Технологический расчёт трубчатой печи

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

, откуда

кДж/кг.

Температура уходящих дымовых газов определяется равенством:

, 0С,

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

t - разность температур теплоносителей на входе сырья в змеевик камеры конвекции; принимаем t = 420 0С;

0С (713 К).

При этой температуре определяем потери тепла с уходящими газами:

кДж/кг.

кДж/кг.

Итак, определяем к.п.д. печи:

.

Расчет полезной тепловой нагрузки трубчатой печи производим по формуле:



,

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:

,

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

кДж/кг.

Уравнение для расчета теплосодержания жидких нефтепродуктов имеет вид:

,

где относительная плотность нефти = 0,87;

кДж/кг;

кДж/кг.

Рассчитываем полезную тепловую нагрузку печи:

.

Определяем полную тепловую нагрузку печи:

.

Часовой расход топлива:

кг/ч.

Выводы: 1) расчеты данного этапа показали, что коэффициент полезного действия нашей печи = 0,83, т.е. довольно высокий, т.к. для трубчатых печей значение к.п.д. находится в пределах от 0,65 до 0,85

2) полная тепловая нагрузка печи составила 31,52 МВт.

5.3 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 36,44 МВт, а топливом является мазут. Исходя из этих условий, выбираем трубчатую печь на комбинированном топливе (мазут + газ) СКГ1.



Таблица 2. Техническая характеристика печи СКГ1.

Показатель	Значение
Радиантные трубы: поверхность нагрева, м2 рабочая длина, м	730 18
Количество средних секций n	7
Теплопроизводительность , МВт (Гкал/ч)	39,5 (34,1)
Допускаемая теплонапряженность радиантных труб, кВт/м2 (Мкал/м2ч)	40,6 (35)
Габаритные размеры (с площадками для обслуживания), м: длина L ширина высота	24,44 6 22
Масса, т: металла печи (без змеевика) футеровки	113,8 197

Печи типа СКГ1 - это печи свободного вертикальнофакельного сжигания 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 настенным.

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

Обслуживание горелок производится с одной стороны печи, благодаря чему на общем фундаменте можно установить рядом две однокамерные печи, соединенные лестничной площадкой, и таким образом образовать как бы двухкамерную печь.

Конструкция печи типа СКГ1 показана на рис.2.

Рис.2. Трубчатая печь типа СКГ1:

1 - лестничные площадки; 2 - змеевик; 3 - каркас; 4 - футеровка; 5 - горелки.

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).

5.4 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:

,

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

Hр - поверхность нагрева радиантных труб, м2;

Hр /Hs - отношение поверхностей, зависящее от типа печи, от вида и способа сжигания топлива; принимаем Hр /Hs = 3,05;

- средняя температура наружной стенки радиантных труб, К;

- коэффициент, для топок со свободным факелом = 1,2;

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:

;

кДж/кг.

Максимальная температура продуктов сгорания определяется по формуле:



,

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:

;

кДж/кг.

Теплосодержание продуктов сгорания при температуре Тух.:

кДж/кг.

Коэффициент прямой отдачи:

.

Фактическая теплонапряженность поверхности радиантных труб:

ккал/м2ч.

Температура наружной стенки экрана вычисляется по формуле:

,

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

- толщина стенки трубы, = 0,008 м;

= 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:

;

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 = 1020 К.

Рассчитываем количество тепла, переданное продукту в камере радиации:

;

кДж/ч.

Рис.3. Схема камеры радиации трубчатой печи:

I - сырье (ввод); II - сырье (выход); III - продукты сгорания топлива; IV - топливо и воздух.

Выводы: 1) рассчитали температуру продуктов сгорания, покидающих топку, при помощи метода последовательного приближения; ее значение Тп = 1045,81 К;

2) фактическая теплонапряженность поверхности радиантных труб при этом составила qр = 24798,7 ккал/м2ч;

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

5.5 Расчет диаметра печных труб

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

Объемный расход нагреваемого продукта рассчитывается по формуле:

,

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

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

,

где - температурная поправка;

;

кг/м3.

Подставляя, получим:

м3/с.

Площадь поперечного сечения трубы определяется уравнением:



,

где n = 2 - число потоков;

W - допустимая линейная скорость продукта, W = 2 м/с;

dвн - расчетный внутренний диаметр трубы, м.

Из этого уравнения находим:

м.

Из стандартных значений 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.

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.

5.6 Расчет камеры конвекции

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

Поверхность конвекционных труб определяется по уравнению:

,

где Qк - количество тепла, воспринятое конвекционными трубами;

K - коэффициент теплопередачи от дымовых газов к нагреваемому продукту;

tср - средняя разность температур.

кДж/ч.

Средняя разность температур определяется по формуле:

,

где , - соответственно большая и меньшая разности температур;

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

,

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

Коэффициент с вычисляется следующим образом:

,

где - теплосодержание продукта при температуре tк:

кДж/кг;

.

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:

,

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

р определяют по эмпирическому уравнению Нельсона:

,

где tср - средняя температура дымовых газов в камере конвекции:

К;

Вт/м2град.

к определяется следующим образом:

,

где Е - коэффициент, зависящий от свойств топочных газов, значение которого определяем методом линейной интерполяции, используя табличные данные зависимости его от tср; принимаем Е = 21,248;

d - наружный диаметр труб:

м;

U - массовая скорость движения газов, определяемая по формуле:

,

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:

,

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

S1 - расстояние между осями этих труб; S1 = 0,275 м;

lр - рабочая длина конвекционных труб; lр = 18 м;

а - характерный размер для камеры конвекции:

м.

м2.

Рассчитываем массовую скорость движения газов:

кг/м2с.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией:

Вт/м2град.

Коэффициент теплопередачи от дымовых газов к нагреваемому продукту:

Вт/м2град.



Рис.4. Схема расположения

Таким образом, поверхность конвекционных труб:

м2.

Определяем число труб в камере конвекции:

шт.

Число труб по вертикали:

шт.

Высота пучка труб в камере конвекции определяется по формуле:

, труб в камере конвекции.

где S2 - расстояние между горизонтальными рядами труб:



м;

м.

Рассчитаем среднюю теплонапряженность конвекционных труб:

Вт/м2.

Выводы: 1) рассчитали поверхность нагрева конвекционных труб, получив следующий результат: Нк = 622,63 м2;

2) определили значение средней теплонапряженности конвекционных труб, оно составило Qнк = 12854,2 Вт/м2, что в пределах допустимого значения (13956 Вт/м2), а значит камера конвекции работает с высокой эффективностью

5.7 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:

,

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. = 1,5 ата = 1,5105 Па = 0,15 МПа.

Остальные слагаемые необходимо рассчитать.

Расчет начинается с определения потерь напора на участке испарения:

,

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

,

где А и В - расчетные коэффициенты.

; ,

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;



lи - длина участка испарения:

,

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

;

кДж/кг;

lрад. - эквивалентная длина радиантных труб:

,

где lр - рабочая длина одной трубы; lр = 18 м;

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

м;

nр - число радиантных труб, приходящихся на один поток:

,



где n = 2 - число потоков;

Nр - общее число радиантных труб:

шт.;

шт.;

Рис.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 = 380 0С.

Теплосодержание сырья при температуре начала испарения:

кДж/кг.

Длина участка испарения:

м.

Средняя температура продукта на участке испарения:

0С.

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 = 0,994 МПа = 9,94 ата. И так до тех пор, пока не будет достигнута необходимая точность.

Теперь можем рассчитать потери напора на участке испарения:

МПа.

Далее рассчитываем потери напора на участке нагрева радиантных труб:



,

где 2 - коэффициент гидравлического сопротивления для участка нагрева; принимаем 2 = 0,033;

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

м;

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;

МПа.

Рассчитываем потери напора в конвекционных трубах для одного потока:

,



где Uк - массовая скорость продукта в конвекционных трубах:

Uк = U = 605,924 кг/м2с;

ж - плотность продукта при средней температуре в конвекционных трубах:

0С;

кг/м3;

lк - эквивалентная длина конвекционных труб:

,

где nк - число конвекционных труб в одном потоке:

шт.;

м;

МПа.

Статический напор в змеевике печи рассчитывается по формуле:

,

где hт - высота камеры радиации:

;

м;

hк - высота камеры конвекции (рассчитана ранее): hк = 7,616 м;

ж - плотность продукта при средней температуре:

0С;

кг/м3;

МПа.

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

МПа.

Рис.6. Схема к гидравлическому расчету змеевика трубчатой печи.

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 = 1,17 МПа и значительно превышает давление на выходе из змеевика (почти в 8 раз), что является характерным для печей с двухфазным режимом, и объясняется в основном большими потерями напора на участке испарения радиантных труб.

5.8 Упрощенный аэродинамический расчет дымовой трубы

Цель расчета: определение стандартного диаметра и высоты дымовой трубы.

Общее сопротивление всего газового тракта определяется выражением:

,

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

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

Ртр. - потери напора на трение в дымовой трубе.

,

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

W - линейная скорость продуктов сгорания; принимаем W = 8 м/с;

- плотность продуктов сгорания при температуре Тух..

Плотность продуктов сгорания при нормальных условиях:

,

где - сумма масс продуктов сгорания на 1 кг топлива;

- объемное количество продуктов сгорания на 1 кг топлива:

,

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.

Итак, потери напора в газоходе на преодоление местных сопротивлений:

Па.

Потери напора на трение в дымовой трубе определяются по формуле:

,

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

,

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

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

,

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

К;

К;

кг/ м3;

Па.

Потери напора на трение при движении газов в дымовой трубе:



,

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

,

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

V - объемный расход продуктов сгорания при температуре Тух.:

м3/с;

м.

Выбираем ближайший стандартный диаметр дымовой трубы: D = 2,0 м

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

.

Высота дымовой трубы рассчитывается методом последовательного приближения по уравнению:



,

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 = 50,32 м.

Результаты последующих расчетов представим в виде таблицы.

Таблица 6. Расчетная высота

№ итерации	hзад., м	, Па	, Па	Робщ., Па	hрасч., м
2	50,32	10,82	39,00	244,92	51,24
3	51,24	11,02	39,19	245,10	51,27

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 = 51,27 м.



Список использованной литературы

1. Адельсон С.В. Технологический расчет и конструктивное оформление нефтезаводских печей. - М.-Л.: Гостоптехиздат, 1952.

2. Адельсон С.В. Процессы и аппараты нефтепереработки и нефтехимии. М.: Гостоптехиздат, 1963.

3. Алексеев Г.Н. Общая теплотехника: Учеб. пособие. М.: Высш. школа, 1980. - 552 с.

4. Амиров Я.С., Галеев Р.Г., Абызгильдин А.Ю. Безопасность жизнедеятельности, Кн. 4. Ч.Ш. Идентификация надежности и работоспособности топочно-нагревательных агрегатов. Методы расчета. - Уфа, 1999. - 288 с.

5. Глинков М.А. Основы общей теории печей. - М.: Метал- лургиздат, 1962. - 576 с.

6. Исламов М.Ш. Печи химической промышленности. 2-е изд., пер. и доп. - М.: Химия, 1975. - 432 с.

7. Казанцев Е.И. Промышленные печи. М.: Металлургия, 1964.

- 447 с.

8. Танатаров М.А., Ахметшина М.Н., Фасхутдинов Р.А. и

др. Технологические расчеты установок переработки нефти: Учеб. пособие для вузов.- М.: Химия, 1987. - 352 с.

9. Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета технологического и природоохранного оборудования: Справочник. Т.2. - Калуга: Изд-во Н.Бочкаревой, 2001. - 88 с.

10. Трубчатые печи: Каталог. - М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1990.

- 30 с.

11. Ентус Н.Р., Шарихин В.В. Трубчатые печи в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. - М.: Химия, 1987. - 304 с.

12. Ентус Н.Р. Трубчатые печи. - М.: Химия, 1977. - 224 с.

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

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

15. 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