Расчет Трубчатой Печи СГК-1

содержание

 

          Заключение                                                                                                       34

    Список использованных источников                                                               36  

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         

 

 

 

 

Введение

 

В последние годы трубчатые  печи получили широкое распространение во всех наиболее развитых промышленных странах, так как быстрое развитие химической и особенно нефтяной и нефтехимической промышленности требует увеличения дешевых тепловых агрегатов для специальных технологических процессов.

Трубчатые печи используются при необходимости нагрева среды  до температур более высоких, чем те, которых можно достичь с помощью пара, т. е. примерно свыше 230^оС. Несмотря на сравнительно большие первоначальные затраты, стоимость тепла, отданного среде при правильно спроектированной печи, дешевле, чем при всех других способах нагрева до высоких температур.

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 (300—500^СС) углеводородных сред (установки AT, АBT, 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 др.).

Большинство применяемых  трубчатых печей радиантно-конвекционные. Они состоят из радиационной камеры, где сжигается топливо, и тепло к трубчатым сырьевым змеевикам передается, главным образом, излучением от пламени и раскаленных поверхностей огнеупорной футеровки, и конвекционной камеры, куда поступают продукты сгорания топлива из камеры радиации. В камере конвекции тепло к сырью передается в основном конвекцией и частично излучением трехатомных компонентов дымовых газов.  

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.

В качестве топлива могут  применяться продукты отходов различных технологических процессов, в результате чего не только используется тепло, получаемое при их сжигании, но часто устраняются и затруднения, связанные с обезвреживанием этих отходов.

В химической и нефтяной промышленности трубчатые  печи применяются   в   основном   при  следующих   операциях:

а)  при нагревании технологических жидкостей или газов (нагрев и вакуумная перегонка, перегрев пара и т. п.);

б) при нагревании или выпаривании веществ, служащих для переноса тепла, например, минеральных масел, неорганических солей, даутермов и др.;

в) для сообщения реакционного тепла эндотермическим реакциям путем прямого нагрева реакционного пространства (термический крекинг, пиролиз бензинов, пиролиз этан-пропаноной смеси, коксование и др.) или перегревом веществ, поступающих в реактор адиабатического типа (производство стирола, дегидрогенизация бутенов, риформинг бензинов и т. п.).

Коэффициент полезного  действия современных печей колеблется от 70 до 80% и в некоторых случаях достигает 88%. 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.

 Существует много  типов печей — конвективных, радиационных и радиационно-конвективных — однако создание новых специализированных и экономичных печей является по-прежнему актуальной и важной задачей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Исходные данные

 

Производительность печи по сырью, т/сутки                                              3400

Начальная температура сырья, °С                                                                   130

Конечная температура сырья, °С                                                                     355

Массовая доля отгона сырья                                                                            0,39

Давление сырья на выходе из змеевика печи, атм.                                        2,40

Относительная плотность сырья                                                                       0,9

Относительная плотность сконденсированных  паров                                    0,8

Коэффициент избытка воздуха                                                                        1,08

Состав топлива, % масс

                                             C                                                                               76,2094

                                             H                                                                               23,7906

                                             O                                                                                0

                                              S                                                                                0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

        2 Расчетная часть

2.1. 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.

Определение элементарного  состава газового топлива:

содержание углерода                 (1)

содержание водорода   (2)

содержание кислорода   (3)

содержание азота   (4)

содержание серы   (5)

где n_Ci, n_Hi, n_Oi, n_Ni, n_Si – соответственно число атомов углерода, водорода, кислорода, азота, серы в молекулах газовых компонентов топлива.

х_i – концентрация газовых компонентов в топливе, %масс.;

M_i – молекулярная масса компонентов топлива;

k – число компонентов в топливе;

С,H,O,N,S – соответственно содержание углерода, водорода, кислорода, азота, серы, %масс.

Низшая теплотворная способность топлива определяется по уравнению Менделеева, кДж/кг:

                               ,                        (6)

       где – содержание влаги в топливе, % масс.

 кДж/кг.

 

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

,             (7)

 кг/кг.

Фактический расход воздуха, кг/кг:

,                                         (8)

кг/кг.

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

, (9)

      где - расход форсуночного пара, кг/кг,

 кг/кг.

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

, (10) 

 кг/кг;

; (11) 

 кг/кг;

; (12) 

 кг/кг;

; (13)

 кг/кг;

; (14)

кг/кг.

Проверка:

. (15)

                                             кг/кг;

                                             G=19.3296 кг/кг.

               Проверка показала, что все произведенные расчеты верны.

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

; (16)

 м³/кг.

 

              

 Расчет теплосодержания  продуктов сгорания на 1кг топлива при заданной температуре производится по формуле, кДж/кг:

_{,              (17)}

_{где Т – температура  продуктов сгорания, К;}

С_со, C_{н о}, C_о, C_N, C_SO  - средние массоые теплоемкости продуктов сгорания, кДж/кг*К.

 

 

Таким образом, в разделе был проведен расчет:

-  низшей теплоты сгорания топлива ;

- состав продуктов сгорания;

- фактическое количество воздуха необходимого для полного сгорания топлива L=18.3296 кг/кг.

- количество продуктов  сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2  Тепловой баланс трубчатой печи. Расчет коэффициента полезного

 действия  и расхода топлива

 

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

, (17)

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

Расчет теплового баланса  ведется на 1 кг топлива.

     Статьи расхода тепла:

, (18)

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

     Статьи  прихода тепла:

, (19)

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

      -  температуры топлива, воздуха, форсуночного водяного пара соответственно,°С. Итак, уравнение теплового баланса запишется в следующем виде:                                                                                                                          (20)

                                    (21)

                       

                                                                                                                            (22)

откуда определяется коэффициент полезного действия трубчатой печи:

,  (23)

      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%.

Температура уходящих дымовых газов, °С:

,   (24)

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

     - разность температур теплоносителей на входе сырья в змеевик камеры

конвекции,  °С.

°С

К.

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

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

, (25)

где - температура продуктов сгорания, К;

      - средние массовые теплоемкости продуктов сгорания,

      .

. 
Расчет полезной тепловой нагрузки трубчатой печи:

, (26)

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:

, (27)

где - температура, при которой определяется теплосодержание нагреваемого

          продукта, °С.

 кДж/кг.

Теплосодержание жидких нефтепродуктов определяется по уравнению:

; (28)

 кДж/кг;

; (29)

 кДж/кг;

кДж/ч.

Определение полной тепловой нагрузки печи:

; (30)

 кДж/ч.=27,6046 Гкал/ч.

Часовой расход топлива  рассчитывается по формуле:

; (31)

 кг/ч.

Таким образом, были рассчитаны:

- коэффициент полезного действия трубчатой печи ,

- полезная тепловая нагрузка печи =98698180,3680 кДж/ч

- часовой расход топлива В=2295,5179 кг/ч необходимый для работы печи в

заданном режиме, с  учетом потерь тепла в окружающую среду через 

неплотности и с уходящими  дымовыми газами.

 

 

Коэффициент полезного действия удовлетворяет пределу значений КПД для    трубчатых печей (от 0,65 до 0,86).

Обычно температуру уходящих из печи дымовых газов рекомендуется  принимать на 100-150°С выше температуры  сырья, поступающего в конвекционную часть печи. В данной работе температура уходящих газов на 140°С выше и равна = 270 °С. Данная температура выше 250 °С, что обеспечивает нормальную работу печи.

Разность температуры сырья, поступающего в камеру конвекции намного больше температуры отходящих дымовых газов, это способствует более эффективной передаче тепла в камере конвекции и, следовательно, требуется меньшая поверхность конвекционных труб.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3 Выбор типоразмера трубчатой печи и горелки

 

Выбор типоразмера трубчатой  печи осуществляется по каталогу [3] в зависимости от ее назначения, теплопроизводительности, вида топлива.

Так как из задания  известно, что топливом является газ, а в ходе расчетов стала известна теплопроизводительность Q_т =27,6046 Гкал/ч, то по каталогу выбираем печь типа СКГ1_. 615/15,5

Печь —  свободного вертикально-факельного сжигания комбинированного топлива, коробчатая, с горизонтальным расположением труб змеевика в одной камере радиации. Горелки типа  ГГМ-5 или ГП расположены в один ряд в поду печи. На каждой боковой стороне камеры радиации установлены однорядные настенные трубные экраны, которые облучаются рядом вертикальных факелов. Трубный экран может быть однорядным   и   двухрядным стенным.

   При изменении теплопроизводительности горелок практически не меняется характер эпюры подводимых тепловых потоков на трубный экран.

Так как в  печи сжигается комбинированное топливо, на печи предусмотрен газосборник, через который газы сгорания отводятся в отдельно стоящую дымовую трубу.

   Таблица 1 – Техническая характеристика печи типа  СКГ1

Радиантные трубы:    поверхность нагрева,  м2 рабочая длина, м Теплопроизводительность(при  среднедопускаемом теплонапряжении радиантных труб 40,6 кВт/ м2   (35 ), МВт (Гкал/ч)  Габаритные размеры (с площадками  для обслуживания), м:    длина L    ширина    высота Масса, т:    металла  печи (без змеевика)    футеровки

615 15,5 33,3 (28,7)         21,52 6 22   97,6 169

       В соответствии с сжигаемым топливом – газ, подбираем по каталогу [5] горелку ГГМ-5 (ТУ 26-02-68-78).

                                      

Краткая характеристика горелки ГГМ-5

 

Предназначена для раздельного и совместного сжигания жидкого и газообразного топлива в трубчатых печах типов СКГ1, СКВ и СЦВ4 со свободным факелом при поступлении воздуха, необходимого для сгорания топлива, инжекцией активными газовыми и парожидкостными струями, а также за счет разрежения в топочном пространстве печи. 

Газовая горелка расположена  на внешней части корпуса горелки. Представляет собой систему, состоящую из газового кольцевого коллектора, на верхней дисковой части которого имеются 16 резьбовых отверстий для установки газовых сопл с паронитовыми прокладками. Соосно с соплами на расстоянии 60 мм от коллектора расположены 16 газовых инжекционных смесителей, соединенных сваркой с корпусом и наружной обечайкой. Газовая часть горелки имеет автономный регулятор воздуха. 

 

Таблица 2 – Техническая характеристика горелки ГГМ-5

Тепловая мощность, Qгорелки (номинальная), МВт (Гкал/ч): Производительность при сжигании   Давление перед горелкой в диапазоне рабочего регулирования, МПа   Коэффициент избытка  воздуха при нормальной тепловой мощности   Габаритные размеры, мм   Масса, кг

5,8 (5,0) 320     0,012-0,3     1,05   440х440х660   30,05

 

Число горелок, шт:

n= шт

 

 

 

 

 

 

 

 

                          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4 Упрощенный расчет камеры радиации

                         

Трубчатая печь имеет камеры радиации и конвекции. В камере радиации (топочная камера), где сжигается топливо, размещена радиантная поверхность (экран), поглощающая тепло в основном за счет радиации.

    В камере конвекции расположены трубы, воспринимающие тепло главным образом путем конвекции — при соприкосновении дымовых газов с поверхностью нагрева.

    Сырье  последовательно проходит через  конвекционные и радиантные трубы и поглощает тепло; обычно радиантная поверхность воспринимает большую часть тепла, выделяемого при сгорании топлива.

 Упрощенный расчет камеры радиации заключается в определении температуры продуктов сгорания, покидающих топку, и фактической теплонапряженности поверхности радиантных труб.

Температуру продуктов сгорания ( ) находят методом итераций, используя уравнение

           

              (32)

 

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

          - отношение поверхностей, зависящее от типа печи, от вида и способа сжигания топлива;  [2], стр.469.

- средняя температура наружной  стенки радиантных труб, К;

- коэффициент для топок со  свободным факелом  [1];

- коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, [1]

Алгоритм расчета температуры  продуктов сгорания методом итераций:

1. Пусть температура продуктов сгорания К.
2. Определение теплоемкостей при выбранной температуре дымовых газов:

 

Таблица 3 – Зависимость  средней массовой темпоемкости газов  при 

                      постоянном давлении с_Р [кДж/кг∙К] от абсолютной           

                      температуры Т=1100К

Вещество	Теплоемкость сР, кДж/кг∙К
Углекислый газ	1,0902
Вода	2,0847
Кислород	1,0182
Азот	1,0886
Оксид серы	0,7653

3. Определение максимальной температуры продуктов сгорания:

                                              _{,                                                 (33)}

     _{где – То – приведенная температура, То=313 К, [1];}

               η_т  – КПД топки;  η_т =0,96, [1];

                       _{–  количества газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива и                      теплоемкости продуктов сгорания, определяющиеся в программе на каждой итерации при  Тп;}          

Таблица 4 – Зависимость средней массовой темпоемкости газов при

                      постоянном давлении с_Р [кДж/кг∙К] от абсолютной

                      температуры Т=2400,3828 К

Вещество	Теплоемкость сР, кДж/кг∙К
Углекислый газ	1,2433
Вода	2,4745
Кислород	1,1054
Азот	1,1870
Оксид серы	0,8647

4. Определение теплосодержания продуктов сгорания (I, I_Тmax, I_Тух) при всех температурах (Т_п,Т_max,Т_ух) по формуле 25:

      

5. Определение коэффициента прямой отдачи:

                                                                                                     ₍₃₄₎

6. Определение фактической теплонапряженности радиантных труб q_Р, ккал/(м²∙ч):

                                                   _{,                                                        (35)}

где Н_р –поверхность нагрева радиантных труб, м²;

7. Определение температуры наружной стенки экрана θ,К:

                  ,     (36)

  где  ^_-- коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемому продукту,    

             

       – толщина стенки трубы, ;

       –коэффициент теплопроводности трубы, ;

        t_ср – средняя температура нагреваемого продукта.

Для жидких топлив

 

8. Определение теплонапряженности свободной конвекции q_рк, кДж/м²∙ч:

                                          (37)

 

9. Определение температуры продуктов сгорания Т_п, К по формуле (32):

 

 

Итак, расчетная величина не совпадает  с заданной, значит расчет возобновляется. Значение Т_п для последующей итерации принимают рассчитанное значение Т_п в предыдущей итерации.

Для последней итерации:

1.Пусть температура продуктов сгорания К.

2.Определение теплоемкостей при выбранной температуре дымовых газов:

 

Таблица 5 – Зависимость средней массовой темпоемкости газов при

                      постоянном давлении с_Р [кДж/кг∙К] от абсолютной           

                      температуры Т=1107,8893К

Вещество	Теплоемкость сР, кДж/кг∙К
Углекислый газ	1,0919
Вода	2,0873
Кислород	1,0191
Азот	1,0893
Оксид серы	0,7662

3.Определение максимальной температуры продуктов сгорания:

                                             

Таблица 6 – Зависимость средней массовой темпоемкости газов при

                      постоянном давлении с_Р [кДж/кг∙К] от абсолютной

                      температуры Т=2398,4702 К

Вещество	Теплоемкость сР, кДж/кг∙К
Углекислый газ	1,2431
Вода	2,4741
Кислород	1,1053
Азот	1,1869
Оксид серы	0,8646

4.Определение теплосодержания продуктов сгорания (I, I_Тmax, I_Тух) при всех температурах (Т_п,Т_max,Т_ух) по формуле 25:

      

5.Определение коэффициента прямой отдачи:

                                                                                                    

6.Определение фактической теплонапряженности радиантных труб q_Р, ккал/(м²∙ч):

                                              

7.Определение температуры наружной стенки экрана θ,К:

          

8.Определение теплонапряженности свободной конвекции q_рк, кДж/м²∙ч:

                                         

 

 

9.Определение температуры продуктов сгорания Т_п, К по формуле (32):

 

 

 

Результаты итераций представлены в таблице 5.

Таблица 5– Расчет температуры  продуктов, покидающих топку, методом  итера-