Гидроочистка вакуумного газойля

2.5 Расчёт печи

2.5.1 Расчет процесса горения топлива.

Целью этого этапа расчета  является расчет элементного состава  газового топлива, низшей теплотворной способности топлива, количества и  состава продуктов сгорания, теплосодержания продуктов сгорания.

Определение элементного состава газового топлива:

Содержание углерода и водорода

,                                        (2.94)

,                                            (2.95)

где n_Ci,  n_Hi – соответственно число атомов углерода и водорода;

       x_i – концентрация газовых компонентов (СН₄, С₂Н₆, С₃Н₈, С₄Н₁₀) в топливе,

% масс;

       M_i – молярная масса компонентов топлива;

       k – число компонентов в топливе;

       C, H – соответственно содержание углерода и водорода, % масс;

%

%.

Низшая теплотворная способность  топлива определяется по уравнению  Менделеева:

,    (2.96)

где W – содержание влаги в топливе, % масс

 кДж/кг.

Теоретическое количество воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива:

,    (2.97)

 кг/кг.

 

Фактический расход воздуха:

,                                               (2.98)

где a – коэффициент избытка воздуха;

 кг/кг.

Количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива:

                                                          ,                                          (2.99)

где W_ф – расход форсуночного пара, кг/кг, Wф = 0 /10/;

 кг/кг,

Количество газов, образующихся при  сгорании 1 кг топлива:

,                                           (2.100)

 кг/кг;

,                                             (2.101)

 кг/кг;

,                                     (2.102)

 кг/кг;

,                                      (2.103)

 кг/кг;

 кг/кг.

Проверка:

                                              (2.104)

 кг/кг;

19,33 кг/кг = 19,33 кг/кг

Объемный расход воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива:

,                            (2.105)

 м³/кг

 

2.5.2 Тепловой баланс трубчатой печи. Расчет КПД и расхода топлива.

 

Согласно закону сохранения энергии уравнение теплового баланса для трубчатой печи выглядит так:

,                                            (2.106)

где Q_ПРИХ, Q_РАСХ – соответственно статьи прихода и расхода тепла, кДж/кг.

Расчет теплового  баланса  ведется на 1 кг топлива.

Расход тепла:                   ,                                   (2.107)

где q_пол,  q_ух, q_пот – соответственно полезно воспринятое в печи сырьем, теряемое с уходящими  из печи  дымовыми газами, теряемое в окружающую среду, кДж/кг.

Приход тепла:           ,              (2.108)

где C_Т, C_В, С_фп - теплоемкости топлива, воздуха, форсуночного пара, кДж/кг;

t_Т, t_В, t_фп – температуры топлива, воздуха, форсуночного пара, °С.

Тепло, приходящее с топливом, воздухом и водяным паром обычно невелико и им часто в технических расчетах пренебрегают. Однако при анализе способов, способствующих повышению коэффициента полезного действия трубчатой печи, эти статьи прихода тепла необходимо учитывать.

Уравнение теплового баланса запишется в следующем виде:

 и  или , откуда определяется коэффициент полезного действия трубчатой печи:

,                               (2.109)

где q_ух/Q^H_P, q_пот/Q^H_P – 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 3-8 % в зависимости от тепловой мощности печи.

Температура уходящих дымовых газов определяется равенством:

,                                         (2.110)

где t₁ – температура нагреваемого продукта на входе в печь, t₁ = 360 °С;

      Dt – разность температур теплоносителей на входе сырья в змеевик камеры конвекции, °С.

Принимаем = 100 – 150, так как с увеличением температуры уходящих газов увеличиваются потери с уходящими дымовыми газами, снижается КПД печи, увеличивается расход топлива. Но с увеличением температуры уходящих дымовых газов уменьшается поверхность конвекционной камеры. Поэтому мы выбираем оптимальную температуру, чтобы учесть оба условия.

°С.

При естественной тяге температура уходящих дымовых газов не должна быть меньше 250 °С.

Средние массовые теплоемкости продуктов сгорания:

 кДж/кг·К; кДж/кг·К; 
  кДж/кг·К; кДж/кг·К.

Расчет теплосодержания  продуктов сгорания на 1 кг топлива при заданной температуре производится по  формуле:

,                            (2.111)

кДж/кг,

где Т – температура  продуктов сгорания, К;

КПД трубчатой печи:

,                                   (2.112)

Расчет полезной тепловой нагрузки трубчатой печи, кДж/ч:

                       (2.113)

где G – производительность печи по сырью, кг/ч;

q^п_t2, q^ж_t2, q^ж_t1– соответственно теплосодержания паровой и жидкой фазы при температуре на выходе t₂ = 400 ^оС, жидкой фазы (сырья) при температуре на входе t₁ = 360 ^оС, кДж/кг;

e – доля отгона сырья на  выходе из змеевика трубчатой печи, принимаем равной 0,15.

Теплосодержание паров нефтепродуктов определяется по уравнению:

,    (2.114)

 кДж/кг

Для определения  теплосодержания жидких нефтепродуктов используем уравнение:

,                        (2.115)

 кДж/кг;

 кДж/кг;

  Определение полной тепловой нагрузки печи:

,                                                 (2.116)

 кДж/ч.

Часовой расход топлива рассчитывается по формуле:

,                                                 (2.117)

 кг/ч.

 

2.5.3 Выбор типоразмера трубчатой печи.

В соответствии с исходными данными на разработку печи и предварительного технологического расчета нужно выбрать по каталогу печь.

При Q_Т = 5,300 · 10⁷ кДж/ч = 14,7 МВт подходит печь ГС1 .

Техническая характеристика печи ГС1 /12/:

поверхность нагрева радиантных труб, м²                                   300;

рабочая длина  радиантных труб, м                                                 15;

теплопроизводительность, МВт                                                   18,9;

 

2.5.4 Упрощенный расчет камеры радиации.

Целью этого этапа  расчета является определение температуры продуктов сгорания, покидающих топку, и фактической теплонапряженности поверхности радиантных труб.

Температура продуктов  сгорания, покидающих топку:

                               ,                            (2.118)

 где q_Р и q_РК – теплонапряженность поверхности радиантных труб( фактическая) и приходящаяся на долю свободной конвекции, ккал/м²·ч;

H_P/H_S – отношение поверхностей, зависящее от типа печи, вида и способа сжигания;

принимаем: ;

θ- средняя температура  наружной стенки радиантных труб, К;

ψ- коэффициент  для топок с беспламенным сжиганием  топлива ψ=1,5;

С_s = 4,96 ккал/м²·ч·К – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела.

Определение коэффициента прямой отдачи:

                                                                                                  (2.119)

где I_MAX, I, I_УХ – теплосодержание продуктов сгорания соответственно при температурах T_MAX, T_П, T_УХ рассчитываются по уравнению, кДж/кг:

                  ;                   (2.120)

       h_Т = 0,96 – КПД топки.

Максимальная температура  сгорания, К:

                                                                                              (2.121)

где m_i – количество газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива;

       С_i определяется при каждой итерации по Т_п;

       Т₀ = 40 ºC для газа.

Фактическая теплонапряженность радиантных труб, ккал/м²·ч:

                                                                                                           (2.122)

Температура наружной стенки экрана:

                                            ,                             (2.123)

где a₂ = 600 – 1000 ккал/м²·ч·К – коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемому продукту;

       d = 0,008 м, l = 30 ккал/м·ч·К – соответственно толщина и коэффициент теплопроводности стенки трубы;

       d_зол/l_зол = 0 – для газообразных топлив;

       ^oC – средняя температура нагреваемого продукта;

Теплонапряженность, приходящая на долю свободной конвекции, ккал/м²·ч:

                                                           ;                         (2.124)

Последовательность  расчёта следующая:

– задаются температурой продуктов сгорания, которая находится в пределах 1000 – 1200 К;

– при этой температуре определяются параметры, входящие в уравнение;

– при заданных приведенной температуре и температуре продуктов сгорания определяют максимальную температуру продуктов сгорания;

– вычисляют T_П, если эта величина не совпадает с заданной точностью, то расчет возобновляется.

В таблице 2.12 представлена последовательность расчёта температуры.

 

 

 

Таблица 2.12 – Определение температуры продуктов сгорания

№	TПзад	m	qР	q	qРК	TПрасч
1	1200	0,553	60612,77	612,93	5201,58	1324,03
2	1270	0,509	55755,54	605,56	6072,12	1289,02
3	1290	0,496	54367,76	603,46	6325,67	1278,44
4	1285	0,500	54714,71	603,98	6262,09	1281,12
5	1282	0,501	54922,87	604,30	6224,00	1282,71

 

5-ая итерация  принимаем Т_п = 1282 К.

При Т = 1282 К:   ; ;

; .

Принимаем Т₀ = 40ºС.

 К

 

При Т = 2366,49 К: =;  ; 

                               ;  .

 

 кДж/кг;

 кДж/кг;

I_УХ = 5730,85 кДж/кг;