Главная страница

4.Технологический расчет печи. 4. технологический расчет печи


Скачать 0.5 Mb.
Название4. технологический расчет печи
Дата15.05.2018
Размер0.5 Mb.
Формат файлаdoc
Имя файла4.Технологический расчет печи.doc
ТипДокументы
#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. 2Н6 + 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:
Lд = L0∙α (4.1)

Lд = 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 mi (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:
Vi = mi∙22.4/Mi (4.2)
где Vi – 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 qт=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:
qт = (Т–273)∙Σmi∙ci (4.3)
где сi – 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 сi 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):
Qсг = Σxi∙Qi (4.4)
где xi – массовая доля i–го компонента топлива;

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

Теплота сгорания расчитывается по формуле:
Qi = 204472∙noi/Mi (4.5)
где ni – число моль атомарного кислорода, необходимое для полного сгорания i–го компонента топлива;

Mi – 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:

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

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

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

Принимаем qпот/Qсг=0,06; а qух находят по графику qт=f(Т), при Т=Тух, причем температуру дымовых газов на выходе из конвекционной камеры принимаем на 120 К выше температуры сырья, поступающего в печь:
Тух = Т1+120 (4.7)
Полезное терло печи (в кДж/ч) рассчитывают по уравнению:
Qп = G[е∙qп Т2+(1–e)∙qжТ2 – qж Т1] (4.8)
где G – производительность печи по сырью, кг/ч;

qп Т2, qжТ2 – энтальпия соответственно паровой и жидкой фаз на выходе из печи при температуре Т2, кДж/кг;

qж 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 Qт (кДж/ч) определяем по формуле:
Qт = Qп / η (4.9)
Часовой расход топлива В (в кг/ч):
В = Qт / Qсг (4.10)
4.3. Поверхность нагрева радиантных труб и размеры камеры радиации (топка):

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

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

Количество тепла, переданное сырью в камере радиауии находим из уравнения теплового баланса топки:
Qр = (Qсг∙ηт – qтп)∙В (4.12)
где ηт=0,96 – коэффициент эффективности топки;

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

Определяем температуру Тк 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 qжтк на входе в радиантные трубы из уравнения теплового баланса:
Qр = G[е∙qп Т2+(1 – e)∙qжТ2 – qж ТK] (4.13)
По таблице энтальпий нефтепродуктов находят искомую температуру Тк.

Выбираем трубы диаметром dн=127*8 мм с полезной длиной lтр=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):
Nр = Hр / π∙dн∙lтр (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 ат=1 м.

Высота радиантной камеры (топки):
hт = (N’р – 1)∙S +0.5∙S+2∙lт (4.16)
где N’р=Nр / 2 – число труб в одном вертикальном ряду;

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

Ширина радиантной камеры печи:
bт = 2∙aт + S1 (4.17)
Объем камеры радиации:
Vт = bт∙hт∙lтр (4.18)
Теплонапряжение топочного объема печи:

Qv = Qт / Vт (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 qг =69,78 кВт.

Количество горелок (округляется до ближайшего меньшего целого четного числа):
Nг = Qт / qт (4.20)
Так как размер каждой горелки 0,5*0,5 м, то площадь двух излучающих стен печи:
HSR = 0.25∙Nг (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 Тдп па выходе из топки при принятом теплонапряжении радиантных труб. Расчетная формула имеет вид:
Тдп = (1/φ [108 / CS∙HS(Qр – Qрк) + θ4] )1/ 4 (4.22)
где CS = 5,73 Вт/(м2∙К) – постоянная излучения абсолютно черного тела;

HS – эквивалентная черная поверхность, м2;

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

Θ – средняя температура наружной стенки экрана, К;

φ – коэффициент, зависящий от отношения HSR/HS – определяется по графику;

HSR – поверхность излучающих стен топки, м2.

Среднюю температуру наружной поверхности стенки радиантных труб определяют из уравнения:
Θ = (ТК + Т2)/2 + qР∙[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 HSR/HS




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:
αК = 2,1∙(ТП – θ)1/ 4 (4.24)
Количество тепла, переданное в радиантной камере конвекцией, расчитываем по уравнению:

QРК = αК∙НР∙(φК∙ТП – θ) (4.25)
где φК = 0,9 – коэффициент, учитывающий снижение температуры газов в области труб по сравнению с температурой газов, покидающих топку.

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

Находим угловой коэффициент ρHR 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):
ρHR = ПHR/ π∙dН (4.26)
где ПHR = 72,2 мм2 – средняя расчетная поверхность взаимного излучения для 1 мм длины одной трубы экрана.

Определяем угловой коэффициент ρVR 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 = 4аТ∙hТ + 2(hТ∙lТР – HSR/2) (4.27)
Находят температуру излучающей стенки, согласно опытным данным по формуле:
ТR = 1,2·TП (4.28)
Определяют среднюю температуру поглощающей среды (газов в топке) по формуле:
TV = TП + (QRK + QRП) / В·Σmi·ci (4.29)
где QRП – потери тепла радиантной камерой в окружающую среду, кВт;

Σmi·ci – средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива при температуре (ТП + 150).

При этом количество тепла, потерянное радиантной камерой в окружающую среду, рассчитывают следующим образом:
QRП = QT· (1 – ηT) (4.30)
Определяют приведенную степень черноты трубного экрана по формуле:
εПР = А1 / ψ(ТV) + A2 / ψ(TR) (4.31)
Здесь:
A1 = ε1·εН ( β1 + ρHV) (4.31)
A2 = (1 – ε1)·εН εRHR + β2) (4.32)

Ψ(TV) = (T4П – Θ4) / T4V – Θ4 (4.33)
Ψ(TR) = (T4П – Θ4) / T4R – Θ4 (4.34)

где ε1 – степень черноты газового слоя;

εН R = 0,9 – степень черноты экрана и излучающей стенки;

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

где λ – коэффициент прозрачности газовой среды при ТV (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:

НS = HP·εПР (4.37)

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


  1. Рассчет конвективной поверхности нагрева печи.


Поверхность нагрева конвекционных груб определяется но формуле:

НR = QK / k1·ΔTСР (4.38)

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

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

ΔTСР – средний температурный напор, К;

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

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

Коэффициент α1 определяют по формуле :
α1 = С·β·λГ / dН ·Re0.6·Pr0.33 (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;

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

Критерии Re и Рг в формуле (4.41) вычисляются при средней температуре дымовых газов в камере конвекции ТСР = 0,5·(ТП + ТУХ); 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 dН = 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:
fГ = (bК – n1·dН)·lТР = [ (n1 – 1)·S + 3dН – n1·dН]·lТР (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 ТСР кинематическую вязкость, плотность, теплоемкость и коэффициент теплопроводности.

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

Mj– молярные массы компонентов дымовых газов;

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

xt – объемные доли компонентов дымовых газов в смеси.

Плотность дымовых газов:
(4.44)
Кинематическая вязкость газов:
(4.45)
Коэффициент теплопроводности дымовых газов:
(4.46)
где λГ- 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:
αЛ = αСО2 αН2О (4.50)
где αСО2 и αН2О – 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 :
LТР = 3,49·S – 4.1·dН (4.51)
Определяют силу поглощения СО2 и Н2О в газовом слое (в Па·м):
(pl)CO2 = xCO2 · l (4.52)

(pl)H2O = xH2O · 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 — Na; 7 — so2; й — CH«; а — HtO\

ю КН.; ii—CH,; М — Н,; J* — C,H#; M — »Н, + Na; 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


написать администратору сайта