Расчет технологической печи нагрева нефти

 

Министерство образования и науки РФ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

 

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра «Химическая технология и промышленная экология»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

 

 

РАСЧЁТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕЧИ НАГРЕВА НЕФТИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Студентка IV-ХТ-2       иванова и.и.

 

Преподаватель         Скороход А.А.

 

 

 

 

 

 

Самара 2011

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ 3

1. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПЕЧИ…………………………………………..5

2. РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ 6

3. РАСЧЕТ РАДИАНТНОЙ КАМЕРЫ 9

3. РАСЧЕТ КАМЕРЫ КОНВЕКЦИИ. 14

4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЗМЕЕВИКА ПЕЧИ 16

6. ГАЗОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ И ТЯГА 18

ПРИЛОЖНИЕ 20

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Трубчатая печь является аппаратом, предназначенным  для передачи нагреваемому продукту тепла, выделяющегося при сжигании топлива в топочной камере печи. Трубчатые печи широко распространены в нефтегазоперерабатывающей, нефтехимической, коксохимической и других отраслях промышленности, являются составной  частью многих установок и применяются  в различных технологических  процессах (перегонка нефти, мазута, пиролиз, каталитический крекинг, риформинг, гидроочистка, очистка масел и  др.).

Существуют  различные конструкции трубчатых  печей, отличающихся способом передачи тепла, количеством и формой топочных камер, числом секций (камер) в зоне радиации, относительным расположением  осей факела и труб, способом сжигания топлива, типом облучения труб, числом потоков нагреваемого продукта, расположением  конвекционной камеры относительно радиантной, длиной радиантных и конвекционных  труб.

Трубчатая печь относится к аппаратам непрерывного действия с наружным огневым обогревом. Впервые трубчатые печи предложены русскими инженерами  
В. Г. Шуховым и С. П. Гавриловым.

Сначала печи использовались на промыслах для  деэмульгирования нефтей.

Современная печь представляет собой синхронно  работающий печной комплекс, т. е. упорядоченную  совокупность, состоящую из непосредственно  печи, средств обеспечения печного  процесса, а также систем автоматизированного  регулирования и управления печным процессом и средствами его обеспечения.

Несмотря  на большое многообразие типов и  конструкций трубчатых печей, общими и основными элементами для них  являются рабочая камера (радиация, конвекция), трубчатый змеевик, огнеупорная  футеровка, оборудование для сжигания топлива (горелки), дымоход, дымовая  труба.

Печь  работает следующим образом. Мазут  или газ сжигается с помощью  горелок, расположенных на стенах или  поду камеры радиации. Газы сгорания из камеры радиации поступают в камеру конвекции, направляются в дымоход  и по дымовой трубе уходят в  атмосферу.

Продукт одним или несколькими потоками поступает в трубы конвективного  змеевика, проходит трубы экранов  камеры радиации и нагретый до необходимой  температуры, выходит из печи.

Тепловое  воздействие на исходные материалы  в рабочей камере печи, является одним из основных технологических  приемов, ведущих к получению  заданных целевых продуктов.

Главной частью трубчатой печи является радиационная секция, которая одновременно является и камерой сгорания.

Передача  тепла в радиационной секции осуществляется преимущественно излучением, вследствие высоких температур газов в этой части печи.

Тепло, переданное в этой секции конвекцией, является только небольшой частью от общего количества переданного тепла, т. к. скорость газов, движущихся вокруг труб, большей частью определяется только местной разностью удельных весов газов, и передача тепла естественной конвекцией незначительна.

Продукты  сгорания топлива являются первичным  и главным источником тепла, поглощаемого в радиационной секции трубчатых  печей. Тепло, выделившееся при горении, поглощается трубами радиационной секции, создающими так называемую поглощающую поверхность.

Поверхность футеровки радиационной секции создает  так называемую отражающую поверхность, которая (теоретически) не поглощает  тепла, переданного ей газовой средой печи, а только излучением передает его на трубчатый змеевик, (рис. 2.71) 60…80 % всего используемого тепла  в печи передается в камере радиации, остальное — в конвективной секции.

Температура газов, выходящих из радиационной секции, обычно достаточно высока, и тепло  этих газов можно использовать далее  в конвективной части печи. Камера конвекции служит для использования  физического тепла продуктов  сгорания, выходящих из радиационной секции обычно с температурой 700…900 °С. В камере конвекции тепло к  сырью передается в основном конвекцией и частично излучением трехатомных  компонентов дымовых газов.

Величина  конвективной секции, как правило, подбирается  с таким расчетом, чтобы температура  продуктов сгорания, выходящих в  боров, была почти на 150 °С выше, чем  температура нагреваемых веществ  при входе в печь. Поэтому тепловая нагрузка труб в конвективной секции меньше, чем в радиационной, что  обусловлено низким коэффициентом  теплоотдачи со стороны дымовых  газов. С внешней стороны иногда эти трубы снабжаются добавочной поверхностью – поперечными или  продольными ребрами, шипами и т. п.

Нагреваемое углеводородное сырье проходит последовательно  сначала по змеевикам камеры конвекции, а затем направляется в змеевики камеры радиации. При таком противоточном  движении сырья и продуктов сгорания топлива наиболее полно используется тепло, полученное при его сжигании.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПЕЧИ

Печи типа Г – узкокамерные с  верхним отводом дымовых газов. Камера конвекции расположена над камерой радиации. Каркас печей изготовлен из металлических рам. Змеевик в камере радиации представляет собой горизонтальные трубы, выполненные в виде двух настенных экранов одностороннего излучения.  Змеевик в камере конвекции выполнен в виде конвективного пучка горизонтальных труб.

В поду печи устанавливают в шахматном  порядке комбинированные газомазутные факельные горелки типа ГИК или  ФГМ в зависимости от вида топлива  и теплопроизводительности.

Для наблюдения за состоянием труб змеевика камеры радиации и для розжига  форсунок предусмотрены смотровые  окна. На торцовых и боковых стенах печей имеются выхлопные окна.

Газосборник печи из  листовой углеродистой стали изнутри футерован легким огнеупорным бетоном. В газосборник  поступают дымовые газы из крайних  секций и выходят в трубу, установленную  на каркасе печи, либо отдельно от печи, но соединенную с ее газосборником  газоходами.

Печи ГС 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 однокамерная. (схема печи изображена на рис.1, приложение)

На установках АВТ сооружены высокопроизводительные печи конструкции ВНИПИнефть вертикально-факельного типа теплопроизводительностью 21-42 МВт (технологическая схема трехступенчатой установки АВТ представлена на рис.2, см. приложение).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ

Состав  топлива и некоторые характеристики компонентов представлены в табл.1.

Таблица 1

Состав газообразного топлива

Компонент

Низшая теплота сгорания, МДж/м3

Молярная масса Mi, кг/кмоль

Молярная доля yi, кмоль/кмоль

Mi * yi, кг/кмоль

CH4

35,84

16,0

0,575

9,2

C2H6

63,80

30,0

0,15

4,5

C3H8

91,32

44,0

0,11

14,84

C4H10

118,73

58,0

0,10

5,8

C5H12

146,10

72,0

0,02

1,44

N2

0,00

28,0

0,045

1,26

итого

    

1,00

27,04


 

Определим низшую теплоту сгорания топлива , МДж/м3 по данным табл. 1:

 

Молярная  масса топлива равна, по данным таблицы 1:

 

Плотность топлива  при нормальных условиях:

 

Тогда , выраженная в МДж/кг, равна:

 

Определим элементарный состав топлива по формулам

 
 
 
 

где - число атомов химического элемента в молекулах отдельных компонентов, входящих в состав топлива; - содержание каждого компонента топлива, % мол.; - молярная масса топлива, кг/кмоль.

Результаты  расчета элементарного состава топлива представлены  
в табл. 2:

Таблица 2

Элементарный состав топлива, %масс

Элемент

Содержание, % масс

C

75,70

H

19,64

S

0

N

4,66

O

0

итого

100,00


Теоретическое количество воздуха, необходимое  для сжигания 1 кг топлива:

 

Действительный  расход воздуха, с учетом коэффициента избытка:

 

Удельный  объем воздуха при нормальных условиях:

 

где 1,293 –  плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м3.

Найдем  количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива, по формулам:

; 
; 
; 
.

Общая масса  дымовых газов может быть найдена  как сумма масс отдельных газов:

 

Проверяем полученную величину по формуле:

 

Найдем  объем продуктов сгорания при нормальных условиях, образовавшихся при сгорании 1 кг топлива, по формуле:

;

;

;

;

Суммарный объём продуктов сгорания (при нормальных условиях) при фактическом расходе воздуха:

 

Плотность продуктов сгорания (при нормальных условиях):

 

 

3. РАСЧЕТ РАДИАНТНОЙ КАМЕРЫ

Полезная тепловая мощность печи, в которой нагревается сырье  – нефть и перегревается водяной  пар:

 

где, и – энтальпия водяного пара на входе в пароперегреватель и после него, по справочнику [1].

Потери  теплоты с уходящими из печи дымовыми газами, температура которых принимается :

 

Принимаем потери в окружающую среду, в долях  от :

 

Коэффициент полезного действия печи:

 

Расход топлива:

 

Принимаем температуру дымовых газов, покидающих топку равной 750 °С (1023 К) и находим среднюю теплоемкость продуктов сгорания по формуле:

 

Максимальная  температура горения:

 

 

Тепловой  поток, воспринятый нефтью в радиантных трубах:

 

Тепловой  поток, воспринятый нефтью в трубах камеры конвекции:

 

Определяем  температуру нефти, покидающей камеру конвекции:

 

Этой  энтальпии соответствует температура .

Температура наружной поверхности труб:

 

Строим  график зависимости  (рис. 3) по данным из [2].

рис. 3. Зависимость теплонапряженности от температуры стенки.

По графику (рис.3) определяем теплонапряженность (qs) при = 297,5 ºС:  
qs = 81 кВт/м2.

Рассчитываем  полный тепловой поток, внесенный в топку:

 

Предварительное значение величины эквивалентной абсолютно  черной поверхности составляет:

 

gn:justify">Принимаем степень экранирования кладки Ψ = 0,45 и по графику из [3] для α = 1,15 находим, что НS/НЛ = 0,775.

Величина  эквивалентной плоской поверхности:

 

Принимаем значение фактора формы К = 0,90.

Величина  заэкранированной поверхности кладки:

 

Полезная  длина радиантной трубы:

 

Ширина  экранированной кладки:

 

Число труб в камере радиации:

 

Полная  поверхность нагрева радиантных труб:

 

Исходя  из полученного значения поверхности  нагрева радиантных труб выбираем печь типа ГС, шифр: (приложение рис.1). И предусматриваем нагрев сырья в двух однокамерных печах.

Дальнейший  расчет ведем на одну камеру печи.

Рабочая длина радиантной трубы, по паспорту печи:

 

Спроектируем  расположение труб в камере радиации (рис. 4). Камера представляет собой прямоугольный параллелепипед. Трубы располагаются вертикально. Вдоль длинной стороны располагаем 40шт.

рис. 4. Расположение труб в камере радиации.

 

C учетом физических размеров радиантной камеры определяется общая поверхность кладки:

 

Действительная  величина экранированной кладки, с  учетом количества труб и их размещением:

 

Уточненная  эквивалентная лучевоспринимающая поверхность:

 

Вычисляется степень экранирования кладки:

 

Полученный результат соответствует ранее принятому, поэтому пересчет не требуется.

Коэффициент теплоотдачи свободной конвекции  от дымовых газов:

 

Определяем  температурную поправку теплопередачи  в топке:

 

Аргумент  излучения:

 

По графику  из [3] определяем характеристику излучения: βs=0,520.

Тогда температура  продуктов сгорания на выходе из топки:

 

Полученная  температура дымовых газов, покидающих топку, близка к принятой, перерасчет не требуется.

Вычисляем коэффициент прямой отдачи:

 

Уточняем  количество теплоты полученное радиантными  трубами:

 

Тепловая  напряженность радиантных труб:

 

Полученное  значение соответствует теплонапряженности радиантных труб для нагревательных печей.

 

 

4. РАСЧЕТ КАМЕРЫ КОНВЕКЦИИ.

Тепловая нагрузка камеры конвекции:

 

Температура сырья на выходе из труб камеры конвекции:

 

Величина  среднего температурного напора:


 


 

 

Задаемся  расстоянием между осями труб , числом труб в горизонтальном ряду , диаметром труб

Для этих параметров ширина камеры конвекции составит:

 

Величина  живого сечения камеры конвекции:

 

Секундный расход дымовых газов:

 

 

Массовая  скорость движения дымовых газов:

 

Средняя температура  дымовых газов:

 

Величина  коэффициента теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к трубам (для  шахматного расположения труб):

 

где, E – коэффициент, зависящий от средней температуры дымовых газов, определяем по графику из [3] для .

Определяем  коэффициент теплоотдачи излучением:

 

Коэффициент теплопередачи:

 

Необходимая поверхность нагрева конвекционных  труб:

 

Число труб в камере конвекции:

 

Теплонапряженность конвекционных труб

 

 

5. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЗМЕЕВИКА ПЕЧИ

Предварительно задаемся давлением в начале участка испарения,  
МПа. Этому давлению соответствует температура

Энтальпия сырья при температуре  по данным из [3]:

 

Давление  в конце участка испарения: МПа.

Эквивалентная длина радиантного змеевика (для  одного потока). Принимаем число  потоков N=2:

 

Расчетная длина  участка испарения:

 

 – теплосодержание  на выходе из печи.

 

Секундный расход сырья для одного потока:

 

Средняя температура  сырья на участке испарения:

 

Определяем  расчетные параметры:

 

 

 – коэффициент гидравлического  сопротивления, .

Давление  в начале участка испарения:

 

Полученное  значение достаточно близко к принятому, поэтому пересчет не требуется.

 

Длина участка  нагрева камеры радиации:

 

Средняя температура  участка нагрева:

 

Средняя скорость сырья в радиантных трубах:

 

Потеря напора в радиантных трубах:

 

Средняя температура  сырья в конвекционных трубах:

 

Средняя скорость сырья в конвекционных трубах:

 

Длина участка  нагрева камеры конвекции одного потока: 

Потеря напора в конвекционных трубах:

 

Потери напора на подъем жидкости в печи:

 

Давление  сырья на входе в печь:

 

 

6. ГАЗОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ И ТЯГА

Для выбранной  конструкции печи разряжение в топке  принимаем 40 Па.

Объем продуктов  сгорания, поступающих в боров  печи (принимаем коэффициент избытка  воздуха в борове ):

 

 

Принимаем линейную скорость газа: .

Сечение газохода:

 

Принимаем размеры  борова:

Средняя температура  дымовых газов в камере конвекции:

 

Линейная  скорость газов в свободном сечении  камеры конвекции:

 

 

 

 

По номограмме и графикам из [3] определяем коэффициент K=0,048 и поправочные коэффициенты: ; .

По этим данным рассчитываем потерю напора газов, учитывая, что число рядов труб по ходу газа n’=8:

 

Статический напор газа:

 

Сопротивление камеры конвекции:

 

Эквивалентный  диаметр газохода:

 

Критерий  Рейнольдса:

 

Коэффициент гидравлического сопротивления:

 

Сопротивление газохода:

 

Принимаем следующие потери напора, Па:

в дымовой трубе……………………20

в шибере…………………………….70

на поворотах…………………………5

Общая  потеря напора по газовому тракту:

 

Высота дымовой трубы:

 

 

Принимаем максимальную температуру  воздуха 35оС, а температуру газов на выходе из дымовой трубы 300 оС.

 

 

 

 

Принимаем высоту дымовой трубы  Н=42 м.

 

 

 

ПРИЛОЖНИЕ

Рис.1 Трубчатая печь ГС1.

1-7-смотровые и выхлопные окна соответственно; 2-футеровка; 3-змеевики; 4-каркас; 5-люк-лаз; 6-горелки; 8-газосбоник.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Гуревич И.Л. Общие свойства и первичные методы переработки нефти и газа. М.: Химия, 1972.
  2. Нестерова Т.Н., Нестеров И.А. Критические температуры и давления органических соединений. Анализ состояния базы данных и развитие методов прогнозирования.-Самара: Издательство Самарского научного центра РАН, 2009. -580 с.
  3. Трубчатые печи нефтегазопереработки и нефтехимии: Учеб. пособ. / 
    В.В. Шарихин, Н.Р. Ентус, А.А. Коновалов, А.А. Скороход. М.: Сенсоры. Модули. Системы, 2000. 392 с.
  4. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учеб. пособ. для вузов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков; Под ред. П.Г. Романкова. Л.: Химия, 2005. 576 с.
  5. Теория горения и топочные устройства: Учебное пособие для теплоэнергетических спец. вузов / Д. М. Хзмалян, Я. А. Каган; под редакцией Д. М. Хзмаляна. – М.: Энергия, 1982. – 487с.



Расчет технологической печи нагрева нефти