Технологический расчет трубчатой печи по дисциплине Процессы и аппараты химической технологии
 Скачать 0.99 Mb.
|
|
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет» Кафедра нефтехимии и химической технологии Курсовой проект принят
Руководитель: доцент, к.х.н. ___________ А.П. Никитина подпись _________ дата КУРСОВОЙ ПРОЕКТ на тему: Технологический расчет трубчатой печи по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии» Студент гр. ТП 09-02 __________ И.Н. Губарев подпись ______________ дата содержание Заключение 34 Список использованных источников 36 Приложение А Чертеж трубчатой печи Приложение Б Чертеж горелки Введение В последние годы трубчатые печи получили широкое распространение во всех наиболее развитых промышленных странах, так как быстрое развитие химической и особенно нефтяной и нефтехимической промышленности требует увеличения дешевых тепловых агрегатов для специальных технологических процессов. Трубчатые печи используются при необходимости нагрева среды до температур более высоких, чем те, которых можно достичь с помощью пара, т. е. примерно свыше 230оС. Несмотря на сравнительно большие первоначальные затраты, стоимость тепла, отданного среде при правильно спроектированной печи, дешевле, чем при всех других способах нагрева до высоких температур. Трубчатые печи различаются по технологическим, теплотехническим, конструктивным и другим признакам. Одним из основных классификационных признаков промышленных трубчатых печей является их целевая принадлежность — использование в условиях определенной технологической установки. Так, большая группа печей, применяемых в качестве нагревателей сырья, характеризуется высокой производительностью и умеренными температурами нагрева (300—500СС) углеводородных сред (установки AT, АBT, вторичная перегонка бензина, ГФУ). Другая группа печей многих нефтехимических производств одновременно с нагревом и перегревом сырья используется в качестве реакторов. Их рабочие условия отличаются параметрами высокотемпературного процесса деструкции углеводородного сырья и невысокой массовой скоростью (установки пиролиза, конверсии углеводородных газов и др.). Большинство применяемых трубчатых печей радиантно-конвекционные. Они состоят из радиационной камеры, где сжигается топливо, и тепло к трубчатым сырьевым змеевикам передается, главным образом, излучением от пламени и раскаленных поверхностей огнеупорной футеровки, и конвекционной камеры, куда поступают продукты сгорания топлива из камеры радиации. В камере конвекции тепло к сырью передается в основном конвекцией и частично излучением трехатомных компонентов дымовых газов. Нагреваемое углеводородное сырье проходит последовательно сначала по змеевикам камеры конвекции, а затем направляется в змеевики камеры радиации. При таком противоточном движении сырья и продуктов сгорания топлива наиболее полно используется тепло, полученное при его сжигании. В качестве топлива могут применяться продукты отходов различных технологических процессов, в результате чего не только используется тепло, получаемое при их сжигании, но часто устраняются и затруднения, связанные с обезвреживанием этих отходов. В химической и нефтяной промышленности трубчатые печи применяются в основном при следующих операциях: а) при нагревании технологических жидкостей или газов (нагрев и вакуумная перегонка, перегрев пара и т. п.); б) при нагревании или выпаривании веществ, служащих для переноса тепла, например, минеральных масел, неорганических солей, даутермов и др.; в) для сообщения реакционного тепла эндотермическим реакциям путем прямого нагрева реакционного пространства (термический крекинг, пиролиз бензинов, пиролиз этан-пропаноной смеси, коксование и др.) или перегревом веществ, поступающих в реактор адиабатического типа (производство стирола, дегидрогенизация бутенов, риформинг бензинов и т. п.). Коэффициент полезного действия современных печей колеблется от 70 до 80% и в некоторых случаях достигает 88%. Работа современных трубчатых печей основывается на принципе однократного испарения, что обеспечивает либо более глубокий отгон при данной конечной температуре нагрева сырья, либо заданный отгон при более низкой температуре нагрева. Они обладают высокой тепловой эффективностью, так как в дополнение к основной части тепла, передающегося излучением, существенная часть передается конвекцией (до 10 % в камере радиации и до 30 % - в камере конвекции) вследствие сравнительно высокой скорости движения дымовых газов. Помимо этого, современные трубчатые печи являются компактными аппаратами, их коэффициент полезного действия высок, они могут обеспечивать высокую тепловую мощность. Продолжительность пребывания нагреваемого сырья в зоне высоких температур не превышает нескольких минут, что уменьшает возможность его разложения и коксоотложения в трубах, вследствие чего при необходимости сырье можно нагревать до более высокой температуры. Печи удобны в эксплуатации, позволяют осуществить автоматизацию. В зоне нагрева трубчатых печей единовременно находится относительно небольшое количество нефтепродукта, что снижает пожарную опасность. В случае прогара труб пожар легче устранять. Существует много типов печей — конвективных, радиационных и радиационно-конвективных — однако создание новых специализированных и экономичных печей является по-прежнему актуальной и важной задачей.
Производительность печи по сырью, т/сутки 3200 Начальная температура сырья, °С 140 Конечная температура сырья, °С 360 Массовая доля отгона сырья 0,36 Давление сырья на выходе из змеевика печи, атм. 2,3 Относительная плотность сырья 0,9 Относительная плотность сконденсированных паров 0,8 Коэффициент избытка воздуха 1,32 Состав топлива, % масс C 85 H 13 O 1 S 1 2 Расчетная часть 2.1. Расчет процесса горения топлива Целью этого этапа расчета является расчет низшей теплотворной способности топлива, количества и состава продуктов сгорания, теплосодержания продуктов сгорания. Низшая теплотворная способность топлива определяется по уравнению Менделеева, кДж/кг:  , (6)где  – содержание влаги в топливе, % масс.Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива, кг/кг:  , (7)Фактический расход воздуха, кг/кг:  , (8)Количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива, кг/кг:  , (9)где  - расход форсуночного пара,кг/кг,Количество газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива кг/кг:  , (10)  ; (11)  ; (12)  ; (13) ; (14)Проверка:  . (15)Проверка показала, что все произведенные расчеты верны. Объемный расход воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива, м3/кг:  ; (16)Расчет теплосодержания продуктов сгорания на 1кг топлива при заданной температуре производится по формуле, кДж/кг:  , (17)где Т – температура продуктов сгорания, К; Ссо, Cн о, Cо, CN, CSO - средние массовые теплоемкости продуктов сгорания, кДж/кг*К. Расчет данной формулы произведем в следующем пункте, когда определим температуру продуктов сгорания Таким образом, в разделе был проведен расчет: - низшей теплоты сгорания топлива  ;- состав продуктов сгорания; - фактическое количество воздуха необходимого для полного сгорания топлива L=20.808 кг/кг. - количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива. 2.2 Тепловой баланс трубчатой печи. Расчет коэффициента полезного действия и расхода топлива Согласно закону сохранения энергии уравнения теплового баланса для трубчатой печи выглядит так:  , (17)где  ,  - статьи прихода и расхода тепла соответственно, кДж/кг.Расчет теплового баланса ведется на 1 кг топлива. Статьи расхода тепла:  , (18)где  ,  ,  - соответственно полезно воспринятое в печи сырьем, теряемое с уходящими из печи дымовыми газами, теряемое в окружающую среду тепло, кДж/кг.Статьи прихода тепла:  , (19)где  - теплоемкости топлива, воздуха, форсуночного водяного пара соответственно, кДж/кг; - температуры топлива, воздуха, форсуночного водяного пара соответственно,°С. Явное тепло топлива, воздуха и водяного пара обычно невелико и им часто в технологических расчетах пренебрегают. Однако при анализе способов, способствующих повышению коэффициента полезного действия трубчатой печи, эти статьи прихода тепла необходимо учитывать.  Итак, уравнение теплового баланса запишется в следующем виде: (20)   (21)  (22) откуда определяется коэффициент полезного действия трубчатой печи:  , (23)где  - соответственно потери тепла с уходящими дымовыми газами и потери тепла в окружающую среду в долях от низшей теплотворной способности топлива.Потери тепла в окружающую среду составляют 4%. Температура уходящих дымовых газов, °С:  , (24)где  - температура нагреваемого продукта на входе в печь, °С - разность температур теплоносителей на входе сырья в змеевик камеры конвекции, °С. При естественной тяге в печи  не должна быть меньше 250 °С.Расчет продуктов сгорания на 1 кг топлива при заданной температуре производится по формуле: , (25)где  - температура продуктов сгорания, К; - средние массовые теплоемкости продуктов сгорания,  .Расчет полезной тепловой нагрузки трубчатой печи:  , (26)где  - производительность печи по сырью, кг/ч; ,  ,  - соответственно теплосодержание паровой и жидкой фазы при температуре  , жидкой фазы (сырья) при температуре , кДж/кг;  - доля отгона сырья на выходе из змеевика трубчатой печи.Теплосодержание паров нефтепродуктов определяется по уравнению: (27) где  - температура, при которой определяется теплосодержание нагреваемого продукта, °С. Теплосодержание жидких нефтепродуктов определяется по уравнению:  ; (28) ; (29)Определение полной тепловой нагрузки печи:  ; (30)Часовой расход топлива рассчитывается по формуле:  ; (31)Таким образом, были рассчитаны: - коэффициент полезного действия трубчатой печи - полезная тепловая нагрузка печи - часовой расход топлива необходимый для работы печи в заданном режиме, с учетом потерь тепла в окружающую среду через неплотности и с уходящими дымовыми газами. Коэффициент полезного действия удовлетворяет пределу значений КПД для трубчатых печей (от 0,65 до 0,85). Обычно температуру уходящих из печи дымовых газов рекомендуется принимать на 100-150°С выше температуры сырья, поступающего в конвекционную часть печи. В данной работе температура уходящих газов на 40°С выше и равна = 290 °С. Данная температура выше 250 °С, что обеспечивает нормальную работу печи.Разность температуры сырья, поступающего в камеру конвекции намного больше температуры отходящих дымовых газов, это способствует более эффективной передаче тепла в камере конвекции и, следовательно, требуется меньшая поверхность конвекционных труб. 2.3 Выбор типо размера трубчатой печи и горелки Выбор типоразмера трубчатой печи осуществляется по каталогу [3] в зависимости от ее назначения, теплопроизводительности, вида топлива. Так как из задания известно, что топливом является мазут, а в ходе расчетов стала известна теплопроизводительность Qт =31,7*106 ккал/ч, то по каталогу выбираем печь типа СКГ1. Печь — свободного вертикально-факельного сжигания комбинированного топлива, коробчатая, с горизонтальным расположением труб змеевика в одной камере радиации. Горелки типа ГГМ-5 или ГП расположены в один ряд в поду печи. На каждой боковой стороне камеры радиации установлены однорядные настенные трубные экраны, которые облучаются рядом вертикальных факелов. Трубный экран может быть однорядным и двухрядным стенным. При изменении теплопроизводительности горелок практически не меняется характер эпюры подводимых тепловых потоков на трубный экран. Так как в печи сжигается комбинированное топливо, на печи предусмотрен газосборник, через который газы сгорания отводятся в отдельно стоящую дымовую трубу. Таблица 1 – Техническая характеристика печи типа СКГ1 
В соответствии с сжигаемым топливом – мазут, подбираем по каталогу [5] горелку ГГМ-5 (ТУ 26-02-68-78). Краткая характеристика горелки ГГМ-5 Предназначена для раздельного и совместного сжигания жидкого и газообразного топлива в трубчатых печах типов СКГ1, СКВ и СЦВ4 со свободным факелом при поступлении воздуха, необходимого для сгорания топлива, инжекцией активными газовыми и парожидкостными струями, а также за счет разрежения в топочном пространстве печи. Газовая горелка расположена на внешней части корпуса горелки. Представляет собой систему, состоящую из газового кольцевого коллектора, на верхней дисковой части которого имеются 16 резьбовых отверстий для установки газовых сопл с паронитовыми прокладками. Соосно с соплами на расстоянии 60 мм от коллектора расположены 16 газовых инжекционных смесителей, соединенных сваркой с корпусом и наружной обечайкой. Газовая часть горелки имеет автономный регулятор воздуха. Таблица 2 – Техническая характеристика горелки ГГМ-5
Число горелок, шт: n=  шт | ||||||||||||||
), МВт (Гкал/ч)