Процессы и аппараты нефтегазо- переработки. процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии куиии д., Левеншпиль о

• Название: процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии куиии д., Левеншпиль о
• Анкор: Процессы и аппараты нефтегазо- переработки.docx
• Дата: 05.05.2018
• Размер: 2.36 Mb.
• Имя файла: Процессы и аппараты нефтегазо- переработки.docx
• Тип: Документы; #18896
• страница: 18 из 60

§


= Пн


(111,75)

Итак, действительный напор равен

где % = ЛтПгф— общий коэффициент напора; т]_н = 0,5—0,7 — для загнутых назад лопаток; т)_н = 0,6—0,8 — для лопаток, направленных радиально ф₂ = = 90°); г)_к = 0,8—1,1 —для загнутых вперед лопаток.

Как следует из уравнения (111,75), развиваемый рабочим колесом турбомашины напор тем больше, чем больше окружная скорость на выходе из колеса и₂. Однако величина последней ограничивается механической прочностью колеса. При изготовлении

рабочих колес из легированной стали можно получить степень сжатия в одном колесе 1,25—1,50. Для достижения больших степеней сжатия используют последовательно несколько рабочих колес. В этом случае степень сжатия в каждой ступени турбомашины , принимают согласно уравнению (111,72).

Мощность турбомашины. Для подачи определенного количества газа с учетом потерь в самой машине и передаточных механизмах необходимо затратить мощность

N--=pgH_AQ! г) (111,76)

где Г) — общий к. п. д. турбомашнны.

Характеристика турбома ш и н ы. В турбо- газодувках и турбокомпрессорах подача не яьляется постоянной величиной, а зависит от сопротивления системы, в которую подается газ. Как и для центробежных насосов, с увеличением подачи напор уменьшается, при этом возрастают потребляемая мощность и к. п. д. Типичная характеристика представлена на рис. II1-23. Участок левее точки Р отражает неустойчивую работу машины, так как одному и тому же напору соответствуют разные расходы, и газ подается неравномерно (явление помпажа). Устойчивая область работы машины соответствует участку характеристики правее точки Р.

7. ВЕНТИЛЯТОРЫ

Рис. II1-24. Схемы вентиляторов основных типов:

а — центробежный; 6 — осевой.

Вентиляторы —центробежные машины, предназначенные для перемещения газа (воздуха) из одного пространства в другое, имеющих практически равные давления. Создаваемый вентилято-

ром напор расходуется в основном на преодоление сопротивления системы транспорта газа.

Различают центробежные и осевые вентиляторы (рис. III-24). Создаваемый ими напор не превышает 0,015 МПа. Однако в большинстве случаев напор вентиляторов составляет 0,002—0,005 МПа.

Осевые вентиляторы обеспечивают большие подачи при низких напорах, отличаясь простотой конструкции. Для получениябольшего напора колеса вентиляторы изготовляют с лопатками, загнутыми вперед с углом > 90°.

Создаваемый вентилятором напор может быть рассчитан по уравнению (111,6). Обычно первые два слагаемых называют статическим напором #_ст, а третье —динамическим напором Я_дин, т. е. полный напор вентилятора

//_т = ■


Ч


Ч


(П1.78)


Рис. 111-25. Характеристики вентилятора и сети:

А — рабочая точка; А р_с — Q — характери

стика сети; Р — иодача газа в сеть.

493. 
     Для осевых вентиляторов можно приближенно считать, что
     
494. 
     и_г s* и₂, т. е.
     

Пт — //дин //ст (111,77)

Создаваемый осевым вентилятором напор можно рассчитать по следующей приближенной формуле:

Н_т = 0,14 (u/q>)² (111,79)

где и — окружная скорость внешней периферии лопасти, м/с; <р — коэффициент, зависящий от формы лопастей; ф= 2,8—3,5 — для плоских лопастей и <р = = 2,2—2,9 — для криволинейных лопастей.

Диаметр всасывающего отверстия вентилятора рассчитывают по формуле

D₀ = T/_J^- (ill,80)

Г яаЧвс

где Q — производительность вентилятора, м³/с; w_ac — скорость во всасывающем отверстии, м/с; ш_вс ⁼ 15—30 м/с; меньшие скорости соответствуют газу с большей плотностью.

Потребляемую вентилятором мощность можно определить по формуле

N^QH/ц (111,81)

где Н — общий напор; г| — к. п. д. вентилятора; г| = 0,5—0,7.

Работа вентилятора в сети. При работе вентилятора можно считать, что плотность и вязкость газа не изменяются. Это облегчает выполнение расчетов и построение рабочих характеристик. Работающий на сеть вентилятор должен эксплуатироваться при к. п. д. не менее 90% от максимальной его величины и при заданной производительности сети Q_c должен развивать давление, достаточное для преодоления сопротивления сети Ар_с.

Характеристики вентилятора и сети приведены на рис. 1П-25.

Основной характеристикой вентилятора является зависимость р—Q. Рабочий диапазон давлений должен быть согласован с к. п, д. "П при заданных частоте вращения п и мощности N. Производительность вентилятора можно регулировать дросселированием потока газа на всасывающей линии, применением направляющих лопаток на входе в колесо, изменением числа оборотов двигателя.

Первый способ неэкономичен, так как связан с дополнительной затратой энергии на преодоление сопротивления во всасывающей линии. Последний способ связан с использованием специальных электродвигателей или редукторов и применяется редко. Второй способ применяют наиболее часто. Изменяя угол наклона лопаток направляющего аппарата в потоке газа, создают окружную составляющую скорости и_х на входе в колесо вентилятора. Это вызывает уменьшение создаваемого колесом напора и снижает производительность. Направляющий аппарат, полностью перекрывая всасывающий патрубок при пуске, позволяет уменьшить пусковую мощность.

РАЗДЕЛ 2

ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ

Глава IV

Топливо,

процессы горения и типы топок

1. 
   ВИДЫ ТОПЛИВА
   

1357. 
      Топливом называют горючие вещества, которые при сгорании выделяют достаточное количество тепла для использования его в энергетических, промышленных и отопительных установках. Около 80% энергии, вырабатываемой в настоящее время во всем мире, получают при сжигании органического топлива (угля, газа, мазута и т. п.), а остальные 20% приходятся на долю других источников энергии (воды , ветра, солнца, расщепления ядер тяжелых элементов U²³⁵, U²³⁸, Ры²³⁹).
      
1358. 
      По агрегатному состоянию различают твердое, жидкое и газообразное топливо, а по способу получения — естественное (природное) и искусственное. Естественное топливо получают в том виде, в каком оно образовалось в природе: нефть, природный газ, ископаемые угли, дрова, торф, горючие сланцы. Искусственное топливо является продуктом переработки природных топлив.
      
1359. 
      В табл. IV-1 приведена классификация органических топлив.
      
1360. 
      Топливо, сжигаемое на электрических станциях, называется энергетическим. Топливо, используемое на других установках, называется технологическим. В настоящее время в топливном балансе СССР примерно ²/₃ составляют уголь, нефть и газ, из которых на нефть и газ приходится свыше 60%. Более 50% добываемого в СССР топлива используется как энергетическое.
      
1361. 
      Элементарный состав топлива. Чтобы оценить свойства топлива, необходимо знать его элементарный состав. Твердое и жидкое топливо представляют собой комплексы сложных органических
      
1362. 
      и минеральных соединений, химическая структура которых исследована недостаточно полно, особенно органической части. Твердое и жидкое топливо состоит из следующих элементов: углерода С, водорода Н, азота N и кислорода О, которые образуют органическую массу топлива. Кроме того, содержатся также нежелательные примеси: сера S, вода W и зола А. Следовательно, элементарный состав твердого и жидкого топлива можно записать в следующем виде, % (масс.):
      
1363. 
      С-1- Н -fS + O + N + Г + А = 100 (IV,!)
      
1364. 
      Топливо в том виде, в котором оно сжигается в топке, называется рабочим, а его массу и состав называют соотьетственно рабочими массой и составом. Элементарный состав рабочей массы следующий, % (масс.):
      
1365. 
      С^р + Н^р + S^p + О^р -|- N^p -Ь W^p + Л^р = 100 (I V,2)
      
1366. 
      Рабочий состав топлив отдельных видов может не содержать некоторых элементов. Так, природный газ не содержит золы. В отличие от рабочей сухая масса топлива не содержит влаги и записывается равенством, % (масс.)
      
1367. 
      С^с + Н^с + S^c + О^с + N^c -|- А^с = 100
      
1368. 
      Для пересчета рабочей массы на сухую используют формулу
      
1369. 
      
      495. 
           3^е = 3^pI00/(l00 — W^p) (IV,3)
           

           где 3 — элемент топлива: С Классификация органических	Н, ... . топлив	ТАБЛИЦА IV-1
           Топливо
           твердое	жидкое	газообразное
           	Естественное
           Дрова, торф, каменные и	Нефть	Природный газ
           бурые угли, антрацит,
           горючие сланцы
           	Искусственное
           Древесный уголь, кокс,	Мазут, бензин,	Нефтяной, коксовый, гене-
           угольная пыль, угольные	керосин, дизель-	раторный, доменный газы;
           брикеты, торфяные бри-	нее топливо	газ подземной газификации
           кеты		углей

      496. 
           
           
      
      
      
1370. 
      
      
1371. 
      
      531. 
           Состав горючей массы топлива некоторых видов, % (масс.)
           

           Вид топлива	Сг	Нг	Ог	Sr
           Дрова	50	6	43	0
           Торф	53—62	5—6	32—37	0,1—0,3
           Бурый уголь	62—72	4,5—6	18—27	0,5—6
           Каменный уголь	75—90	4,5—5,5	4—15	0,6—6
           Антрацит	90—96	1,0—2,0	1—2	0,5—7
           Нефть	83—86	11—13	1—3	0,2—4
           Природный газ	70—75	20—25	3—5	0-3

      532. 
           
           
      
      
      
1372. 
      В горючую массу топлива входят элементы: углерод, водород, сера, кислород и азот. Состав горючей массы представляют формулой, % (масс.)
      
1373. 
      С^г-Н H^r-f S^r+O^r + N^r = 100 (IV,4)
      
1374. 
      Пересчет сухой и рабочей масс на горючую производят по формуле
      
1375. 
      З^г = 3^е ——— = З^р — (iv,5)
      
1376. 
      100 — А^с 100 — А^р— W^p
      
1377. 
      Чем больше в топливе горючей массы, тем выше его качество. Состав горючей массы топлива некоторых видов приведен в в табл. IV-2.
      
1378. 
      Органическая масса топлива включает те же элементы, что и горючая; учитывают только серу, входящую в состав органических соединений. Негорючие элементы топлива называются балластом. К ним относят кислород и азот (внутренний балласт), а также золу и влагу (внешний балласт). Балласт ухудшает рабочие характеристики топлива и вызывает дополнительные расходы при транспортировании и переработке топлива.
      

2. 
   ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА
   

1379. 
      Теплотой сгорания топлива называют количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 кг или 1 м³ топлива. Различают высшую Qb и низшую Q[J теплоты сгорания. Высшая теплота сгорания включает тепло, выделяющееся при конденсации водяного пара, образовавшегося при сгорании топлива. Низшая теплота сгорания не включает теплоту конденсации водяного пара, г. е. низшая теплота сгорания равна разности теплот высшей и парообразования.
      
1380. 
      Теплота конденсации водяного пара при атмосферном давлении составляет около 2500 кДж/кг. При сгорании 1 кг водорода образуется 9 кг водяных паров (2Н₂ + О_г = 2Н_гО). Кроме того, испа-
      
1381. 
      
      573. 
           Теплота сгорания топлива
           

           Топливо	Qp, МДж/кг	Топливо	Qp МДж/кг
           Дрова	10,5—14,7	Мазут	40,0—45,5
           Торф	8,4—10,5	Керосин	44,0—46,0
           Бурый уголь	6,3-10,9	Бензин	44,0—47,0
           Каменный уголь	21,0—30,0	Природный газ	27,0—38,0
           Антрацит	27,0—31,0	Попутный газ	42,0—71,0
           Горючие сланцы	7,3—15,0	Коксовый газ	15,0—21,0
           Древесный уголь	30,0—34,0	Доменный газ	3,1—4,1
           Полукокс	25,0-31,0	Генераторный газ	4,6—7,1
           Кокс	28,0—31,0	Водяной газ	10,5-11,7
           Нефть	43,0-46,0

      574. 
           
           
      
      
      
1382. 
      ряется W^7р/100 килограмм влаги, содержащейся в 1 кг рабочего топлива. Отсюда теплота конденсации водяных паров будет равна
      
1383. 
      2500 (9Я^Р/100+ №^р/100) = 25 (9Н^Р + IV^P) (IV,6)
      
1384. 
      Следовательно
      
1385. 
      Q^p = Q^p - 25 (9Н^р + И7^р) (IV,7)
      
1386. 
      Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива можно определить (в кДж/кг) по следующим формулам Д. И. Менделеева:
      
1387. 
      Q^P=339C^P+ 1255Н^р+ 109 (S^p — О^р) (IV,8)
      
1388. 
      Q^p =339С^РН- 1030Н^р+ 109 (S^p — О^р) — 251Г^Р (IV,7а)
      
1389. 
      В табл. IV-3 приведены данные о теплоте сгорания топлива некоторых видов.
      
1390. 
      Для сравнения разных видов топлива используют понятие «условное топливо», которое имеет теплоту сгорания 29,3 МДж/кг.
      

3. 
   ОСНОВНЫЕ РЕАКЦИИ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА И РАСХОД КИСЛОРОДА И ВОЗДУХА
   

1391. 
      Горючими элементами топлива являются С, Н и S, которые окисляются кислородом воздуха (горят) по следующим реакциям:
      
1392. 
      С -р 0₂ = С0₂; 2Н₂ -р 0₂ = 2Н₂0; S -р 0₂ = S0₂
      
1393. 
      На основании этих соотношений рассчитывают массу кислорода, необходимого для сжигания соответствующих элементов при известном их содержании в топливе.
      
1394. 
      Так, для сжигания 12 кг углерода требуется 32 кг кислорода, т. е. для сжигания С/100 кг углерода потребуется (32 : 12) (С : 100) = 0,0267 С кг кислорода. Аналогично потребность кислорода составит: для сжигания водорода 0,08 н к^р
      
1395. 
      121
      
1396. 
      и серы 0,01 S кг. Сложив приведенные величины и вычтя массу кислорода, содержащегося в топливе О^р/100 = 0,0Ю^Р, получим теоретическую массу кислорода, необходимого для сжигания топлива
      
1397. 
      G_T = 0,0267С^Р + 0,08Н^р + 0,01S^P -0,0Ю^Р (IV,9)
      
1398. 
      Поскольку для сжигания топлива используют воздух, содержащий 23,2% (масс.) кислорода, теоретический расход воздуха составит
      
1399. 
      G_B._T = ш^{= 0,115сР} + ^0,345НР + ^0|043 (^SP-°^P) (IV, 10)
      
1400. 
      Объем воздуха при нормальных условиях V_B._T получим, разделив на плотность воздуха р_в = 1,29 кг/м³:
      
1401. 
      V_B._T = 0,089С^Р+ 0,267Н^Р +0,033 (S^p — O^p) (IV, 11)
      
1402. 
      Рассчитанные количества кислорода и воздуха отнесены к 1 кг топлива.
      
1403. 
      Коэффициент избытка воздуха. При практическом сжигании топлива вследствие его неполного контакта с кислородом воздуха требуется больший объем воздуха по сравнению с теоретическим. Отношение фактического расхода воздуха к теоретическому называется коэффициентом избытка воздуха и обозначается а
      
1404. 
      a=G_B/G_B._T=V_B/V_B._T (IV, 12)
      
1405. 
      Величина а зависит от вида и способа сжигания топлива, конструкции топки и т. д. Чем меньше величина а, при которой можно сжигать топливо, тем экономичнее теплосиловая установка.
      
1406. 
      Объем продуктов сгорания (дымовых газов). При сгорании 1 кг топлива образуется масса дымовых газов, равная
      
1407. 
      Gg. г

⁼ 1 -f- aG_B. _т-|- 1Гф (IV,13)

где И7ф — расход форсуночного пара, кг/кг.

Для газового топлива = 0. Объем дымовых газов К_д. _г получим, разделив их массу на плотность р_д. _г

Рд. г = бд. г/рд. г = 1/Рд. г (I + ttG_B. _т -f- 1Гф) (IV, 14)

4. 
   СПОСОБЫ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ
   

1411. 
      Устройство, предназначенное для горения топлива, называется топочным (топкой). Топка включает оборудование для подачи топлива и его сжигания (горелочное устройство) и топочную камеру.
      
1412. 
      Топки можно разделить на слоевые и камерные. Слоевые топки обеспечивают сжигание твердого топлива в слое на колосниковой решетке. Камерные топки предназначены для сжигания пылевидного твердого топлива во взвешенном состоянии, а также жидкого и газообразного топлива, распыляемого форсунками. Камерные топки подразделяют на факельные и вихревые (циклонные). На рис. IV-1 приведены схемы основных способов сжигания топлива.
      
1413. 
      При слоевом способе сжигания топливо находится на специальной колосниковой решетке, обычно движущейся непрерывно или пульсирующе. Необходимый для горения воздух подается в слой топлива через колосниковую решетку, на которой происходит горение топлива. Вследствие движения решетки или специальный устройств слой топлива на ней перемешивается. Этим обеспечивается равномерное и интенсивное горение топлива и удаление шлака.
      
1414. 
      При факельном способе сжигания твердое топливо размалывают в пыль, которую в смеси с воздухом подают в топку. Основную массу такой пыли составляют частицы размером менее 100 мкм. Увеличение тонины помола приводит к возрастанию удельной поверхности частиц топлива и более эффективному его горению.
      
1415. 
      
      Рис. IV-1. Основные способы сжигания топлива:
      
      При циклонном способе топливо сжигают в закрученном топливовоздушном потоке. Время пребывания частиц в циклонной камере достаточно для сгорания частиц размером 200 мкм и более.
      
1416. 
      а, б, в — способы сжигания твердого топлива; а — слоевой; б — камерный; в — вихревой; г, д. е — способы сжигания жидкого и газового топлива; г — форсуночный; д — при помощи газовой горелки; е — при помощи
      
1417. 
      бесфакельной газовой горелки; потоки: I — топливо; II — воздух; 1Г — вторичный воздух; III — продукты сгорания; IV — шлак; 1 — колосниковая решетка; 2 — топочная камера; 3 — камера дожигания; 4 — форсунка; 5 — газовая горелка; 6 — керамическая вставка.
      
1418. 
      
      где В — расход топлива.
      
      
      ^=Q/V_T = QPB/l/_T
      
      
      (IV,15)
      
      Важной характеристикой топки является тепловое напряжение топочного пространства q_v, которое представляет собой отношение количества тепла Q, выделяющегося в единицу времени в 1 м³ объема топочного пространства У_т:
      
1419. 
      Величина q_v измеряется в Вт/м³ или в кВт/м³. Слишком большая величина q_v указывает на невозможность полного сгорания топлива, малая величина — на недостаточно эффективное использование топочного пространства. Величина qv зависит от вида применяемого топлива, способа его сжигания, типа топки. Например, для слоевых механизированных топок q_v = 200—300 кЕУг/м^а, для камерных топок при сжигании угольной пыли q_v — 150 — 250 кВт/м³, а при сжигании газа и мазута q_v = 250—450 кВт/м³.
      
1420. 
      Для слоевых топок применяют также характеристику, которую называют тепловым напряжением зеркала горения q_R. Эта характеристика представляет собой отношение количества тепла, выделяющегося при сжигании топлива в единицу времени, к площади зеркала горения R (площади колосниковой решетки)
      
1421. 
      q_R = Q/R = QlB/R (IV, 16)
      
1422. 
      Единицей измерения q_R является Вт/м² или кВт/м².
      
1423. 
      Чем больше q_R, тем больше потери тепла от недожога топлива, обусловленного уносом мелких частиц топлива. Величина q_R изменяется в широких пределах от 350 до 1000 кВт/м² в зависимости от топлива, размера кусков, конструкции топки и т. п. Чем больше q_v и q_R, тем интенсивнее работает топка. Однако при чрезмерном форсировании работы топки увеличиваются потери тепла, вызванные химической и механической неполнотой сгорания топлива, снижается к. п. д. топки.
      
1424.