Расчет и проекьтрирование трубчатой печи

Введение

Предприятия нефтеперерабатывающей  и нефтехимической промышленности оснащены различными трубчатыми печами, предназначенными для огневого нагрева, испарения и перегрева жидких и газообразных сред, а также для  проведения высокотемпературных термотехнологических и химических процессов. Трубчатые печи различаются по технологическим, теплотехническим, конструктивным и другим признакам.

Одним из основных классификационных  признаков промышленных трубчатых  печей является их целевая принадлежность-использование  в условиях определенной технологической  установки. Так, большая группа печей, применяемых в качестве нагревателей сырья, характеризуется высокой  производительностью и умеренными температурами нагрева углеводородных сред (установки АТ, АВТ, вторичная перегонка бензина, ГФУ). Другая группа печей многих нефтехимических производств одновременно с нагревом и перегревом сырья используется в качестве реакторов. Их рабочие условия отличаются параметрами высокотемпературного процесса деструкции углеводородного сырья и невысокой массовой скоростью (установки пиролиза, конверсии углеводородных газов и другие).

Трубчатые печи получили широкое  распространение благодаря следующим  своим особенностям. Их работа основывается на принципе однократного испарения, что  обеспечивает либо более глубокий отгон  при данной конечной температуре  нагрева сырья, либо заданный отгон  при более низкой температуре  нагрева. Они обладают высокой тепловой эффективностью, так как в дополнение к основной части тепла, которая  передается излучение, существенная часть  передается конвекцией вследствие сравнительно высокой скорости движения дымовых  газов. Помимо этого, трубчатые печи являются компактными аппаратами, их коэффициент полезного действия высок, они могут обеспечивать высокую тепловую мощностью

Продолжительность пребывания нагреваемого сырья в зоне высоких  температур не превышает нескольких минут, что уменьшает возможность  его разложения и коксоотложения в трубах, вследствие чего при необходимости сырье можно нагревать до более высокой температуры. Печи удобны в эксплуатации, позволяют осуществлять автоматизацию.

В зоне нагрева трубчатых  печей единовременно находится  относительно небольшое количество нефтепродукта, что снижает пожарную опасность. В случае прогара труб пожар легче устранять.

Основная цель разработки курсового проекта - закрепление  знаний, полученных при изучении курса, овладение навыком пользования  справочной, периодической и специальной  литературы. А также целью курсового  проектирования является разработка промышленной печи, которая обеспечивает эффективный  процесс нагрева нефти.

1 Теоретическая часть

1. Сущность и назначение процесса трубчатой печи

Процессы, скорость протекания которых определяется скоростью  подвода или отвода теплоты (нагревание, охлаждение, испарение, конденсация и другие) называются тепловыми. Движущей силой тепловых процессов является разность температур более горячего и менее нагретого тела.

Теплопередача — физический процесс передачи тепловой энергии  от более горячего тела к более  холодному либо непосредственно (при  контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. Когда физические тела одной  системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления  термодинамического равновесия.

Основное уравнение теплопередачи рассчитывается по формуле:

где K- коэффициент теплопередачи,;

       S – площадь  поверхности стенки,

- температурный напор,

Средний температурный напор  рассчитывается по формуле:

где максимальный температурный напор,

минимальный температурный  напор,

Трубчатые печи - это аппарат огневого действия для нагрева исходных веществ за счёт тепла сжигаемого топлива. В трубчатых печах тепло сжигаемого топлива передается прокачиваемой в трубном змеевике жидкости или парожидкостной смеси.

Всего существует три простых (элементарных) вида передачи тепла:

Теплопроводность — это  процесс переноса внутренней энергии  от более нагретых частей тела (или  тел) к менее нагретым частям (или  телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела. Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, передаётся другому телу при их взаимодействии или передаётся из более нагретых областей тела к менее нагретым областям. Иногда теплопроводностью называется также количественная оценка способности конкретного вещества проводить тепло.

Конвекция  -  явление  переноса теплоты в жидкостях  или газах, или сыпучих средах потоками вещества. Существует естественная конвекция, которая возникает в  веществе самопроизвольно при его  неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции  нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние  слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее  и опускаются вниз, после чего процесс  повторяется снова и снова. При  некоторых условиях процесс перемешивания  само организуется в структуру отдельных  вихрей и получается более или  менее правильная решётка из конвекционных  ячеек.

Тепловое излучение или  лучеиспускание — передача энергии  от одних тел к другим в виде электромагнитных волн за счёт их тепловой энергии.

Закон Стефана Больцмана:

где Q- количество тепла,Вт;

C-коэффициент лучеиспускания,;

S- площадь поверхности излучающего тела,

Т-температура тела, К.

Передача тепла через  стенку

где - коэффициент теплоотдачу,

λ- коэффициент теплопроводности,

S-площадь поверхности стенки, через которую осуществляется передача тепла,

δ – толщина стенки,м;

T- температура горячего теплоносителя, К;

t- температура холодного теплоносителя, К;

-температура  стенки со стороны горячего  теплоносителя,К;

-температура  стенки со стороны холодного теплоносителя, К.

2. Физико-химические свойства сырья и продуктов

Мазут -  жидкий продукт  темно-коричневого цвета, остаток  после выделения из нефти или  продуктов ее вторичной переработки  бензиновых, керосиновых и газойлевых фракций, выкипающих до 350—360°С. Мазут - это смесь углеводородов (с молекулярной массой от 400 до 1000), нефтяных смол (с молекулярной массой 500—3000 и более), асфальтенов, карбенов, карбоидов и органических соединений, содержащих металлы (V, Ni, Fe, Mg, Na, Ca). Физико-химические свойства мазута зависят от химического состава исходной нефти и степени отгона дистиллятных фракций и характеризуются следующими данными : вязкость 8—80 мм²/с (при 100 °C), плотность 0,89—1 г/см³ (при 20 °C), температура застывания 10—40°С, содержание серы 0,5—3,5 %, золы до 0,3 %, низшая теплота сгорания 39,4—40,7 МДж/моль.

Таблица 1 – Физическая характеристика мазута марки М-100

Продолжение таблицы 1

Нефть - горючая, маслянистая  жидкость, от светло-коричневого (почти бесцветного) до темно-бурого (почти черного) цвета.

С химической точки зрения нефть представляет собой сложную  смесь органических соединений, основу которой составляют углеводороды различного строения. Состав и строение нефти  различных месторождений нередко  сильно отличаются друг от друга.

Таблица2- Физическая характеристика нефти никольского месторождения

Продолжение таблицы 2

1.3 Сравнительная характеристика трубчатых печей

Трубчатые печи различаются  по технологическим, теплотехническим, конструктивным и другим признакам.

Одним из основных классификационных  признаков промышленных трубчатых  печей является их целевая принадлежность - использование в условиях определенной технологической установки.

Печи для нагрева, испарения, перегрева углеводородного сырья.

Печи узкокамерные с верхним отводом дымовых газов, радиантно – конвекционные. Их изготавливают двух исполнениях: ГС1 – печи вертикально факельного сжигания топлива с одной камеры радиации, ГН2 -печи объемно - настильного сжигания топлива с двумя камерами радиации.

Печи ГС1 обслуживают с одной стороны, благодаря чему на общем фундаменте можно установить рядом две однокамерные печи, которые, будучи соединены лестничной площадкой, образуют как бы двухкамерную печь теплопроизводительностью вдвое большей, чем у однокамерной.

Наличие в печах ГН2 двух камер радиации позволяет вести нагрев потоков продукта в различном температурном режиме.

Печи - радиантно - конвекционные, работают на жидком и газообразном топливе. Их изготавливают в двух исполнениях: печи ЗР2 с беспламенным сжиганием газообразного топлива и настильным сжигание резервного топлива; печи ЗД2 – с настильным сжигание жидкого и газообразного топлива и дифференцированным подводом воздуха по длине факела.

Трубчатые печи типа ЗР2. Особенность конструкции печей состоит в том, что наряду с панельными газовыми горелками типа ГБПш предусмотрены резервные газомазутные горелки типа ФГШУ. Резервные грелки включаются при сжигании давления газа перед панельными горелками (из-за сезонных колебаний подачи газа, отклонения на ремонт основных газовырабатывающих установок и так далее), а также при наличии в газе конденсата, когда работа панельных газовых горелок не допускается.

При работе печи с резервными горелками обеспечивается ее полная теплопроизводительность с некоторым (на 3-4%) снижение к.п.д. по сравнению с работай ее на панельных горелках.

4. Обоснование выбора проектируемой трубчатой печи

Выбор типоразмера трубчатой  печи осуществляется в зависимости  от ее назначения, теплопроизводительности и вида используемого топлива.

В нашем случае назначение печи – нагрев и частичное испарение  нефти, топливом является мазут. Исходя из этих условий, выбираем трубчатую  печь типа ЗД2.

Конструкция печей ЗД2 и ЗР2 аналогична. Панельных горелок нет. Факелы газомазутных горелок настилаются на поверхность фронтальных стен печи, по высоте которых на двух уровнях расположены каналы прямоугольного сечения для подвода воздуха к факелам. Воздух, подогретый до 190-220 ºС, под давление частично подается к регистрам горелок (первичный воздух), а частично (вторичный воздух) вводится в печь через каналы, расположенные двумя горизонтальными рядами по высоте настильных стен. Изменением отношения между количеством первичного и вторичного воздуха, а также уровня ввода вторичного воздуха можно изменять интенсивность выгорания топлива в настильном факеле и тем самым регулировать теплонапряжение радиантной поверхности нагрева. Такая система подвода тепла в печах ЗД2 позволяет значительно повысить среднедопускаемое теплонапряжение радиантной поверхности, обеспечить заданную кривую нагрева продукта в печи и значительно уменьшить степень коксообразования на внутренней поверхности труб.

5. Техника безопасности при обслуживании трубчатой печи

1) Печи должны быть оборудованы дежурными (пилотными) горелками, оснащенными запальными устройствами, индивидуальной системой топливоснабжения.

2) Рабочие и дежурные горелки должны быть оборудованы сигнализаторами погасания пламени, надежно регистрирующими наличие пламени форсунки.

3) На линиях подачи жидкого топлива и топливного газа к основным и дежурным горелкам должны быть установлены автоматические запорные органы, срабатывающие в системе блокировок.

4) Для многофакельных печей на трубопроводах газообразного и жидкого топлива должны быть установлены автономные регулирующие органы для обеспечения безопасности в режиме пуска.

5) При размещении печей вне зданий запорные органы на общих трубопроводах жидкого и газообразного топлива должны быть расположены в безопасном месте на расстоянии не ближе 10 м от печи.

6) Перед пуском печи необходимо убедиться в отсутствии каких-либо предметов в камере сгорания, дымоходах-боровах, все люки и лазы должны быть закрыты.

7) В период розжига печи должны быть включены все приборы контроля, предусмотренные технологическим регламентом, и вся сигнализация.

8) Розжиг печи должен начинаться с розжига дежурных горелок. В том случае, если дежурная горелка (горелки) не разожглась (разожглись) с трех попыток, следует повторить продувку топочного пространства.

9) Розжиг основных горелок должен осуществляться при работающих дежурных горелках, минимальной регламентированной циркуляции сырья в змеевике и регламентированных значениях подачи топлива.

10) Трубопроводы подачи топлива ко всем неработающим (в том числе и временно неработающим) горелкам должны быть отглушены.

11) Печи должны быть оборудованы средствами автоматической подачи водяного пара в топочное пространство и в змеевики при прогаре труб, а также средствами автоматического отключения подачи сырья и топлива при авариях в системах змеевиков.

12) Жидкое топливо для обеспечения необходимой вязкости и освобождения от механических примесей перед подачей в форсунку должно предварительно пройти подогреватель и фильтры.

13) Система блокировок и сигнализации должна обеспечивать отключение подачи топлива к дежурным и основным горелкам при:

а) отклонениях параметров подачи топлива от регламентированных;

б) падении объема циркуляции сырья через змеевик печи ниже допустимого;

в) превышении предельно допустимой температуры сырья на выходе из печи;

г) срабатывании прибора погасания пламени.

14) Все приборы, контролирующие работу печи, должны быть регистрирующими.

15) Система противоаварийной автоматической защиты должна быть снабжена противоаварийной сигнализацией параметров и сигнализацией срабатывания исполнительных органов.

16) При эксплуатации трубчатой нагревательной печи необходимо следить за показаниями контрольно-измерительных приборов, вести визуальный контроль за состоянием труб змеевика, трубных подвесок и кладки печи. При наличии отдулин на трубах, их прогаре, деформации кладки или подвесок, пропуске ретурбентов потушить горелки, прекратить подачу в печь продукта, подать в топку пар и продуть трубы паром или инертным газом по ходу продукта. Дверцы камер во время работы печи должны быть закрыты. Необходимо вести наблюдение за установленным режимом горения, горелки должны быть равномерно нагружены, факел должен иметь одинаковые размеры, не бить в перевальную стенку и не касаться труб потолочного и подового экранов.

17) Подача пара в топочное пространство должна включаться автоматически при прогаре змеевика, характеризующимся:

а) падением давления в сырьевом змеевике;

б) повышении температуры над перевальной стеной;

в) изменением содержания кислорода в дымовых газах на выходе из печи против регламентированного.

Параметры срабатывания блокировки по аварийному включению подачи пара в змеевик определяются проектом.

18) Электроснабжение систем ПАЗ и исполнительных механизмов печи относится к особой группе I категории надежности.

19) Подготовка к ремонту и проведение ремонтных работ в печи являются газоопасными работами и должны выполняться в соответствии с требованиями Типовой инструкции по организации безопасного проведения газоопасных работ.

20) Перед началом продувки змеевика печи проверить, чтобы давление в змеевике печи было ниже давления пара или инертного газа, которыми будет производиться продувка.

21) Подготовка к ремонту печи и установленного на ней оборудования должна выполняться в строгом соответствии с технологическим регламентом.

22) При подготовке к ремонту форсунок, работающих на жидком топливе, необходимо:

а) перекрыть задвижки на прямом и обратном коллекторе жидкого топлива на форсунки;

б) сбросить давление с коллектора путем сжигания топлива в форсунке;

в) закрыть пар к форсункам;

г) сбросить давление в паровом коллекторе через форсунку или дренаж;

д) поставить заглушки на входе и выходе топлива со стороны форсунки и на паровой линии.

23) Лазы в печь и подходы к ней не должны быть загромождены.

24) Наблюдающий за работой людей в печи обязан:

а) следить, чтобы все лазы для входа и выхода из печи были открыты;

б) постоянно поддерживать связь с работающими, и, в случае необходимости, оказать немедленную помощь;

в) при невозможности оказать помощь лично, немедленно обратиться за помощью к ближайшим рабочим и сообщить ответственному за ведение работ.

25) Рабочие, производящие очистку труб, обязаны быть в защитных очках, респираторах и касках.

26) При работе внутри печи запрещается: вырубать шлак на стенках без защитных очков, разбирать кладку большими глыбами. Разборку кладки нужно вести по кирпичу, спуская их по специальному желобу.

27) Работа в печи должна быть прекращена, если есть опасность обрушения кладки или обнаружено присутствие нефтепродуктов и газов.

28) При заполнении топливных трубопроводов присутствие людей в топке печи запрещается.

29) Зажигание форсунок и регулирование режима горения производить в защитных очках со светофильтрами, стоя сбоку от форсунки; при этом одежда должна быть плотно застегнута и обязателен головной убор.

30) При зажигании форсунки, работающей на жидком топливе, необходимо поднести к ней газовый запальник, открыть поступление пара и воздуха, и только после этого постепенно открыть вентиль на топливном трубопроводе у форсунки. Давление пара (воздуха) должно быть выше давления жидкого топлива не менее чем на 0,5 атм. 

В проектируемой печи нагревается  нефть, а топливом является мазут.

Нефть является природным  жидким токсичным продуктом.

Контакт с нефтью вызывает сухость кожи, пигментацию или  стойкую эритему, приводит к образованию  угрей, бородавок на открытых частях тела.

Острые отравления парами нефти вызывают повышение возбудимости центральной нервной системы, снижение кровяного давления и обоняния.

Нефть содержит легкоиспаряющиеся  вещества, опасные для здоровья и  жизни человека и для окружающей среды. Предельно допустимые концентрации нефтяных паров и опасных веществ  нефти в воздухе рабочей зоны установлены в ГОСТ12.1.005.

При перекачке и отборе проб нефть относят к 3-му классу опасности (предельно допустимая концентрация аэрозоля нефти в воздухе рабочей  зоны - не более 10 мг/м3), при хранении и лабораторных испытаниях - к 4-му классу опасности (предельно допустимая концентрация по углеводородам алифатическим  предельным С1 - С10 в пересчете на углерод - не более 900/300 мг/м3 . Нефть, содержащую сероводород (дигидросульфид) с массовой долей более 20 млн-1,считают сероводородсодержащей и относят ко 2-му классу опасности. Предельно допустимая концентрация сероводорода (дигидросульфида) в воздухе рабочей зоны не более 10 мг/м3, сероводорода (дигидросульфида) в смеси с углеводородами С1 - С5 - не более 3 мг/м3,класс опасности 2.

При отборе проб нефти, выполнении товарно-транспортных и других производственных операций, проведении испытаний необходимо соблюдать общие правила техники  безопасности, инструкции по безопасности труда в зависимости от вида работы. При работах с нефтью необходимо применять индивидуальные средства защиты согласно типовым отраслевым нормам, утвержденным в установленном  порядке.

При работе внутри аппарата применяются противогазы марки  ПШ-1,ПШ-2.

В открытом воздухе применяются  противогазы фильтрующие марки ГП-7, ГП-7ВМ, ПДФ-2Д (ш).

Мазут обращающийся в процессе является малоопасным продуктом и по степени воздействия на организм человека относится к 4-му классу опасности в соответствии с ГОСТ 12.1.007.

 Предельно допустимая  концентрация паров углеводородов  в воздухе рабочей зоны - 300 мг/м3 . Для контроля концентрации паров  углеводородов в воздухе рабочей  зоны допускается использовать  универсальный газовый анализатор  УГ-2 или другой прибор аналогичного  назначения.

 Мазут раздражает слизистую  оболочку и кожу человека, вызывая  ее поражение и возникновение  кожных заболеваний.

Длительный контакт с  мазутом увеличивает степень  риска заболевания органов дыхания  у человека.

Мазут не обладает способностью образовывать токсичные соединения в воздушной среде и сточных  водах в присутствии других веществ  или факторов при температуре  окружающей среды.

В соответствии с ГОСТ 12.1.044 мазут представляет собой горючую  жидкость с температурой самовоспламенения 350°С, температурными пределами распространения пламени 91-155°С. Взрывоопасная концентрация паров мазута в смеси с воздухом составляет: нижний предел - 1,4%, верхний - 8%.

При загорании мазута применяют  следующие средства пожаротушения: углекислый газ, химическую пену, распыленную  воду, порошок ПСБ-3; в помещениях - объемное тушение.

В помещениях для хранения и эксплуатации мазута запрещается  обращение с огнем, электрооборудование, электрические сети и арматура искусственного освещения должны быть во взрывозащищенном исполнении.

Емкости для хранения и  транспортирования мазута должны быть защищены от статического электричества  в соответствии с ГОСТ 12.1.018.

При работе с мазутом не допускается использовать инструменты, дающие при ударе искру.

Помещения, в которых проводят работы с мазутом, должны быть снабжены обменной приточно-вытяжной вентиляцией  с механическим побуждением, отвечающей требованиям ГОСТ 12.4.021.

В местах возможного выделения  химических веществ в воздух рабочей  зоны должны быть оборудованы местные  вытяжные устройства.

 При работе с мазутом  применяют средства индивидуальной  защиты по ГОСТ 12.4.011, ГОСТ 12.4.103, ГОСТ 12.4.111, ГОСТ 12.4.112, а также по типовым  отраслевым нормам, утвержденным  в установленном порядке.

В местах с концентрацией  паров мазута, превышающей ПДК, применяют  противогазы марок А, БКФ, шланговые противогазы марки ПШ-1 или аналогичные в соответствии с ГОСТ 12.4.034.

При попадании мазута на открытые участки тела необходимо его  удалить и обильно промыть  кожу водой с мылом или моющим средством; при попадании на слизистую  оболочку глаз - обильно промыть  теплой водой. Для защиты кожи рук  применяют защитные рукавицы, мази и пасты - по ГОСТ 12.4.068.

Все работающие с мазутом  должны проходить периодические  медицинские осмотры в порядке, установленном органами здравоохранения.

2. Расчетная часть

1. Технологический расчёт

Полезная тепловая нагрузка определяется по формуле

Расчёт процесса горения  определяется по формуле

где C – содержание углерода, %;

H – содержание водорода, %;

S – содержание серы, %;

O – содержание кислорода, %;

W – содержание влаги, %.

Теоритический расход воздуха определяется по формуле

где C – содержание углерода, %;

H – содержание водорода, %;

S – содержание серы, %;

O – содержание кислорода,% ;

23,2 – содержание кислорода  в воздухе.

где расход кислорода,

Состав продуктов горения

Принимаем коэффициент избытка  в топке равным 1,4 на выходе из камеры конвекции 1,5. Принимаем расход форсуночного пара =0,4. Тогда количество продуктов горения одного килограмма топлива составит в топке:

На выходе:

На выходе:

Коэффициент полезного действия печи и топки, количество топлива.

Принимаем температуру отходящих  газов на 200 выше температуры входящей нефти, тогда t = 150

Потери тепла отходящими газами определяется по формуле

где С – средняя теплоемкость i компонента,;

температуры,уходящих дымовых газов и окружающего воздуха, .