0 1 2 3 4 5 Gaze de cracare 25 26 26 25 25 27 Benzină CC1 45 46 45 46 44 47 Motorină CC1 22 21 20 22 22 19 Fracţii grele CC1 8 7 9 7 9 7

Cantităţile procentuale ale produselor rezultate

la prelucrarea motorinei DA în instalaţia de cracare catalitică (pe direcţia CC2)

Tabelul 6.2.5 Produse / Variante 0 1 2 3 4 5 Gaze de cracare CC2 20 21 21 22 22 19 Benzină CC2 51 50 52 52 50 53 Motorină CC2 25 24 24 21 25 23 Fracţii grele CC2 4 5 3 5 3 5

Cantităţile procentuale ale produselor rezultate la prelucrarea benzinei

DA în instalaţia de reformare catalitică, RC Tabelul 6.2.6

Produse / Variante 0 1 2 3 4 5 Hidrogen 2,5 2,2 2,8 2,6 2,4 2,3 Benzină RC 94,4 94,5 93,9 94,1 94,3 94,5 Fracţii grele RC 3,1 3,3 3,3 3,3 3,3 3,2

Consumurile specifice energetice, Csp, ale instalaţiilor, în MJ/t materie primă

Tabelul 6.2.7 Instalaţii / Variantă 0 1 2 3 4 5 Instalaţia DA 700 600 600 800 800 750 Instalaţia DV 700 600 600 800 800 750 Instalaţia CC 2000 2100 1900 2100 1900 2100 Instalaţia RC 4000 4200 4100 4200 4100 4100

Randamentul instalaţiei termice si gazele utilizate drept combustibil Tabelul 6.2.8

Randament / Variantă UM 0 1 2 3 4 5 Randamentul instalaţiei termice, ηa % 65 60 70 62 64 66 Gaze utilizate drept combustibil, y % 30 35 40 30 35 40

Caracteristicile produselor

Tabelul 6.2.9 Combustibili / Caracteristici Putere calorică (Pc) Densitate (ρ)

Păcură 46 MJ/kg - Gaze (fracţia C4) 35 MJ/Nm3 0,9 kg/Nm3

Benzină - 0,770 g/cm3 Motorină - 0,860 kg/dm3 Ulei mineral - ~1 kg/dm3 Fracţii grele - ~1 kg/dm3

Exemplu numeric

Exemplificarea calculelor se face pentru varianta „zero” din tabelul

cu date de intrare.

I Calculul cantităţii de păcură folosită ca unică sursa de energie termică

I.1 Calculul capacităţii orare de producţie, Ch

[ ]h/t,1033024

79200Ch =⋅

=

I.2 Calculul cantităţilor de produse rezultate

din fiecare operaţie

– distilarea atmosferică:

♣ gazele de rafinărie )( [ ]h/t,0799,0100

9,99100

8,010m DAg =⋅⋅=

♣benzină DA )( [ ]h/t,5180,1100

9,99100

2,1510m DAb =⋅⋅=

♣lampant )( [ ]h/t,5490,0100

9,99100

5,510m DAl =⋅⋅=

♣motorină DA )( [ ]h/t,1470,2100

9,99100

5,2110m DAm =⋅⋅=

♣păcură )( [ ]h/t,6940,5

1009,99

1005710m DAp =⋅⋅=

– distilarea în vid:

♣motorină DV )( )( [ ]h/t,

1009,99

10040)xm(m DApDVm ⋅⋅−=

♣ulei mineral )( )( [ ]h/t,100

9,9910060)xm(m DApDVum ⋅⋅−=

– cracare catalitică: Observaţie: La calcularea cantităţilor de produse rezultate de la operaţia de

cracare catalitică se are în vedere că materia primă (motorina) provine de la ambele instalaţii de distilare (atmosferică şi în vid) şi se prelucrează conform procentelor menţionate în schema fluxului tehnologic şi în tabelul 6.2.1. – gaze de cracare

)( )( [ ]t/h,100

9,99]10080

10020m

10025m[m DAm)DV(mCCg ⋅⋅+⋅=

– benzină CC

)( [ ]h/t,100

9,99]10080

10051m

10045m[m DAm)DV(m)CC(b ⋅⋅+⋅=

– motorină CC

)( [ ]h/t,100

9,99]10080

10025m

10022m[m DAm)DV(m)CC(m ⋅⋅+⋅=

– fracţii grele CC

)( [ ]h/t,100

9,99]10080

1004m

1008m[m DAm)DV(m)CC(fg ⋅⋅+⋅=

– reformare catalitică:

– hidrogen

[ ]h/t,0379,0100

9,99100

5,2518,1100

9,99100

5,2mm )DA(b)RC(H2=⋅⋅=⋅⋅=

– benzină RC

[ ]h/t,432,1100

9,99100

4,94518,1100

9,99100

4,94mm )DA(b)RC(b =⋅⋅=⋅⋅=

– fracţii grele RC

[ ]h/t,047,0100

9,99100

1,3518,1100

9,99100

1,3mm )DA(b)DA(fg =⋅⋅=⋅⋅=

I.3 Cantitatea de păcură folosită ca unică sursă de energie termică

Se calculează din formula (11) în care se introduc valorile tuturor

mărimilor cunoscute: 4000518,12000]

1009,99

10040)x695,5(148,28,0[700)x695,5(7001065,01046x 3 ⋅+⋅⋅⋅−+⋅+⋅−+⋅=⋅⋅⋅

După efectuarea operaţiilor se obţine ecuaţia: 31099,5 x = 250467 Soluţia este: x=0,805 t/h Cu această valoare se pot calcula cantităţile produselor obţinute prin

distilare şi prin cracare catalitică. Acestea sunt: – distilarea în vid:

– motorină DV [ ]h/t,954,1100

9,9910040)805,0695,5(m )DV(m =⋅⋅−=

– ulei mineral [ ]h/t,931,2100

9,9910060)805,0695,5(m )DV(um =⋅⋅−=

– cracarea catalitică

– gaze de cracare

954,1()( =CCgm [ ]h/t,8311,0100

9,99)10080

10020148,2

10025

=⋅+

– benzină CC

[ ]h/t,7540,1100

9,99)10080

10051148,2

10045954,1(m )CC(g =⋅+=

– motorină CC

[ ]h/t,8590,0100

9,99)10080

10025148,2

10022954,1(m )CC(m =⋅+=


[ ]h/t,2250,0100

9,99)10080

1004148,2

1008954,1(m )CC(fg =⋅+=

II. Calculul cantităţii de păcură folosită ca sursă de energie

termică concomitent cu un procent din gazele rezultate prin prelucrarea petrolului

Procentul de gaze folosite ca sursă de energie termică este: y=30% În cazul proiectului se consideră că toate gazele rezultate din

prelucrare sunt combustibile. Cantitatea a cestor gaze este egală cu suma cantităţilor gazelor de reformare şi de cracare. Deci:

kg/h 911, t/h 0,911 0,8311 0,0799ma ==+=

Volumul ocupat de aceste gaze este dat de relaţia:

3Nm1013,0,9911

gpgm

gV ===

Înlocuind în relaţia [14] toate mărimile cunoscute, se obţine:

( )( ) 4000.518,12000.

1009,99.

10040x695,5148,2.8,0

700.x695,591070065,0.35.1013.3,0,.65,0.10.46.x

,

,3,

+⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −++

+−+=

Efectuând operaţiile se obţine ecuaţia:

18133x5,31099 , =

a cărei soluţie, x’ = 0,584 t/h, reprezintă cantitatea de păcură ce se foloseşte ca sursă de energie termică, concomitent cu un procent de 30% din gazele rezultate din prelucrarea petrolului.

III Calculul cantităţii suplimentare de produse finite

III. 1 Calculul cantităţii de păcură economisită, ∆ mp, prin folosirea gazelor ca sursă de energie termică

∆mp = 0,805 – 0,584 = 0,221, t/h

III.2 Calculul creşterii cantităţilor de produse obţinute din păcura economisită

– creşterea cantităţii de motorină rezultată prin distilare în vid.

( ) h/t,0884,0100

9,99.10040.221,0m DVm ==∆

– creşterea cantităţii de ulei mineral rezultat prin distilare în vid.

( ) h/t,1324,0100

9,99.10060.221,0m DVum ==∆

– creşterea cantităţii de gaze rezultate din cracarea catalitică.

( ) h/t,0220,0100

9,99.10025.0884,0m CCg ==∆

– creşterea cantităţii de benzină rezultată din cracare catalitică.

( ) h/t,0400,0100

9,99.10045.0884,0m CCb ==∆

– creşterea cantităţii de motorină rezultată din cracare catalitică.

( ) h/t,0195,0100

9,99.10022.0884,0m CCm ==∆

– creşterea cantităţii de fracţii grele rezultate din cracare catalitică.

( ) h/t,0070,0100

9,99.100

8.0884,0m CCfg ==∆

IV. Bilanţul de materiale

Cu ajutorul lui verificăm corectitudinea calculelor efectuate la

punctul III. 2 şi evidenţiem creşterea cantităţilor de produse finite. Se întocmesc bilanţurile pentru cele două situaţii considerate.

IV.1 Bilanţul de materiale, când se foloseşte păcura ca unică sursă de energie termică

Se va întocmi bilanţul de materiale pentru fiecare operaţie şi pentru

întregul proces tehnologic:

Bilanţul de materiale pe operaţii

Distilarea atmosferei

Materiale

intrate

Cantitate, [t] Materiale

ieşire

Cantitate, [t]

- ţiţei 10 - gaze de rafinărie

- benzină DA

- lampant

- motorină DA

- păcură

- pierderi

0,0799

1,5180

0,5490

2,1480

5,6950

0,0101

Total intrări 10 Total ieşiri 10,0000

Distilare în vid

Materiale

intrate


ieşire

Cantitate

- păcură 4,8900* - motorină DV

- ulei mineral

- pierderi

1,9540

2,9310

0,0050

Total intrări 4,8900 Total ieşiri 4,8900

* Din cantitatea de păcură rezultată la DA se scade cantitatea folosită

ca sursă de energie termică: 5,695 – 0,805 = 4,890

Reformarea catalitică

Materiale

intrate


ieşite

Cantitate, [t]

- benzină DA 1,5180 - hidrogen

- benzină RC

- fracţii grele RC

- pierderi

0,0379

1,4320

0,0470

0,0011


Cracarea catalitică

Materiale

intrate


ieşite

Cantitate, [t]

- motorină DV

- 80% motorină DA

1,9540

1,7184*

- gaze de cracare

- benzină CC

- motorină CC

- fracţii grele CC

- pierderi

0,8311

1,7540

0,8590

0,2250

0,0033


* 80% din 2,148 t motorină DA → 1,7184 t

Bilanţul de materiale pe întregul proces tehnologic

Materiale

intrate


ieşite

Cantitate, [t]

- ţiţei 10 - gaze de rafinărie

DA+CC

- benzină RC + CC

- lampant DA

- motorină CC + 20% DA

- ulei mineral DV

- hidrogen RC

- fracţii grele RC + CC

- păcură – combustibil

- pierderi

0,9110

3,1860

0,5490

1,2886

2,9310

0,0379

0,2720

0,8050

0,0195


Notă: S-au subliniat poziţiile din bilanţ a căror valori se vor modifica

în cea de-a doua situaţie considerată

IV. 2 Bilanţul de materiale când sursa de energie termică se compune din păcură şi gaze

În situaţia în care ca sursă de energie termică se folosesc păcură şi gaze, bilanţurile de materiale se refac numai pentru distilarea în vid şi cracarea catalitică, deoarece celelalte operaţii rămân neschimbate, cum reiese şi din schema fluxului tehnologic. De aceea, trebuie calculate cantităţile de produse rezultate din operaţiile respective, deoarece prin utilizarea celor două tipuri de combustibil, s-a mărit cantitatea de materie primă prelucrată în instalaţia de distilare în vid.

Cantităţile rezultate pe operaţii sunt:

Distilarea în vid

– motorină DV

( ) ( ) [ ]h/t0423,2100

9,99.10040.584,0695,5m DVm =−=

– ulei mineral

( ) ( ) [ ]h/t0635,3100

9,99.10060.584,0695,5m DVum =−=


– gaze de cracare

( ) [ ]h/t,8534,0100

9,99.10080.

10020.148,2

10025.0423,2m CCg =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

– benzină CC

( ) [ ]h/t7936,1100

9,99.10080.

10051.148,2

10045.0423,2m CCb =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

– motorină CC

( ) [ ]h/t8780,0100

9,99.10080.

10025.148,2

10022.0423,2m CCm =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +=


( ) [ ]h/t2318,0100

9,99.10080.

1004.148,2

1008.0423,2m CCm =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

Noile bilanţuri pentru cele două operaţii sunt:

Distilarea în vid Materiale

intrate Cantitate, [t] Materiale ieşite Cantitate, [t]

- păcură 5,1110 - motorină DV - ulei mineral - pierderi

2,0423 3,0635 0,0052

Total intrări

5,1110

Total ieşiri

5,1110


Materiale intrate Cantitate, [t] Materiale

ieşite Cantitate, [t]

- motorină DV - 80% motorină DA

2,0423 1,7184*

- gaze de cracare - benzină CC - motorină CC - fracţii grele CC - pierderi

0,8534 1,7936 0,8780 0,2318 0,0039

Total intrări 3,7607 Total ieşiri 3,7607 * 1,7184 reprezintă 80% din motorina DA (80% din 2,1480 t)

Bilanţul de materiale pe întregul proces tehnologic

Materiale intrate Cantitate, [t] Materiale

ieşite Cantitate, [t]

- ţiţei 10 - gaze de rafinărie DA+CC - benzină RC + CC - lampant DA - motorină CC + 20% DA - ulei mineral DV - hidrogen RC - fracţii grele RC + CC - păcură – combustibil - pierderi

0,9333 3,2256 0,5490 1,3079 3,0635 0,0379 0,2788 0,5840 0,0200


Notă: S-au subliniat poziţiile din bilanţ care s-au modificat faţă de bilanţul anterior

Cu ajutorul bilanţurilor pe operaţii se pot controla rezultatele obţinute la punctul III. 2.

– creşterea cantităţii de motorină rezultată de la operaţia de distilare în vid.

∆mm(DV) = 2,0423 – 1,9540 = 0,0883 [t/h] – creşterea cantităţii de ulei mineral rezultat de la operaţia de

distilare în vid. ∆mum(DV) = 3,0635 – 2,9310 = 0,1325 [t/h] – creşterea cantităţii gazelor rezultate de la operaţia de cracare

catalitică. ∆mg(CC) = 0,85324 – 0,8311 = 0,9333 – 0,9110 = 0,0223 [t/h]

– creşterea cantităţii de benzină rezultată de la operaţia de cracare catalitică.

∆mb(CC) = 1,7936 – 1,7540 = 3,2256 – 3,1840 = 0,0396 [t/h]

– creşterea cantităţii de motorină rezultată de la operaţia de cracare catalitică.

∆mm(CC) = 0,8780 – 0,8590 = 1,3076 – 1,2886 = 0,0190 [t/h]

– creşterea cantităţii de fracţii grele rezultate de la operaţia de cracare catalitică.

∆mfg(CC) = 0,2318 – 0,2250 = 0,2788 – 0,2720 = 0,0068 [t/h]

Diferenţele dintre aceste rezultate şi cele de la punctele III. 2. sunt de ordinul miimilor şi se datoresc aproximărilor efectuate la ultima zecimală a valorilor utilizate în calcule.

Creşterea cantităţii unor produse finite ale procesului tehnologic, în cazul când se foloseşte drept combustibil un procent din gazele rezultate din procesul de prelucrare a petrolului, este evidenţiată şi de bilanţurile de materiale.

V. Calculul beneficiilor obţinute, rezultate din vânzarea

produselor finite suplimentare

La calculul beneficiilor, conform formulei, (23) se vor adopta unităţile de măsură din tabelul 6.2.9 şi costul produselor din tabelul 6.2.1, astfel că:

an/lei107154733024]10501325,010100068,0

24000860,0

10019,030000770,0

100396,010120223,0[B

666

336

30

⋅=⋅⋅⋅⋅+⋅⋅+

+⋅⋅

+⋅⋅

+⋅⋅=

Când toate gazele rezultate din prelucrare sunt utilizate ca sursă de energie termică în procesul tehnologic considerat, cantitatea produselor finite va avea o creştere mult mai mare, cu consecinţe pozitive asupra beneficiilor rafinăriei. Astfel, dacă întreaga cantitate de gaze (0,911 t) se foloseşte ca sursă de energie termică pentru instalaţii, beneficiile rafinăriei vor fi, conform relaţiei (24):

lei/an1068,384892101547730

100B30

100B 6630 ⋅=⋅⋅=⋅=

În concluzie, creşterea cantităţii de produse finite conduce la creşterea beneficiului, ceea ce demonstrează posibilităţile de rentabilizare a unei rafinării.

exemplu de calcul - recuperator caldura

Documents