4.Технологический расчет печи. 4. технологический расчет печи

• Название: 4. технологический расчет печи
• Дата: 15.05.2018
• Размер: 0.5 Mb.
• Имя файла: 4.Технологический расчет печи.doc
• Тип: Документы; #43742

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПЕЧИ
Трубчатые печи являются ведущей группой огненных нагревателей на большинстве технологических установок нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов.

Необходимые исходные данные: производительность печи по сырью (рафинтный раствор вакуумного дистиллята) G= т/сут; начальная и конечная температура сырья соответственно T₁= К и Т₂= К; плотность рафината при К ρ=903 кг/м³; массовая доля отгона сырья при температуре К и атмосферном давлении нп выходе из печи e=0,6; плотность отгона при 293К 875 кг/м³; плотность остатка однократного испарения при 293К ρ=950 кг/м³; топливо – газ состава (в масс.%) СН₄ – 90,84; С₂Н₆ – 5,55_; С₃Н₈ – 0,54; н-С₄Н₁₀ – 0,35; СО₂ – 0,84; N₂ – 1,88.
4.1. Расчет процесса горения.
Составляем стехиометрические уравнения процесса горения компонентов топлива:

1. 
   СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О
   
2. 
   2С₂Н₆ + 7О₂ = 4СО₂ + 2Н₂О
   
3. 
   С₃Н₈ + 5О₂ = 3СО₂ + 4Н₂О
   
4. 
   2н-С₄Н₁₀ + 19О₂ = 8СО₂ + 10Н₂О
   

Определяем теоретическое количество воздуха L₀ (в кг), необходимое для сжигания 1 кг газа (по стехиометрическим уравнениям). В итоге получили:

Для кислорода:

m1(O₂) = 3,83 кг

m2(O₂) = 0,02 кг

m3(O₂) = 0,019 кг

m4(O₂) = 0,013 кг

Всего кислорода – 3,882 кг, а зная качественный состав воздуха, определяем что теоретическое количество воздуха – 16,6 кг.

Рассчитаем действительное количество воздуха:
L_д = L₀∙α (4.1)

L_д = 16,6∙1,05=17,46
где α – коэффициент избытка воздуха (α=1,03–1,07 для печей с излучающими стенками).


Определяем количество продуктов сгорания (в кг), образующихся при сгорании 1 кг топлива. Определяем массу компанентов дымовых газов m_i (кг/кг топлива), учитывая азот, поступающий СО₂ с топливом, а также непревращенный кислород (по стехиометрическим уравнениям):

Для диоксида углерода:

m1(СO₂) = 0,023 кг

m2(СO₂) = 0,024 кг

m3(СO₂) = 0,0253 кг

m4(СO₂) = 0,0254 кг

Для воды:

m1(Н₂О) = 2,156 кг

m2(Н₂О) = 0,009 кг

m3(Н₂О) = 0,008 кг

m4(Н₂О) = 0,005 кг

В итоге получаем, что сумма компонентов по четырем реакциям, равна:

Σ m(Н₂О) = 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

Не прореагировало кислорода:

m(O₂) = 17,46–12,91–3,882 = 0,668 кг

Рассчитываем состав дымовых газов в % масс. и получаем следующие результаты:

n(Н₂О) = 11,43 %

n(СО₂) = 0,5 %

n(N₂) = 67,7 %

n(O₂) = 20,36 %

Рассчитываем состав дымовых газов в % об., используя формулу для пересчета:
V_i = m_i∙22.4/M_i (4.2)
где V_i – объемное количество i – го компонента дымовых газов, м³/кг топлива; Mi – молярная масса i – го компонента дымовых газов, кг/кмоль.

Подставляем значения и получаем:

V(Н₂О) = 2,7 м³,

V(СО₂) = 0,048 м³

V(N₂) = 12,04 м³

V(O₂) = 2,71 м³

ΣV = 17,858 м³

Соответственно состав дымовых газов в % об. будет :

n’(Н₂О) = 15 %

n’(СО₂) = 0,2 %

n’(N₂) = 67 %

n’(O₂) = 15,17 %

Для последующих расчетов строят график зависимости q_т=f(Т) (энтальпия дымовых газов – температура). Для этого определяем энтальпию дымовых газов (в кДж/кг), образующихся при сгорании 1 кг топлива, при температурах 300, 500, 700, 1100, 1500 и 1900 К по уравнению:
q_т = (Т–273)∙Σm_i∙c_i (4.3)
где с_i – средняя массовая теплоемкость компонента дымовых газов (в кДж/кг∙К).

Таблица 1

Средняя массовая теплоемкость газов при постоянном давлении

Подставив значения в формулу, получаем следующие значения, при этом с_i берем из таблицы средней массовой теплоемкости газов при постоянном давлении:

q₃₀₀ = (300–273)∙(0,9169∙3,882+1,0308∙12,91+0,8286∙0,096+1,8632∙2,178)

q₃₀₀ = 564,5 кДж/кг

Также рассчитываем при остальных температурах, и получаем:

q₅₀₀ = 4804 кДж/кг

q₇₀₀ = 9250 кДж/кг

q₁₁₀₀ = 18450 кДж/кг

q₁₅₀₀ = 28932 кДж/кг

q₁₉₀₀ = 39601 кДж/кг

Строим график зависимости.

Определяем теплоту сгорания топлива (в кДж/кг):
Q_сг = Σx_i∙Q_i (4.4)
где x_i – массовая доля i–го компонента топлива;

Q_i – теплота сгорания i–го компонента топлива, (в кДж/кг);

Теплота сгорания расчитывается по формуле:
Q_i = 204472∙n^oi/M_i (4.5)
где ni – число моль атомарного кислорода, необходимое для полного сгорания i–го компонента топлива;

M_i – молярная масса i–го компонента топлива, кг/моль.

Подставляем значения и получаем:

Q(СН₄) = 204472∙4/16=51118 кДж/кг

Q(С₂Н₆) = 95420 кДж/кг

Q(С₃Н₈) = 46470 кДж/кг

Q(н-С₄Н₁₀) = 133964 кДж/кг

Соответственно теплота сгорания равна:

Q_cu = 51118∙0.9584+95420∙0.0055+46470∙0.0054+133964∙0.0035

Q_cu = 50236 кДж/кг.
2. К.п.д. печи, ее тепловая нагрузка и расход топлива.
К.п.д. печи находят по формуле:
η = 1–(q_пот/Q_сг + q_ух/Q_сг) (4.6)
где q_пот/Q_сг – потери тепла в окружающую среду, в долях от теплоты сгорания топлива;

q_ух/Q_сг – потери тепла с уходящими дымовыми газами, в долях от теплоты сгорания топлива;

Принимаем q_пот/Q_сг=0,06; а q_ух находят по графику q_т=f(Т), при Т=Т_ух, причем температуру дымовых газов на выходе из конвекционной камеры принимаем на 120 К выше температуры сырья, поступающего в печь:
Т_ух = Т₁+120 (4.7)
Полезное терло печи (в кДж/ч) рассчитывают по уравнению:
Q_п = G[е∙q^п _Т2+(1–e)∙q^ж_Т2 – q^ж _Т1] (4.8)
где G – производительность печи по сырью, кг/ч;

q^п _Т2, q^ж_Т2 – энтальпия соответственно паровой и жидкой фаз на выходе из печи при температуре Т₂, кДж/кг;

q^ж _Т1 – энтальпия сырья на входе в печь при температуре Т₁, кДж/кг, (энтальпии находим по таблицам энтальпий жидких нефтепродуктов и нефтяных паров, зная плотности);

Полную тепловую нагрузку печи Q_т (кДж/ч) определяем по формуле:
Q_т = Q_п / η (4.9)
Часовой расход топлива В (в кг/ч):
В = Q_т / Q_сг (4.10)
4.3. Поверхность нагрева радиантных труб и размеры камеры радиации (топка):

Поверхность нагрева радиантных труб (в м²) определяется по формуле:
Нр = Q_р / q_р (4.11)
где Q_р – количество тепла, переданное сырью в камере радиации, кВт;

q_р – теплонапряжение радиантных труб, кВт/м² (предварительно принимаем q_р=67 кВт/м²).

Количество тепла, переданное сырью в камере радиауии находим из уравнения теплового баланса топки:
Q_р = (Q_сг∙η_т – q_тп)∙В (4.12)
где η_т=0,96 – коэффициент эффективности топки;

q_тп – энтальпия дымовых газов на выходе из камеры радиации при температуре Т_п, кДж/кг топлива (предварительно принимаем Т_п = 1023К и определяем q_тп по графику q_т=f(Т).

Определяем температуру Т_к сырья на входе в радиантные трубы. Для этого, полагая на основе опытных и расчетных данных, что сырье в конвекционных трубах не испаряется, находим ее энтальпию q^ж_тк на входе в радиантные трубы из уравнения теплового баланса:
Q_р = G[е∙q^п _Т2+(1 – e)∙q^ж_Т2 – q^ж _ТK] (4.13)
По таблице энтальпий нефтепродуктов находят искомую температуру Тк.

Выбираем трубы диаметром d_н=127*8 мм с полезной длиной l_тр=9.5 м (полная длина трубы с учетом заделки концов в трубные двойники равна 10 м).

Число радиантных труб (округляем до ближайшего большего целого четного числа):
N_р = H_р / π∙d_н∙l_тр (4.14)
Учитывая опыт промышленности, принимаем печь беспламенного горения с двухрядным экраном двухстороннего облучения, с горизонтальным шахматным расположением труб и двумя нижними конвекционными секциями.

По существующим нормам шаг размещения экранных труб S=0.25 м. Расстояние между рядами вертикальных труб:
S₁ = S∙√3 / 2 (4.15)
Расстояние от излучающих стен до трубного экрана а_т=1 м.

Высота радиантной камеры (топки):
h_т = (N’_р – 1)∙S +0.5∙S+2∙l_т (4.16)
где N’_р=N_р / 2 – число труб в одном вертикальном ряду;

l_т=0,25 м – расстояние от нижней и верхней труб вертикального ряда соответственно ло пода и потолка печи.

Ширина радиантной камеры печи:
b_т = 2∙a_т + S₁ (4.17)
Объем камеры радиации:
V_т = b_т∙h_т∙l_тр (4.18)
Теплонапряжение топочного объема печи:

Q_v = Q_т / V_т (4.19)
Для обеспечения равномерного обгрева каждой трубы экрана по окружности и по длине следует принять для проектируемой печи газовые горелки ВНИИНефтемаша типа ГБП2а теплопроизводительностью q_г =69,78 кВт.

Количество горелок (округляется до ближайшего меньшего целого четного числа):
N_г = Q_т / q_т (4.20)
Так как размер каждой горелки 0,5*0,5 м, то площадь двух излучающих стен печи:
H_SR = 0.25∙N_г (4.21)

Схема печи с излучающими стенками топки



Рис.1.
4. Расчет лучистого теплообмена в топке.
Целью этого расчета является определение действительной температуры дымовых газов Т^д_п па выходе из топки при принятом теплонапряжении радиантных труб. Расчетная формула имеет вид:
Т^д_п = (1/φ [10⁸ / C_S∙H_S(Q_р – Q_рк) + θ⁴] )^{1/ 4} (4.22)
где C_S = 5,73 Вт/(м²∙К) – постоянная излучения абсолютно черного тела;

H_S – эквивалентная черная поверхность, м²;

Q_РК – количество тепла, передаваемое продукту в камере радиации конвекцией, кВт;

Θ – средняя температура наружной стенки экрана, К;

φ – коэффициент, зависящий от отношения H_SR/H_S – определяется по графику;

H_SR – поверхность излучающих стен топки, м².

Среднюю температуру наружной поверхности стенки радиантных труб определяют из уравнения:
Θ = (Т_К + Т₂)/2 + q_Р∙[1/α₂ + δ/λ (4.23)]
где α₂ = 940 Вт/м²∙К – коэффициент теплоотдачи от стенки труб к нефтепродукту;

δ – толщина стенки трубы, м²;

λ = 45,4 Вт/м∙К – коэффициент теплопроводности материала стенки труб.
Зависимость коэффициента φ от отношения H_SR/H_S




1 – беспламенное горение; 2 - пламенное горение с объемно-настильным факелом; 3 – пламенное горение со свободным факелом.

Рис. 2.
Далее определяем коэффициент теплоотдачи (в Вт/м²∙К) свободной конвекцией от дымовых газов к радиантным трубам по формуле:
α_К = 2,1∙(Т_П – θ)^{1/ 4} (4.24)
Количество тепла, переданное в радиантной камере конвекцией, расчитываем по уравнению:

Q_РК = α_К∙Н_Р∙(φ_К∙Т_П – θ) (4.25)
где φ_К = 0,9 – коэффициент, учитывающий снижение температуры газов в области труб по сравнению с температурой газов, покидающих топку.

Рассчитываем эквивалентную абсолютно черную поверхность Н_S. Предварительно определяем все необходимые для этого величины.

Находим угловой коэффициент ρ_HR для случая лучистого теплообмена между поверхностью экранных труб и излучающей стенкой (этот коэффициент показывает, во сколько раз расчетная поверхность взаимного излучения экрана и излучающей стенки больше поверхности радиантных труб):
ρ_HR = П_HR/ π∙d_Н (4.26)
где П_HR = 72,2 мм² – средняя расчетная поверхность взаимного излучения для 1 мм длины одной трубы экрана.

Определяем угловой коэффициент ρ_VR для случая лучистого теплообмена между газовым слоем и трубным экраном. Величину этого коэффициента находим по графику.

Находим поверхность неэкранированных стен топки – торцевые стены и часть фронтовых стен, не занятых газовыми горелками. Площадь этих поверхностей равна:
F = 4а_Т∙h_Т + 2(h_Т∙l_ТР – H_SR/2) (4.27)
Находят температуру излучающей стенки, согласно опытным данным по формуле:
Т_R = 1,2·T_П (4.28)
Определяют среднюю температуру поглощающей среды (газов в топке) по формуле:
T_V = T_П + (Q_RK + Q_RП) / В·Σm_i·c_i (4.29)
где Q_RП – потери тепла радиантной камерой в окружающую среду, кВт;

Σm_i·c_i – средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива при температуре (Т_П + 150).

При этом количество тепла, потерянное радиантной камерой в окружающую среду, рассчитывают следующим образом:
Q_RП = Q_T· (1 – η_T) (4.30)
Определяют приведенную степень черноты трубного экрана по формуле:
ε_ПР = А₁ / ψ(Т_V) + A₂ / ψ(T_R) (4.31)
Здесь:
A₁ = ε₁·ε_Н ( β1 + ρ_HV) (4.31)
A₂ = (1 – ε₁)·ε_Н ε_R (ρ_HR + β₂) (4.32)

Ψ(T_V) = (T⁴_П – Θ⁴) / T⁴_V – Θ⁴ (4.33)
Ψ(T_R) = (T⁴_П – Θ⁴) / T⁴_R – Θ⁴ (4.34)

где ε₁ – степень черноты газового слоя;

ε_Н ,ε_R = 0,9 – степень черноты экрана и излучающей стенки;

β₁, β₂ – величины зависящие от отношения H_P / F (табл.2)
ε_V = 1 – λ (4.36)

где λ – коэффициент прозрачности газовой среды при Т_V (табл.2)

Степень эффективности облучения трубного экрана газовым слоем.



I – однорядный экран; 2 – двухрядный экран, первый ряд; 3 – то же, второй ряд.

Рис. 3.

Таблица 2


Наконец рассчитывают эквивалентную абсолютно черную поверхность:

Н_S = H_P·ε_ПР (4.37)

Если полученная таким расчетом температура Т^Д_П будет значительно отличаться (более, чем на 10°) от принятой Тп, то следует повторись расчет, задавшись другим значением Т_П.

5. 
   Рассчет конвективной поверхности нагрева печи.
   

Поверхность нагрева конвекционных груб определяется но формуле:

Н_R = Q_K / k₁·ΔT_СР (4.38)

где Q_K – количество тепла, передаваемою сырью в конвекционных трубах, Вт;

k₁ – коэффициент теплопередачи в конвекционной камере печи, Вт/(м² К);

ΔT_СР – средний температурный напор, К;

Количество тепла, передаваемого сырью в конвекционных трубах:
Q_K = Q_ПОЛЕЗН – Q_Р (4.39)
Коэффициент теплопередачи в конвекционной камере вычисляется по формуле:
k₁ = 1.1· (α₁ α_Л) (4.40)
где α₁ – коэффициент теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к трубам, Вг/(м К);

α_Л – коэффициент теплоотдачи излучением от трех атомных азов к трубам, Вт/(м²К);

Коэффициент α1 определяют по формуле :
α₁ = С·β·λ_Г / d_Н ·Re^0.6·Pr^0.33 (4.41)
где C – постоянная, для шахматного пучка груб равная 0.33;

β– коэффициент, зависящий от числа рядов труб в пучке (полагая, что число рядов будет более 10, принимаем β = 1;

λ_Г – коэффициент теплопроводности дымовых газов, Вг/(м·К).

Критерии Re и Рг в формуле (4.41) вычисляются при средней температуре дымовых газов в камере конвекции Т_СР = 0,5·(Т_П + Т_УХ); определяющий размер – наружный диаметр труб. Скорость газов рассчитывается для самого узкого сечения пучка.

В камере конвекции устанавливаются грубы с полезной длиной l₁ = 9.5 м, наружным диаметром d_Н = 102 мм и толщиной стенки 6 мм. В каждой камере размещается змеевик для одною потока сырья. В одном горизонтальном ряду его установлено в шахматном порядке по четыре грубы (рис. 1) с шагом S = 172 мм.

Находят наименьшую площадь свободного сечения для прохода дымовых газон. Согласно приведенной схеме, она будет равна:
f_Г = (b_К – n₁·d_Н)·l_ТР = [ (n₁ – 1)·S + 3d_Н – n₁·d_Н]·l_ТР (4.42)
где n₁ = 4 – число труб в одном горизонтальном ряду;

Определяют линейную скорость дымовых газов в самом узком сечении пучка ни формуле:
(4.42)
где m = 2– число параллельно работающих камер (число потоков сырья).

Для определения критериев Re и Рг нужно вычислить для дымовых газов при Т_СР кинематическую вязкость, плотность, теплоемкость и коэффициент теплопроводности.

Коэффициент динамической вязкости находят по формуле:
(4.43)
где Μ_Г, μ_Г – молярная масса и динамическая вязкость дымовых газов;

Mj– молярные массы компонентов дымовых газов;

μ_i – динамические вязкости компонентов дымовых газов – определяются по номограмме;

x_t – объемные доли компонентов дымовых газов в смеси.

Плотность дымовых газов:
(4.44)
Кинематическая вязкость газов:
(4.45)
Коэффициент теплопроводности дымовых газов:
(4.46)
где λ_Г- коэффициент теплопроводности компонентов дымовых газов (табл. 4).

Таблица 4

Коэффициенты теплопроводности дымовых газов.


Удельная теплоемкость дымовых газов:
(4.47)

Находят значения критериев:
(4.48)

(4.49)
Коэффициент теплоотдачи излучением от трехатомных газов:
α_Л = α_СО2 α_Н2О (4.50)
где α_СО2 и α_Н2О – коэффициенты теплоотдачи излучением от СО₂ и Н₂О, определяемые по номограмме в зависимости от Тср, силы поглощения трехатомных газов и температуры стенки.

Предварительно находят величины, необходимые для пользования номограммами.

Рассчитывают эффективную толщину газового слоя по формуле :
L_ТР = 3,49·S – 4.1·d_Н (4.51)
Определяют силу поглощения СО₂ и Н₂О в газовом слое (в Па·м):
(pl)_CO2 = x_CO2 · l (4.52)

(pl)_H2O = x_H2O · l (4.53)
Температуру стенок конвекционных труб принимают на 35 К выше средней температуры сырья в них:
(4.54)
Средний температурный напор рассчитывается по уравнению Грасгоффа:
(4.55)
Рассчитав поверхность нагрева конвекционных груб, определяют общее число груб в конвекционной камере:
(4.56)
Число груб по вертикали в одной камере (следует округлить до ближайшего большего целою значения):
(4.57)
Высота, занимаемая трубами в конвекционной камере, при шаге труб по глубине конвекционного пучка составит:

(4.58)



Номограмма для определения динамического коэффициента вязкости газов при р = 1 атм.

I* не. VI. Номограмма для определения динамического коэффициента вязкости

газон при р = 1 атм *:

j - о if - NO; а — со₃, j — HGl; 5 — ьоздух; ь — N_a; 7 — so₂; й — CH«; а — H_tO\

ю КН.; ii—CH,; М — Н,; J* — C,H_#; M — »Н, + N_a; i« — ЗН, |N..; /a — СО;

17 — С1».

Пересчет в СИ: lcll-i JO"'Ila-o.

* С допустимый приближением данными номограммы можно иыи^овагьен и ири ixaeiur

I1UJIX 1/ир