Дооборудования печей П-1 и П-2 установки АВТ-1

 

В табл.2.2 представлены теплоты сгорания компонентов топлива,  необходимые для расчета его низшей теплоты сгорания [7]:

Таблица 2.2

Теплоты сгорания компонента топлива

Компонент	H2S	H2	N2	CH4	C2H6	C3H8	C3H6	n-C4H10	i-C4H10	C4H8	C5 и выше
Объемная теплота сгорания, кДж/м3	25,14	10,8	–	35,84	63,8	91,32	86,06	118,73	109,3	113,5	146,1

 

Низшая теплота сгорания топлива:

 

где – теплота сгорания компонентов топлива, кДж/м3;

 – объемная доля компонента топлива.

 

Найдем среднюю молекулярную массу топлива:

 

где – молекулярная масса компонента топлива;

 – мольная (объемная) доля компонента топлива.

 

Тогда плотность топливного газа:

 

 

Рассчитываем элементарный состав топлива:

 

 

 

 

где C, H, S, N – объемное (мольное) процентное содержание атомов углерода,

водорода, серы и азота в топливном газе соответственно;

 – число атомов   соответственно в молекулах отдельных

 компонентов, входящих  в состав топливного газа.

 

 

Теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг топлива:

 

 

Объемный расход воздуха, необходимый для сжигания 1 кг топлива:

 

 

Действительный расход воздуха:

 

где – коэффициент избытка воздуха (принимаем 1,5  согласно  данным  по

технологическим показателям работы трубчатых печей установок АВТ [10]).

 

Массовый состав дымовых газов:

                                 (2.17)

                                      (2.18)

                                     (2.19)

                                     (2.20)

                                (2.21)

Общее количество продуктов сгорания:

.                     (2.22)

Объемный состав продуктов сгорания:

 

 

 

 

 

Суммарный объем дымовых газов:

 

Плотность дымовых газов при нормальных условиях:

 

 

2.3.3. Расчет радиантных камер

Тепловая напряженность в радиантной и конвективной камерах не известна, поэтому задаемся условием (исходя из эмпирических данных), что 77% тепла передается в радиантной камере и 23% - в конвективной.

Тепло, передаваемое в камере радиации:

Qр = 0,77Qпр = 1,434 ∙ 107 Вт = 5,161 ∙ 107 кДж/ч.                 (2.30)

Тепло, передаваемое в камере конвекции:

Qk = Qпр - Qр = 4,283 ∙ 107 Вт = 1,542 ∙ 107 кДж/ч.               (2.31)

Полезное количество тепла:

Qпол = Qр + Qk = 6,703 ∙ 107 кДж/ч.                              (2.32)

Находим часовой расход топлива:

 

B = 1782 кг/ч.

Потери тепла в окружающую среду (обычно принимаются равными 0,05-0,07 от низшей теплоты сгорания топлива):

qпот = 0,06 = 3164 кДж/ч.                                    (2.34)

Вычисляем коэффициент полезного действия печи:

 

 

Плоская поверхность, эквивалентная поверхности радиатных труб для одного ряда:

 

Фактор формы, учитывающий неравномерность облучения поверхности труб и их затенение друг другом определяется по графику Хоттеля [10]:

К = 0,92.

Эффективная лучевоспринимающая поверхность:

Hл = H ∙ K = 402,1 м2.                                            (2.37)

Суммарная неэкранированная поверхность кладки (рассчитана по чертежу):

F = 106 м2.

Степень экранирования кладки:

 

Максимальная расчетная температура горения вычисляется при средней теплоемкости продуктов горения:

 

.

Общее количество тепла, вносимого в печь:

 

8,931 ∙ 107 кДж/ч = 21,3 Гкал/ч.

Рассчитанное полезное тепло:

 

6,379 ∙ 107 кДж/ч = 15,2 Гкал/ч.

Расхождение между фактическим и расчетным полезным теплом составляет:

 

Значение эквивалентной абсолютно черной поверхности HS определяется, если известны степень черноты экрана εH и кладки εF, которые могут быть приняты равными 0,9, а степень черноты поглощаемой среды εV вычисляют по уравнению, где α - коэффициент избытка воздуха:

 

εV = 0,473.

Функция y(t), используемая в формуле (2.44), в среднем равна 0,85. Коэффициент b вычисляем по уравнению:

y

b = 0,45.

Таким образом:

y

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи к радиантным трубам. Для этого задаемся средней температурой наружной поверхности радиантных труб (с последующей проверкой): tcт = 227°С (500 К). Коэффициент теплоотдачи:

 

Величина температурной поправки теплопередачи в топке:

 

где σ - постоянная Стефана-Больцмана, σ = 5,67 Вт/(м2 ∙ К4);

.

Для расчета температуры на перевале необходимо вычислить характеристику излучения bS и аргумент излучения x:

 

x = 2,019;

 

Тогда расчетная температура перевала tпр составит:

 

 

Невязка по температуре перевала:

 

Коэффициент прямой отдачи:

 

Количество тепла, полученного радиантными трубами:

 

Невязка по количеству тепла:

 

Теплонапряженность радиантных труб:

 

 

2.3.4. Расчет камер конвекции

Рассчитаем массовый расход дымовых газов:

 

Среднее живое сечение камеры конвекции (определено по чертежу) fк = 9,2 м2.

Массовая скорость дымовых газов:

u = Gк / fк = 1,453 кг/(с ∙ м2) .                                   (2.58)

Коэффициент теплоотдачи конвекцией можно определить, если известна величина Е, которая зависит от средней температуры дымовых газов tср :

E = 14,597 + 1,794 ∙ 10-2 ∙ tср – 9,9 ∙ 10-6 ∙ tср + 2,6 ∙ 10-9 ∙ tср ,           (2.59)

E = 21,807;

 

Для шахматного расположения пучка труб коэффициент теплоотдачи излучением трехатомных газов приближенно может быть рассчитан по формуле Нельсона:

αр = 0,0256 tср – 2,33 = 11,494 Вт/(м2 ∙ К).                          (2.61)

Суммарный коэффициент теплоотдачи от газа к поверхности труб с учетом 10% добавки от излучения стенок камеры составит:

αк = 1,1(αр + αк) = 34,964 Вт/(м2 ∙ К).                            (2.62)

При разогреве жидкого продукта теплопередача лимитируется в основном теплоотдачей снаружи труб, поэтому можно считать, что коэффициент теплопередачи k приблизительно равен αк:

k = αк = 34,964 Вт/(м2 ∙ К).                                    (2.63)

Энтальпия нефти на выходе из камеры конвекции:

 

этому значению соответствует температура tк = 268°С [11].

Средняя движущая сила процесса теплопередачи:

 

где Δtб  – большая разница температур, Δtб = tпр – tк = 445°С;

Δtм – меньшая разница температур, Δtм = tk – tc = 178°С;

Δtср = 291,5°С .

Необходимая поверхность теплообмена конвективных труб:

 

Невязка по поверхности теплообмена:

 

Теплонапряженность конвективных труб:

 

Поверочный расчет печи П-1 показал, что невязки по конвективной поверхности теплообмена, теплоте, передаваемой в камере радиации, температуре перевала и полезному количеству тепла находятся в пределах 10%, что свидетельствует об удовлетворительной работе печи.

 

 

2.4. Поверочный  расчет печи П-2

2.4.1. Исходные данные  для расчета

- проектная тепловая нагрузка печи: Qпр = 8 Гкал/ч = 9,311 ∙ 106 Вт;

- расход сырья: Gс = 2243 т/сут = 93470 кг/ч;

- наружный диаметр труб в камере конвекции: d = 0,152 м.

Определим поверхности нагрева труб исходя из следующих данных: количество труб в радиантных камерах 84, в конвективной камере 64, полезная длина 11,6 м. В радиантной камере 76 труб имеют наружный диаметр 152 мм и 8 труб имеют наружный диаметр 219 мм; в камере конвекции все трубы имеют наружный диаметр 152 мм:

- поверхность нагрева радиантных труб: Hр = 491 м2;

- поверхность нагрева конвективных труб: Hк = 359 м2.

Согласно данным о температурном режиме печи:

- температура на перевале: tп = 730°С.

Через печь проходят четыре потока, два из которых служат для нагревания мазута перед подачей в вакуумную колонну К-5, а другие два - для подачи горячей струи отбензиненной нефти в низ колонны К-1. По данным о температурном режиме установки на входе в печь мазут имеет температуру 343°С, а отбензиненная нефть входит с температурой 222°С. Для упрощения расчетов в качестве температуры сырья примем среднее значение:

- температура сырья на входе в печь: tс = 282,5°С;

- приведенная температура исходной системы в случае работы печи без циркуляции дымовых газов: t0 = 20°С;

- коэффициент полезного действия топки (принят согласно рекомендаций [7]): ηт = 0,95.

Рассчитаем энтальпию нефти на входе в печь при температуре 222°С.

- плотность нефти при 20°С по данным установки: ρ20 = 0,865 г/см3;

- плотность нефти при 15°С:

ρ15 = ρ20 + 5α,                                                    (2.70)

где α - поправочный коэффициент, α = 0,000686 [10];

ρ15 = 0,868 г/см3;

- температура нефти на входе:

Тс = tс + 273 = 495 К;                                              (2.71)

- энтальпия нефти [10]:

 

кДж/кг.

Рассчитаем энтальпию мазута на входе в печь при температуре 343°С.

- плотность мазута при 20°С по данным установки: ρ20 = 0,921 г/см3;

- плотность мазута при 15°С:

ρ15 = ρ20 + 5α,                                                    (2.73)

где α - поправочный коэффициент, α = 0,000607 [10];

ρ15 = 0,924 г/см3;

- температура мазута на входе:

Тс = tс + 273 = 616 К;                                              (2.74)

- энтальпия мазута [10]:

 

кДж/кг.

Для упрощения расчетов примем среднее значение энтальпии сырья:

 

Рассчитаем среднюю теплоемкость и энтальпию дымовых газов на выходе из камеры радиации при температуре перевала 730°С (1003 К):

- теплоемкости дымовых газов при tп [11]:

 

 

- средняя теплоемкость дымовых газов при температуре перевала:

 

 

- энтальпия дымовых газов при температуре перевала:

qT = Cср tп,                                                     (2.78)

q953 = 22827 кДж/кг.

Принимаем температуру дымовых газов после конвекции согласно [7]: tk = 400°С (673 К). Рассчитаем энтальпию дымовых газов на выходе из камеры конвекции при tk:

- теплоемкости дымовых газов при tk [11]:

 

 

- энтальпия дымовых газов при температуре борова:

qух = Σ Cp I ∙ mi ∙ tk,                                              (2.79)

qух = 11905 кДж/кг.

 

2.4.2. Расчет процесса горения

Для работы печи П-2 используется топливный газ того же состава, что и для П-1, поэтому все параметры процесса горения, найденные в расчете П-1, имеют те же значения и для П-2:

Низшая теплота сгорания топлива:

 

Средняя молекулярная масса топлива:

 

Плотность топливного газа:

 

Элементарный состав топлива:

 

 

Теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг топлива:

 

Объемный расход воздуха, необходимый для сжигания 1 кг топлива:

 

Действительный расход воздуха:

 

Массовый состав дымовых газов:

 

 

Общее количество продуктов сгорания:

.

Объемный состав продуктов сгорания:

 

 

Суммарный объем дымовых газов:

 

Плотность дымовых газов при нормальных условиях:

 

 

2.4.3. Расчет радиантных камер

Как и при расчете печи П-1, задаемся условием (исходя из эмпирических данных), что 77% тепла передается в радиантной камере и 23% - в конвективной.