Расчет битумохранилища

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение высшего  профессионального образования 

«Омский государственный университет  им. Ф. М. Достоевского»

Химический факультет

Кафедра химической технологии

          по дисциплине «Процессы и  аппараты химической технологии»

Тепловой расчет битумохранилища

Студент гр. ХТС-901-О  ______________  Поротикова О.В.

Руководитель

 доцент, профессор  РАЕН ______________  Кацин В.А.

Зав. кафедрой

д.х.н., проф., чл-корр. РАН ______________  Лихолобов В.А.

Омск 2013

Реферат

УДК 696.56 Тепловой расчет битумохранилища

Поротикова О.В., Кацин В.А.

В данной работе произведен расчет битумохранилища  вместимостью 100 тонн и битумонагревателя с конечной температурой нагрева битума 170⁰С.

Курсовая работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и  списка используемой литературы. В  первой главе представлена классификация  битумохранилищ, их конструктивное устройство и рассмотрены основные теоретические вопросы процесса горения. Во второй главе описана принципиальная технологическая схема битумохранилища. В третьей главе приведен основной технологический расчет установки, определены параметры. В четвертой главе приводится графическая часть, состоящая из трех чертежей формата А4.

Стр.55, табл.7, рис.7, библ.17.

Содержание

Стр.

Введение

В данном курсовом проекте рассматривается битумохранилище с огневой системой нагрева битума.

 Битум является вязкоупругим  материалом, обладает склеивающими  свойствами и широко применяется в промышленности и строительстве. Потребителю битум выдается в жидком виде, а так как в обычных условиях он представляет собой твердое тело, необходим предварительный нагрев. Сначала битум нагревают до температуры текучести (50 – 60 ⁰С), далее осуществляется прогрев до температуры перекачивания насосом (90 – 95 ⁰С). Для обезвоживания  температуру поднимают до рабочей (140 – 160 ⁰С) и затем происходит выдача битума потребителю.

 Хранение битуминозных материалов  осуществляется в битумохранилищах. Для обеспечения возможности выкачивания битума из хранилища их оборудуют нагревательными устройствами и насосами. Нагревательные устройства могут быть разделены на донные и погружаемые нагревательно-перекачивающие устройства.

Жаровая труба, расположенная по дну битумохранилища, обеспечивает нагрев битума и стекание по наклонному дну в дополнительный отсек. Здесь дополнительные секции змеевиков обеспечивают более интенсивный нагрев битума и возможность его перекачки. Сложность ремонта и осмотра донных змеевиков приводит к тому, что за последнее время все более широкое распространение получили жаровые трубы.

Целью данного курсового проекта  является расчет для нагрева и  обезвоживания битума. Так же выполнение следующих задач:

1. Тепловой рачет битумохранилища и битумонагревателя.
2. Рассчет горения топлива.
3. Выбор подходящего теплоносителя и рассчет его расхода.
4. Рассчет площади поверхности нагревателей и суммарной длины змеевиков.
5. Выбор материала для элементов агрегата:
• трубчатых регистров,
• битумного шестеренного насоса.

ГЛАВА 1. Аналитический обзор

1.1.Классификация битумохранилищ

1.1.1. Оборудование для хранения битумов

Для хранения битумов используются битумохранилища. Они предназначены для долговременного или кратковременного хранения битума, нагревая его до состояния текучести и выдачи в установки обезвоживания и нагрева. Одно из важнейших требований к хранению битума - исключить загрязнение и попадание в него атмосферной и грунтовой воды.

Битумохранилище представляет собой резервуар вместимостью 100...3000 т. Битумохранилища вместимостью свыше 500 т выполняют секционными, состоящими из 2...6 отсеков для возможности хранения битума разных марок и снижения затрат на разогрев битума. Вместимость битумохранилища определяется суточным расходом битума и периодичностью поставок.

Оборудование для нагрева битума, используемое в битумохранилищах длительного хранения, состоит из оборудования для нагрева битума до температуры текучести (50...60°С), которое устанавливают непосредственно в хранилище; оборудования для нагрева битума до температуры перекачивания насосом (90...95°С) внутри хранилища или в дополнительном отсеке; битумонагревательных котлов, обеспечивающих обезвоживание битума, нагрев его до рабочей температуры 140...160°С и выдачу потребителям (асфальтосмесительные установки, автораспределители, эмульсионные установки и пр.).

Перекачивание битума или выдача его из битумохранилища производится шестеренными насосами с обогреваемым корпусом. Трубопроводы для подачи битума и запорную арматуру выпускают с системой обогрева и теплоизоляцией [1], [2].

Битумохранилища классифицируют по вместимости резервуара и назначению, по положению резервуара, наличию нагревателей, типу нагревателей битума и конструкции.

По вместимости резервуара и назначению:

• битумохранилища с вместимостью резервуара до 100 т :

1. временные, 2) закрытые, 3) открытые;

• битумохранилища с вместимостью резервуара до 500 т:

1. переходные, 2)реже открытые;

• битумохранилища с  вместимостью   резервуара   свыше    500 т:

1)постоянные,  2) закрытые;

• битумохранилища с вместимостью одной цистерны 30—100 т (металлические цистерны с системой теплоизоляции) - переносные, которые располагают горизонтально или вертикально.

По положению резервуара относительно поверхности земли :

• ямного типа;
• полуямного типа;
• наземного;
• подземного - капитальные;
• инвентарные - передвижные.

Рис. 1. Битумохранилища: а) ямное; б) полуямное; в) наземное; г) подземное; д) инвентарное.

Битумохранилища ямного, полуямного и наземного типов сооружают в зависимости от уровня грунтовых вод. Стенки выполняют бетонными, железобетонными, кирпичными и деревянными.

По наличию нагревателей битумохранилища могут быть без нагрева, с местным и общим нагревом. В битумохранилищах без нагрева для забора битума применяют переносные нагреватели. Местный нагрев применяют в битумохранилищах вместимостью до 500 т, общий нагрев — в капитальных и переносных битумохранилищах.

В основных отсеках капитального битумохранилища температура массы битума составляет 50...60°С, благодаря чему обеспечивается перетекание битума в дополнительный отсек, в котором производится его нагрев до температуры 80...95°С, затем битум перекачивается насосами в битумонагревательные котлы, где доводится до рабочего состояния. В переносных битумохранилищах масса битума постоянно поддерживается в рабочем состоянии [1], [2].

По типу нагревателей:

• битумохранилища с паровым нагревом;
• битумохранилища с  масляным нагревом;
• битумохранилища с огневым нагревом;
• битумохранилища с электрическим нагревом.

Паровой нагрев производится подачей по змеевикам и трубам пара давлением 0,6...1,2 МПа. Достоинство этого теплоносителя — мягкий режим нагрева (максимальная температура теплоносителя 270 °С). Недостатки — большая площадь змеевиков, возможность обводнения битума теплоносителем при нарушении герметичности змеевиков.

При масляном (жидкостном) нагреве теплоносителем служат различные минеральные масла с высокой температурой вспышки или специальные высокотемпературные теплоносители. Первые - безвредны, но пожароопасны; вторые - менее пожароопасны, но очень токсичны. Нагрев теплоносителя производится горячим газом в котлах экранного типа и реже - электрическими нагревателями. Недостаток масляного нагрева - возможность коксования масла в теплогенераторе, пожароопасность, необходимость установки дополнительного насоса для принудительной циркуляции масла. Достоинства масляного нагрева - компактность оборудования и мягкий нагрев битума. Наибольшее распространение масляный обогрев находит в передвижных установках.

Огневой нагрев битума производится подачей газов от сжигания дизельного топлива по трубам диаметром 400...500 мм, уложенным по днищу битумохранилища. Этот способ применяют для нагрева битума в основных отсеках битумохранилищ до температуры перекачивания (95 °С). Огневой способ прост и экономичен, но пожароопасен.

При электрическом нагреве тепло передается битуму от электрических нагревателей. Электрические нагреватели из материала с низкой проводимостью бывают открытые пластинчатые, закрытые (ТЭНы) и инфракрасные; из материала с высокой проводимостью - пластинчатые, коаксиальные и др. Электронагреватели просты по конструкции, имеют низкую стоимость, надежны, но имеют низкие экономические показатели и ухудшают качество битума при длительном нагреве.

Конструкцию битумохранилищ выбирают исходя из вместимости и назначения. Резервуар временных и переходных битумохранилищ должен быть облицован досками, кирпичом или другим материалом для снижения потерь и загрязнения битума. Над битумохранилищем желательно иметь навес для защиты от атмосферных осадков. Временные и переходные битумохранилища ямного, полуямного и наземного типов применяют очень редко. Основная сложность хранения битума в таких хранилищах — большое обводнение битума, загрязнение механическими примесями, значительные потери тепла.

В настоящее время наибольшее распространение получили  битумохранилища линейной планировки с параллельным или последовательным расположением основных и дополнительных отсеков (Рис. 2)

Рис. 2. Схема расположения битумохранилищ: а) параллельное расположение основных и дополнительных отсеков; б) последовательное расположение основных и дополнительных отсеков; 1 – основной отсек; 2 – шиберная задвижка; 3 – дополнительный отсек; 4 – насосное отделение.

Выполняют их из сборных железобетонных элементов, реже из монолитного бетона. Днище основных отсеков имеет уклон в сторону дополнительных отсеков. Перекрытие резервуара выполняют из сборных железобетонных конструкций, покрытие должно исключать попадание внутрь атмосферных осадков. Общий обогрев основных отсеков (включаемый поочередно) -паровой, реже — масляный. Для местного нагрева битума применяют паровой, огневой и электрический нагрев. При линейной планировке битумохранилищ сокращаются простои железнодорожного транспорта под разгрузкой. Капитальные битумохранилища из бетона и железобетона не исключают обводнения битума грунтовыми водами, которое может достигать 30 %.

В последние годы для хранения битума используют стационарные или переносные металлические цистерны с теплоизоляцией. Их преимущества в полном отсутствии обводнения битума и загрязнения механическими примесями, небольшие потери тепла, а следовательно, незначительные затраты тепла на поддержание рабочей температуры битума. Для обогрева инвентарных битумохранилищ наиболее часто применяют масляный нагрев, реже паровой и электрический. Преимущество масляного и парового нагрева битума состоит в благоприятном режиме разогрева битума. Максимальная температура теплоносителя редко превышает 320 °С, а чаще составляет 270...300°С, и битум при разогреве и хранении не теряет своих свойств, но ввиду небольшого перепада температур между теплоносителем и битумом (200... 150 °С) площадь нагревателей (труб) должна быть 0,5... 1 м² на 1 м³ битума.

Электрические нагреватели применяют только для поддержания рабочей температуры битума, поскольку при малой площади нагрева и высокой температуре нагревателей в битуме образуются смолоподобные соединения — карбены и карбоиды, отрицательно влияющие на качество битума [1], [2].

1.1.2 Виды нагревательных устройств

Классификация нагревателей по конструкции:

• электронагреватели;
• пластинчатые (пакетные) нагреватели;
• коаксиальные (соосные) нагреватели;
• трубчатые нагреватели (ТЭНы);
• инфракрасные нагреватели.

Электронагреватели. Для разогрева битума наиболее часто применяют открытые электронагреватели, состоящие из несущего элемента — асбоцементной трубы с навитой по наружной поверхности нихромовой спиралью из ленты сечением 10x0,8 мм2 длиной 27 м или сечением 12 X 1 мм2 длиной 35 м.

Перед работой нагреватель должен быть погружен в битум, а при работе не должен оголяться для исключения загорания битума. Расстояние от дна хранилища до спирали должно быть не менее 150...200 мм. При работе нагревателей в обводненном битуме они быстро разрушаются.

Нагреватели с высокой проводимостью из стальной проволоки диаметром 5...6 мм представляют собой спираль, вставленную в асбоцементную трубу; концы проволоки пропущены через стенку трубы и закреплены (Рис. 3). Для улучшения термостатической циркуляции битума в стенке трубы просверливают или пробивают отверстия, а торцы трубы оставляют открытыми. Достоинство нагревателей с высокой проводимостью заключается в доступности материала и его низкой стоимости [2], [3].

Пластинчатые (пакетные) нагреватели (Рис. 4). Их изготовляют из листовой гофрированной жести. В стальном листе прорезают полосы, листы собирают в пакеты и изолируют деревянными рейками толщиной 40 мм и листовым асбестом. С внешней стороны пакеты закрепляют стальными уголками, через которые осуществляется растягивание полос нагревателя распорными болтами.

а) б)

Рис. 3. Спиральный нагреватель низкой проводимости (а): 1 – нихромовая ленточная спираль; 2 – клеммное соединение; 3 – абсоцементная труба. Спираль нагревательная высокой проводимости: 1 -  абсоцементная труба; 2 - клеммное соединение; 3 – горячекатаная стальная проволока.

Преимущество пластинчатых нагревателей — большая теплопередающая поверхность. Недостатки — трудоемкость изготовления, низкая температура нагрева битума (не выше ПО 115 °С) и длительность разогрева из-за низкой температуры нагревателей. Основные параметры нагревателя: поверхность нагрева 4 м², рабочее напряжение 50-60 В, мощность 5,5 кВт, температура на воздухе 200⁰С, масса 20 кг.

Коаксиальные (соосные) нагреватели. Коаксиальные (соосные) пакетные нагреватели состоят из отдельных элементов собранных в ряд по 40—50 шт. и соединенных последовательно (Рис. 5). Каждый элемент коаксиального нагревателя состоит из центрального горячекатаного стального стержня диаметром 12...14 мм, длиной 700 мм и наружной трубы диаметром 25,4 мм, длиной 600 мм. В нижней части стержень и труба соединены сваркой, внутреннее пространство заполнено кварцевым песком с жидким стеклом.

Рис. 4. Пластинчатый (пакетный) нагреватель: 1 – выводная клемма; 2 – нагревательный лист; 3 – рамка каркас; 4 – стяжной болт; 5 – крайний изолятор; 6 – средний изолятор; промежуточная клемма.

Питание коаксиальных нагревателей производится от сварочных трансформаторов с силой тока 400...500 А. Достоинство коаксиальных нагревателей — простота, доступность, низкая стоимость и безопасность работы.  Достоинство коаксиальных нагревателей – простота, доступность, низкая стоимость и безопасность работы [2], [3].

Рис. 5. Батарея коаксиальных нагревателей: 1 – выводная клемма; 2 – промежуточная клемма; 3 - коаксиальный нагревательный элемент; 4 –деревянная рамка; 5 –стяжной болт; 6 –стержень нагревателя; 7 – наружная труба; 8 – изоляционная засыпка; 9 – донышко.

Трубчатые электронагреватели (ТЭНы). Они представляют собой трубку из мягкой стали, реже — красной меди или латуни, внутри которой находится спираль из нихрома (Рис. 6). Пространство между спиралью и трубкой заполнено тонкомолотым электроизоляционным материалом: периклазом, кварцевым песком или электрокорундом.

Выводные концы спирали — контактные стержни имеют винтовую резьбу и помещены в фарфоровые изоляторы. При высокой надежности и долговечности ТЭНы имеют малую мощность и относительно высокую стоимость на единицу мощности. Для разогрева вязких нефтепродуктов и битума удельная мощность передачи энергии поверхностью трубки составляет 2,5...2,8 Вт/см², а предельно допустимая удельная мощность — 3,0 Вт/см².

Инфракрасные нагреватели (Рис. 7). Разогрев битума при помощи излучателей инфракрасных лучей (длина волны 0,76...750 мкм) находится еще на стадии эксперимента. Источники инфракрасных излучений разнообразны. Их разделяют на четыре типа: генерирующие тепловые лучи (нихромовые спирали или керамические стержни с металлическими рефлекторами, электрические лампы - теплоизлучатели и лампы накаливания); генерирующие инфракрасные лучи при прохождении тока через газ или пары металла; смешанного типа (электрические дуговые лампы); генерирующие тепловые лучи при нагреве излучателя от сжигания газа.

Рис. 6. Трубчатый электронагреватель: 1 – изолятор; 2 – выводной стержень; 3 – корпус; 4 – нихромовая спираль; 5,6 – клеймные гайки.

Рис. 7. инфракрасный теплоизлучатель: 1 – отражатель; 2 – нихромовая спираль; 3 – огнеупорное основание; 4 – кронштейн для крепления; 5 – клеммная коробка.

Для разогрева битума применяют источники только первого типа. Наибольшей надежностью и меньшей стоимостью обладают излучатели с открытой спиралью и металлическим отражателем. Тепло инфракрасного излучателя передается битуму через металлическую поверхность теплообменника, которая должна составлять 12... 15 м² на 1 т/ч производительности битуморазогревателя.

Недостатки системы разогрева битума инфракрасными лучами состоят в высокой стоимости нагревателей и трудоемкости их монтажа (при большом числе маломощных излучателей), больших габаритных размерах и необходимости строгого контроля за режимом нагрева во избежание перегрева битума [2], [3].

Оценивая конструкции и особенности эксплуатации электронагревателей битума, необходимо отметить их низкую экономичность. 1 кВт-ч электроэнергии при стоимости 2 коп. и КПД использования энергии 0,9 дает полезной энергии 3600 х 0,9 = 3240 кДж, или около 1600 кДж/коп., а 1 кг мазута при стоимости менее 4 коп. и КПД использования энергии даже 0,4 дает полезной энергии 45 000 X 0,4 = 18 000 кДж, или 4500 кДж на 1 коп. стоимости энергии.

Таким образом, затраты на энергию при электрическом нагреве битума в 2,5—4 раза больше затрат на огневой нагрев. При большой производительности затраты на электроэнергию будут очень велики. По этой причине в передвижных цистернах электронагреватели используют только для поддержания рабочей температуры битума.

Классификация нагревателей по конструкционным особенностям:

• встроенные в битумохрапилище (система огневого нагрева);
• погружные (нагревательно-переакчивающий агрегат Д-592).

2. Физико-химические основы процесса горения

1. Реакции горения

Горение называют протекающую сравнительно быстро во времени химическую реакцию  соединения горючих компонентов  с кислородом, сопровождающуюся интенсивным  выделением теплоты и резким повышением температуры продуктов сгорания. Реакции горения описываются стехиометрическими уравнениями, характеризующими качественно и количественно вступающие в реакцию и образующиеся в результате ее вещества. Общее уравнение реакции горения любого углеводорода

С_mH_n +(m+n/4)O₂ = mCO₂ + (n/2)H₂O +Q                                     (1)

где m, n – число атомов углерода и водорода в молекуле; Q – тепловой эффект реакции, или теплота сгорания.

Тепловым эффектом, или теплотой сгорания Q, называют количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кмоля, 1 кг или 1 м³ газа при нормальных физических условиях. Различают высшую Qв и низшую Qн теплоту сгорания. Высшая теплота сгорания включает в себя теплоту, выделяющуюся при конденсации водяных аров в процессе горения. Практически при сжигании газа водяные пары, как правило, не конденсируются, а удаляются вместе с другими продуктами сгорания. Поэтому технические расчеты обычно ведут по низшей теплоте сгорания, т.е. без учета теплоты конденсации водяных паров, составляющей около 2400 кДж/кг [1].

Высшая (и низшая) теплота сгорания газов, состоящая из нескольких компонентов,

Q = r₁Q₁ + r₂Q₂ + … + r_nQ_n                                                  (2)

где r₁,r₂,…,r_n –объемные (молярные, массовые) доли компонентов, входящих в смесь; Q₁,Q₂,…,Q_n – теплоты сгорания компонентов.

Процесс горения протекает несравненно  сложнее, чем по формуле (1), так как  наряду с разветвлением цепей  происходит их обрыв за счет  образования  промежуточных стабильных соединений. Эти соединения в зоне высоких  температур претерпевают дальнейшие стадийные преобразования, приводящие при наличии кислорода к образованию конечных продуктов: водяного пара H2O и диоксида углерода CO2. При общем или местном недостатке окислителя или при вынужденном охлаждении зоны реакции, промежуточные соединения могут стабилизироваться и совместно с продуктами завершенного горения попадать в окружающую среду.

Интенсивность выделения теплоты  и рост температуры в течение  реакции горения в свою очередь  приводят к увеличению в реагирующей системе активных частиц. Взаимосвязь цепного реагирования и температуры, свойственная всем осуществляемым на практике процессам горения, привела к введению понятия цепочечно-теплового взрыва. Под этим следует понимать, что сами химические реакции горения имеют цепной характер, а их ускорение происходит за счет выделения теплоты и роста температуры в реагирующей системе.

По закону действующих масс скорость любой химической реакции в гомогенной (однородной) смеси пропорциональна  произведению концентраций реагирующих веществ. Для необратимой бимолекулярной реакции эта скорость

ω = C₁C₂                                                                       (3)

где C₁ и С₂ –концентрации реагирующих компонентов, кмоль/м3; – константа скорости реакции, зависящая от природу реагирующих веществ и температуры.

При сжигании газа концентрации реагирующих  веществ можно условно считать  неизменными, так как в зоне горения  происходит непрерывный приток свежих компонентов однозначного состава.

Константа скорости реакции (по уравнению Аррениуса)

                                                                 (4)

где – предэкспоненциальный множитель, принимаемый для стехиометрических гомогенных смесей, ≈1,00; E – энергия активации, кДж/кмоль; R – универсальная газовая постоянная, Дж/(кг∙К); Т – абсолютная температура, К(⁰С); e – основание натуральных логарифмов.

Предэкспоненциальный множитель  можно трактовать как константу, характеризующую полноиу столкновения млекул, а энергию активации Е – как минимальную энергию, необходимую для разрыва существующих связей молекул и образования активных частиц, обеспечивающих эффективность столкновений. Эта энергия для распространенных в технике горючих смесей укладывается в пределы (80÷150)∙10³ кДж/кмоль. Уравнение (4) показывает, сто скорость химических реакций резко возрастает с увеличением температуры. Например, при повышении температуры с 500 до 1000 К скорость реакции горения возрастает в зависимости от энергии активации в 2∙10⁴ – 5∙10⁸ раз.

Скорость реакций горения обусловлена  также их разветвленным, цепным, характером. Эти реакции протекают через  промежуточные химические активные частицы – атомы и радикалы, генерируемые самой реакцией, легко  вступающие в соединения с исходными веществами и между собой, приводящие к образованию конечных продуктов и новых активных частиц, способных повторять ту же цепь реакций. Нарастающее самопроизвольное генерирование таких частиц приводит к разгону химических реакций и воспринимается как взрыв всей смеси.

Наиболее простой и изученной  из разветвленных реакций является реакция взаимодействия водорода с  кислородом зарождение цепи при этом связано с образованием атомарного водорода, возникающего, например, при  столкновении молекул с накаленным телом – электрическая искра, пламя:

Н₂ + М → Н + Н + М                                                           

Дальнейшее протекание цепной реакции  характеризуется схемой:

Итог единичного цикла:

Н + 3Н₂ + О₂ → 2Н₂О + 3Н                                             

Схема и итог единичного цикла показывают, что вступление в реакцию одного атома водорода приводит к образованию  двух молекул водяного пара и трех атомов водорода, каждый их которых  может либо дать начало новой серии превращений, либо рекомбинироваться в стабильную молекулу Н + Н = Н₂, замедляющую разветвление цепи.

Механизм взаимодействия оксида углерода с кислородом несколько сложнее  и связан с  сопутствующими, протекающими параллельно реакциями. Объясняется это тем, что сухая смесь оксида углерода с кислородом не реагирует до температуры 700 ⁰С, а выше ее протекает медленная гетерогенная (неоднородная) реакция по всему объему только при наличии в горючей смеси некоторого количества водяного пара:

Н₂О → ОН + Н

СО +ОН →  СО₂ + Н

Н + О₂ → ОН + О

СО + ОН →  СО₂ + Н

СО + О  → СО₂

Н + О₂ → ОН + О и т.д.

Механизм высокотемпературного горения  углеводородов имеет еще более  сложный цепной характер и связан с образованием активных частиц в  виде атомов и радикалов, а также промежуточных молекулярных соединений. Самое схематичное представление о стадийном окислении простейшего углеводорода метана дают следующие реакции:

1. Н + О₂  → ОН + О

СН₄ + ОН → СН₃ + Н₂О

СН₄ + О → СН₂ + Н₂О

2. СН₃ + О₂ → НСНО + О

СН₂ + О₂ → НСНО + Н₂О

3. НСНО + ОН →  НСО + Н₂О

НСНО + О →  СО + Н₂О

НСО + О₂ → СО + О + ОН

4. СО + О → СО₂