Міністерство освіти Російської Федерації
Уфімський державний нафтовий технічний університет
Кафедра нафтохімії та хімічної технології
Пояснювальна записка до курсового проекту
з курсу «Основні процеси та апарати хімічної технології»
на тему «Технологічний розрахунок трубчастої печі»
Виконав:
Перевірив: доцент, к.т.н.
Зиганшин Г.К.
Уфа 2001
Зміст
1. Введення
1.1 Призначення та основні характеристики вогневих нагрівачів
1.2 Теплообмін в трубчастої печі
1.3 Основні показники роботи трубчастих печей
2. Розрахункова частина
2.1 Розрахунок процесу горіння палива
2.2 Тепловий баланс трубчастої печі. Розрахунок коефіцієнта корисної дії і витрати палива
2.3 Вибір типорозміру трубчастої печі
2.4 Спрощений розрахунок камери радіації
2.5 Розрахунок діаметра пічних труб
2.6 Розрахунок камери конвекції
2.7 Гідравлічний розрахунок змійовика трубчастої печі
2.8 Спрощений аеродинамічний розрахунок димової труби
Висновок
Список використаних джерел
1. Введення
1.1 Призначення та основні характеристики вогневих нагрівачів
Трубчаста піч є апаратом, призначеним для передачі нагрівається продукту тепла, що виділяється при спалюванні палива, безпосередньо в цьому ж апараті.
Трубчасті печі широко поширені в нафтопереробній та нафтохімічній промисловостях, вони є складовою частиною багатьох установок і застосовуються в різних технологічних процесах, таких як перегонка нафти, мазуту, каталітичний крекінг і риформінг, гідроочищення, очищення олій і ін
У початковий період розвитку нафтопереробної промисловості для нагрівання сировини використовувалися куби, а проте, вони мали багато суттєвих недоліків і тому тепер не застосовуються.
Трубчасті печі отримали широке розповсюдження завдяки наступним своїм особливостям. Їх робота грунтується на принципі одноразового випаровування, що забезпечує або більш глибокий відгін при даній кінцевій температурі нагрівання сировини, або заданий відгін при більш низькій температурі нагріву. Вони володіють високою тепловою ефективністю, оскільки на додаток до основної частини тепла, яка передається випромінюванням, істотна частина передається конвекцією внаслідок порівняно високій швидкості руху димових газів. Крім цього, трубчасті печі є компактними апаратами, їхній коефіцієнт корисної дії високий, вони можуть забезпечувати високу теплову потужність. Тривалість перебування нагрівається сировини в зоні високих температур не перевищує декількох хвилин, що зменшує можливість його розкладання і коксоотложенія в трубах, внаслідок чого при необхідності сировину можна нагрівати до більш високої температури. Печі зручні в експлуатації, дозволяють здійснювати автоматизацію.
У зоні нагріву трубчастих печей одноразово знаходиться відносно невелика кількість нафтопродукту, що знижує пожежну небезпеку. У разі прогара труб пожежу легше усувати.
1.2 Теплообмін в трубчастої печі
Трубчаста піч має камери радіації і конвекції. У камері радіації (топкова камера), де спалюється паливо, розміщена радіантні поверхню (екран), що поглинає тепло в основному за рахунок радіації.
У камері конвекції розташовані труби, що сприймають тепло головним чином шляхом конвекції - при зіткненні димових газів з поверхнею нагріву.
Сировина послідовно проходить через конвекційні та радіантні труби і поглинає тепло; зазвичай радіантні поверхню сприймає більшу частину тепла, що виділяється при згорянні палива.
Тепло ефективно передається випромінюванням при охолодженні димових газів до 1000-1200 К. Зниження температури димових газів до більш низьких значень часто буває невиправданим, оскільки при цьому радіантні поверхню працює зі зниженою теплонапруженості поверхні нагрівання.
Ефективність теплопередачі конвекцією у меншій мірі залежить від температури димових газів, тому таким способом тепло передається, коли передача тепла випромінюванням виявляється недостатньо ефективною. Таким чином, конвекційна поверхню використовує тепло димових газів і забезпечує їх охолодження до температури, при якій величина коефіцієнта корисної дії апарату буде економічно виправданою.
Якщо тепло димових газів може бути використано для інших цілей, наприклад, для підігріву повітря або для виробництва водяної пари, то або наявність конвекційної поверхні для нагрівання сировини не є обов'язковим, або розміри цієї поверхні можуть бути істотно зменшені. При невеликій продуктивності іноді застосовують печі без конвекційної поверхні, простіші в конструктивному відношенні, але які мають невисоким коефіцієнтом корисної дії.
Розглянемо механізм процесу передачі тепла, що протікає в печі, на прикладі печі, що складається з двох камер з настильний полум'ям. Характерною особливістю цієї печі є похиле розташування форсунок внизу печі, що забезпечують зіткнення факела з поверхнею стіни, розміщеної в середині камер (рис.1).
1 - топкова камера;
2 - середня випромінює стінка
з настильний полум'ям;
3 - камера конвекції;
4 - труби конвекційні;
5 - труби радіантні.
I - сировина (введення);
II - сировина (вихід);
III - паливо і повітря.
Рис.1. Схема двокамерної вертикальної печі з настильний полум'ям.
У топкову камеру цій печі за допомогою форсунки вводиться розпорошену паливо, а також необхідний для горіння нагріте або холодне повітря. Високий ступінь дисперсності палива забезпечує його інтенсивне перемішування з повітрям і більш ефективне горіння.
Зіткнення факела з поверхнею стіни зумовлює підвищення його температури; випромінювання відбувається не тільки від смолоскипа, але і від цієї розпеченої стіни. Тепло, виділене при згорянні палива, витрачається на підвищення температури димових газів і частинок палаючого палива; останні розжарюються і утворюють світний смолоскип.
Температура, розмір і конфігурація факела залежать від багатьох факторів і, зокрема, від температури і кількості повітря, що подається для горіння палива, способу підведення повітря, від конструкції і навантаження форсунки, теплотворної здатності палива, витрати форсуночного пара, величини радіантні поверхні (ступеня екранування топки) і ін
При підвищенні температури повітря збільшується температура факела, підвищується швидкість горіння і скорочуються розміри факела. Розміри факела скорочуються і при збільшенні (до певної межі) кількості повітря, що надходить у топку, так як надлишок повітря прискорює процес горіння палива.
При недостатній кількості повітря факел виходить розтягнутим, паливо повністю не згорає, що призводить до втрати тепла. Надмірна кількість повітря неприпустиме внаслідок підвищених втрат тепла та відходять димовими газами і більш інтенсивного окислення (окалиноутворення) поверхні нагрівання.
Повітря, необхідне для горіння, часто підводять до гирла форсунки, тобто до початку факела. У деяких форсунках паливо розпилюється повітрям, який в цьому випадку вводиться в топку спільно з паливом.
У внутрішній порожнині стін печей ряду конструкцій розміщується канал для подачі так званого вторинного повітря, що дозволяє підводити необхідне для горіння повітря по довжині факела, що підвищує температуру випромінюючої стінки і сприяє більш рівномірної передачі тепла радіацією.
У такій печі тепло випромінюванням передається від смолоскипа, випромінюючої стінки і трьохатомних газів (двоокис вуглецю, водяна пара, діоксид сірки), що володіють виборчою здатністю поглинати і випромінювати промені певної довжини хвилі.
Частина променів через простір між трубами потрапляє на поверхню кладки, уздовж якої розташовані ці труби; ці промені розігрівають кладку, і вона, у свою чергу, випромінює; при цьому частина енергії поглинається тією частиною поверхні труб, яка звернена до стінки кладки.
Середня випромінює стіна з настильний полум'ям, а також інші стіни кладки, у яких розташовані труби (екранована частина кладки) або вільні від труб (незаекранірованние), прийнято називати вторинними випромінювачами.
Радіантні труби отримують тепло не тільки випромінюванням, але також і від зіткнення димових газів з поверхнею труб, що мають більш низьку температуру (теплопередача вільною конвекцією). З усієї кількості тепла, сприйнятого радіантні трубами, значна частина (85-90%) передається випромінюванням, решта конвекцією.
Зовнішня поверхня труб у свою чергу випромінює деяку кількість тепла, тобто має місце процес взаімоізлученія, однак температура поверхні труб внаслідок безперервного відводу тепла сировиною, які пройшли через труби, значно нижча за температуру інших джерел випромінювання і тому в підсумку взаімоізлученія через поверхню радіантні труб сировини передається необхідну кількість тепла.
У результаті теплопередачі, здійснюваної в котельній камері, димові гази охолоджуються і надходять в камеру конвекції, де відбувається їх пряме зіткнення з більш холодною поверхнею конвекційних труб (вимушена конвекція).
У камері конвекції передача тепла здійснюється також і за рахунок радіації трьохатомних димових газів і від випромінювання стінок кладки. Найбільша кількість тепла в камері конвекції передається шляхом конвекції; воно досягає 60-70% загальної кількості тепла, сприйманого цими трубами. Передача тепла випромінюванням від газів становить 20-30%; випромінюванням стінок кладки конвекційної камери передається в середньому близько 10% тепла.
Основним чинником, предопределяющим ефективність передачі тепла конвекцією, є швидкість руху димових газів, тому при конструюванні трубчастих печей прагнуть забезпечити її найбільше значення. Це досягається розміщенням мінімального числа труб в одному горизонтальному ряду і вибором мінімального відстані між осями труб. Однак, при підвищенні швидкості димових газів в камері конвекції збільшується опір потоку газів, що й обмежує вибір величини швидкості. З іншого боку, скорочення числа труб в одному горизонтальному ряду призводить до збільшення висоти камери конвекції. Ця обставина також зумовлює вибір допустимої швидкості руху димових газів в камері конвекції.
Істотним чинником, що впливає на ефективність передачі тепла, є спосіб розміщення труб в камері конвекції. При розташуванні труб в шаховому порядку тепло передається ефективніше, ніж при розташуванні коридорним способом, у зв'язку з більш інтенсивним турбулентністю потоку димових газів і кращої обтічністю ними труб. При однаковій швидкості руху димових газів шахове розташування труб забезпечує більш ефективну (на 20-30%) передачу тепла в порівнянні з коридорним.
Зменшення діаметра труб також сприяє більш інтенсивної передачі як за рахунок кращої обтічності труб, так і у зв'язку з можливістю більш компактного їх розташування, що дозволяє створити більш високі швидкості димових газів. Однак при зменшенні діаметра пічних труб збільшується швидкість сировини і, отже, підвищується опір переміщенню нагрівається потоку.
Щоб уникнути підвищеного опору при застосуванні пічних труб меншого діаметра, а також для печей великої продуктивності рух сировини здійснюється двома або кількома паралельними потоками.
Ефективність передачі тепла може бути підвищена шляхом оребрення зовнішньої поверхні конвекційних труб, так як у камері конвекції передача тепла сировини, що проходить через труби, лімітується в основному теплообміном з боку димових газів і тому при оребрення збільшується поверхня дотику димових газів з трубами і забезпечується передача більшої кількості тепла.
Передача тепла конвекцією залежить і від температурного напору, тобто від різниці температур між димовими газами і нагрівається сировиною. Зазвичай ця різниця температур зменшується в напрямку руху димових газів, так як температура димових газів знижується на більшу величину, ніж при цьому підвищується температура сировини.
При підвищенні температури сировини на один градус димові гази охолоджуються на п'ять-сім градусів. Найбільший температурний напір спостерігається при вході димових газів в камеру конвекції, а найменший - при їх виході. З цієї причини в напрямку руху димових газів убуває і кількість тепла, що поглинається трубами.
Частка тепла, переданого випромінюванням у камері конвекції, значно менше, ніж у камері радіації, як внаслідок нижчої температури газів, так і з-за меншої товщини випромінюваного газового потоку. У камері конвекції ефективна товщина газового шару зумовлюється відстанню між суміжними рядами труб. Зниження температури димових газів в напрямку їх руху, природно, викликає також і зменшення передачі тепла випромінюванням від них.
Конвекційні труби, розташовані в перших рядах за ходом димових газів, отримують більше тепла, як за рахунок конвекції, так і випромінювання і тому в окремих випадках їх теплонапруженості може бути вище теплонапруженості радіантні труб.
1.3 Основні показники роботи трубчастих печей
Основними показниками, що характеризують роботу трубчастої печі, є корисна теплова навантаження, теплонапруженості поверхні нагрівання й топкового простору, коефіцієнт корисної дії печі.
Найважливішою характеристикою печі є корисна теплова навантаження, тобто кількість тепла, сприйманого сировиною в печі (кВт або кДж / год). На ряді діючих нафтопереробних заводів експлуатуються трубчасті печі з корисною тепловим навантаженням від 10 до 20 МВт. На високопродуктивних установках теплова потужність печей становить 50-80 МВт.
Важливим показником, що характеризує роботу трубчастої печі, є теплонапруженості поверхні нагрівання, або щільність теплового потоку, тобто кількість тепла, переданого через 1 м 2 поверхні нагрівання в одиницю часу (Вт / м 2).
Розрізняють середню теплонапруженості труб всій печі, середню теплонапруженості радіантні і конвекційних труб, а також теплонапруженості окремих ділянок труб (локальна). Величина теплової напруженості поверхні нагрівання характеризує, наскільки ефективно передається тепло через поверхню нагріву всій печі чи окремих її частин. Чим вище середня теплонапруженості поверхні нагрівання всій печі, тим менше розміри печі, що забезпечує передачу заданої кількості тепла і, отже, тим менше витрати на її спорудження.
Проте надмірно висока теплонапруженості поверхні нагрівання може порушити нормальну роботу печі і привести до прогару труб.
Теплова напруженість топкового простору характеризує кількість тепла, що виділяється при згорянні палива в одиницю часу в одиниці об'єму топки (Вт / м 3). Ця величина, певною мірою, характеризує ефективність використання об'єму топки. Розміри топки трубчастих печей в багатьох випадках залежать не від величини припустимого питомої тепловиділення, а від конструктивних особливостей печі і допустимої величини теплонапруженості поверхні нагрівання радіантні труб. У трубчастих печах теплонапруженості топкового простору зазвичай становить 40-80 кВт / м 3, тоді як в парових котлах, де обсяг топкового простору в основному зумовлюється умовою повного згоряння палива, ця величина значно більше (600-2000 кВт / м 3).
Коефіцієнт корисної дії трубчастої печі є величина, що характеризує корисно використовувану частину тепла, виділеного при згорянні палива. При повному згорянні палива ця величина залежить головним чином від коефіцієнта надлишку повітря і температури димових газів, що виходять з печі, а також від ступеня теплової ізоляції трубчастої печі. Зниження коефіцієнта надлишку повітря так само, як і зниження температури димових газів, сприяє підвищенню к.к.д. печі. При підсосі повітря через нещільність кладки коефіцієнт надлишку повітря підвищується, що призводить до зниження к.к.д. печі. Для трубчастих печей значення коефіцієнта корисної дії знаходиться в межах від 0,65 до 0,85.
2. Розрахункова частина
2.1 Розрахунок процесу горіння палива
Мета даного етапу: розрахунок нижчої теплотворної здатності палива, кількості та складу продуктів згоряння, теплосодержания продуктів згоряння.
Нижча теплотворна здатність палива визначається за рівнянням Менделєєва:
де C, H, S, O, W - відповідно вміст у паливі вуглецю, водню, сірки, кисню, вологи,% мас.;
кДж / кг.
Теоретична кількість повітря, необхідного для згоряння 1 кг палива:
;
кг / кг.
Фактичні витрати повітря:
,
де a - коефіцієнт надлишку повітря;
кг / кг.
Кількість продуктів згоряння, що утворюються при спалюванні 1 кг палива:
,
де W ф - витрата форсуночного пара;
кг / кг.
Кількість газів, що утворюються при згорянні 1кг палива:
кг / кг;
кг / кг;
кг / кг;
кг / кг;
кг / кг.
Перевірка здійснюється, виходячи з умови: ;
3,117 +1,17 +0,8271 +13,6896 = 18,824 кг / кг »18,825 кг / кг.
Об'ємна витрата повітря, необхідного для згоряння 1 кг палива:
;
м 3 / кг.
Розрахунок теплосодержания продуктів згоряння на 1 кг палива при заданій температурі проводиться за формулою:
,
де Т - температура продуктів згоряння, К;
C i - середні масові теплоємності продуктів згоряння, кДж / кг × К (їх значення знаходимо за табл.2 [2, с.7] методом інтерполяції);
кДж / кг.
Результати розрахунку значень теплосодержания представимо у вигляді таблиці.
Таблиця 1
Т, К
300
500
700
1100
1500
1700
1900
qt, кДж / кг
530,4
4555,6
8781,5
17860,9
27623,1
32677,3
37799,6
Висновки: за результатами розрахунків даного етапу нижча теплотворна здатність палива становила 42215,504 кДж / кг, кількість продуктів згоряння на 1 кг палива, що спалюється - 18,825 кг / кг.
2.2 Тепловий баланс трубчастої печі. Розрахунок коефіцієнта корисної дії і витрати палива
Мета етапу: крім к.к.д. і витрати палива розрахувати теплопродуктивність трубчастої печі (повну теплове навантаження), значення якої необхідно для вибору її типорозміру.
Рівняння теплового балансу для трубчастої печі виглядає так:
Розрахунок теплового балансу ведеться на 1 кг палива.
Статті витрат тепла:
,
де q підлогу., q ї., q піт. - відповідно корисно сприйняте в печі сировиною, що втрачається з йдуть з печі димовими газами, що втрачається в навколишнє середовище, кДж / кг.
Статті приходу тепла:
,
де C т, C в, C Ф.П. - відповідно теплоємності палива, повітря, форсуночного водяної пари, кДж / кг;
t т, t в, t Ф.П. - температури палива, повітря, форсуночного водяної пари, 0 С.
Явна тепло палива, повітря і водяної пари зазвичай невелика і ними часто в технічних розрахунках нехтують.
Отже, рівняння теплового балансу запишеться в наступному вигляді:
,
а
або ,
звідки коефіцієнт корисної дії трубчастої печі:
,
де ,
- Відповідно втрати тепла з димовими димовими газами і втрати тепла в навколишнє середовище в частках від нижчої теплотворної здатності палива.
Втрати тепла в навколишнє середовище q піт. Приймаємо 6% (0,06 в частках) від нижчої теплотворної здатності палива, тобто
, Звідки
кДж / кг.
Температура вихідних димових газів визначається рівністю:
, 0 С,
де t 1 - температура нагрівається продукту на вході в піч, 0 С;
D t - різниця температур теплоносіїв на вході сировини в змійовик камери конвекції; приймаємо D t = 130 0 С;
0 С (533 К).
При цій температурі визначаємо втрати тепла з газами, що:
кДж / кг.
кДж / кг.
Отже, визначаємо к.к.д. печі:
.
Розрахунок корисної теплового навантаження трубчастої печі виробляємо за формулою:
,
де - Продуктивність печі по сировині, кг / год;
,
,
- Відповідно теплосодержания парової та рідкої фази при температурі t 2, рідкої фази (сировини) при температурі t 1, кДж / кг;
e - частка відгону сировини на виході із змійовика трубчастої печі.
Тепломісткість парів нафтопродуктів визначається за рівнянням:
,
де - Відносна щільність; для конденсованих парів
= 0,8;
кДж / кг.
Рівняння для розрахунку теплосодержания рідких нафтопродуктів має вигляд:
,
де відносна щільність нафти = 0,9;
кДж / кг;
кДж / кг.
Розраховуємо корисну теплове навантаження печі:
.
Визначаємо повну теплове навантаження печі:
= 36,44 МВт.
Часовий витрата палива:
кг / ч.
Висновки: 1) розрахунки даного етапу показали, що коефіцієнт корисної дії нашої печі h = 0,82, тобто досить високий, тому що для трубчастих печей значення к.к.д. знаходиться в межах від 0,65 до 0,85 [1, с.439];
2) повна теплове навантаження печі склала 36,44 МВт.
2.3 Вибір типорозміру трубчастої печі
Мета: підібрати піч, яка задовольняє вихідним даним та розрахованим раніше параметрами, та ознайомитися з її характеристиками та конструкцією.
Вибір типорозміру трубчастої печі здійснюємо по каталогу [4] в залежності від її призначення, теплопродуктивності і виду використовуваного палива.
У нашому випадку призначення печі - нагрівання і часткове випаровування нафти, теплопродуктивність Q т становить 36,44 МВт, а паливом є мазут. Виходячи з цих умов, вибираємо трубчасту піч на комбінованому паливі (мазут + газ) СКГ1 .
Таблиця 2.
Технічна характеристика печі СКГ1 .
Показник
Значення
Радіантні труби:
поверхню нагріву, м2
робоча довжина, м
730
18
Кількість середніх секцій n
7
Теплопродуктивність, МВт (Гкал / год)
39,5 (34,1)
Допустима теплонапруженості радіантні труб, кВт/м2 (Мкал/м2 × год)
40,6 (35)
Габаритні розміри (з майданчиками для обслуговування), м:
довжина L
ширина
висота
24,44
6
22
Маса, т:
металу печі (без змійовика)
футеровки
113,8
197
Печі типу СКГ1 - це печі вільного вертікальнофакельного спалювання палива, коробчата, з горизонтальним розташуванням труб змійовика в одній камері радіації. Пальники типу ГГМ-5 або ДП розташовані в один ряд у поду печі. На кожній бічній стороні камери радіації встановлені однорядні настінні трубні екрани, які опромінюються поруч вертикальних смолоскипів. Трубний екран може бути однорядним і дворядним настінним.
Так як у печі спалюється комбіноване паливо, на печі передбачений Газозбірник, через який гази згорання відводяться в окремо стоїть димову трубу.
Обслуговування пальників проводиться з одного боку печі, завдяки чому на загальному фундаменті можна встановити поряд дві однокамерні печі, з'єднані сходовим майданчиком, і таким чином утворити як би двокамерні піч.
Конструкція печі типу СКГ1 показана на рис.2.
Рис.2. Трубчаста піч типу СКГ1:
1 - сходові майданчики; 2 - змійовик, 3 - каркас; 4 - футеровка; 5 - пальники.
Висновок: при виборі типорозміру печі враховувалося умова найбільшого наближення, тобто з усіх типорозмірів з теплопродуктивністю, більшою розрахункової, вибирали той, у якого вона мінімальна (з невеликим запасом).
2.4 Спрощений розрахунок камери радіації
Мета цього етапу розрахунку: визначення температури продуктів згоряння, що залишають топку, і фактичної теплонапруженості поверхні радіантні труб.
Температуру продуктів згоряння, що залишають топку, знаходимо методом послідовного наближення (метод ітерацій), використовуючи рівняння:
,
де q р і q рк - теплонапруженості поверхні радіантні труб (фактична) і яка припадає на частку вільної конвекції, ккал / м 2 × год;
H р - поверхня нагріву радіантні труб, м 2 (див. табл.2);
H р / H s - відношення поверхонь, залежне від типу печі, від виду і способу спалювання палива; приймаємо H р / H s = 3,05 [2, с.17];
q - середня температура зовнішньої стінки радіантні труб, К;
Y - коефіцієнт, для топок з вільним факелом Y = 1,2 [2, с.42];
З s = 4,96 ккал / м 2 × год × К - коефіцієнт лучеиспускания абсолютно чорного тіла.
Суть розрахунку методом ітерацій полягає в тому, що ми задаємося температурою продуктів згоряння Т п, яка знаходиться в межах 1000 ¸ 1200 К, і при цій температурі визначаємо всі параметри, які входять в рівняння для розрахунку Т п. Далі по цьому рівнянню обчислюється Т п і порівнюється отримане значення з раніше прийнятим. Якщо вони не збігаються, то розрахунок поновлюється з прийняттям Т п, рівної розрахованої в попередній ітерації. Розрахунок продовжується до тих пір, поки заданий і розраховане значення Т п не співпадуть з достатньою точністю.
Для першої ітерації приймаємо Т п = 1000 К.
Середні масові теплоємності газів при даній температурі, кДж / кг × К:
;
;
;
;
.
Тепломісткість продуктів згоряння при температурі Т п = 1000 К:
;
кДж / кг.
Максимальна температура продуктів згоряння визначається за формулою:
,
де Т 0 - приведена температура продуктів згоряння; Т 0 = 313 К [2, с.15];
h т = 0,96 - ККД топки;
К.
Середні масові теплоємності газів при температурі Т max, кДж / кг × К:
;
;
;
;
.
Тепломісткість продуктів згоряння при температурі Т mах:
;
кДж / кг.
Тепломісткість продуктів згоряння при температурі Т ух.:
кДж / кг.
Коефіцієнт прямої віддачі:
.
Фактична теплонапруженості поверхні радіантні труб:
ккал / м 2 × год
Температура зовнішньої стінки екрану обчислюється за формулою:
,
де a 2 = 600 ¸ 1000 ккал / м 2 × год × К - коефіцієнт тепловіддачі від стінки до нагрівається продукту; приймаємо a 2 = 800 ккал / м 2 × год × К;
d - товщина стінки труби, d = 0,008 м (2, табл.5);
l = 30 ккал / м × год × К - коефіцієнт теплопровідності стінки труби;
d зол. / l зол. - відношення товщини до коефіцієнта теплопровідності зольних відкладень; для рідких палив d зол. / l зол. = 0,002 м 2 × год × К / ккал (2, с.43);
0 С - середня температура нагрівається продукту;
К.
Теплонапруженості поверхні радіантні труб, що припадає на частку вільної конвекції:
;
ккал / м 2 × год
Отже, температура продуктів згоряння, що залишають топку:
К.
Як бачимо, розрахована Т п не збігається зі значенням, прийнятим на початку розрахунку, отже розрахунок повторюємо, приймаючи Т п = 1062,47 К.
Результати розрахунків представлені у вигляді таблиці.
Таблиця 3.
№ ітерації
I,
Тmах,
До
Imax,
m
,
q,
До
,
Тп,
До
2
16978,0
2197,5
45574,6
0,6952
24467,9
599,1
3870,3
1038,43
3
16415,4
2202,7
45712,2
0,7108
25016,9
601,0
3601,1
1046,12
4
16638,2
2200,7
45658,0
0,7046
24798,7
600,2
3707,5
1045,81
Розраховуємо кількість тепла, передане продукту в камері радіації:
;
кДж / ч.
Рис.3. Схема камери радіації трубчастої печі:
I - сировина (введення); II - сировина (вихід); III - продукти згоряння палива; IV - паливо і повітря.
Висновки: 1) розрахували температуру продуктів згоряння, що залишають топку, за допомогою методу послідовного наближення; її значення Т п = 1045,81 К;
2) фактична теплонапруженості поверхні радіантні труб при цьому склала q р = 24798,7 ккал / м 2 × год;
3) порівнюючи отримане значення фактичної теплонапруженості з допускаються для даної печі q доп. = 35 Мкал / м 2 × год (див. табл.2), можна сказати, що наша піч працює з недовантаженням.
2.5 Розрахунок діаметра пічних труб
Мета етапу: за результатами розрахунку вибрати стандартні розміри труб (діаметр, товщину і крок).
Об'ємна витрата нагрівається продукту розраховується за формулою:
,
де G с - продуктивність печі по сировині, т / добу.;
r t - густина продукту при середній температурі, кг / м 3;
,
де a - температурна поправка;
;
кг / м 3.
Підставляючи, отримаємо:
м 3 / с.
Площа поперечного перерізу труби визначається рівнянням:
,
де n = 2 - число потоків;
W - допустима лінійна швидкість продукту, W = 2 м / с [2, с.19];
d вн - розрахунковий внутрішній діаметр труби, м.
З цього рівняння знаходимо:
м.
Зі стандартних значень [2, табл.5] вибираємо діаметр труби м.
Таблиця 4.
Характеристики пічних труб і фітингів.
Діаметр труби, м
Товщина стінки труби, м
Крок між осями труб, м
Фітинги
Ретурбенти
0,152
0,008
0,275
0,301
Визначаємо фактичну лінійну швидкість нагрівається продукту:
м / с.
Висновок: на даному етапі розрахунку вирахували діаметр пічних труб, по ньому вибрали стандартний діаметр, товщину і крок труб, і, виходячи зі стандартного діаметра, розрахували фактичну лінійну швидкість нагрівається продукту.
2.6 Розрахунок камери конвекції
Мета даного етапу: розрахунок поверхні конвекційних труб та проведення аналізу ефективності роботи камери конвекції.
Поверхня конвекційних труб визначається за рівнянням:
,
де Q к - кількість тепла, сприйняте конвекційними трубами;
K - коефіцієнт теплопередачі від димових газів до нагрівається продукту;
D t сер - середня різниця температур.
кДж / ч.
Середня різниця температур визначається за формулою:
,
де ,
- Відповідно велика і менша різниці температур;
t к - температура продукту на виході з камери конвекції, яка знаходиться шляхом рішення квадратичного рівняння виду:
,
де а = 0,000405; b = 0,403; с - відповідно коефіцієнти рівняння.
Коефіцієнт з обчислюється таким чином:
,
де - Тепломісткість продукту при температурі t до:
кДж / кг;
.
Вирішенню квадратичного рівняння задовольняє тільки значення одного кореня, так як другий корінь, що приймає негативне значення, не має фізичного сенсу:
0 С.
Знаходимо більшу, меншу і середню різниці температур:
0 С;
0 С;
0 С.
Коефіцієнт теплопередачі в камері конвекції визначається рівнянням:
,
де a 1, a к, a р - відповідно коефіцієнти тепловіддачі від газів до стінки, конвекцією, випромінюванням трьохатомних газів.
a р визначають по емпіричному рівнянню Нельсона:
,
де t сер - середня температура димових газів в камері конвекції:
До;
Вт / м 2 × град.
a до визначається наступним чином:
,
де Е - коефіцієнт, що залежить від властивостей топкових газів, значення якого визначаємо методом лінійної інтерполяції, використовуючи табличні дані залежності його від t ср; приймаємо Е = 21,248 [2, табл.4];
d - зовнішній діаметр труб:
м;
U - масова швидкість руху газів, що визначається за формулою:
,
де В - часовий витрата палива, кг / год;
G - кількість продуктів згоряння, що утворюються при спалюванні 1 кг палива, кг / кг;
f - вільне перетин проходу димових газів в камері конвекції:
,
де n = 2 - кількість труб в одному горизонтальному ряду;
S 1 - відстань між осями цих труб; S 1 = 0,275 м (див. табл.4);
l р - робоча довжина конвекційних труб; l р = 18 м (див. табл.2);
а - характерний розмір для камери конвекції:
м.
м 2.
Розраховуємо масову швидкість руху газів:
кг / м 2 × с.
Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією:
Вт / м 2 × град.
Коефіцієнт теплопередачі від димових газів до нагрівається продукту:
Вт / м 2 × град.
Рис.4. Схема розташування
Таким чином, поверхня конвекційних труб:
м 2.
Визначаємо кількість труб в камері конвекції:
шт.
Число труб по вертикалі:
шт.
Висота пучка труб в камері конвекції визначається за формулою:
, Труб у камері конвекції.
де S 2 - відстань між горизонтальними рядами труб:
м;
м.
Розрахуємо середню теплонапруженості конвекційних труб:
Вт / м 2.
Висновки: 1) розрахували поверхню нагріву конвекційних труб, отримавши наступний результат: Н к = 622,63 м 2;
2) визначили значення середньої теплонапруженості конвекційних труб, воно склало Q нк = 14874,2 Вт / м 2, що трохи вище допустимого значення (13956 Вт / м 2), а значить камера конвекції працює з високою ефективністю, але може бути порушена нормальна робота печі (наприклад, прогар труб); щоб зменшити теплонапруженості, можна збільшити поверхню конвекційних труб, тобто збільшити їх кількість.
2.7 Гідравлічний розрахунок змійовика трубчастої печі
Мета розрахунку: визначення загального гідравлічного опору змійовика печі або тиску сировини на вході в змійовик.
Тиск сировини на вході в піч складається з наступних складових:
,
де Р к, D Р і, D Р н, D Р к, D Р ст. - відповідно тиск сировини на виході із змійовика печі; втрати напору: на ділянці випаровування, на ділянці нагріву радіантні труб, у конвекційних трубах; статичний напір.
Значення Р до відомо з вихідних даних:
Р к = Р вих. = 1,5 ата = 1,5 × 10 5 Па = 0,15 МПа.
Решта складові необхідно розрахувати.
Розрахунок починається з визначення втрат напору на ділянці випаровування:
,
де Р н - тиск на початку ділянки випаровування, яке, у свою чергу, розраховується методом послідовного наближення (метод ітерацій), використовуючи рівняння Бакланова:
,
де А і В - розрахункові коефіцієнти.
;
,
де l, L 1, , D вн, е, r п - відповідно коефіцієнт гідравлічного опору (для атмосферних печей l = 0,02 ¸ 0,024 [2, с.56]), секундний витрата сировини по одному потоку, щільність сировини при середній температурі на ділянці випаровування t ср . і., внутрішній діаметр труб, частка відгону сировини на виході із змійовика, середня щільність парів при тиску 9,1 Па (при нагріванні нафти 1 / r п = 3500);
кг / с;
l і - довжина ділянки випаровування:
,
де ,
,
- Відповідно тепломісткість парорідинних суміші на виході із змійовика, сировини на виході з камери конвекції, сировини при температурі початку випаровування t н;
;
кДж / кг;
l радий. - еквівалентна довжина радіантні труб:
,
де l р - робоча довжина однієї труби; l р = 18 м (див. табл.2);
l е - еквівалентна довжина пічного двійника (ретурбента), що залежить від зовнішнього діаметра труби d:
м;
n р - число радіантні труб, що припадають на один потік:
,
де n = 2 - число потоків;
N р - загальне число радіантні труб:
шт.;
шт.;
Рис.5. Графік залежності Р н = f (t н), побудований на підставі даних по однократному випаровуванню продукту.
м.
Починаємо розрахунок тиску на початку ділянки випаровування Р н методом ітерацій.
Попередньо задаємося значенням Р н, приймаємо Р н = 8 ата = 0,8 МПа, і по залежності Р н = f (t н) (мал. 5) знаходимо температуру початку випаровування продукту t н, відповідну цьому тиску: t н = 260 0 С.
Тепломісткість сировини при температурі початку випаровування:
кДж / кг.
Довжина ділянки випаровування:
м.
Середня температура продукту на ділянці випаровування:
0 С.
Його щільність при цій температурі:
кг / м 3.
Розрахункові коефіцієнти:
;
.
Тиск на початку ділянки випаровування:
МПа.
Так як розрахований Р н не збігається зі значенням, прийнятим раніше, то розрахунок необхідно повторити, задавшись Р н = 0,994 МПа = 9,94 ата. І так до тих пір, поки не буде досягнута необхідна точність.
Результати подальших розрахунків представимо у вигляді таблиці.
Таблиця 5.
№
ітерації
tн,
0С
, КДж / кг
lі,
м
tср.і., 0C
, Кг/м3
А
У
Рн,
МПа
2
276,0
625,736
599,46
313,00
712,48
163,617
2,537 × 106
0,974
3
274,5
621,600
607,34
312,25
712,96
163,507
2,504 × 106
0,980
4
275,0
622,978
604,71
312,5
712,80
163,544
2,515 × 106
0,978
Тепер можемо розрахувати втрати напору на ділянці випаровування:
МПа.
Далі розраховуємо втрати напору на ділянці нагріву радіантні труб:
,
де l 2 - коефіцієнт гідравлічного опору для ділянки нагріву; приймаємо l 2 = 0,033 [1, с.483];
l н - еквівалентна довжина ділянки нагріву радіантні труб по одному потоку:
м;
r ж - щільність продукту при середній температурі (t СР) на ділянці нагріву радіантні труб:
0 С;
кг / м 3;
U - масова швидкість продукту в радіантні і в конвекційних трубах (у разі однакового розміру труб) на один потік:
кг / м 2 × с;
МПа.
Розраховуємо втрати напору в конвекційних трубах для одного потоку:
,
де U к - масова швидкість продукту в конвекційних трубах:
U к = U = 605,924 кг / м 2 × с;
r ж - щільність продукту при середній температурі в конвекційних трубах:
0 С;
кг / м 3;
l до - еквівалентна довжина конвекційних труб:
,
де n к - число конвекційних труб в одному потоці:
шт.;
м;
МПа.
Статичний напір в змійовику печі розраховується за формулою:
,
де h т - висота камери радіації:
;
м;
h к - висота камери конвекції (розрахована раніше): h к = 7,616 м;
r ж - щільність продукту при середній температурі:
0 С;
кг / м 3;
МПа.
Підставляючи отримані дані, визначаємо тиск сировини на вході в піч:
МПа.
Рис.6. Схема до гідравлічного розрахунку змійовика трубчастої печі.
Висновки: 1) на даному етапі розрахували тиск сировини на вході в змійовик печі шляхом додавання до тиску на виході втрат напору, що визначаються окремо для кожного з трьох ділянок змійовика (конвекційні труби, ділянка нагріву і ділянка випаровування радіантні труб), а також статичного напору;
2) за результатами розрахунків значення його складає Р 0 = 1,17 МПа і значно перевищує тиск на виході з змійовика (майже у 8 разів), що є характерним для печей з двофазним режимом, і пояснюється в основному великими втратами напору на ділянці випаровування радіантні труб.
2.8 Спрощений аеродинамічний розрахунок димової труби
Мета розрахунку: визначення стандартного діаметра та висоти димаря.
Загальний опір всього газового тракту визначається виразом:
,
де D Р р, D Р к - відповідно розрядження в котельній камері і втрати напору в камері конвекції; приймаємо D Р р = 40 Па [1, с.487], D Р к = 80 Па [1, с.488];
D Р м.с. - втрати напору в газоході на подолання місцевих опорів;
D Р тр. - Втрати напору на тертя в димарі.
,
де - Сума коефіцієнтів місцевих опорів; приймаємо
= 4,06 [2, с.23];
W - лінійна швидкість продуктів згоряння; приймаємо W = 8 м / с [1, с.488];
- Щільність продуктів згоряння при температурі Т ї..
Щільність продуктів згоряння при нормальних умовах:
,
де - Сума мас продуктів згоряння на 1 кг палива;
- Об'ємна кількість продуктів згоряння на 1 кг палива:
,
де m i, M i - відповідні маси і молекулярні маси газових компонентів в продуктах згорання;
м 3 / кг;
кг / м 3.
Щільність продуктів згоряння при температурі Т ух. = 533 До:
кг / м 3.
Отже, втрати напору в газоході на подолання місцевих опорів:
Па.
Втрати напору на тертя в димарі визначаються за формулою:
,
де - Відповідно втрати напору при вході в трубу і вихід з неї, втрати напору на тертя при русі газів в димарі.
,
де x вх., x вих. - коефіцієнти місцевих опорів при вході в трубу і виході з неї; приймаємо (x вх. + x вих.) = 1,3 [2, с.24];
r ср.т. - щільність газів в трубі при середній температурі Т ср.т.:
,
де Т вих. - температура продуктів згоряння на виході з димової труби:
До;
До;
кг / м 3;
Па.
Втрати напору на тертя при русі газів в димовій трубі:
,
де l 3, h, D - відповідно коефіцієнт гідравлічного опору в димарі, висота і діаметр димаря.
,
де n Т - число димових труб; приймаємо n Т = 1;
V - об'ємна витрата продуктів згоряння при температурі Т ух.:
м 3 / с;
м.
Вибираємо найближчий стандартний діаметр димової труби: D = 2,0 м [2, табл.6].
Коефіцієнт гідравлічного опору в димарі l 3 визначається за формулою Якимова:
.
Висота димової труби розраховується методом послідовного наближення за рівнянням:
,
де r в, Т в - щільність і температура навколишнього повітря; приймаємо r в = 1,293 кг / м 3, Т у = 303 К.
Попередньо приймаємо висоту труби h = 30 м.
При цьому втрати напору на тертя при русі газів в димовій трубі:
Па.
Загальні втрати напору на тертя в димовій трубі:
Па.
Загальний опір всього газового тракту:
Па.
Розрахункова висота димаря:
м.
Розрахункова висота не збігається з прийнятою раніше, отже, робимо перерахунок, приймаючи висоту h = 50,32 м.
Результати наступних розрахунків представимо у вигляді таблиці.
Таблиця 6.
№ ітерації
hзад., м
, Па
, Па
D Робщ., Па
hрасч., м
2
50,32
10,82
39,00
244,92
51,24
3
51,24
11,02
39,19
245,10
51,27
Висновки: визначили геометричні розміри димової труби: її діаметр, округлений до стандартного, склав D = 2,0 м, висота труби, розрахована методом послідовного наближення, має значення h = 51,27 м.
Висновок
У даному курсовому проекті був проведений технологічний розрахунок трубчастої печі для нагріву і часткового випаровування нафти.
Розрахунок складався з восьми етапів, на кожному з яких були отримані дані, необхідні для того, щоб спроектувати нашу трубчасту піч. Так, результатом розрахунків перших двох етапів (розрахунок процесу горіння палива і розрахунок ККД печі і витрати палива) стала повна теплове навантаження, значення якої Q т = 36,44 МВт. За цим значенням у наступному етапі був підібраний типорозмір печі, була обрана піч типу СКГ1 з поверхнею нагріву радіантні труб 730 м 2, робочою довжиною 18 м і допустимим теплонапругу 35 Мкал / м 2 × год У печах даного типу можуть бути використані пальники двох типів - ГГМ-5 або ГП. Ми вибрали пальники типу ГП. Далі, в етапі розрахунку камери радіації, знайшли фактичне теплонапругу радіантні труб q р = 24,8 Мкал / м 2 × год, яке, як бачимо, не перевищує допустиме значення, тобто проектована піч працює з недовантаженням. У п'ятому етапі розрахували діаметр пічних труб, округлили до стандартного значення і визначили відповідні йому товщину стінки і крок між осями труб. Розрахунок камери конвекції (шостий етап), крім усього іншого, дав нам її висоту h к = 7,616 м. Висота камери радіації (топки) h т = 11,09 м була визначена в наступному етапі (гідравлічний розрахунок змійовика). Таким чином, загальна висота печі складає 18,706 м. Це фактично відповідає табличному значенню (22 м), якщо враховувати, що піч піднята над фундаментом на висоту до 2 м. У останньому етапі був проведений аеродинамічний розрахунок димової труби, отримані її розміри: діаметр, округлений до стандартного, D = 2 м і висота h = 51,27 м.
Список використаних джерел
Скобла А.І., Трегубова І.А., Молоканов Ю.К., Процеси та апарати нафтопереробної і нафтохімічної промисловості, М.: Хімія, 1982 р., 584 с.
Технологічний розрахунок трубчастої печі на ЕОМ: Методичні вказівки до лабораторних і практичних занять, курсового та дипломного проектування / Упорядник Г. К. Зиганшин, Уфа: Вид. УГНТУ, 1997 р., 100 с.
Кузнєцов А.А., Кагерманов С.М., Судаков Є.М., Розрахунки процесів і апаратів нафтопереробної промисловості, Л.: Хімія, 1974 р., 344 с.
Трубчасті печі: Каталог / Укладачі В.Є. Бакшали, В.Ф. Дребенцов, Т.Г. Калініна, Н.І. Сметанкіна, Є.І. Ширман, М.: ЦІНТІхімнефтемаш, 1985 р., 34 с.