论证贴极限预冷预热裂解
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44914653 楼主
后面造出来3种型号分别跟实践贴。
刚才搞半天被吞了,具体结论就是每克原油流量供电80/9瓦,需要搞3种型号,节能辅助型供电持续1万瓦,豪华奢侈型持续供电5万瓦,暴力输出型持续供电10万瓦,超过五万瓦需要输电技术,完了再上输电技术。
热换算:
原油比热容1690
石油比热容1760
高硫比热容1898
天然比热容2191
硫比热容700
以1kg a摄氏度原油计算,取整,小数点后两位不是现在关键问题,现在的预冷还没达到个位数,先不追求小数点。
固定热量,
高硫冷却到天然气:放热1336192
石油到高硫吸热:244640
a摄氏度原油到石油吸热:1690(403-a)
可调热量,
天然气预热到b摄氏度吸热:2*2191(b+162)/3
硫预热到c摄氏度吸热:700(c+162)/3
高硫预冷分3阶段:石油,原油,天然气,高硫比热容大于石油原油,小于天然气,体现在各阶段预冷的末端温差,和预冷区间多少有关,但有个极限温差,预冷区间再多也不能突破极限温差。
理想状态设a=b,硫不参加换热。解得a=-758摄氏度。小于绝对零度,相当于无解。硫不参加换热无法达到热平衡。
以需求状态设定参数,原油温度a=90摄氏度, 天然气温度b=0摄氏度,利用天然气和污水降温发电机,产生的二氧化碳温度也合适。解得:c=1235摄氏度。也就是说硫预热到1235摄氏度可以达到热平衡,显然不可能。
硫参加换热是否可以在某一状态下达到热平衡,硫的导热比较慢,假定把硫升温到520摄氏度,这个导热速度慢可以通过导热设计搞定,设a=b,解得a=-64摄氏度。已经相当接近于石油的凝固点。说明余热相当微弱,再让一部分热量由天然气带走就可以进液态石油。(贴先发出保存,楼下接着论证,防止又没了。)
2022年02月27日 11点02分 1
level 13
那,隔热用的砖要不要考虑进去。[滑稽]
2022年02月27日 11点02分 2
真空,不用砖。
2022年02月27日 13点02分
上隔热质不就行了[滑稽]这种科技建筑能不上好材料吗,全部顶级材料
2022年02月27日 13点02分
@44914653 还有搭建在外太空要铺背景板的是否也要考虑。[滑稽]
2022年02月27日 13点02分
最后温度平衡了一样的,跟环境吸热关系不大,等他升温到一定程度就不变了。
2022年02月27日 13点02分
level 12
44914653 楼主
要调节入油和出气温度就需要液冷,就涉及到效率的问题,当然要追求极限效率,与需要转移的热量有关,以输入正常温度石油,输出合适温度天然气,硫为准,所有消耗都计算在内,由此可分几种方案
一,冷却出气
设a=100,c=20,解得b=205.6
得到0度天然气每千克原油流量耗电306.4瓦每秒。裂解内部无需液冷。
二,冷却入油
设b=0 c=20解得a=-76摄氏度,低于石油凝固点,无法单独冷却入油。
三,冷却入油出气,
设a=b,c=20,解得a=b=-572
无法实现,需要天然气吸走多余热量再冷却,做了多余功,不如直接冷却出气。
四,在原油高硫或石油高硫换热末端进行单独或者全部冷却。设a=100,b=0,c=20
余热=300154,每千克原油流量每秒耗电306瓦,与一方案相同,但实际操作更加复杂。
2022年02月27日 13点02分 3
明天再论,今天休息了![滑稽]
2022年02月27日 14点02分
此贴算草稿贴,完了统一整理一下,体现了分析和探索过程[呵呵]
2022年03月05日 09点03分
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原油90°没问题,天然气0-120度都没问题。
油比热容1.69,天然气2.191产量是67%,近似于天然气0.67*2.191=1.46797比热容,完美平衡温度90度进90度出不可能。
算起来,酸气预冷到最低原油温度90度,酸气比热容1.898,超冷8.44,因此单个液冷机可以降温液化8.44/1.898*14=62.2开尔文*10公斤酸气,则10kg的90度酸气需要用天然气和硫预冷到-100度以下,产热190*1.898,会把6.7kg 的-163度天然气加热190开x 1.898比热容/0.67产量/2.191天然气比热容 190*1.898/0.67/2.191=245.7开尔文。
2022年02月27日 13点02分 4
level 9
接上面,从需求逆向计算,预冷液化前最后一段酸气的天然气升温245k则正好接近90度,截止酸气冷却到90度是可以基本平衡的。
酸气需要被吸走1.898*(530度-90度)=835单位,原油可以吸走1.69*310度裂解=1.69*310=523.9单位,石油再吸走1.76*140=246.4单位,剩余835-523-246=66单位,天然气再升温66/2.19/0.67=44.980577度,刚到130度,用来发电正好。
结论,完美换热,90度石油进,130度天然气出,硫不参与。
2022年02月27日 13点02分 6
level 12
44914653 楼主
还有一些折中方案,万变不离其宗,不如直接冷却出气,冷却出气也相当于控制发电区温度,实际上裂解不耗什么电,200度天然气也可以烧,污水变蒸汽,有泥土产生,327度才会变沙子,出现掩埋。
虽然1kg流量可以在管道中不怕相变,但是流量太低了,着实有点少,产电9000w左右,只能供给小型基地。
所以基本型定2kg每秒原油流量。
中等型5kg每秒原油流量。
暴力型10kg每秒原油流量,超过还得拉管道,就一根管道合适。气体流量已经突破管道上限,多拉一根入油管道也不成问题,完全兼容,各方面余量允许直接加到更大流量,电已经够多没必要再增加流量。
2022年02月27日 17点02分 7
还有一种方案,在温度足够高的时候,合适位置蒸汽机吸掉多余热量,可以省去出气冷却,无需液冷,显然这个方案最佳,这样整个裂解只需要两个极低功耗的液冷,分别位于高硫预冷首尾,具体还待演算测试。
2022年02月28日 04点02分
@44914653 如果增加和降低高硫首尾的温度,不需要外部辅助就不需要液冷,但是启动阶段也是需要的,建筑中肯定会出现两个液冷,只是不转而已。
2022年02月28日 04点02分
level 12
44914653 楼主
构型方面,流量均大于1kg每秒,不能规避相变爆管,均需加入石油和高硫两个相变点,冷却点选择还有原油与天然气预冷的结合处一个选项。
n节预冷预热梯度方面,无法使用管道解决,最低流量2kg每秒,也需要拆分4条管道,液体气体各两条,体积过大,需要开发换热速度更快的,多节小体积,相互绝热的换热单元,不排除需要复杂自动化[滑稽]
2022年02月27日 18点02分 8
如果采用开放式换热就得说不在管道内,就无需添加相变点。
2022年02月27日 18点02分
level 12
44914653 楼主
换热节构型选择:
包括两种换热场景,气气和气液换热。
气体自然飘动× 气体飘动过慢,不均匀,漏热。
气体进管道× 管道流量过低,管道多体积大,造成卡顿。
液体进管道(备选) 也可以考虑,但10kg每秒流量一格接触无法完全换热。造成体积扩大。
液体气体受控接触✓目前主要研发方向,主要问题缩小体积,巧和妙有待发挥。
气体受控,液体自然热平衡(待测试) 主要问题漏热,导致预冷预热无法达到极度接近换热介质。
2022年02月28日 04点02分 9
level 12
44914653 楼主
关于蒸汽机吸热位置。
什么算过得到各种合适温度资源余热300154. 高硫与液体(石油和原油)的热差,大于100度的部分,温度区间100-403 403-542
原油占比0.685
石油占比0.315
1kg流量为准,液体吸热总量756726/kg。高硫放热总量838916/kg。热差82190/kg
要得到0度天然气下方需热162*2191*2/3=236628/kg
要完全不用液冷,就需要在大于125度取130度(加快导热速度)用蒸汽机控制高硫携带余热等于236628/kg,并且保证液体有足够热量相变。高硫最低只可以控制在100度左右,还是有余热262*1898-236628=260648/kg
用液冷强行控制耗电260648/1176000*1200=266w/kg
硫在100度位置换热到20度,
700*182/3=42466.66667
作用不大。
通过控制入油温度降低高硫温度到多少度才能达到热平衡
236628/1898-162=-37.3
也就是高硫进入与天然气换热阶段温度在-37.3的时候可以得到0度天然气。入油温度就要在-37.3,一部分降温可以通过硫进行,假定硫升温到50度,
137.3*1690-700*212/3=182570.3333/kg
这部分热量需要液冷吸走182570/1176000*1200=186w每千克
能耗降低,而高硫处于与液体换热阶段的余热可以用蒸汽机吸走。
提高天然气出口温度不在考虑范围,如果提高可以做到不用任何液冷,但是烧起来就难受了!
此方案在调节各种资源到完美温度的情况下做到了目前的最低功耗,非常不错,如果没有更好的就用这个流程。
2022年02月28日 05点02分 10
level 11
终于有数学家入住了[真棒] 之前还想让人去求个函数图[小乖]
2022年02月28日 12点02分 11
这函数图简单就是一个三元一次函数,光看函数图搞不懂他的意义,还得结合分析。
2022年02月28日 18点02分
没画图,盲分析。
2022年02月28日 18点02分
level 12
44914653 楼主
最后给出两种方案:
一号方案,不限制天然气出口温度,略微提高和降低高硫换热首尾温度,达到换热末端直接相变无需液冷的状态,余热由蒸汽机提前吸走,需要计算是否可行,并得出蒸汽机吸热的合适位置范围。
二号方案,就楼上方案,入油温度控制在-37.3摄氏度,需要得出蒸汽机吸热的合适位置范围,也略微提高和降低两端温度,稳定之后脱离液冷。
2022年02月28日 18点02分 13
level 12
44914653 楼主
一号方案,100度入油,1kg流量余热1898*442-303*1690-139*1760=82206/2/4179=9.83
10kg流量使2kg水上升98.3度。一个蒸汽机就够了。吸热完成之后完全换热首尾温度也不能保持相同,只能首尾温差相同,温差越小导热越慢,所以不可能完全温度相同,只能通过增加换热面积变相增加导热时间减小温差。
82206/1898=43.31
吸去这部分热量会使高硫温度下降43.31度,经过分析,如果导热是瞬时的,在任何位置吸热都没问题,但如果在最顶端或者最底端吸热显然会影响相变,因为比热容的关系,最终都会达到热平衡,将对入温和出温的影响降到最低。设换热节数为n,则每节换热(1898*442-82206)/n,剩余换热节的总换热量任务应大于82206,否则造成换热节效率下降,设在从低温开始计数,第m节吸热,得到不等式
m(1898*442-82206)/n≥82206
解得9.2m≥n
同样的如果在上端吸热,要留足够的热量供石油相变,同理设mn,具体不等式分多种情况,不进行计算,远大于蒸汽机工作温度。
方案一吸热位置遵循9.2m≥n尽量接近蒸汽机工作温度即可。
剩余热量硫升温到50度天然气温度
1898*262-700*212/3=447809.3333
447809.3333*3/2191/2-162=144.58
天然气出口温度144.58
考虑到高硫入口温度100摄氏度,有热量溢出,高硫在末端温度高于天然气,假设冷却到天然气最低温-183,
447809.3333*3/2191/2-183=123.5787312,仍然不可实现。所以高硫相变点需要一个液冷,功率至少为
262*1898-2*262*2191/3-700*212/3=65114.66667/1176000=0.05536961452*1200=66.44353742瓦每千克
2022年03月01日 10点03分 14
出0度天然气功耗262*1898-2*2191*162/3-700*212/3=211181.3333/1176000=0.1795759637*1200=215.4911564瓦每千克
2022年03月01日 11点03分
一号方案第一号优化变形,天然气参加高硫大于100度部分换热,这部分热量已经预定让原油吸走,100度以上部分没有多余热量供天然气吸,100度以下天然气热量已经饱和,无法通过再提高天然气温度来降低高硫末端温度。只有让高硫进入与天然气换热前降到更低温度才能实现,结论是不可行。
2022年03月01日 14点03分
一号方案的最大效率, 1kg流量发电机调节后产电1000*2*1200/3/90=8888.888889 浪费率66.44/8888.8888889=0.0074745 效率1-0.0074745=0.9925255 99.25% 如果蒸汽机稍微利用一下就100% 但是100度天然气发电区降温也麻烦,出的污水不知道多少度,应该不会太高。温度视图是不舒服。
2022年03月02日 12点03分
@44914653 此外,吸热位置还应考虑导热速率,吸热造成的温差变化,要保证剩余节数足够石油预热到相变温度,涉及到导热速率需要微分方程精确计算,搞不了。选换热节的中间数基本没问题,这个计算只能给个大致方向,无法给出精确指导。没有加入导热速率计算。设未知数η以后再精算。
2022年03月02日 12点03分
level 12
44914653 楼主
一号方案吸热位置纠正分析,基础运算请参考楼上。
最关键的是吸热位置计算有误,图省事得出了错误结果,现进行重新计算。
引入变量每节换热效率μ,换热节n,节间温差dt,总温度变化量dT,
其中dt=dT/n
换热效率μ除去和材料接触面A有关,一旦固定就不变,因为换热过程稳定之后dt在对相对应的每个n都是常数,在热导方程Φ=-αAdt/dx中,求导得到导热速率μ是一个常数,也就是导热速率μ和换热节n成反比,与1/n和dt成正比。
接楼上,高硫需降温43.31k,引入在m节的积热ΔΦm,即高硫在m节多余的热量。相对于石油的热梯度,高硫每节升温
1898-1760=138
138/1898=0.073dt
对于原油高硫每节升温
1898-1690=208
208/1898=0.11dt
造成温差实际的温差dt'大于dt导热速率μ增大。所以在实际换热过程中热梯度dt不是均匀分布的,呈现上小下大的趋势,导热速率μ越往低温部分越大。
楼下继续
2022年03月02日 14点03分 17
不用微分方程没法解决这个问题,得出的结论与实际相去甚远,也可以大量实验解决,不一定完美,只有数学才能找到那个完美点。
2022年03月02日 15点03分
为什么要计算蒸汽机吸热的精确位置 蒸汽机位置的不同影响每节换热效率,换热效率极限可以缩小建筑,也可以通过计算发现影响的准确因素,发现提高效率,缩小建筑的新可行方法。
2022年03月02日 15点03分
level 12
44914653 楼主
先把这个换热模型彻底搞明白,热力学没学过现导吧!有助于以后的各项导热研究。
在这个模型中,导热速率μ是变化的,与导热持续时间Δt有关系,不仅传导热量使温差发生变化,因为比热容不同,两种导热主体的温度变化ΔT1和ΔT2也不同,这里最终要推导的是
每节总导量Φ=∫μdt
💊引入变量导热加速度g,和导热主体的比热容c,质量M,热功率p,导热材料导热率α有关。而热功率p又和温差ΔT导热时间Δt有关,看起来像个无限套娃,不好搞,可能中间会约去。
μ=μ0+∫gdt
由力学中的p=fv f=ma 可以得到 p=mav
体现在这里就是p=mgμ
2022年03月03日 05点03分 18
发现导热速度就是热功率,p=w/t 导热速度μ=w/t,所以这个式子行不通,力学中的功率不是速度。
2022年03月03日 11点03分
level 12
44914653 楼主
因为导热率α,接触面A,导热距离x(此模型中A,x固定为1,1格接触面和距离,可以不出现在推导中)固定不变,所以导热速度μ和温差ΔT线性相关,暂不加入接触方式,不同接触导热率计算不同,以散热板为准,经过时间t后
石油温度变化ΔT1=αt/(1760m)
高硫温度变化ΔT2=αt/(1898m)
原油温度变化ΔT3=αt/(1690m)
天然气温度变化
ΔT4=3αt/(2*2191m)
导热加速度是由于温差发生变化而出现的
高硫石油换热阶段
g1=μ1-μ0=(ΔT1+ΔT2+T1-T2)α
高硫原油换热阶段
g2=μ1-μ0=(ΔT2+ΔT3+T3-T2)α
高硫天然气换热阶段
g3=μ1-μ0=(ΔT2+ΔT4+T4-T2)α
2022年03月03日 16点03分 21
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