Технологический расчет трубчатой печи

В первом случае целью является нагрев сырья до заданной температуры. Это большая группа печей, применяемых в качестве нагревателей сырья, характеризуется высокой производительностью и умеренными температурами нагрева (300-500°С) углеводородных сред (установки АТ, АВТ, ГФУ).

Во втором случае кроме нагрева в определенных участках трубного змеевика обеспечиваются условия для протекания направленной реакции. Эта 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.).

По способу передачи тепла нагреваемому продукту печи подразделяются:

– на конвективные;

– радиационные;

– радиационно-конвективные.

Конвективные печи – это один из старейших типов печей. Они являются как бы переходными от нефтеперегонных установок к печам радиационно-конвективного типа. Практически в настоящее время эти печи не применяются, так как по сравнению с печами радиационными или радиационно-конвективными они требуют больше затрат как на их строительство, так и во время эксплуатации. Исключение составляют только специальные случаи, когда необходимо нагревать чувствительные к температуре вещества сравнительно холодными дымовыми газами.

Печь состоит из двух основных частей – камеры сгорания и трубчатого пространства, которые отделены друг от друга стеной, так что трубы не подвергаются прямому воздействию пламени, и большая часть тепла передается нагреваемому веществу путем конвекции. Чтобы предотвратить прожог первых рядов труб, кудапоступают сильно нагретые дымовые газы из камеры сгорания, и чтобы коэффициент теплоотдачи удерживался в пределах, приемлемых по технико-экономическим соображениям, при сжигании используется значительный избыток воздуха или 1,5-4-кратная рециркуляция остывших дымовых газов, отводимых изтрубчатого пространства и нагнетаемых воздуходувкой снова в камеру сгорания. Одна из конструкций конвективной печи показана на рисунке 1.

Дымовые газы проходят через трубчатое пространствосверху вниз. По мере падения температуры газов соответственно равномерно уменьшается поперечное сечение трубчатого пространства, при этом сохраняется постоянная объемная скорость продуктов сгорания.

 

Рисунок 1 – Конвективная печь

1 – горелки; 2 – камера сгорания; 3 – канал для отвода дымовых  газов; 4 – камера конвекции

 

В радиационной печи все трубы, через которые проходит нагреваемое вещество, помещены на стенах камеры сгорания. Поэтому у радиационных печей камера сгорания значительно больше, чем у конвективных. Все трубы подвергаются прямому воздействию газообразной среды, которая имеет высокую температуру. Этим достигается:

а) уменьшение общей площади теплоотдачи печи, так как количество тепла, отданного единице площади труб, путем радиации при одинаковой температуре среды (особенно при высоких температурах этой среды), значительно больше, чем количество тепла, которое можно передать путем конвекции;

б) хорошая сохранность футеровки за трубчатыми змеевиками, благодаря тому, что снижается ее температура, во-первых, за счет прямого закрытия части ее трубами, во-вторых, за счет отдачи тепла излучением футеровкой более холодным трубам.

Обычно нецелесообразно закрывать все стены и свод трубами, так как этим ограничивается теплоизлучение открытых поверхностей, а в результате уменьшается общее количество тепла, отдаваемого единицей площади труб.

Например, у современных типов кубовых печей отношение эффективной открытой поверхности к общей внутренней поверхности печи колеблется в пределах 0,2-0,5.

Чисто радиационные печи из-за простоты конструкции и большой тепловой нагрузки труб имеют самые низкие капитальные затраты на единицу переданного тепла. Однако они не дают возможности использовать тепло продуктов сгорания, как это имеет место у радиационно-конвективньгх печей. Поэтому радиационные печи работают с меньшей тепловой эффективностью.

Радиационные печи применяются при нагреве веществ до низких температур (приблизительно до 300 °С), при небольшом их количестве, при необходимости использования малоценных дешевых топлив и в тех случаях, когда особое значение придается низким затратам на сооружение печи.

Радиационно-конвективная печь имеет две отделенные друг от друга секции: радиационную и конвективную. Большая часть используемого тепла передается в радиационной секции (обычно 60-80 % всего использованного тепла), остальное – в конвективной секции.

Конвективная секция служит для использования физического тепла продуктов сгорания, выходящих из радиационной секции обычно с температурой 700-900°С, при экономически приемлемой температуре нагрева 350-500°С (соответственно температуре перегонки).

Величина конвективной секции, как правило, подбирается с таким расчетом, чтобы температура продуктов сгорания, выходящих в боров, была почти на 150°С выше, чем температура нагреваемых веществ при входе в печь. Поэтому тепловая нагрузка труб в конвективной секции меньше, чем в радиационной, что обусловлено низким коэффициентом теплоотдачи со стороны дымовых газов.

С внешней стороны иногда эти трубы снабжаются добавочной поверхностью – поперечными или продольными ребрами, шипами и т. п.

Почти все печи, эксплуатируемые в настоящее время на нефтеперерабатывающих заводах, являются радиационно-конвекционными. В печах такого типа трубные змеевики размещены и в конвекционной и в радиантной камерах.

По конструктивному оформлению трубчатые печи классифицируются:

по форме каркаса:

а. Коробчатые ширококамерные (рисунок 2а), узкокамерные

(рисунок 2б);

б. Цилиндрические (рисунок 2в);

в. Кольцевые;

г. Секционные;

по числу камер радиации:

а. Однокамерные;

б. Двухкамерные;

в. Многокамерные;

 

Рисунок 2 – Форма каркаса печи

а – коробчатой ширококамерной печи; б – коробчатой узкокамерной печи;в – цилиндрической печи

по числу камер радиации:

а. Однокамерные;

б. Двухкамерные;

в. Многокамерные;

по расположению трубного змеевика:

а. Горизонтальное (рисунок 3а);

б. Вертикальное (рисунок 3б);

 

Рисунок 3 – Расположение трубного змеевика

а – горизонтальное; б – вертикальное

 

по расположению горелок:

а. Боковое;

б. Подовое;

по топливной системе:

а. На жидком топливе (Ж);

б. На газообразном топливе (Г);

в. На жидком и газообразном топливе (Ж+Г);

по способу сжигания топлива:

а. Факельное;

б. Беспламенное сжигание;

по расположению дымовой трубы:

а. Вне трубчатой печи (рисунок 4а);

б. Над камерой конвекции (рисунок 4б);

по направлению движения дымовых газов:

а. С восходящим потоком газов;

б. С нисходящим потоком газов;

в. С горизонтальным потоком газов

Рисунок 4 – Расположение дымовой трубы

а – вне трубчатой печи; б – над камерой конвекции

[1],[7],[9].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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:

,                        (1)

гдеW – содержание влаги в топливе, % масс.

кДж/кг

Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива, кг/кг:

,             (2)

кг/кг.

Фактический расход воздуха, кг/кг:

,                               (3)

кг/кг.

Количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива, кг/кг:

  , (4)

где   Wф - расход форсуночного пара, кг/кг,

кг/кг.

Количество  газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива кг/кг:

; (5) 

кг/кг;

; (6) 

кг/кг;

; (7) 

кг/кг;

; (8)

кг/кг;

; (9)

кг/кг.

Проверка: . (10)

кг/кг , G=18,6410

Проверка показала, что все произведенные расчеты верны.

Объемный расход воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива, м3/кг:

; (11)

 м3/кг.

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

, (12)

где   - температура продуктов сгорания, К;

- средние массовые теплоемкости  продуктов сгорания,

 кДж/кг

Рассчитаем для температур 300, 500, 700, 900, 1100, 1300, 2100 К и составим таблицу 1.

 

Таблица 1. 

T, K	300	500	700	900	1100	1300	2100
qt, кДж/кг	518,26	4453,87	8587,70	12941,77	17466,15	22188,04	42023,03

 

График зависимостиqt = f(T) представлен на рисунке 5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выводы: В разделе был проведен расчет:

-  низшей теплоты сгорания топлива :

- состав продуктов сгорания;

- фактическое количество воздуха  необходимого для полного сгорания  топлива:L=17,641 кг/кг.

- количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг  топлива:G=18,641кг/кг.

 

 

 

2.2 Тепловой баланс трубчатой печи. Расчет коэффициента полезного действия и расхода топлива.

 

Целью данного этапа является расчет КПД, расхода топлива, теплопроизводительность трубчатой печи (полная тепловая нагрузка) значение, которой необходимо для выбора типоразмера печи.

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

,       (13)

где - статьи прихода и расхода тепла соответственно, кДж/кг.

Расчет теплового баланса ведется на 1 кг топлива.

Статьи расхода тепла:

,     (14)

где - соответственно полезно воспринятое в печи сырьем, теряемое с   уходящими из печи  дымовыми газами, теряемое в окружающую среду тепло, кДж/кг.

Статьи прихода тепла:

, (15)

где - теплоемкости топлива, воздуха, форсуночного водяного пара соответственно, кДж/кг;

- температуры топлива, воздуха, форсуночного водяного пара соответственно,°С. Итак, уравнение теплового баланса  запишется в следующем виде: 

      (16)

(17)

 

Откуда определяется коэффициент полезного действия трубчатой печи:

,  (18)

      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 5%.

Температура уходящих дымовых газов, °С:

,   (19)

где  - температура нагреваемого продукта на входе в печь,  °С

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

 °С;

К.

При естественной тяге в печи не должна быть меньше 250 °С.

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

, (20)

где   - температура продуктов сгорания, К;

- средние массовые теплоемкости  продуктов сгорания,

Значения средних массовых теплоемкостей продуктов сгорания находятся методом интерполяции [1,стр.7, таблица 2].

 

Расчет полезной тепловой нагрузки трубчатой печи:

, (21)

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:

, (22)

где - температура, при которой определяется теплосодержание нагреваемого продукта, °С.

 кДж/кг.

Теплосодержание жидких нефтепродуктов определяется по уравнению:

; (23)

кДж/кг;

; (24)

 кДж/кг;

кДж/ч.

Определение полной тепловой нагрузки печи:

; (25)

кДж/ч.

Часовой расход топлива рассчитывается по формуле:

; (26)

кг/ч.

Выводы: Были рассчитаны:

- коэффициент полезного действия  трубчатой печи  ,

- полезная тепловая нагрузка печи  =91744606,25кДж/ч,

- часовой расход топлива В=2796,33 кг/ч 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 равна  = 270 °С.

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.

Результаты расчетов сведены в таблицу 2.

Таблица 2.Тепловой баланс трубчатой печи.

Статьи прихода тепла	Статьи расхода тепла
QHp -  Низшая теплотворная способность топлива,  кДж/кг	qпол - тепло, полезно воспринятое сырьем, кДж/кг	qух - тепло, теряемое с уходящими газами, кДж/кг	qпот - потери в окружающую среду, кДж/кг
40143,0384	32808.9339	5326,044	2008,0605