Расчет трубчатой печи пиролиза углеводородов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Казанский государственный технологический университет»

Кафедра теоретических основ теплотехники

(ТОТ)

Пояснительная записка и расчеты к курсовому проекту по предмету «Высокотемпературные процессы и установки»

КП 2-02.069.639-1401-02-12 ПЗ

Расчет трубчатой печи пиролиза углеводородов

Руководитель,

доцент (Курбангалеев М.С.)

Исполнитель,

студент группы 2271-81 (Илалов Р.Р.)

Казань 2011

Содержание

Задание

I. Расчет процесса горения

II. Определение конструктивной схемы печи

III. Поверочный расчет радиантной камеры

IV. Поверочный расчет конвективной камеры

V. Гидравлический и аэродинамический расчеты

Литература

Задание

Рассчитать трубчатую печь для пиролиза углеводородов

Исходные данные

Вариант 6 V 24

Вид топлива: попутный или нефтяной газ, месторождение Нижняя Омра

Состав топлива:

= 68,86%

= 11%

= 9%

= 6%

= 1,10%

= 0,04%

= 4%

Сжигание топлива осуществляется с коэффициентом расхода =1,06

Влагосодержание в окислителе (воздухе) dок =10 г\, температура окислителя Ток = 293К

Состав газов пиролиза:

= 0,327

= 0,283

= 0,075

= 0,115

= 0,012

= 0,060

= 0,040

= 0,030

= 0,043

= 0,015

с =0.886 кг\

Время пребывания пирогаза в зоне реакции ф = 0,9 сек

Состав сырья:

Вид сырья - Бензин 140

Количество водяного пара, масс % от массы сырья - 60

Расход сырья - 8,5 т/ч

Температура продукта на входе в печь , єС - 110

Температура продукта на входе в радиантную камеру , єС - 630

Температура продукта на выходе из радиантной камеры , єС - 780

Бензин 140 - бензиновая фракция с температурой кипения до 140 єС ( справочные данные берем для n-октана )

I. Расчет процесса горения

Определяем низшую теплоту сгорания топлива по формуле:

Q_н^с = 0,01·? r_i·Q_н^с_i,

где r_i - объемная доля i-го компонента топлива,

Q_н^с_i - низшая теплота сгорания i-го компонента топлива, определяем по справочным данным

= 35,82 МДж/нм³

= 63,75 МДж/нм³

= 91,40 МДж/нм³

= 118 МДж/нм³

= 146 МДж/нм³

Q_н^с = 0,01·(68,86·35,82+11·63,75+9·91,4+6·118+1,10·146) 10⁶ = 4118,67· Дж/нм³

= 41,187 МДж/нм³

Определяем теоретический расход окислителя:

,

где - теоретический расход кислорода, определяем из уравнения:

= 0.01·( 2· 68,86 + 3,5·11 + 5·9 + 6,5·6 + 8·1,10) = 2,6902 нм³/нм³

тогда = ·100 =12,810 нм³/нм³

С учетом коэффициента избытка б действительный расход окислителя равен:

, = 12,810 ·1,06 =13,579 нм³/нм³

Теоретический выход продуктов горения вычисляем по уравнению:

где - теоретические выходы соответственных компонентов, которые определяем с помощью следующих выражений:

(1·68,86 + 2·11+ 3·9 + 4·6 + 5·1,10 + 0,04) = 1,474 нм³/нм³

(1·68,86 + 3·11+ 4·9 + 5·6 + 6·1,1+ 0,124·10··12,810) = 2,433 нм³/нм³

·(79· 12,810 + 4) = 10,159 нм³/нм³

Таким образом, = 2,433 + 1,474 + 10,159 = 14,067 нм³/нм³

Тогда действительный выход продуктов горения найдем из уравнения:



где слагаемые - действительные выходы соответствующих компонентов продуктов горения, которые находим из следующих выражений:

= = 1,474 нм³/нм³

= 2,433 + (1,06 -1) · 0,124·10·12,810 = 2,434 нм³/нм³

= 10,159 + 0,01(1,06 -1)7912,810 =10,767 нм³/нм³

= 0,01 (1,06 - 1)2112,810 = 0,1614 нм³/нм³

Следовательно, = 1,474 + 2,434 + 10,767 + 0,1614 = 14,8364 нм³/нм³

Определим объемные доли содержания компонентов в продуктах горения с помощью соотношения:

горение трубчатая печь пиролиз углеводород

Верность полученных значений проверим выполнением условия

9,935 + 72572 +16,406 +1,088 = 100%

как видно, условие выполняется, значит, значения объемных процентов найдены верно.

В качестве значимого элемента процесса горения необходимо определить расход топлива.

Для расчета расхода топлива воспользуемся соотношением

,

где - теплота горения

Вычислим теплоту горения по формуле

КПД печи находим с учетом тепловых потерь из выражения

где - соответственно теплоты, потерянные с уходящими газами, из-за химического и механического недожогов и в окружающую среду соответственно. В данном случае ; по справочным данным принимаем ; а тепло уходящих газов рассчитаем с помощью выражения:

,

где - низшая теплота сгорания, найденная выше

- теплосодержание уходящих газов, рассчитываемое по уравнению



= 771,8 + 626,2 + 526,5 + 551

= 1,474771,8 +2,434626,2 +10,767526,5 +0,1614551 = 8419,56 кДж/нм³

Тогда определяем

Следовательно, КПД печи составляет

= 1 - (0,204 + 0,06) =0,736, то есть, =73,6 %

Полезную теплопроизводительность Q_пол, идущую на осуществление процесса, находим как сумму теплот конвективной и радиантной камер:

Определим теплоту конвективной камеры:

Найдем теплоты бензина и водяного пара в конвективной камере:

= 8,27 ккал/моль

= = 303,737 кДж/кг

кДж/ч

= (140 110)

= 254,14 Дж/моль К

== 2229,29 Дж/кг К = 2,229 кДж/кг К

= 8500 2,229(140 110) = 568395 кДж/ч

= 11,84 + 666,51·413 + (-244,93) = 245,33 Дж/моль К

== 2152,01 Дж/кг К = 2,152 кДж/кг К

= 11,84 + 666,51·903 + (-244,93) = 413,98 Дж/моль К

= = 3631,40 Дж/кг К = 3,631 кДж/кг К

= 8500 (3,631·630 2,152·140) = 16883125 кДж/ч

Значит, теплота конвективной камеры составляет

= 20,031 кДж/ч

Определяем теплоту радиантной камеры:

,

здесь - химическая теплота, - теплота водяного пара, - теплота пирогаза.

Найдем химическую теплоту радиантной камеры:



,

где - энтальпии образования продуктов реакции и исходных компонентов, определяемые по следующим соотношениям:

,

Выбирая значения энтальпий веществ из справочных данных, находим:

кДж/кг

кДж/ч

кДж/ч

Тогда кДж/ч

,

где , , . Значения а, в, и с берем для всех компонентов реакции из справочных данных. Получаем:

Получаем

Находим теплоту водяного пара радиантной камеры:

кДж/ч

где берем из ТТД таблиц для воды

Определим теплоту пирогаза

Теплоемкости пирогаза определяем как сумму произведений теплоемкостей компонентов пирогаза на их массовые доли:

,

3,657 кДж/кг·К 3,951 кДж/кг·К

Таким образом, находим:

Значит, теплота радиантной камеры составляет

кДж/ч

Следовательно, полезная теплопроизводительность равна

Вычислим теплоту горения:

Тогда расход топлива составит

II. Определение конструктивной схемы печи

Необходимо подобрать такое сочетание скорости сырья, диаметра труб и теплонапряжения, чтобы обеспечить требуемое время контакта и минимальные потери напора, причем теплонапряжение радиантных труб не должно превышать допустимое.

Определим число потоков по продукту:

,

где G_пр=13600, кг/ч - производительность печи

= 120 кг/м²с - средняя оптимальная массовая скорость продукта,

- площадь сечения трубопровода.

Для дальнейшего расчета выбираем для беспламенных горелок трубы диаметром d=140мм и толщиной стенки д=8мм. Тогда сечение трубопровода составляет:

м²

Следовательно,

Принимаем для последующего расчета n_пр = 3. Тогда уточним действительную скорость продукта:

,

pv=RT, p=RTс, откуда

= 8500 кг

= 5100 кг

Доля бензина 140 и водяного пара:

= = 0,625, = = 0,375

=

= = 0,791 =

=+

= 0,7910,018+0,2090,114=38,064 кг/моль

Rсм =

= кг/м³

=

кг/м³

Тогда линейная скорость сырья будет равна

Определим длину труб:

,

здесь с - время контакта, приведенное в исходных данных.

88,7070,9 = 79,837 м

= 79,8373 = 239,111 м

9+0,93,140,14 = 9,396 м

Определим общую поверхность нагрева радиантной камеры:

м²

Для нормального функционирования печи должно выполняться условие

,

где q_p - потребное теплонапряжение радиантных труб,

q_доп - допустимое теплонапряжение.

,

кВт/м²

Допустимое теплонапряжение рассчитаем по уравнению

,

где: =950єС - допустимая температура стенки,

t - температура продукта,

- учитывает равномерность обогрева, зависит от конструкции печи,

- учитывает равномерность обогрева, зависит от типа горелочного устройства

_,

где - коэффициент кинематической вязкости, рассчитываемый для смеси бензина и водяного пара:

Из справочника Варгафтика:

С8Н18 Н20

С учетом полученных значений вычислим

,

Используем следующее уравнение подобия:

,

где число Прандтля для среды принимаем , а

Тогда число Нуссельта составляет

Известно, что

.

Отсюда



Коэффициент теплопроводности л_ж потока среды находим по формуле

,

где л_i для компонентов смеси находим из справочных таблиц.

С8Н18 Н20

Тогда

Таким образом, находим

Следовательно, допустимое теплонапряжение на входе и выходе составляет:

Среднее значение допустимого теплонапряжения:

Значит, условие выполняется (54,39 73,65).

Компоновка радиантной камеры:

Габариты печи:

b = 2,59 м

h = 4,85 м

a =

a = 9,396 + 1= 10,396 м

Если взять 1 ряд труб:

м

?

Поэтому используем шахматное расположение труб, шагом s=1,8d в два ряда

м

Определим мощность одного ряда горелок, учитывая, что горелки расположены с 2х сторон по 5 рядов на каждой:

Определяем число горелок в одном ряду:



горелки типа «а»: Принимаем

горелки типа «б»: Принимаем

Рассмотрим горелки типа «а».

Найдем необходимую производительность одной горелки:

По справочным таблицам подбираем горелки типа ГБП 3а с производительностью

=85·10³

Тогда один ряд таких горелок обеспечивает теплоту

Определим отклонение от требуемого значения:

м

верно

Таким образом, выбрали горелки ГБП 3а.

Вычисляем действительный расход топлива:

III. Поверочный расчет радиантной камеры

Расчет проводим с целью определить, является ли полученное выше значение теплоты радиантной камеры достаточным для ее требуемого расчетного значения . Расчетное значение находим по формуле:

.

Значит, дальнейший расчет сводится к определению температуры газов на выходе из камеры . Чтобы ее определить, найдем значение эквивалентной абсолютно черной поверхности:

,

где - приведенная степень черноты продуктов горения

- функция распределения температуры топочном объеме

- степени черноты

Н_Л - эффективная плоская поверхность экранов

- коэффициент, учитывающий совместное влияние излучающих объема газа и кладки

F - поверхность излучения (полная поверхность кладки печи)

Определим все составляющие вышеприведенного соотношения:

,

где F_i - плоская поверхность экранных труб,

- фактор формы, зависит от расположения экранных труб и составляет

для однорядных

для двухрядных

, м²

Тогда м²

где

м²

Определяем

где - угловой коэффициент взаимного излучения поверхности кладки, зависит от Н и F:

если , то , если , то

Тогда:

Таким образом,

Тогда определяем

Температуру газов на выходе из камеры находим из соотношения

,

здесь - характеристика излучения,

ДТ - температурная поправка, учитывает долю поправки между излучением-конвекцией.

Для того, чтобы рассчитать графическим методом необходимо рассчитать теплоемкость отходящих газов при предполагаемом интервале, в котором находится значение )

При



2,3555	0,0993
1,4587	0,7257
1,8761	0,1641
1,5378	0,0109

При

2,3915	0,0993
1,4746	0,7257
1,9213	0,1641
1,5541	0,0109

Найдем по графику:

Таким образом, ,

Определяем температурную поправку ДТ:

,

где - коэффициент теплоотдачи от продуктов горения и стенок экрана,

Т_ст - температура стенки,

,

где - средняя температура продукта в радиантной камере,

- толщина стенки трубы (8 мм),

- коэффициент теплопроводности трубы,

Значит,

Найдем значение по формуле:

,

где А= 2,1 - постоянная для труб диаметром 50-140мм, из материала Х23Н18

Задаемся К

Тогда

Определим общую поверхность труб камеры:

Таким образом, находим

Теперь определяем характеристику излучения как функцию аргумента излучения

По графикам из справочной литературы определяем при полученном Х значение

Тогда по приведенной выше формуле находим температуру газов на выходе из камеры:

Разница между заданным и найденным значением составляет:

1500 - 1298,67 = 201,32 > 5 K

Найдем новое значение

При Х значение

1298,67 - 1280,89 = 17,78 > 5 K

Найдем новое значение

При Х значение

1280,89 - 1286,52 = 5,63 > 5 K

Снова найдем новое значение

При Х значение

1286,52 - 1281,6 = 4,92 ? 5 K

Значит,

Теперь определяем расчетное значение теплоты радиантной камеры:

Значит, заданное выше условие выполняется

Следовательно, камера функционирует удовлетворительно, соответствуя заданным параметрам.

IV. Поверочный расчет конвективной камеры

Известны следующие температуры:

єС, єС,

єС, єС

Необходимо учесть:

1) При температуре от 110 єС до 140 єС: сырье - жидкость

Оптимальная скорость движения сырья в трубах м/с - принимаем 2 м/с

2) При температуре от 140 єС до 630 єС: сырье - газ

Оптимальная скорость движения сырья в трубах м/с - принимаем 5 м/с

Сырье - жидкость

Найдем площадь сечения всех труб камеры:

где - средняя плотность сырья в интервале температур от 110єС до 140 єС

,

Найдем октана для двух температур:

кг/м³ кг/м³

Следовательно, средняя плотность сырья составляет

кг/м³

Значит, м²

Определяем число труб в конвективной камере:

,

где F_тр - площадь сечения одной трубы

Выбираем трубы 89х6 мм

Округляем до = 1 (змеевик)

В связи с полученным числом уточняем значение скорости движения сырья в трубах

, м/с

Поверочный расчет проводим с целью определить, является ли полученное выше значение теплоты конвективной камеры, достаточным для ее требуемого расчетного значения ? . Расчетное значение находим по формуле:

,

где k - коэффициент теплопередачи,

- средний температурный напор,

Fк - поверхность теплообмена

,

где l_кк - длина труб, омываемая дымовыми газами

,

здесь мм - толщина трубной решетки

м

Значит, м²

Найдем значение среднего температурного напора:

єС

Найдем значение коэффициента теплопередачи. Учитывая , то будем вести расчет как для плоской стенки:

,

где - коэффициенты теплоотдачи от газов к стенкам труб и от стенок к сырью соответственно,

- толщина стенки и коэффициент теплопроводности

Коэффициент теплоотдачи от горячих дымовых газов рассчитаем по формуле:

,

здесь - конвективная и лучистая составляющая

Определим коэффициент теплоотдачи излучением:

Вт/м^2·К

Определим коэффициент теплоотдачи конвекцией . Для этого используем теорию подобия.

Найдем число Рейнольдса:

,

где м²/с - коэффициент кинематической вязкости дымовых газов при температуре 704,3 ⁰С

- средняя скорость газов,

,

где F - свободное сечение конвективной камеры

м/с

Тогда

Из справочника на стр.54 для 10 ? Re = используем уравнение подобия:

,

Находим коэффициент теплоотдачи:

Вт/м^2·К

Значит, коэффициент теплоотдачи от горячих дымовых газов будет равен:

Вт/м^2·К

Определяем коэффициент теплоотдачи от нагретых стенок к сырью . Для этого воспользуемся теорией подобия. Найдем число Рейнольдса:

,

где м²/с - средний коэффициент кинематической вязкости

Подставляем полученное значение в уравнение

Тогда

,

где =0,10475 Вт/м^·К при 370 єС

Вт/м^2·К

Таким образом,

Вт/м^2·К

Значит, расчетное значение теплоты конвективной камеры составляет:

Необходимое число труб для подогрева бензина:

Принимаем =26 шт. (4 ряда по 6 труб)

Расчетное значение теплоты конвективной камеры составит:

Следовательно, условие выполняется

Уточним значение числа труб, т.к. расчет велся для одиночных труб

Для пучка труб будет:



,

где

Находим коэффициент теплоотдачи для 3-4 рядов с помощью соотношения:

,

Коэффициенты теплоотдачи для 1 и 2 рядов находим по следующим зависимостям:

, ;

, ;

Тогда искомое значение составит:

(1065,08 874,55) - условие выполняется

Сырье - газ

Найдем площадь сечения всех труб камеры:

где - средняя плотность сырья в интервале температур от 140єС до 630 єС

,

Найдем октана для двух температур:

кг/м³ кг/м³

Следовательно, средняя плотность сырья составляет

кг/м³

м²

Берем 18 труб (3 ряда по 6 труб)

Уточняем значение скорости движения сырья в трубах

, м/с

єС

Вт/м^2·К

- средняя скорость газов,

м/с

Тогда

,

,

,

где м²/с - средний коэффициент кинематической вязкости

Подставляем полученное значение в уравнение :

Тогда

,

где =0,10475 Вт/м^·К

Вт/м^2·К

Тогда получаем:

Возьмем 13 секций

Уточним расчет

n=·= 13·3 = 39

=18.15

Расчетное значение теплоты конвективной камеры составит:

Следовательно, условие выполняется

Высота конвективной камеры составит:

V. Гидравлический и аэродинамический расчеты

Гидравлический расчет

Определяем гидравлические потери в радиантной камере как сумму потерь на трение и местное сопротивление:

В дальнейшем потери давления определяем по формуле:

,

где - коэффициент гидравлического сопротивления,

- динамический напор.

Па

,

где - коэффициент трения, определяется качеством материала трубопровода и режимом протекания жидкости в канале

Для турбулентного режима движения в круглом канале определяем:

где мм - шероховатость труб после нескольких лет эксплуатации

Длина пути потока:

- длина поворота

Тогда

Па

По справочным данным принимаем С=1, В=1,

Тогда

Па

=0,3

Па

Таким образом, Па

Гидравлические потери в конвективной камере составляют:



Па

Полные гидравлические потери:

Па

? 0,05

34068,59 ? 0,05·2,5·

34068,59 ? 12500

Неравенство не выполняется, поэтому необходимо изменить входное давление для обеспечения необходимого технологического режима, новое значение входного давления:

В результате повышения входного давления необходим пересчет конвективной камеры

Известны следующие температуры:

Найдем суммарную площадь сечений всех труб камеры:

,

где - средняя плотность сырья в интервале температур от 110 до 630

,

.

кг/м³

кг/м³

кг/м³

Значит,

Определяем число труб в конвективной камере: берем трубы 89х6 мм

,

где F_тр - площадь сечения одной трубы

Примем количество труб в одной секции 18, выбираем шахматное расположение труб, 3 ряда по 6 труб.

В связи с полученным числом уточняем значение скорости движения сырья в трубах

,

Поверочный расчет проводим с целью определить, является ли расчетное значение теплоты конвективной камеры Q_к^расч достаточным для ее требуемого значения .

Расчетное значение находим по формуле

,

где К - коэффициент теплопередачи,

- средний температурный напор,

Fк - поверхность теплообмена

,

где l_кк - длина труб, омываемая дымовыми газами

,

здесь мм - толщина трубной решетки

Определяем коэффициент теплоотдачи от нагретых стенок к сырью . Для этого воспользуемся теорией подобия. Найдем число Рейнольдса:

,

где м²/с - средний коэффициент кинематической вязкости

Подставляем полученное значение в уравнение :

Тогда

,

где =0,10475 Вт/м^·К

Вт/м^2·К

Тогда получаем:

Чтобы условие выполнялось, необходимо:

Примем 13 секций

Расчетное значение теплоты конвективной камеры составит:

Следовательно, условие выполняется и, значит, вышеприведенные расчеты верны, а работа камеры обеспечивает заданные параметры.

Аэродинамический расчет

Расчет проводим с целью определить исправность тяги. Чтобы тяга работала, необходимо, чтобы общие потери давления в печи не превышали расчетного. Разделим весь путь газов на участки:

а) потери при переходе из радиантной камеры в конвективную

где:

F₀, F₁ - соответственно площади каналов, из которого выходят газы и в который они входят

количество дымовых труб.

где ширина конвективной камеры, ширина радиантной камеры

Па

Па

б) потери в конвективной камере

Па

в) Потери при переходе из конвективной камеры в трубу

Па

где при 704,3°С

F₀, F₁ - соответственно площади каналов, из которого выходят газы и в который они входят

количество дымовых труб.

,

где =1,17 м

Па

г) потери в дымоходе

м/с

при °С

Па

Па

Па

Значит, в общем потери составляют:

Па

Определяем расчетные потери:

где - плотность воздуха при max tре для данного региона ( при +25°С)

- плотность дымовых газов при

= 1,4 - коэффициент запаса

B - барометрическое давление

Па

Таким образом, поставленное условие (219,92>40,89) выполняется, следовательно, тяга работает.

Литература

1. Краткий справочник физико-химических величин

2. Трубчатые печи. Каталог ЦНИИНефтеМаш

3. Теплофизические свойства теплоносителей и рабочих тел энерготехнологических процессов и установок. Методические указания. КГТУ, 2000 - 63 стр.

4. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. Н.Б. Варгафтик, М., 1972, 720 стр. с илл.

Размещено на Allbest.ru