Трубчасті печі є провідною групою вогненних нагрівачів на більшості технологічних установок нафтопереробних і нафтохімічних заводів.
Необхідні вихідні дані: продуктивність печі по сировині (рафінтний розчин вакуумного дистиляту) G = т / добу; початкова і кінцева температура сировини відповідно T1 = К і Т2 = К; щільність рафината при К ρ = 903 кг / м 3; масова частка відгону сировини при температурі К і атмосферному тиску нп виході з печі e = 0,6; щільність відгону при 293К 875 кг / м 3; щільність залишку одноразового випаровування при 293К ρ = 950 кг / м 3; паливо - газ складу (в мас.%) СН4 - 90,84; С2 Н6 - 5,55; С3 Н8 - 0,54; н-С4 Н10 - 0,35; СО2 - 0,84; N2 - 1,88.
4.1. Розрахунок процесу горіння.
Складаємо стехиометрические рівняння процесу горіння компонентів палива:
Визначаємо теоретичне кількість повітря L0 (в кг), необхідне для спалювання 1 кг газу (по стехиометрическим рівнянням). В результаті отримали:
Всього кисню - 3,882 кг, а знаючи якісний склад повітря, визначаємо що теоретичне кількість повітря - 16,6 кг.
Розрахуємо дійсну кількість повітря:
де α - коефіцієнт надлишку повітря (α = 1,03-1,07 для печей з випромінюючими стінками).
Визначаємо кількість продуктів згоряння (в кг), що утворюються при згорянні 1 кг палива. Визначаємо масу компанентов димових газів mi (кг / кг палива), враховуючи азот, що надходить СО2 з паливом, а також непревращенний кисень (по стехиометрическим рівнянням):
Для діоксиду вуглецю:
m1 (СO2) = 0,023 кг
m2 (СO2) = 0,024 кг
m3 (СO2) = 0,0253 кг
m4 (СO2) = 0,0254 кг
m1 (Н2 О) = 2,156 кг
m2 (Н2 О) = 0,009 кг
m3 (Н2 О) = 0,008 кг
m4 (Н2 О) = 0,005 кг
У підсумку отримуємо, що сума компонентів по чотирьом реакцій, дорівнює:
Σ m (Н2 О) = 2,178 кг
Σ m (СO2) = 0,096 кг
Σ m (O2) = 3,882 кг
Σ m (N2) = 0,188 + 12,7 = 12,91 кг
Чи не прореагував кисню:
m (O2) = 17,46-12,91-3,882 = 0,668 кг
Розраховуємо складу димових газів в% мас. і отримуємо такі результати:
Розраховуємо складу димових газів в% об. використовуючи формулу для перерахунку:
де Vi - об'ємне колічествоi- го компонента димових газів, м 3 / кг палива; Mi- молярна массаi- го компонента димових газів, кг / кмоль.
Підставляємо значення і отримуємо:
Відповідно складу димових газів в% об. буде:
Для подальших розрахунків будують графік залежності qт = f (Т) (ентальпія димових газів - температура). Для цього визначаємо ентальпію димових газів (в кДж / кг), що утворюються при згорянні 1 кг палива, при температурах 300, 500, 700, 1100 1500 і 1900 К за рівнянням:
де сi - середня масова теплоємність компонента димових газів (в кДж / кг ∙ К).
Середня масова теплоємність газів при постійному тиску
Підставивши значення в формулу, отримуємо такі значення, при цьому сi беремо з таблиці середньої масової теплоємності газів при постійному тиску:
q300 = 564,5 кДж / кг
Також розраховуємо при інших температурах, і отримуємо:
q500 = 4804 кДж / кг
q700 = 9250 кДж / кг
q1100 = 18450 кДж / кг
q1500 = 28932 кДж / кг
q1900 = 39601 кДж / кг
Будуємо графік залежності.
Визначаємо теплоту згоряння палива (в кДж / кг):
де xi - масова доляi-го компонента палива;
Qi - теплота сгораніяi-го компонента палива, (в кДж / кг);
Теплота згоряння розраховується за формулою:
де ni- число моль атомарного кисню, необхідне для повного сгораніяi-го компонента палива;
Mi - молярна массаi-го компонента палива, кг / моль.
Підставляємо значення і отримуємо:
Q (СН4) = 204472 ∙ 4/16 = 51118 кДж / кг
Відповідно теплота згоряння дорівнює:
Qcu = 50236 кДж / кг.
2. к.к.д. печі, її теплове навантаження і витрата палива.
К.к.д. печі знаходять за формулою:
де Qпот / Qсг - втрати тепла в навколишнє середовище, в частках від теплоти згорання палива;
qух / Qсг - втрати тепла з димовими димовими газами, в частках від теплоти згорання палива;
Приймаємо Qпот / Qсг = 0,06; аqух знаходять за графіком qт = f (Т), при Т = Тух. причому температуру димових газів на виході з конвекційної камери приймаємо на 120 К вище температури сировини, що надходить в піч:
Корисне Терло печі (в кДж / год) розраховують за рівнянням:
де G- продуктивність печі по сировині, кг / год;
q п Т2, q ж Т2 - ентальпія відповідно парової і рідкої фаз на виході з печі при температурі Т2. кДж / кг;
q ж Т1 - ентальпія сировини на вході в піч при температурі Т1. кДж / кг, (ентальпії знаходимо за таблицями ентальпій рідких нафтопродуктів і нафтових парів, знаючи щільності);
Повну теплове навантаження печі Qт (кДж / год) визначаємо за формулою:
Часовий витрата палива В (в кг / год):
4.3. Поверхня нагріву радіантних труб і розміри камери радіації (топка):
Поверхня нагріву радіантних труб (в м 2) визначається за формулою:
де Qр - кількість тепла, передане сировини в камері радіації, кВт;
qр - теплонапругу радіантних труб, кВт / м 2 (попередньо прінімаемqр = 67 кВт / м 2).
Кількість тепла, передане сировини в камері радіауіі знаходимо з рівняння теплового балансу топки:
де ηт = 0,96 - коефіцієнт ефективності топки;
Qтп - ентальпія димових газів на виході з камери радіації при температурі Тп. кДж / кг палива (попередньо приймаємо Тп = 1023К і определяемqтп за графіком qт = f (Т).
Визначаємо температуру Тк сировини на вході в радіантні труби. Для цього, вважаючи на основі досвідчених і розрахункових даних, що сировина в конвекційних трубах не випаровується, знаходимо її ентальпіюq ж тк на вході в радіантні труби з рівняння теплового балансу:
По таблиці ентальпій нафтопродуктів знаходять шукану температуру Тк.
Вибираємо труби діаметром dн = 127 * 8 мм з корисною длінойlтр = 9.5 м (загальна довжина труби з урахуванням закладення кінців в трубні двійники дорівнює 10 м).
Число радіантних труб (округляємо до найближчого більшого цілого парного числа):
З огляду на досвід промисловості, приймаємо піч беспламенного горіння з дворядним екраном двостороннього опромінення, з горизонтальним шаховим розташуванням труб і двома нижніми конвекційними секціями.
За існуючими нормами крок розміщення екранних труб S = 0.25 м. Відстань між рядами вертикальних труб:
Відстань від випромінюючих стін до трубного екрану ат = 1 м.
Висота радіантної камери (топки):
де N'р = Nр / 2 - число труб в одному вертикальному ряду;
lт = 0,25 м - відстань від нижньої і верхньої труб вертикального ряду відповідно ло пода і стелі печі.
Ширина радіантної камери печі:
Обсяг камери радіації:
Теплонапругу топкового обсягу печі:
Для забезпечення рівномірного обгрева кожної труби екрану по колу і по довжині слід прийняти для проектованої печі газові пальники ВНІІНефтемаша типу ГБП2а теплопродуктивністю qг = 69,78 кВт.
Кількість пальників (округляється до найближчого меншого цілого парного числа):
Так як розмір кожного пальника 0,5 * 0,5 м, то площа двох випромінюючих стін печі:
Схема печі з випромінюючими стінками топки
4. Розрахунок променистого теплообміну в топці.
Метою цього розрахунку є визначення дійсної температури димових газів Т д п па виході з топки при прийнятому теплонапружених радіантних труб. Розрахункова формула має вигляд:
де CS = 5,73 Вт / (м 2 ∙ К) - постійна випромінювання абсолютно чорного тіла;
HS - еквівалентна чорна поверхня, м 2;
QРК - кількість тепла, яке передається продукту в камері радіації конвекцією, кВт;
Θ - середня температура зовнішньої стінки екрану, К;
φ - коефіцієнт, що залежить від ставлення HSR / HS - визначається за графіком;
HSR - поверхня випромінюючих стін топки, м 2.
Середню температуру зовнішньої поверхні стінки радіантних труб визначають з рівняння:
де α2 = 940 Вт / м 2 ∙ К - коефіцієнт тепловіддачі від стінки труб до нафтопродуктів;
δ- товщина стінки труби, м 2;
λ = 45,4 Вт / м ∙ К - коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки труб.
Залежність коефіцієнта φ від відносини HSR / HS
1 - безполуменеве горіння; 2 - полум'яне горіння з об'ємно-настильним факелом; 3 - полум'яне горіння з вільним факелом.
Далі визначаємо коефіцієнт тепловіддачі (в Вт / м 2 ∙ К) вільною конвекцією від димових газів до радіантні трубах за формулою:
Кількість тепла, передане в радіантної камері конвекцією, розраховуємо за рівнянням:
де φК = 0,9 - коефіцієнт, що враховує зниження температури газів в області труб у порівнянні з температурою газів, що залишають топку.
Розраховуємо еквівалентну абсолютно чорну поверхню НS. Попередньо визначаємо всі необхідні для цього величини.
Знаходимо кутовий коефіцієнт ρHR для випадку променистого теплообміну між поверхнею екранних труб і випромінює стінкою (цей коефіцієнт показує, у скільки разів розрахункова поверхню взаємного випромінювання екрану і випромінює стінки більше поверхні радіантних труб):
де ПHR = 72,2 мм 2 - середня розрахункова поверхню взаємного випромінювання для 1 мм довжини однієї труби екрану.
Визначаємо кутовий коефіцієнт ρVR для випадку променистого теплообміну між газовим шаром і трубним екраном. Величину цього коефіцієнта знаходимо за графіком.
Знаходимо поверхню неекранованих стін топки - торцеві стіни і частина фронтових стін, не зайнятих газовими пальниками. Площа цих поверхонь дорівнює:
Знаходять температуру випромінюючої стінки, згідно досвідченим даними за формулою:
Визначають середню температуру поглинаючого середовища (газів в топці) за формулою:
де QRП - втрати тепла радіантної камерою в навколишнє середовище, кВт;
Σmi · ci - середня сумарна теплоємність продуктів згоряння 1 кг палива при температурі (ТП +150).
При цьому кількість тепла, втрачене радіантної камерою в навколишнє середовище, розраховують таким чином:
Визначають наведену ступінь чорноти трубного екрана по формулі:
Ступінь ефективності опромінення трубного екрану газовим шаром.
I - однорядний екран; 2 - дворядний екран, перший ряд; 3 - те ж, другий ряд.
Нарешті розраховують еквівалентну абсолютно чорну поверхню:
Якщо отримана таким розрахунком температура Т Д П буде значно відрізнятися (більш, ніж на 10 °) від прийнятої Тп, то слід якби повторилася розрахунок, задавшись іншим значенням ТП.
Розрахунок конвективної поверхні нагрівання печі.
Поверхня нагріву конвекційних грубий визначається але формулою:
де QK - кількість тепла, передавати сировини в конвекційних трубах, Вт;
k1 - коефіцієнт теплопередачі в конвекційної камері печі, Вт / (м 2 К);
ΔTСР-середній температурний напір, К;
Кількість тепла, переданого сировини в конвекційних трубах:
Коефіцієнт теплопередачі в конвекційної камері обчислюється за формулою:
де α1-коефіцієнт тепловіддачі конвекцією від димових газів до труб, Вг / (м К);
αЛ - коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням від трьох атомних азів до труб, Вт / (м 2 К);
Коефіцієнт α1 визначають за формулою:
де C- постійна, для шахового пучка грубий рівна 0,33;
β- коефіцієнт, що залежить від числа рядів труб в пучку (вважаючи, що число рядів буде більше 10, приймаємо β = 1;
λГ - коефіцієнт теплопровідності димових газів, Вг / (м · К).
Критерії Reі Рг у формулі (4.41) обчислюються при середній температурі димових газів в камері конвекції ТСР = 0,5 · (ТП + потух); визначає розмір - зовнішній діаметр труб.Скорость газів розраховується для самого вузького перетину пучка.
У камері конвекції встановлюються грубі з корисною довжиною l1 = 9.5 м, зовнішнім діаметромdН = 102 мм і товщиною стінки 6 мм. У кожній камері розміщується змійовик для одною потоку сировини. В одному горизонтальному ряду його встановлено в шаховому порядку по чотири грубі (рис. 1) з шагомS = 172 мм.
Знаходять найменшу площу вільного перетину для проходу димових газон. Згідно з наведеною схемою, вона буде дорівнює:
де n1 = 4 - число труб в одному горизонтальному ряду;
Визначають лінійну швидкість димових газів в найвужчому перерізі пучка ні формулою:
де m = 2 число паралельно працюючих камер (число потоків сировини).
Для визначення критеріїв Reі Рг потрібно обчислити для димових газів при ТСР кінематичну в'язкість, щільність, теплоємність і коефіцієнт теплопровідності.
Коефіцієнт динамічної в'язкості знаходять за формулою:
де мкг. мкг - молярна маса і динамічна в'язкість димових газів;
Mj- молярні маси компонентів димових газів;
μi - динамічні в'язкості компонентів димових газів - визначаються по номограмі;
xt - об'ємні частки компонентів димових газів в суміші.
Щільність димових газів:
Кінематична в'язкість газів:
Коефіцієнт теплопровідності димових газів:
де λГ - коефіцієнт теплопровідності компонентів димових газів (табл. 4).
Коефіцієнти теплопровідності димових газів.
Питома теплоємність димових газів:
Знаходять значення критеріїв:
Коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням від трьохатомних газів:
де αСО2 і αН2О - коефіцієнти тепловіддачі випромінюванням від СО2 і Н2 О, определяемиепо номограмме залежно від ТСР, сили поглинання трьохатомних газів і температури стінки.
Попередньо знаходять величини, необхідні для користування номограммами.
Розраховують ефективну товщину газового шару за формулою:
Визначають силу поглинання СО2 і Н2 О в газовому шарі (в Па · м):
Температуру стінок конвекційних труб приймають на 35 К вище середньої температури сировини в них:
Середній температурний напір розраховується за рівнянням Грасгоффа:
Розрахувавши поверхню нагріву конвекційних грубий, визначають загальне число грубий в конвекційної камері:
Число грубий по вертикалі в одній камері (слід округлити до найближчого більшого цілою значення):
Висота, яку займає трубами в конвекційної камері, при кроці труб по глибині конвекційного пучкасоставіт:
I * не.VI. Номограма для визначення динамічного коефіцієнта в'язкості
газон при р = 1 атм *:
Перерахунок в СІ: lcll-iJO " 'Ila-o.
* З допустимий наближенням даними номограми можна іиі ^ овагьен і ири ixaeiur
Для продовження скачування необхідно зібрати картинку: