Технологический расчет трубчатой печи для нагрева и частичного испарения нефти

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

В большинстве процессов нефтеперерабатывающей промышленности используется нагрев исходного сырья, а также применяемых при его переработке растворителей, реагентов, катализаторов и др. Полученные в результате того или иного технологического процесса целевые продукты или полуфабрикаты обычно требуется охлаждать до температуры, при которой возможны их хранение и транспортировка.

На современном нефтеперерабатывающем заводе, где осуществляется глубокая переработка нефти, на изготовление аппаратов, предназначенных для нагрева и охлаждения, затрачивается до 30% общего расхода материалов на все технологические установки. Высокая эффективность работы подобных аппаратов позволяет сократить расход топлива и электроэнергии, затрачиваемой на тот или иной технологический процесс, и оказывает существенное влияние на его технико-экономические показатели. Поэтому изучению устройства и работы таких аппаратов, а также освоению их расчета необходимо уделять особое внимание.

Трубчатая печь является аппаратом, предназначенным для передачи нагреваемому продукту тепла, выделяющегося при сжигании топлива непосредственно в этом же аппарате.

Трубчатые печи широко распространены в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленностях, они являются составной частью многих установок и применяются в различных технологических процесса, таких как перегонка и риформинг, гидроочистка и др.

Трубчатые печи получили широкое распространение благодаря своим особенностям. Их работа основывается на принципе однократного испарения, что обеспечивает либо более глубокое при данной температуре нагрев сырья, либо заданный отгон при более низкой температуре нагрева.

Трубчатая печь имеет две камеры: радиации и конвекции. В камере радиации, где сжигается топливо, размещена радиантная поверхность. Тепло поглощается в основном за счет радиации. В камере конвекции расположены трубы, воспринимающие тепло, главным образом, за счет конвекции - при соприкосновении дымовых газов с поверхностью нагрева.

Если тепло дымовых газов может быть использовано для иных целей, например, для подогрева воздуха или для производства водяного пара, то либо наличие конвекционной поверхности не является обязательным, либо размеры этой поверхности могут быть существенно уменьшены. При небольшой производительности иногда применяют печи без конвекционной поверхности, более простые в конструктивном отношении, но обладающие невысоким коэффициентом полезного действия.

1. Исходные данные

Производительность печи по сырью, т/сутки	3800
Начальная температура сырья, оС	130
Конечная температура сырья, оС	350
Массовая доля отгона сырья	0,38
Давление сырья на выходе из змеевика печи, атм.	2,5
Относительная плотность сырья	0,9
Относительная плотность сконденсированных паров	0,8
Коэффициент избытка воздуха	1,25
Состав топлива, % масс
С	85
Н	13
О	1
S	1

2. Расчетная часть

2.1 Расчет процесса горения топлива

Цель данного этапа: расчет низшей теплотворной способности топлива, количества и состава продуктов сгорания, теплосодержания продуктов сгорания.

Низшая теплотворная способность топлива определяется по уравнению Менделеева:

(1)

где C, H, S, O, W - соответственно содержание в топливе углерода, водорода, серы, кислорода, влаги, % масс.;

кДж/кг.

Теоретическое количество воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива:

; (2)

кг/кг.

Фактический расход воздуха:

, (3)

где - коэффициент избытка воздуха;

кг/кг.

Количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива:

, (4)

где Wф - расход форсуночного пара;

кг/кг.

Количество газов, образующихся при сгорании 1кг топлива:

кг/кг; (5)

кг/кг; (6)

кг/кг; (7)

кг/кг; (8)

кг/кг. (9)

Проверка осуществляется, исходя из условия: ;

3,117+1,170+0,827+13,690+0,02 = 18,824 кг/кг 18,825 кг/кг.

Объемный расход воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива:

; (10)

м3/кг.

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

,(11)

где Т - температура продуктов сгорания (дымовых газов), К;

Ci - средние массовые теплоемкости продуктов сгорания, кДж/кгК (их значения находим по табл.2 [2, с.7] методом интерполяции).

Температура уходящих дымовых газов определяется равенством:

, 0С, (12)

где t1 - температура нагреваемого продукта на входе в печь, 0С;

t - разность температур теплоносителей на входе сырья в змеевик камеры конвекции; принимаем t = 130 0С;

0С (533 К).

кДж/кг.

Таблица 1- Результаты расчета теплосодержания продуктов сгорания при разной температуре уходящих газов

Т, К	300	500	700	900	1100	1300	1500	1700	1900	2100	2300
с(СO2), кДж/кг·К	0,8286	0,9207	0,9906	1,0463	1,0902	1,1267	1,1564	1,1811	1,2020	1,2200	1,2355
c(H2O), кДж/кг·К	1,8632	1,9004	1,9557	2,0181	2,0847	2,1445	2,2195	2,2827	2,3417	2,3978	2,4489
c(O2), кДж/кг·К	0,9169	0,9391	0,9688	0,9960	1,0182	1,0371	1,0530	1,0664	1,0789	1,0902	1,1003
c(N2), кДж/кг·К	1,0308	1,0362	1,0500	1,0697	1,0866	1,1103	1,1279	1,1443	1,1581	1,1706	1,1815
c(SO2), кДж/кг·К	0,6150	0,6682	0,7122	0,7415	0,7653	0,7850	0,7997	0,8144	0,8309	0,8456	0,8583
h(t), кДж/кг	530,403	4555,545	8781,434	13232,715	17838,188	22690,497	27642,672	32700,396	37826,519	43029,039	48278,416

Выводы: по результатам расчетов данного этапа низшая теплотворная способность топлива составила 42215,50 кДж/кг, количество продуктов сгорания на 1 кг сжигаемого топлива - 18,825кг/кг.

Рисунок 1 - Зависимость теплосодержания продуктов сгорания от температуры.

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

Цель этапа: кроме к.п.д. и расхода топлива рассчитать теплопроизводительность трубчатой печи (полную тепловую нагрузку), значение которой необходимо для выбора ее типоразмера.

Уравнение теплового баланса для трубчатой печи выглядит так:

(13)

Расчет теплового баланса ведется на 1 кг топлива.

Статьи расхода тепла:

, (14)

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

Статьи прихода тепла:

, (15)

где Cт, Cв, Cф.п. - соответственно теплоемкости топлива, воздуха, форсуночного водяного пара, кДж/кг;

tт, tв, tф.п. - температуры топлива, воздуха, форсуночного водяного пара, 0С.

Явное тепло топлива, воздуха и водяного пара обычно невелико и ими часто в технических расчетах пренебрегают.

Итак, уравнение теплового баланса запишется в следующем виде:

, (16)

а

или , (17)

откуда коэффициент полезного действия трубчатой печи:

, (18)

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 qпот. принимаем 6 % (0,06 в долях) от низшей теплотворной способности топлива, т.е.

, откуда

кДж/кг.

Итак, определяем к.п.д. печи:

.

Расчет полезной тепловой нагрузки трубчатой печи производим по формуле:

, (19)

где - производительность печи по сырью, кг/ч;

, , - соответственно теплосодержания паровой и жидкой фазы при температуре t2, жидкой фазы (сырья) при температуре t1, кДж/кг;

e - доля отгона сырья на выходе из змеевика трубчатой печи.

Теплосодержание паров нефтепродуктов определяется по уравнению:

, (20)

где - относительная плотность; для конденсированных паров = 0,8;

кДж/кг.

Уравнение для расчета теплосодержания жидких нефтепродуктов имеет вид:

, (21)

где относительная плотность нефти = 0,9;

кДж/кг;

кДж/кг.

Рассчитываем полезную тепловую нагрузку печи:

.

Определяем полную тепловую нагрузку печи:

= 36,91 МВт. (22)

Часовой расход топлива:

кг/ч. (23)

Выводы: 1) расчеты данного этапа показали, что коэффициент полезного действия нашей печи = 0,810, т.е. довольно высокий, т.к. для трубчатых печей значение к.п.д. находится в пределах от 0,65 до 0,85 [1, с.439];

2) полная тепловая нагрузка печи составила 36,91 МВт.

2.3 Выбор типоразмера трубчатой печи

Цель: подобрать печь, удовлетворяющую исходным данным и рассчитанным ранее параметрам, и ознакомиться с ее характеристиками и конструкцией.

Выбор типоразмера трубчатой печи осуществляем по каталогу [4] в зависимости от ее назначения, теплопроизводительности и вида используемого топлива.

В нашем случае назначение печи - нагрев и частичное испарение нефти, теплопроизводительность Qт составляет 36,91 МВт, а топливом является газ. Исходя из этих условий, выбираем трубчатую печь на комбинированном топливе (мазут + газ) НОКГ2.

Таблица 2 - Техническая характеристика печи НОКГ2.

Показатель	Значение
Радиантные трубы: поверхность нагрева, м2 рабочая длина, м	720 24
Количество средних секций n	9
Теплопроизводительность , МВт (Гкал/ч)	39,0 (33,6)
Допускаемая теплонапряженность радиантных труб, кВт/м2 (Мкал/м2ч)	40,6 (35)
Габаритные размеры (с площадками для обслуживания), м: длина L ширина высота	29,38 6 22
Масса, т: металла печи (без змеевика) футеровки	146,4 397

Печь - объемнонастильного сжигания комбинированного топлива, коробчатая, с горизонтальным расположением труб змеевика в одной камере радиации. Горелки типа ГП расположены в один ряд в поду печи. На каждой боковой стороне камеры радиации установлены однорядные настенные трубные экраны, которые облучаются рядом вертикальных факелов. При изменении теплопроизводительности горелок практически не меняется характер подведенных тепловых потоков на трубный экран.

Обслуживание горелок производится с двух сторон.

Вывод: при выборе типоразмера печи учитывалось условие наибольшего приближения, т.е. из всех типоразмеров с теплопроизводительностью, большей расчетной, выбирали тот, у которого она минимальна (с небольшим запасом).

2.4 Выбор горелок

Горелка типа ГП-2 предназначена для раздельного и совместного сжигания жидкого и газообразного топлива в трубчатых печах типов СКГ1, СКВ и СЦВ4 при распыливании водяным паром

Горелка состоит из газовой, жидкостной и воздушной частей, скомпонованных в единый агрегат

Таблица 3 - Техническая характеристика горелокГП-2.

Наименование параметра	Значение
Номинальная тепловая мощность, МВт (Гкал/ч)	2,4 (2,1)
Производительность, м3/ч	216
Давление перед горелкой в диапазоне рабочего регулирования, МПа	0,26
Коэффициент избытка воздуха при нормальной тепловой мощности	1,1
Габаритные размеры горелки, мм	665х495х470
Масса, кг	70,4

2.5 Расчет диаметра печных труб

Цель этапа: по результатам расчета выбрать стандартные размеры труб (диаметр, толщину и шаг).

Объемный расход нагреваемого продукта рассчитывается по формуле:

, (24)

где Gс - производительность печи по сырью, т/сут.;

t - плотность продукта при средней температуре, кг/м3;

, (25)

где - температурная поправка;

; (26)

кг/м3.

Подставляя, получим:

м3/с.

Площадь поперечного сечения трубы определяется уравнением:

, (27)

где n = 2 - число потоков;

W - допустимая линейная скорость продукта, W = 2 м/с [2, с.19];

dвн - расчетный внутренний диаметр трубы, м.

Из этого уравнения находим:

м. (28)

Из стандартных значений [2, табл.5] выбираем диаметр трубы м.

Таблица 4 - Характеристики печных труб и фитингов

Диаметр трубы, м	Толщина стенки трубы, м	Шаг между осями труб, м
		Фитинги	Ретурбенты
0,152	0,008	0,275	0,301

Определяем фактическую линейную скорость нагреваемого продукта:

м/с. (29)

Вывод: на данном этапе расчета вычислили диаметр печных труб, по нему выбрали стандартный диаметр, толщину и шаг труб, и, исходя из стандартного диаметра, рассчитали фактическую линейную скорость нагреваемого продукта.

2.6 Упрощенный расчет камеры радиации

Цель этого этапа расчета: определение температуры продуктов сгорания, покидающих топку, и фактической теплонапряженности поверхности радиантных труб.

Температуру продуктов сгорания, покидающих топку, находим методом последовательного приближения (метод итераций), используя уравнение:

, (30)

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

Hр - поверхность нагрева радиантных труб, м2 (см. табл.2);

Hр /Hs - отношение поверхностей, зависящее от типа печи, от вида и способа сжигания топлива; принимаем Hр /Hs = 3,05 [2, с.17];

- средняя температура наружной стенки радиантных труб, К;

- коэффициент, для топок со свободным факелом = 1,3 [2, с.42];

Сs = 4,96 ккал/м2чК - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела.

Суть расчета методом итераций заключается в том, что мы задаемся температурой продуктов сгорания Тп, которая находится в пределах 10001200 К, и при этой температуре определяем все параметры, входящие в уравнение для расчета Тп. Далее по этому уравнению вычисляется Тп и сравнивается полученное значение с ранее принятым. Если они не совпадают, то расчет возобновляется с принятием Тп, равной рассчитанной в предыдущей итерации. Расчет продолжается до тех пор, пока заданное и рассчитанное значения Тп не совпадут с достаточной точностью.

Для первой итерации принимаем Тп = 1000 К.

Средние массовые теплоемкости газов при данной температуре, кДж/кгК:

; ;

; ; .

Теплосодержание продуктов сгорания при температуре Тп = 1000 К:

; (31)

кДж/кг.

Максимальная температура продуктов сгорания определяется по формуле:

, (32)

где Т0 - приведенная температура продуктов сгорания; Т0 = 313 К [2, с.15];

т = 0,96 - к.п.д. топки;

К.

Средние массовые теплоемкости газов при температуре Тmax, кДж/кгК:

; ;

; ; .

Теплосодержание продуктов сгорания при температуре Тmах:

; (33)

кДж/кг.

Теплосодержание продуктов сгорания при температуре Тух.:

кДж/кг.

Коэффициент прямой отдачи:

. (34)

Фактическая теплонапряженность поверхности радиантных труб:

ккал/м2ч. (35)

Температура наружной стенки экрана вычисляется по формуле:

, (36)

где 2 = 6001000 ккал/м2чК - коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемому продукту; принимаем 2 = 800 ккал/м2чК;

- толщина стенки трубы, = 0,008 м (2, табл.5);

= 30 ккал/мчК - коэффициент теплопроводности стенки трубы;

зол. / зол. - отношение толщины к коэффициенту теплопроводности зольных отложений; для жидких топлив зол. / зол. = 0,002 м2чК/ккал (2, с.43);

0С - средняя температура нагреваемого продукта;

К.

Теплонапряженность поверхности радиантных труб, приходящаяся на долю свободной конвекции:

; (37)

ккал/м2ч.

Итак, температура продуктов сгорания, покидающих топку:

К.

Как видим, рассчитанная Тп не совпадает со значением, принятым в начале расчета, следовательно расчет повторяем, принимая Тп = 1047,48 К.

Результаты расчетов представлены в виде таблицы.

Таблица 5 - Результаты расчетов Тп

№	Тп, К	Тmах, К	, кДж/кг	, кДж/кг	µ	, ккал/м2ч	O, К	, ккал/м2ч	Тпрасч, К
1	1000,00	2211,13	45932,68	15522,16	0,74	26419,64	605,91	3160,59	1047,48
2	1047,48	2200,79	45661,30	16626,35	0,71	25328,76	602,07	3683,12	1029,87
3	1029,87	2204,61	45761,55	16215,60	0,72	25736,11	603,51	3487,40	1036,56
4	1036,56	2203,16	45723,43	16371,38	0,72	25581,84	602,96	3561,44	1034,04
5	1034,04	2203,71	45737,77	16312,73	0,72	25639,96	603,17	3533,54	1034,99
6	1034,99	2203,50	45732,36	16334,87	0,72	25618,02	603,09	3544,07	1034,63
7	1034,63	2203,58	45734,40	16326,52	0,72	25626,29	603,12	3540,10	1034,77
8	1034,77	2203,55	45733,63	16329,67	0,72	25623,17	603,11	3541,59	1034,72
9	1034,72	2203,56	45733,92	16328,48	0,72	25624,35	603,11	3541,03	1034,74

Рассчитываем количество тепла, переданное продукту в камере радиации:

; (38)

кДж/ч.

Выводы: 1) рассчитали температуру продуктов сгорания, покидающих топку, при помощи метода последовательного приближения; ее значение Тп = 1034,72 К;

2) фактическая теплонапряженность поверхности радиантных труб при этом составила qр = 25624,35 ккал/м2ч;

3) сравнивая полученное значение фактической теплонапряженности с допускаемым для данной печи qдоп.= 35 Мкал/м2ч (см. табл.2), можно сказать, что наша печь работает с недогрузкой.

2.6 Расчет камеры конвекции

Цель данного этапа: расчет поверхности конвекционных труб и проведение анализа эффективности работы камеры конвекции.

Поверхность конвекционных труб определяется по уравнению:

, (39)

где Qк - количество тепла, воспринятое конвекционными трубами;

K - коэффициент теплопередачи от дымовых газов к нагреваемому продукту;

tср - средняя разность температур.

кДж/ч. (40)

Средняя разность температур определяется по формуле:

, (41)

где , - соответственно большая и меньшая разности температур;

tк - температура продукта на выходе из камеры конвекции, которая находится путем решения квадратичного уравнения вида:

, (42)

где а = 0,000405; b = 0,403; с - соответственно коэффициенты уравнения.

Коэффициент с вычисляется следующим образом:

, (43)

где - теплосодержание продукта при температуре tк:

кДж/кг; (44)

.

Решению квадратичного уравнения удовлетворяет только значение одного корня, так как второй корень, принимающий отрицательное значение, не имеет физического смысла:

0С.

Находим большую, меньшую и среднюю разности температур:

0С;

0С;

0С.

Коэффициент теплопередачи в камере конвекции определяется уравнением:

, (45)

где 1, к, р - соответственно коэффициенты теплоотдачи от газов к стенке, конвекцией, излучением трехатомных газов.

р определяют по эмпирическому уравнению Нельсона:

, (46)

где tср - средняя температура дымовых газов в камере конвекции:

К; (47)

Вт/м2град.

к определяется следующим образом:

, (48)

где Е - коэффициент, зависящий от свойств топочных газов, значение которого определяем методом линейной интерполяции, используя табличные данные зависимости его от tср; принимаем Е = 21,271 [2, табл.4];

d - наружный диаметр труб:

м; (49)

U - массовая скорость движения газов, определяемая по формуле:

, (50)

где В - часовой расход топлива, кг/ч;

G - количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива, кг/кг;

f - свободное сечение прохода дымовых газов в камере конвекции:

, (51)

где n = 2 - число труб в одном горизонтальном ряду;

S1 - расстояние между осями этих труб; S1 = 0,275 м (см. табл.4);

lр - рабочая длина конвекционных труб; lр = 24 м (см. табл.2);

а - характерный размер для камеры конвекции:

м. (52)

м2.

Рассчитываем массовую скорость движения газов:

кг/м2с.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией:

Вт/м2град.

Коэффициент теплопередачи от дымовых газов к нагреваемому продукту:

Вт/м2град.

Таким образом, поверхность конвекционных труб:

м2.

Определяем число труб в камере конвекции:

шт. (53)

Число труб по вертикали:

 шт. (54)

Высота пучка труб в камере конвекции определяется по формуле:

, (55)

где S2 - расстояние между горизонтальными рядами труб:

м;

м.

Рассчитаем среднюю теплонапряженность конвекционных труб:

Вт/м2. (56)

Выводы: 1) рассчитали поверхность нагрева конвекционных труб, получив следующий результат: Нк = 670,87 м2;

2) определили значение средней теплонапряженности конвекционных труб, оно составило Qнк = 13007,03 Вт/м2, что ниже допустимого значения (13956 Вт/м2), а значит камера конвекции работает с высокой эффективностью.

2.7 Гидравлический расчет змеевика трубчатой печи

Цель расчета: определение общего гидравлического сопротивления змеевика печи или давления сырья на входе в змеевик.

Давление сырья на входе в печь складывается из следующих составляющих:

, (57)

где Рк, Ри, Рн, Рк, Рст. - соответственно давление сырья на выходе из змеевика печи; потери напора: на участке испарения, на участке нагрева радиантных труб, в конвекционных трубах; статический напор.

Значение Рк известно из исходных данных:

Рк = Рвых. = 2,5 ата = 2,5105 Па = 0,25 МПа.

Остальные слагаемые необходимо рассчитать.

Расчет начинается с определения потерь напора на участке испарения:

, (58)

где Рн - давление в начале участка испарения, которое, в свою очередь, рассчитывается методом последовательного приближения (метод итераций), используя уравнение Бакланова:

, (59)

где А и В - расчетные коэффициенты.

; (60)

, (61)

где , L1, , dвн, е, п - соответственно коэффициент гидравлического сопротивления (для атмосферных печей = 0,020,024 [2, с.56]), секундный расход сырья по одному потоку, плотность сырья при средней температуре на участке испарения tср.и., внутренний диаметр труб, доля отгона сырья на выходе из змеевика, средняя плотность паров при давлении 9,1 Па (при нагреве нефти 1/п = 3500);

кг/с; (62)

lи - длина участка испарения:

, (63)

где , , - соответственно теплосодержание парожидкостной смеси на выходе из змеевика, сырья на выходе из камеры конвекции, сырья при температуре начала испарения tн;

; (64)

кДж/кг;

lрад. - эквивалентная длина радиантных труб:

, (65)

где lр - рабочая длина одной трубы; lр = 24 м (см. табл.2);

lэ - эквивалентная длина печного двойника (ретурбента), зависящая от наружного диаметра трубы d:

м;

nр - число радиантных труб, приходящихся на один поток:

, (66)

где n = 2 - число потоков;

Nр - общее число радиантных труб:

шт.; (67)

шт.;

Рисунок 5 - График зависимости Рн = f(tн), построенный на основании данных по однократному испарению продукта

м.

Начинаем расчет давления в начале участка испарения Рн методом итераций.

Предварительно задаемся значением Рн, принимаем Рн = 8 ата = 0,8 МПа, и по зависимости Рн = f(tн) (рис.5) находим температуру начала испарения продукта tн, соответствующую этому давлению: tн = 260 0С.

Теплосодержание сырья при температуре начала испарения:

кДж/кг.

Длина участка испарения:

м.

Средняя температура продукта на участке испарения:

0С. (68)

Его плотность при этой температуре:

кг/м3.

Расчетные коэффициенты:

;

.

Давление в начале участка испарения:

МПа.

Так как рассчитанное Рн не совпадает со значением, принятым ранее, то расчет необходимо повторить, задавшись Рн = 1,019 МПа = 1,019 ата. И так до тех пор, пока не будет достигнута необходимая точность.

Результаты дальнейших расчетов представим в виде таблицы.

Таблица 6 - Результаты расчетов Рн

№	Рн, МПа	tн, С	tср, С	, кг/м3	, кДж/кг	lи,м	А	В*106	Рн,расч МПа
1	800000,0000	260,000	305,000	717,600	582,041	623,458	162,461	2,440	1,019
2	1018897,3831	277,512	313,756	711,996	629,912	540,141	163,739	2,816	0,953
3	952978,0041	272,238	311,119	713,684	615,381	565,432	163,352	2,690	0,973
4	973462,6300	273,877	311,939	713,159	619,886	557,591	163,472	2,728	0,967
5	967158,6405	273,373	311,686	713,321	618,498	560,006	163,435	2,716	0,969
6	969104,4705	273,528	311,764	713,271	618,927	559,261	163,447	2,720	0,969

Теперь можем рассчитать потери напора на участке испарения:

МПа.

Далее рассчитываем потери напора на участке нагрева радиантных труб:

, (69)

где 2 - коэффициент гидравлического сопротивления для участка нагрева; принимаем 2 = 0,033 [1, с.483];

lн - эквивалентная длина участка нагрева радиантных труб по одному потоку:

м; (70)

ж - плотность продукта при средней температуре (tср.) на участке нагрева радиантных труб:

0С;

кг/м3;

U - массовая скорость продукта в радиантных и в конвекционных трубах (в случае одинакового размера труб) на один поток:

кг/м2с; (71)

МПа.

Рассчитываем потери напора в конвекционных трубах для одного потока:

, (72)

где Uк - массовая скорость продукта в конвекционных трубах:

Uк = U = 606,25 кг/м2с;

ж - плотность продукта при средней температуре в конвекционных трубах:

0С; (73)

кг/м3;

lк - эквивалентная длина конвекционных труб:

, (74)

где nк - число конвекционных труб в одном потоке:

шт.; (75)

м;

МПа.

Статический напор в змеевике печи рассчитывается по формуле:

, (76)

где hт - высота камеры радиации:

; (77)

м;

hк - высота камеры конвекции (рассчитана ранее): hк =6,19 м;

ж - плотность продукта при средней температуре:

0С; (78)

кг/м3;

МПа.

Подставляя полученные данные, определяем давление сырья на входе в печь:

МПа.

Выводы: 1) на данном этапе рассчитали давление сырья на входе в змеевик печи путем прибавления к давлению на выходе потерь напора, определяемых отдельно для каждого из трех участков змеевика (конвекционные трубы, участок нагрева и участок испарения радиантных труб), а также статического напора;

2) по результатам расчетов значение его составляет Р0 = 1,131 МПа и значительно превышает давление на выходе из змеевика, что является характерным для печей с двухфазным режимом, и объясняется в основном большими потерями напора на участке испарения радиантных труб.

2.8 Упрощенный аэродинамический расчет дымовой трубы

Цель расчета: определение стандартного диаметра и высоты дымовой трубы.

Общее сопротивление всего газового тракта определяется выражением:

, (79)

где Рр, Рк - соответственно разряжение в топочной камере и потери напора в камере конвекции; принимаем Рр = 40 Па [1, с.487], Рк = 80 Па [1, с.488];

Рм.с. - потери напора в газоходе на преодоление местных сопротивлений;

Ртр. - потери напора на трение в дымовой трубе.

, (80)

где - сумма коэффициентов местных сопротивлений; принимаем = 4,06 [2, с.23];

W - линейная скорость продуктов сгорания; принимаем W = 8 м/с [1, с.488];

- плотность продуктов сгорания при температуре Тух..

Плотность продуктов сгорания при нормальных условиях:

, (81)

где - сумма масс продуктов сгорания на 1 кг топлива;

- объемное количество продуктов сгорания на 1 кг топлива:

, (82)

где mi, Mi - соответственные массы и молекулярные массы газовых компонентов в продуктах сгорания;

м3/кг;

кг/ м3.

Плотность продуктов сгорания при температуре Тух. = 533 К:

кг/ м3. (83)

Итак, потери напора в газоходе на преодоление местных сопротивлений:

Па.

Потери напора на трение в дымовой трубе определяются по формуле:

, (84)

где - соответственно потери напора при входе в трубу и выходе из нее, потери напора на трение при движении газов в дымовой трубе.

, (85)

где вх., вых. - коэффициенты местных сопротивлений при входе в трубу и выходе из нее; принимаем (вх. + вых.) = 1,3 [2, с.24];

ср.т. - плотность газов в трубе при средней температуре Тср.т.:

, (86)

где Твых. - температура продуктов сгорания на выходе из дымовой трубы:

К; (87)

К;

кг/ м3; (88)

Па.

Потери напора на трение при движении газов в дымовой трубе:

, (89)

где 3, h, D - соответственно коэффициент гидравлического сопротивления в дымовой трубе, высота и диаметр дымовой трубы.

, (90)

где nТ - число дымовых труб; принимаем nТ = 1;

V - объемный расход продуктов сгорания при температуре Тух.:

м3/с; (91)

м.

Выбираем ближайший стандартный диаметр дымовой трубы: D = 2,0 м [2, табл.6].

Коэффициент гидравлического сопротивления в дымовой трубе 3 определяется по формуле Якимова:

. (92)

Высота дымовой трубы рассчитывается методом последовательного приближения по уравнению:

, (93)

где в, Тв - плотность и температура окружающего воздуха; принимаем в = 1,293 кг/м3, Тв = 303 К.

Предварительно принимаем высоту трубы h = 30 м.

При этом потери напора на трение при движении газов в дымовой трубе:

Па.

Общие потери напора на трение в дымовой трубе:

Па.

Общее сопротивление всего газового тракта:

Па.

Расчетная высота дымовой трубы:

м.

Расчетная высота не совпадает с принятой ранее, следовательно, делаем пересчет, принимая высоту h = 50,26 м.

Результаты последующих расчетов представим в виде таблицы.

Таблица 7 - Результаты расчетов высоты h

№ итерации	hзад, м	?Р2, Па	?Ртр, Па	?Робщ, Па	hрасч, м
1	30,000	6,449	34,618	240,528	50,259
2	50,259	10,805	38,973	244,883	51,169
3	51,169	11,000	39,169	245,079	51,210
4	51,210	11,009	39,178	245,088	51,212

Выводы: определили геометрические размеры дымовой трубы: ее диаметр, округленный до стандартного, составил D = 2,0 м; высота трубы, рассчитанная методом последовательного приближения, имеет значение h = 51,21 м.

Заключение

трубчатый печь тепловой змеевик

В данном курсовом проекте был произведен технологический расчет трубчатой печи для нагрева и частичного испарения нефти.

Расчет состоял из восьми этапов, на каждом из которых были получены данные, необходимые для того, чтобы спроектировать нашу трубчатую печь. Так, результатом расчетов первых двух этапов (расчет процесса горения топлива и расчет к.п.д. печи и расхода топлива) стала полная тепловая нагрузка, значение которой Qт = 36,91 МВт. По этому значению в следующем этапе был подобран типоразмер печи, была выбрана печь типа НОКГ2 с поверхностью нагрева радиантных труб 720 м2, рабочей длиной 24 м и допустимым теплонапряжением 35 Мкал/м2ч. В печах данного типа могут быть использованы горелки типа ГП. Далее, в этапе расчета камеры радиации, нашли фактическое теплонапряжение радиантных труб qр = 25,275 Мкал/м2ч, которое, как видим, не превышает допустимое значение, т.е. проектируемая печь работает с недогрузкой. В шестом этапе рассчитали диаметр печных труб, округлили до стандартного значения и определили соответствующие ему толщину стенки и шаг между осями труб. Расчет камеры конвекции, кроме всего прочего, дал нам ее высоту hк = 6,19 м. Высота камеры радиации (топки) hт = 8,34 м была определена в следующем этапе (гидравлический расчет змеевика). Таким образом, общая высота печи составляет 14,53 м. Это фактически соответствует табличному значению (22 м), если учитывать, что печь поднята над фундаментом на высоту до 2 м. В последнем этапе был проведен аэродинамический расчет дымовой трубы, получены ее размеры: диаметр, округленный до стандартного, D = 2,0 м и высота h = 51,21 м.

Список использованных источников

Скобло А.И., Трегубова И.А., Молоканов Ю.К., Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, М.: Химия, 1982 г., 584 с.

Технологический расчет трубчатой печи на ЭВМ: Методические указания к лабораторным и практическим занятиям, курсовому и дипломному проектированию / Составитель Г.К.Зиганшин, Уфа: Изд. УГНТУ, 1997 г., 100 с.

Кузнецов А.А., Кагерманов С.М., Судаков Е.Н., Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности, Л.: Химия, 1974 г., 344 с.

Трубчатые печи: Каталог / Составители В.Е. Бакшалов, В.Ф. Дребенцов, Т.Г. Калинина, Н.И. Сметанкина, Е.И. Ширман, М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1985 г., 34 с.

Размещено на Allbest.ru