Расчет и проекьтрирование трубчатой печи

Введение

 

Предприятия нефтеперерабатывающей  и нефтехимической промышленности оснащены различными трубчатыми печами, предназначенными для огневого нагрева, испарения и перегрева жидких и газообразных сред, а также для  проведения высокотемпературных термотехнологических и химических процессов. 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 углеводородных сред (установки АТ, АВТ, 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 другие).

Трубчатые печи получили широкое  распространение благодаря следующим  своим особенностям. Их работа 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, которая  передается излучение, существенная часть  передается конвекцией вследствие сравнительно высокой скорости движения дымовых  газов. Помимо этого, трубчатые печи являются компактными аппаратами, их коэффициент полезного действия высок, они могут обеспечивать высокую тепловую мощностью

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 осуществлять автоматизацию.

В зоне нагрева трубчатых  печей единовременно находится  относительно небольшое количество нефтепродукта, что снижает пожарную опасность. В случае прогара труб пожар легче устранять.

Основная цель разработки курсового проекта - закрепление  знаний, полученных при изучении курса, овладение навыком пользования  справочной, периодической и специальной  литературы. А также целью курсового  проектирования является разработка промышленной печи, которая обеспечивает эффективный  процесс нагрева нефти.

 

1 Теоретическая часть

 

1. Сущность и назначение процесса трубчатой печи

Процессы, скорость протекания которых определяется скоростью  подвода или отвода теплоты (нагревание, охлаждение, испарение, конденсация и другие) называются тепловыми. Движущей силой тепловых процессов является разность температур более горячего и менее нагретого тела.

Теплопередача — физический процесс передачи тепловой энергии  от более горячего тела к более  холодному либо непосредственно (при  контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. Когда физические тела одной  системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления  термодинамического равновесия.

Основное уравнение теплопередачи рассчитывается по формуле:

 

(1)

 

где K- коэффициент теплопередачи,;

       S – площадь  поверхности стенки,

- температурный напор,

 

Средний температурный напор  рассчитывается по формуле:

 

(2)

где максимальный температурный напор,

минимальный температурный  напор,

Трубчатые печи - это аппарат огневого действия для нагрева исходных веществ за счёт тепла сжигаемого топлива. В трубчатых печах тепло сжигаемого топлива передается прокачиваемой в трубном змеевике жидкости или парожидкостной смеси.

Всего существует три простых (элементарных) вида передачи тепла:

Теплопроводность — это  процесс переноса внутренней энергии  от более нагретых частей тела (или  тел) к менее нагретым частям (или  телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела. Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, передаётся другому телу при их взаимодействии или передаётся из более нагретых областей тела к менее нагретым областям. Иногда теплопроводностью называется также количественная оценка способности конкретного вещества проводить тепло.

Конвекция  -  явление  переноса теплоты в жидкостях  или газах, или сыпучих средах потоками вещества. Существует естественная конвекция, которая возникает в  веществе самопроизвольно при его  неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции  нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние  слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее  и опускаются вниз, после чего процесс  повторяется снова и снова. При  некоторых условиях процесс перемешивания  само организуется в структуру отдельных  вихрей и получается более или  менее правильная решётка из конвекционных  ячеек.

Тепловое излучение или  лучеиспускание — передача энергии  от одних тел к другим в виде электромагнитных волн за счёт их тепловой энергии.

 

Закон Стефана Больцмана:

 

,

(3)

где Q- количество тепла,Вт;

C-коэффициент лучеиспускания,;

S- площадь поверхности излучающего тела,

Т-температура тела, К.

Передача тепла через  стенку

,	(4)
,	(5)
,	(6)

 

где - коэффициент теплоотдачу,

λ- коэффициент теплопроводности,

S-площадь поверхности стенки, через которую осуществляется передача тепла,

δ – толщина стенки,м;

T- температура горячего теплоносителя, К;

t- температура холодного теплоносителя, К;

-температура  стенки со стороны горячего  теплоносителя,К;

-температура  стенки со стороны холодного теплоносителя, К.

 

 

 

2. Физико-химические свойства сырья и продуктов

Мазут -  жидкий продукт  темно-коричневого цвета, остаток  после выделения из нефти или  продуктов ее вторичной переработки  бензиновых, керосиновых и газойлевых фракций, выкипающих до 350—360°С. Мазут - это смесь углеводородов (с молекулярной массой от 400 до 1000), нефтяных смол (с молекулярной массой 500—3000 и более), асфальтенов, карбенов, карбоидов и органических соединений, содержащих металлы (V, Ni, Fe, Mg, Na, Ca). Физико-химические свойства мазута зависят от химического состава исходной нефти и степени отгона дистиллятных фракций и характеризуются следующими данными : вязкость 8—80 мм²/с (при 100 °C), плотность 0,89—1 г/см³ (при 20 °C), температура застывания 10—40°С, содержание серы 0,5—3,5 %, золы до 0,3 %, низшая теплота сгорания 39,4—40,7 МДж/моль.

 

Таблица 1 – Физическая характеристика мазута марки М-100

Наименование показателей	Значение марки М-100
Вязкость кинематическая, сСт, не более, при 100	50,0
Зольность, , не более, для мазута малозольного
-малозольного	0,05
-зольного	0,14
Массовая доля механических примесей,не более	1,0
Массовая доля воды,	1,0
Содержание водорастворимых кислот и щелочей	отсутствие
Массовая доля серы, вида:

 

Продолжение таблицы 1

Наименование показателей	Значение марки М-100
I	0,5
II	1,0
III	1,5
IV	2,0
V	2,5
VI	3
VII	3,5
Массовая доля сероводорода,	0,003
Температура вспышки в  открытом тигле,	110
Температура застывания,	25
Температура сгорания (низшая) в пересчете на сухое топливо, ,не менее для видов:
I,II,III и IV	40530
V,VI и VII	39900
Плотность при температуре 20 , ,не более	Не нормируется

 

 

Нефть - горючая, маслянистая  жидкость, от светло-коричневого (почти бесцветного) до темно-бурого (почти черного) цвета.

С химической точки зрения нефть представляет собой сложную  смесь органических соединений, основу которой составляют углеводороды различного строения. Состав и строение нефти  различных месторождений нередко  сильно отличаются друг от друга.

Таблица2- Физическая характеристика нефти никольского месторождения

Наименование показателей	Значение для нефти никольского месторождения
	0,8257
М	174
,сСт	5,60
,сСт	3,63
Температура застывания,
-с обработкой	-50
- без обработки	-10
Температура вспышки в  закрытом тигле,	<-35
Давление насыщенных паров, мм рт. ст.
-При 38	714
-При 50	1029
Парафин
-содержание,	4,5
-температура плавления,	50
Содержание,
-Серы	0,96
-Азота	0,06
-Смол сернокислотных	12
-Смол силикагельных	2,87
-Асфальтенов	0,66
Коксуемость,	1,91
Зольность,	0,002

Продолжение таблицы 2

 

Наименование показателей	Значение для нефти  никольского месторождения
Кислотное число, мг КОН на 1 г нефти	0,024
Выход фракции, вес.
До 200	33,7
До 350	62,9

 

1.3 Сравнительная характеристика трубчатых печей

 

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.

Печи для нагрева, испарения, перегрева углеводородного сырья.

Печи узкокамерные с верхним отводом дымовых газов, радиантно – конвекционные. Их изготавливают двух исполнениях: ГС1 – печи вертикально факельного сжигания топлива с одной камеры радиации, ГН2 -печи объемно - настильного сжигания топлива с двумя камерами радиации.

Печи ГС1 обслуживают с одной стороны, благодаря чему на общем фундаменте можно установить рядом две однокамерные печи, которые, будучи соединены лестничной площадкой, образуют как бы двухкамерную печь теплопроизводительностью вдвое большей, чем у однокамерной.

Наличие в печах ГН2 двух камер радиации позволяет вести нагрев потоков продукта в различном температурном режиме.

Печи - радиантно - конвекционные, работают на жидком и газообразном топливе. Их изготавливают в двух исполнениях: печи ЗР2 с беспламенным сжиганием газообразного топлива и настильным сжигание резервного топлива; печи ЗД2 – с настильным сжигание жидкого и газообразного топлива и дифференцированным подводом воздуха по длине факела.

Трубчатые печи типа ЗР2. Особенность конструкции печей состоит в том, что наряду с панельными газовыми горелками типа ГБПш предусмотрены резервные газомазутные горелки типа ФГШУ. Резервные грелки включаются при сжигании давления газа перед панельными горелками (из-за сезонных колебаний подачи газа, отклонения на ремонт основных газовырабатывающих установок и так далее), а также при наличии в газе конденсата, когда работа панельных газовых горелок не допускается.

При работе печи с резервными горелками обеспечивается ее полная теплопроизводительность с некоторым (на 3-4%) снижение к.п.д. по сравнению с работай ее на панельных горелках.

 

4. Обоснование выбора проектируемой трубчатой печи

 

Выбор типоразмера трубчатой  печи осуществляется в зависимости  от ее назначения, теплопроизводительности и вида используемого топлива.

В нашем случае назначение печи – нагрев и частичное испарение  нефти, топливом является мазут. Исходя из этих условий, выбираем трубчатую  печь типа ЗД2.

Конструкция печей ЗД2 и ЗР2 аналогична. Панельных горелок нет. Факелы газомазутных горелок настилаются на поверхность фронтальных стен печи, по высоте которых на двух уровнях расположены каналы прямоугольного сечения для подвода воздуха к факелам. Воздух, подогретый до 190-220 ºС, под давление частично подается к регистрам горелок (первичный воздух), а частично (вторичный воздух) вводится в печь через каналы, расположенные двумя горизонтальными рядами по высоте настильных стен. Изменением отношения между количеством первичного и вторичного воздуха, а также уровня ввода вторичного воздуха можно изменять интенсивность выгорания топлива в настильном факеле и тем самым регулировать теплонапряжение радиантной поверхности нагрева. Такая система подвода тепла в печах ЗД2 позволяет значительно повысить среднедопускаемое теплонапряжение радиантной поверхности, обеспечить заданную кривую нагрева продукта в печи и значительно уменьшить степень коксообразования на внутренней поверхности труб.