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: 27 из 60

Площадь сечения для пучка труб, расположенных в вершинах «повернутого» квадрата, определяется площадью зигзагообразного прохода между трубами первого и второго рядов (рис. Х-12), т. с.

/Л [,,,(/ -f/„) I ■ Л] /„ (X, 12)

где я₃ ■= п| + «₂+ 1 — чп-.'ло проходов между трубами первого и второго рядов по зигзагообразному пердмогру; п_]: п₂ — число труб н первом и вторам рядах,^- I — шаг между Глебами; о — удвоептс расстояние от крчГшсй трубы первого ряда до стенки корпуса.

Среднюю температуру стенки, входящую в расчетные уравнения, моли’,о определить ns следующих соображений. 1ёпловой’ ноток через единицу поверхности стенки равен

Ч С А:ср (X, 13)

где К — коэффициент теплопередачи; ,\/_L-_v средняя разность температур

теплообмсппвающихся по гоков.

Этот же тепловой поток может быть выражен следующим образом :

q ±а (X, 14)

где ос — коэффициент теплоотдачи между стенкой и потоком, со стороны которого определяется средняя температура стенки. При /_ст > А, берется злак п.иос, а при /,, > А.т — знак минус.

2089. 
      
      
2090. 
      
      

2091. 
      XТ П. ± к -У_Р а
      
2092. 
      
      (X, 15)
      
      Расчет коэффициента теплопередачи К. При работе тсплооб- мениого аппарата кроме термических соиротислсчшй па внутренней I/а, и наружной 1/а., поверхностях тj;у6, а также термического сопротивления стенки 6_С,/Я._{, необходимо учитывать термическое сопротивление слоя загрязнении (6_:;/7_:|), п (6.,/,%).,, образующихся на внутренней п наружном поверхностях труб. Поскольку загрязнения состоят пз материалов с относительно невысоком теплопроводностью (минеральный соли, uacTinibi песка, парафин, пленки нефтепродуктов п т. п.), это обстоятсл1>ство может привести к существенному снижению коэффициента теплопередачи по сравнению с таковым для чистой поверхности труб.
      
2093. 
      Рис. Х-12. Схема к расчету илоирадн Г_г при различном расположении труб в пупсе:
      
2094. 
      а - по першппам равностороннего треуголыткн; и по всршииим киадрята; ч по перинпглм «повернутого:^ квадрата.
      
2095. 
      В промышленных теплообменниках толщи,па стенок труб относительно невелика (djd_ml < 1,5) н поэтому коэффициент теплопередачи можно рассчитывать по формулам для многослойной плоской степки (см. гл. IX)
      
2096. 
      Обычно термическое сопротивление стешем отпоептелыга невелико, так как 6_СГ < 4- 10'^:,.м, а /._с, 20—50 Вт/(м• К) и им можно
      
2097. 
      пренебречь. Величина Я., зависит от толщины 8_Ч и природы загрязнений. Для расчета теплообменных аппаратов можно пользоваться следующими усредненными величинами, полученными при обследовании работы теплообменных аппаратов:
      
2098. 
      Водяной пар 0,00006
      
2099. 
      Водяной пар со следами масла 0,00009
      
2100. 
      Вода
      
2101. 
      очищенная 0,0002
      
2102. 
      мягкая 0,0004
      
2103. 
      жесткая 0,0007
      
2104. 
      Бензин 0,0004
      
2105. 
      Легкий и тяжелый газойли 0,0007
      
2106. 
      Нефть
      
2107. 
      обессоленная 0,001—0,0015
      
2108. 
      необессоленная 0,0015—0,004
      
2109. 
      Мазут 0,001—0,002
      
2110. 
      Гудрон 0,005—0,010
      
2111. 
      Слой парафина или кокса 0,009 и выше
      

7. 
   ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКОВ
   

2112. 
      При гидравлическом расчете теплообменного аппарата необходимо определить сопротивление движению среды как в межтрубном пространстве, так и в трубах.
      
2113. 
      Расчет сопротивления в межтрубном пространстве. Сопротивление движению потока в межтрубном пространстве определяют по формуле
      
2114. 
      A Pi =IP^cp/² (^х>⁶)
      
2115. 
      где w_cр — средняя скорость движения в межтрубном пространстве; р — плотность потока при средней температуре; | — коэффициент сопротивления для межтрубного пространства. Для теплообменников с длиной труб 6 м величина £ = 350—■ 420; при длине труб 3 и 9 м применяют коэффициенты 0,5 и 1,5 соответственно.
      
2116. 
      Расчет сопротивления в трубах. Полное гидравлическое сопротивление трубного пространства определяется суммой линейных и местных сопротивлений, т. е.
      
2117. 
      &р₂ = (ujd_m + £ h) Р^²/2 (X, 18)
      
2118. 
      где X — коэффициент сопротивления (см. гл. II); I — общая длина пути потока в трубах; w — скорость потока в трубах; р — плотность среды при средней температуре; 5,- — коэффициент местных сопротивлений:
      
2119. 
      Вид местного сопротивления
      

V2gJr- 65

/г 75

626.•‘-ЬНД* 184

222

Г,, 227

-(АЛ 247

S 340

V 354

2120. 
      
      

2121. 
      На рис. Х-13 дано примерное распределение температур в конденсаторе-холодильнике, в который поступают пары'в перегретом состоянии. В этом случае можно выделить три зоны: / — охлаждение паров до температуры насыщения; II — конденсация паров и III — охлаждение конденсата. В первой зоне пары охлаждаются от температуры t_Hl до t_{Hm к} и переходят в насыщенное состояние; t_{K- к} определяют как температуру начала (конденсации смеси по уравнению изотермы паровой фазы
      
2122. 
      £№,)=* (хл9);
      
2123. 
      £ ^к2 где yl — мольная концентрация пара для 1-го компонента; — константа равновесия t-го компонента при t_HtK.
      
2124. 
      Рис. Х-13. Профиль температур в конденсаторе-холодильнике.
      
2125. 
      Если конденсируется индивидуальное вещество, то температура паров остается постоянной вплоть до полной конденсации
      
2126. 
      и. к ^к- к) •
      
2127. 
      При конденсации многокомпонентной смеси температура вдоль поверхности конденсации будет понижаться. В этом случае конечная температура на выходе из второй зоны t_K. _к определяется как температура кипения исходной паровой смеси, перешедшей в жидкое состояние, по уравнению изотермы жидкой фазы
      
2128. 
      Ц *,•х'²⁰>
      
2129. 
      i
      
2130. 
      Коэффициент теплопередачи для зоны I (охлаждаются перегретые пары) имеет меньшую величину, чем в зоне II, где происходит конденсация паров. В зоне III коэффициент теплопередачи имеет промежуточное значение.
      
2131. 
      Общее количество отводимого тепла
      
2132. 
      Q=Qi + Qii + Qiii (X ,21)
      
2133. 
      Для каждой зоны количество отводимого тепла определяется из уравнений
      
2134. 
      Q_l=G_l ^i"_Hl — ^j = GjC_n (/_Hl t_{H к})
      
2135. 
      Q„=G,(«7 -‘Г ) (^x-²²>
      
2136. 
      ^{11 1} \ ^fH. к *к.к/
      
2137. 
      Qin ^=Gl(^,*K._K

^t*Kl) ^=G1^C* (*к. к^-^Kl)

Температуры охлаждающего агента п начале и конце зоны II определяются из уравнений теплового баланса

(X 2 3)

*к!> — *и'£ Т ^ п/С/ t'_wl \-Q_nG!.fi- t,,_LQ_{!G.fi

Общий расход хладоагента определяется из выражения

G, - Q/(O₁₍₂-0J (X ,24)

О


QI

A', Mi


Г,,


Q11 . >■ ^ G щ

А'п A6i ’ ¹⁾¹ in


(X ,25)

Для каждой зоны рассчитывают среднюю разность температур по уравнению (IX, 6). Коэффициенты теплопередачи а поверхность теплообмена

Для приближенного расчета можно пользоваться величинами коэффициентов теплопередачи, приведенными выше.

Q


G, /■; -if ) \ Пн Да/


(Х,2С)

Общее количество переданного тепла

Средняя по формуле
разность температур ориентировочно определяется

(X ,27)

Км - -- (/„! - I,,)

Поверхность теплообмена рассчитывают по уравнению (Х,5). Величину полученной поверхности теплообмена можно уточнить, разбивая аппарат па зоны.

Трубчатые печи

I. НАЗНАЧЕНИЕ, ТИПЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ ТРУБЧАТЫХ ПЕЧЕЙ

Трубчатая печь является аппаратом для нагрева нефти н нефтепродуктов, использующим высокую температуру продуктов сгорания, образующихся при сгорании топлива в камере печи. В трубчатой печи нагреваемое сырье движется в трубах змеевика, а горячие продукты сгорания омывают трубы снаружи.

Современная трубчатая печь имеет обычно две камеры: 1) радиантную, в которой сгорает топливо и тепло передается трубим в основном излучением от нагретых продуктов сгорания и кладки степ, и 2) конвекционную, в которой тепло трубам передается главным образом при соприкосновении горячих продуктов с >- рапия с трубами, т. е. конвекцией. Принципиальная схема тр /6- чатой печи дана па рис. XI-I.

Г ласа XI

Нагреваемое сырье последовательно проходит трубы конвекционной и радиантной камер печи. Температура продуктов сгорания па выходе из радиантной камеры достаточно высока (600— 900 °С). Тепло этих газов может быть эффективно использовано для начального нагрева сырья

Рис. XI-1. Схема трубчатой печи:

/ — овод сырья; // вывод сырья; III — ввод воды; /Г • вывод иодяп н о пора;

V - ■ топливе, 17 воздух и в од я поп мар;

/ —- форсунка; 2 - каркас и огнеупорная кладку, \i ■- камера радиации^-, 4 - радиантные трубы; 5 конвекционные трубы;

6 -- пароперегреватель^-, 7 --- камера конвекции; — газоход; 9 -- перевальная стенка; 10 — факел.

в конвекционных трубах, получения перегретого водяного пара м подогрева воздуха для сжигания топлива.

Компактность конструкции, большая тепловая мощность, малая задержка продукта и связанная с этим меньшая пожарная опасность, простота обслуживания и другие показатели, обусловили широкое применение трубчатых печей на предприятиях нефтегазоперерабатывающей п нефтехимической! промышленности. Присравнительно незначительных конструктивных модификациях трубчатые печи могут обеспечить требования самых различных технологических процессов.

Классификация трубчатых печей. По способу передачи тепла потоку сырья трубчатые печи можно разделить на три группы: конвекционные, радиантно-конвекционные и радиантные.

Рис. XI-2. Трубчатые печи:

а — двухкамерная коробчатого типа с излучающими стенами; б — то же, с верхним отводом продуктов сгорания и с экранами двустороннего облучения; в — с объемно-настильным сжиганием топлива; г — с настильным сжиганием топлива и дифференцированным подводом воздуха; д — вертикальная цилиндрическая с настильным сжиганием топлива, дифференцирован - ным подводом воздуха и четырьмя камерами радиации; е — то же поперечное сечение.

699. 
     1 _.ЛГд”ТТ_'
     
700. 
     
     

В конвекционных печах тепло передается при соприкосновении продуктов сгорания с трубами, по которым прокачивается сырье. Радиацией передается примерно 20—30% общего количества тепла, излучаемого продуктами сгорания, омывающими трубы. Топка вынесена отдельно и не имеет трубных экранов. Печи этого типа применяют в тех случаях, когда требуется обеспечить более мягкие условия нагрева сырья.

В печах радиантно-конвекционного типа 40—60% всего тепла передается радиацией, а остальная часть — конвекцией. Печи

этого типа наиболее широко применяют в промышленности.

В радиантных печах основная доля всего тепла передается радиацией. Камера конвекции имеет вспомогательное значение. Печи этого типа наиболее компактны, но уходящие из них газы имеют более высокую температуру, что несколько ухудшает экономические показатели печей.

701. 
     
     

По технологическому назначению различают нагревательные и реакционные трубчатые печи.

Нагревательные печи служат для нагрева и испарения сырья. Печи этого типа могут работать с однофазным сырьем в случае только его нагрева пли с двухфазным, если сырье не только нагревается, но и частично или полностью испаряется. Однако при этом состав смеси не изменяется.

В реакционных трубчатых печах сырье не только нагревается до определенной температуры, ко и подвергается коренным превращениям, приводящим к изменению состава исходного сырья (печи пиролиза, дегидрирования, замедленного коксования и др.).

По конструктивным признакам различают печи коробчатые и цилиндрические, с наклонным сводом и вертикальные (рис. XI-2). По числу камер радиации печп могут быть одно-, двух- и многокамерными. Трубы могут быть расположены вертикально и горизонтально.

В зависимости от места расположения трубные экраны называют потолочными, боковыми, подовыми, а в зависимости от направления подвода тепла излучением — одно- и двустороннего облучения.

Резкий рост производства нефтехимических продуктов в последние годы привел к созданию новых высокоэффективных конструкций трубчатых печей:

с излучающими степами из беспламенных панельных горелок;

с настильным, объеыно-пасл пльпыы н вертикально-факельным сжиганием топлива;

с дифференцированным подводом воздуха;

цилиндрпч. скнх секционных;

цилиндрических секционных с встроенной дымовой трубой. Трубчатые печи выпускают в соответствии с нормалью 0Н26-02-159—69 «Трубчатые печп. Типы, параметры и основные размеры».

2. 
   ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИЙ ТРУБЧАТЫХ ПЕЧЕЙ
   

2181. 
      Современная трубчатая печь состоит из следующих основных узлов: змеевика, гарнитуры, каркаса, обмуровки и приборов для сжигания топлива.
      
2182. 
      Змеевик трубчатой печи. В зависимости от технологического процесса в трубчатых исчах применяют змеевики из труб различного диаметра от 60 до 219 мм со стопками толщиной от 6 до 15 мм. Трубы для змеевиков изготовляют из углеродистой и низколегированной стали, а также из высоколегированной стали. Длина труб достигает 18 м. Трубы соединены в змеевик при помощи приварных калачей млн двойников, закрепляемых па концах труб развальцовкой (рис. XI-3). Применение двойников для соединения труб между собой позволяет легко осуществлять чистку труб, но требует более тщательной подготовки печи к эксплуатации (уп-
      
2183. 
      лотнение, опрессовка). Соединение приварными калачами применяют при паровоздушном способе очистки труб от кокса.
      
2184. 
      Гарнитура трубчатой печи. Для установки труб в печи служат трубные решетки (рис. XI-4) и трубные подвески (рис. XI-5).
      
2185. 
      
      Is
      
      Трубные решетки изготовляют из чугуна или легированных сталей. Иногда трубные решетки покрывают теплоизоляцией.
      
2186. 
      Рис. XI-3. Двойник двухтрубный (а) и угловой (о):
      
2187. 
      
      7 Молоканов Ю. К.
      
      
      193
      
      — корпус; 2 — пробка; 3 — траверса; 4 — нажимной болт.
      
2188. 
      Трубные подвески предотвращают провисание труб, находящихся в радиантной камере печи. Они работают при высоких температурах (около 1000 °С), и для их изготовления используют жаропрочные и окалиностойкие стали.
      
2189. 
      К гарнитуре печей относятся также гляделки, взрывные и инспекционные окна, лазы, обеспечивающие безопасную эксплуатацию и наблюдение за состоянием трубчатой печи. Эти элементы
      
2190. 
      гарнитуры делают из чугуна.
      
2191. 
      Каркас трубчатой печи. Каркас печи представляет собой
      
2192. 
      Рис. XI-6. Подвеска для кирпича.
      
2193. 
      систему вертикальных колонн, связанных(между собою горизонтальными и наклонными балками, которые образуют жесткую пространственную конструкцию. Каркас печи воспринимает нагрузку от трубного змеевика, трубных решеток и подвесок, кровли, подвесного свода и стен печи, обслуживающих площадок и других деталей. В ряде случаев конструкция печи может быть выполнена из жаропрочного бетона, который воспринимает значительную часть нагрузки. Элементы стального каркаса печи вынесены из зоны высоких температур и защищены от их воздействия обмуровкой и тепловой изоляцией.
      
2194. 
      Обмуровка трубчатых печей. Обмуровка печи включает слой из фасонного огнеупорно-изоляционного кирпича толщиной до 250 мм и наружный слой тепловой изоляции. Для придания прочности и защиты от атмосферных воздействий обмуровку снаружи закрывают стальным кожухом. Применяют также печи с монолитной обмуровкой из жаропрочного бетона. Обмуровку крепят на специальных подвесках и кронштейнах, которые соединены с каркасом печи (рис. XI-6). Боковые поверхности кирпича иногда выполняют волнистыми для обеспечения большей герметичности печи. Для возможности теплового расширения кладки устраивают температурные швы, заполненные мягкой, легко деформируемой тепловой изоляцией (например, асбестом).
      
2195. 
      Приборы для сжигания топлива. Для сжигания^жидкого топлива служат форсунки, а для газообразного топлива — горелки. Жидкое топливо распыливают водяным паром, сжатым воздухом или механически. В трубчатых печах нашли применение в основном два первых способа распыливания жидкого топлива. Форсунки с паровым распыливанием требуют относительно большого расхода пара (до 0,6 кг на 1 кг топлива) и создают больший шум, чем форсунки с воздушным распыливанием.
      
2196. 
      В трубчатых печах применяют также горелки, рассчитанные для работы на жидком и газообразном топливе (рис. XI-7).
      
2197. 
      В печах с излучающими стенами топки для сжигания газообразного топлива применяют специальные панельные горелки
      
2198. 
      
      702. 
           
           
      
      
      
2199. 
      Рис. XI-7. Форсунка газомазутная:
      

1. 
   — вентиляторный воздух;
   
2. 
   — атмосферный воздух;
   

2200. 
      — мазут; 1 — газовый коллектор; 2 — шибер; 3 — завих- ритель; 4 — диффузор; 5 — сопло; 6 — корпус; 7 — наружная труба; 8 — паромаэутная головка; 9 — внутренняя труба; 10 — газовая трубка; 11 — шибер регистра.
      
2201. 
      (рис. XI-8), в которых газ в смеси с воздухом сгорает в каналах керамических насадок. Поверхность керамики раскаляется до 1000—1200 °С и становится источником излучения. Теплопроизво- дительность горелок регулируется подачей газа, а расход воздуха устанавливается автоматически в зависимости от расхода газа. Беспламенные панельные горелки позволяют работать с небольшим коэффициентом избытка воздуха (1,1 и менее). ⁷
      
2202. 
      
      703. 
           
           
      704. 
           Рис. XI-8. Горелка беспламенная панельная:
           
      705. 
           / — труба для подвода газа; 2 — заслонка; 3 — распылитель; 4 — смеситель; 5 — отбойник; 6 — трубка; 7 — керамический блок; 8 — теплоизоляция; 9 — корпус.
           
      
      
      
2203. 
      больше тепловая напряженность поверхности нагрева, тем меньших размеров требуется печь для передачи заданного количества тепла. Однако чрезмерно высокая теплонапряженность поверхности нагрева может вызвать коксование продукта и прогар труб, так как при этом чрезмерно повышается температура стенки трубы. Температура стенки трубы зависит также от температуры сырья и скорости его движения. Чем ниже температура сырья и выше скорость его движения, тем большую теплонапряженность поверхности труб можно допустить.
      
2204. 
      Вид нагреваемого продукта также оказывает существенное влияние на допустимую величину теплонапряженности поверхности труб. Чем более тяжелое сырье подвергается нагреву, тем меньше допускается теплонапряженность труб. Так, при перегонке нефти теплонапряженность радиантных труб составляет 45— 60 кВт/м², в печах замедленного коксования 25—35 кВт/м², при нагреве остаточных масел 20—25 кВт/м². Для конвекционных труб теплонапряженность составляет 10—20 кВт/м².
      

4. 
   Теплонапряженность топочного пространства отвечает количеству тепла, выделенному при сгорании топлива в единицу времени на единицу объема топочного пространства. Единица измерения — кВт/м³. В современных трубчатых печах эта характеристика имеет величину,50—100 кВт/м³. Эти величины в несколько раз меньше, чем для топок паровых котлов (см. главу IV), что определяется возможностью размещения необходимой радиантной поверхности в топочной камере, а не процессом горения топлива.
   
5. 
   К■ п. д. трубчатой печи представляет собой отношение полезно используемого тепла к общему количеству тепла, выделенному при сгорании топлива. К. п. д. печи зависит главным образом от коэффициента избытка воздуха, температуры уходящих продуктов сгорания и качества тепловой изоляции печи. К. п. д. современных трубчатых печей находится в пределах 0,65—0,85.
   

4. 
   ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА
   

2205. 
      Состав продуктов сгорания. При полном сгорании топлива образуются углекислый газ, сернистый газ, пары воды, избыточный кислород и азот. В случае неполного сгорания топлива в продуктах сгорания могут быть оксид углерода, углеводороды, углерод и др. Массу и объем продуктов сгорания, а также расход воздуха для горения топлива определяют по формулам, приведенным в гл. IV.
      
2206. 
      Энтальпия продуктов сгорания. Под энтальпией газов, полученных при сжигании 1 кг топлива, понимают количество тепла, которое необходимо для их нагрева от 0 °С до данной температуры. Энтальпии отдельных компонентов продуктов сгорания рассчитывают как произведение средней теплоемкости в заданном температурном интервале на температуру и массу данного компонента:
      
2207. 
      
      (XI,1)
      
      ^со, ^{== G}co,^cco>* ^!so, ^{= G}so₂^cso₂* Чцо ^==gh₂o^ch₂o^ ^N, ⁼ °N_s^cnJ
      
2208. 
      ^ZN₂+ ¹0₂ "^С,и. С^срт* (XI,2)
      
2209. 
      кг топлива при температуре (; с — в сгорания; с_рт — средняя массовая теплоемкость продуктов сгорания.
      
2210. 
      На рис. XI-9 приведены средние массовые теплоемкости газов.
      
2211. 
      Температура уходящих продуктов сгорания. Эта
      
2212. 
      температура t_yK должна быть достаточно низкой, чтобы уменьшить потери тепла с продуктами сгорания. Эту температуру выбирают из следующих соображений.
      
2213. 
      При выходе из камеры конвекции продукты сгора-
      
2214. 
      Рис. XI-9. Средние массовые теплоемкости газов.
      
2215. 
      ния должны иметь температуру на 100—150 °С выше температуры сырья, поступающего в камеру конвекции. Температура отходящих газов оказывает влияние на работу дымовой трубы. При естественной тяге температура уходящих газов не должна быть меньше 250 °С. При использовании дымососа температура отходящих газов может быть более низкой.
      
2216.