Расчет трубчатой печи. 2

содержание 
 

Заключение                                                                                                                                32 

Список  использованных источников                                                                   33 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Введение 

    Трубчатые печи являются ведущей группой огневых  нагревателей на большинстве технологических  установок нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов. Впервые они предложены русскими инженерами Шуховым и Гавриловым и прежде всего нашли применение на промыслах для деэмульгирования нефтей. В годы Первой Мировой войны трубчатые печи стали применяться на нефтеперегонных заводах, заменив малопроизводительные цилиндрические кубы с низким к. п. д. Первые трубчатые печи были кострового типа с восходящим потоком дымовых газов. В этих печах верхние ряды труб змеевика были недогружены в тепловом отношении, тогда как нижние ряды перегружены и часто прогорали; к. п. д. этих печей также был низок.

         На смену печам кострового  типа пришли печи конвекционные,  в которых змеевик труб отделен от камеры сгорания перевальной стеной. При эксплуатации таких печей были установлены существенные недостатки: высокая температура дымовых газов над перевальной стенкой, оплавление и деформирование кирпичной кладки, прогар труб верхних рядов змеевика. Для снижения температуры в топочной камере применяли рециркуляцию дымовых газов и осуществляли горение топлива с повышенным коэффициентом избытка воздуха. Однако повышенный расход воздуха снижал к. п. д. печей и не уменьшал прогар труб.

         И только экранированием топочной  камеры и увеличением ее объема  были созданы нормальные условия  для работы змеевика. Были созданы нормальные условия для работы змеевика. Были созданы трубчатые печи радиантного типа. В ранних конструкциях таких печей трубы потолочного экрана защищали от сильного воздействия пламени манжетами из огнестойкого материала. Гофрированными чугунными манжетами на конвекционных трубах повышали поверхность нагрева в конвекционной камере печи. В результате экранирования потолка печи усилилась передача тепла радиацией, снизилась температура дымовых газов над перевалом и отпала необходимость в защитных манжетах и рециркуляции дымовых газов. Для максимального использования тепла радиации стали сооружать печи с боковыми, а позже и с подовыми экранами.

         Работа современных трубчатых  печей 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, передающегося излучением, существенная часть передается конвекцией (до 10 % в камере радиации и до 30 % - в камере конвекции) вследствие сравнительно высокой скорости движения дымовых газов. Помимо этого, современные трубчатые печи являются компактными аппаратами, их коэффициент полезного действия высок, они могут обеспечивать высокую тепловую мощность. 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 осуществить автоматизацию.

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

    1  Расчет процесса горения топлива 

    Целью этого этапа расчета является расчет элементарного состава газового топлива, низшей теплотворной способности топлива, количества и состава продуктов сгорания, теплосодержания продуктов сгорания. 

    Низшая  теплотворная способность топлива  определяется по уравнению Менделеева: 

где -    соответственно содержание углерода, водорода, серы и влаги в топливе,                            % масс. 

    Теоретическое количество воздуха, необходимое для  сгорания 1 кг топлива, кг/кг: 

    Фактический расход воздуха, кг/кг: 

    Количество  продуктов сгорания, образующихся при  сжигании 1 кг топлива, кг/кг: 

где - расход форсуночного пара, кг/кг. 

    Количество  газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива кг/кг:

Проверка:  

                                                                                 G=20.75=m_i

                                         Расчеты  верны.

    Объемный  расход воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива, м³/кг: 

    В  разделе проведен расчет низшей теплоты сгорания топлива , а также состав продуктов сгорания. Определено фактическое количество воздуха необходимого для полного сгорания топлива . 

       2  Тепловой баланс трубчатой печи. Расчет коэффициента полезного действия и расхода топлива

         Согласно закону сохранения энергии уравнения теплового баланса для трубчатой печи выглядит так: 

где , - соответственно статьи прихода и расхода тепла, кДж/кг. 

Расчет теплового  баланса ведется на 1 кг топлива.

         Статьи расхода тепла: 

где , , - соответственно полезно воспринятое в печи сырьем, теряемое с уходящими из печи дымовыми газами, теряемое в окружающую среду тепло, кДж/кг. 

         Статьи прихода тепла: 

где - соответственно теплоемкости топлива, воздуха, форсуночного водяного пара, кДж/кг;

         -  соответственно температуры  топлива, воздуха, форсуночного  водяного пара, °С. 

         Явное тепло топлива, воздуха и водяного пара обычно невелико и им часто в технологических расчетах пренебрегают. Однако при анализе способов, способствующих повышению коэффициента полезного действия трубчатой печи, эти статьи прихода тепла необходимо учитывать. 

         Итак, уравнение теплового баланса запишется в следующем виде: 

или

откуда определяется коэффициент полезного действия трубчатой печи: 

где - соответственно потери тепла с уходящими дымовыми газами и потери тепла в окружающую среду в долях от низшей теплотворной способности топлива.

    Потери  тепла в окружающую среду составляют 3-8%.

    Температура уходящих дымовых газов, °С: 

где - температура нагреваемого продукта на входе в печь,  °С

    - разность температур теплоносителей на входе сырья в змеевик камеры конвекции,  °С. 

    При естественной тяге в печи  не должна быть меньше 250 °С.

    Расчет  продуктов сгорания на 1 кг топлива при заданной температуре производится по формуле: 

где - температура продуктов сгорания, К;

- средние массовые теплоемкости  продуктов сгорания, . 

    Расчет  полезной тепловой нагрузки трубчатой  печи: 

где - производительность печи по сырью, кг/ч;

, , - соответственно теплосодержание паровой и жидкой фазы при температуре , жидкой фазы (сырья) при температуре ,  кДж/кг; 

             - доля отгона сырья на выходе из змеевика трубчатой печи. 

    Теплосодержание паров нефтепродуктов определяется по уравнению: 

где - температура, при которой определяется теплосодержание нагреваемого продукта, °С. 

    Теплосодержание жидких нефтепродуктов определяется по уравнению: 

    Определение полной тепловой нагрузки печи: 

    Часовой расход топлива рассчитывается по формуле: 

    В разделе рассчитан коэффициент  полезного действия трубчатой печи , полезная тепловая нагрузка печи =15,2646 Гкал/ч и часовой расход топлива В=1563,62 кг/ч необходимый для работы печи в заданном режиме, с учетом потерь тепла в окружающую среду через неплотности и с уходящими дымовыми газами.

    При расчете тепла, теряемого с уходящими  газами, температура последних принята  на 100 ^оС выше температуры сырья (нефти), поступающей в камеру конвекции t₁=160 ^oC (рекомендуется принимать на (100 150) ^оС выше). При этом возрос коэффициент полезного действия печи, а расход топлива уменьшился, что экономически целесообразно. С другой стороны, получили меньшую  разность температур сырья и дымовых газов в камере конвекции, и, следовательно, возросла поверхность конвекционных труб, т. е. увеличились габариты печи (высота камеры конвекции).     

       3 Выбор типоразмера трубчатой печи 

         Выбор типоразмера трубчатой  печи осуществляется по каталогу  [3] в зависимости от ее теплопроизводительности, вида топлива. По каталогу выбираем печь типа БКГ2. 

         Техническая характеристика печи  типа БКГ2  

             4 Упрощенный расчет камеры радиации 

         Целью этого этапа расчета  является определение температуры  продуктов сгорания, покидающих  топку, и фактической теплонапряженности  поверхности радиантных труб. Названную  температуру ( ) находят методом итераций, используя уравнение  

где - теплонапряженность поверхности радиантных труб (фактическая) и приходящаяся на долю свободной конвекции, ккал/м²ч;

          - отношение поверхностей, зависящее от типа печи, от вида и способа сжигания топлива;

      ;

     - средняя температура наружной  стенки радиантных труб, К;

              - коэффициент для топок с  настильным факелом ;

              - коэффициент лучеиспускания  абсолютно черного тела. 

         Зададим температуру продуктов сгорания .

         Максимальная температура продуктов сгорания определяется по формуле: 

         где - приведенная температура;

             m_i – количество i-ого газа, образующегося при сгорании 1 кг топлива, кг/кг;

             С_i – средняя массовая теплоемкость i-ого продукта сгорания,      [1, стр. 7];

              - к. п. д. топки.

                Определение коэффициента прямой отдачи: 

где I_max, I, I_ух, - теплосодержание продуктов сгорания соответственно при температурах Т_max,                T,   T_ух, рассчитывается по уравнению [П.з., стр.7] , кДж/кг: 

    Рассчитываем  фактическую теплонапряженность радиантных труб: 

    Определяем  температуру наружной стенки экрана: 

где - коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемому продукту, примем    ;

- соответственно толщина и  коэффициент теплопроводности трубы;

   t_ср – средняя температура нагреваемого продукта;

        - для жидких топлив.  

      Вычисляем температуру продуктов сгорания, покидающих топку: 

    Так как расчетная величина не совпадает с заданной, то расчет возобновляется, при этом для последующей итерации принимаем рассчитанное значение .

         Результаты  итераций представлены в таблице 1. 

             Таблица 1– Расчет температуры продуктов, покидающих топку, методом итераций 

         Итак, рассчитанная величина

         Количество тепла, переданное продукту в камере радиации: 

5  Расчет диаметра  печных труб 

         На данном этапе по результатам расчета выбираются стандартные размеры труб (диаметр, толщина и шаг). При этом используется следующий алгоритм расчета.

         Определяется объемный расход  нагреваемого продукта:  

где G_с– производительность печи по сырью, т/сут;

- плотность продукта при средней температуре t_ср, кг/м³. 

    Площадь поперечного сечения трубы определяется уравнением: 

    где n – число потоков;

W – допустимая линейная скорость продукта, м/с,

d_вн – расчетный внутренний диаметр трубы, м. 

    Оптимальная скорость при нагреве нефти может  быть принята  [2] Принимаем скорость линейную скорость нефти

    Из  уравнения  рассчитывается внутренний диаметр трубы: 

    Конструкция выбранного типоразмера печи такова, что эффективнее разделить поток  сырья на кратное двум число потоков, поскольку в камере радиации установлена стена, делящая камеру на две.

    Разделим  поток сырья на два параллельных потока, что обусловлено не только конструкционными особенностями трубчатой печи, но и снижением общего гидравлического сопротивления. 

    Тогда фактическая скорость движения потока: 

         _{Вибираем стандартный dн по таблице 5:}

                                            _dн=0,152м.

                                              _{dвн=dн-2*0.008=0,152м.}

    При выборе диаметра печных труб, принимаем  по ГОСТу большее значение. Таким образом, увеличивается поверхность теплообмена и снижается гидравлическое сопротивление потоку сырья. С другой стороны, линейная скорость потока сырья будет ниже, следовательно, турбулентность потока тоже уменьшится. Это приведет к снижению коэффициента теплопередачи, т.е. интенсивность теплообмена будет ниже.

    Но  поскольку в камере радиации происходит испарение сырья, то поток нефти, двигающийся по змеевику сверху вниз, будет барботироваться парами, что  увеличит поверхность теплообмена (за счет поверхностей пузырьков пара).    

    6  Расчет камеры  конвекции 

         Целью данного этапа является  расчет поверхности конвекционных  труб и проведение анализа  эффективности работы камеры  конвекции.

         Поверхность конвекционных труб  определяется по уравнению 

         где Q_к – количество тепла, воспринятое конвекционными трубами, Вт;

 К – коэффициент теплопередачи от дымовых газов к нагреваемому продукту, ;

- средняя разность температур, К. 

         Средняя разность температур определяется по уравнению: 

         где , - соответственно большая и меньшая разность температур, ^оС;

  - температура продукта на выходе из камеры конвекции, находится путем решения квадратичного уравнения, предварительно определив теплосодержание продукта при этой температуре: 

    Уравнение запишем в виде: