Расчет вспомогательных аппаратов

Расчет теплообменного аппарата Сырье в реактор поступает через теплообменник и печь. Для определения температуры смеси, поступающей в печь необходимо рассчитать теплообменник.

Исходные данные для расчета:

Температура поступающего сырья 70^оС Температура реакционной смеси после реактора 460^оС Температура охлажденной реакционной смеси 200^оС Поверхность теплообмена аппарата определяют из уравнения теплопередачи:

ф (3.24).

где поверхность теплообмена, м²; коэффициент теплопередачи, Вт/(м²•К); средняя логарифмическая разность температур.

Тепловую нагрузку аппарата определяют, составляя тепловой баланс.

(3.25).

где тепловая нагрузка аппарата, кДж/час; массы горячего и холодного теплоносителя, кг/с или кг/час; энтальпия горячего теплоносителя при температуре входа и выхода из аппарата, кДж/кг; КПД теплообменника, практически он равен 0,95−0,97; энтальпия холодного теплоносителя при температурах входа и выхода из аппарата, кДж/кг.

Горячий теплоноситель — реакционная смесь из реактора:

кг/ч Энтальпия горячего потока при 460 ^оС:

кДж/кг Энтальпия горячего потока при 200^оС:

для бензина.

кДж/кг для дизельного топлива.

кДж/кг для остатка.

кДж/кг для сухого газа при 200 ^оС.

кДж/кг Тепловая нагрузка теплообменника по горячему потоку:

кДж/ч или.

=22 308 714,815 Вт Тепловая нагрузка теплообменника по холодному потоку:

Энтальпия сырья при 70^оС.

кДж/кг Энтальпия водородсодержащего газа:

(3.26).

где А, В, С, Д — коэффициенты, значения табличные [14].

Для водорода:

кДж/кг Для С₁:

кДж/кг Для С₂:

кДж/кг Для С₃:

кДж/кг.

кДж/кг.

кДж/кг.

так как.

кДж/кг.

Так как энтальпия паров нефтепродукта равна найдем кДж/кг.

кДж/кг Из приложения 20 [10] t=210 ^оС.

Выберем схему теплообмена:

для прямотока.

_________________________.

для противотока.

_________________________.

Поэтому рассчитывается как среднеарифметическое значение.

^оС.

Поверхность теплообмена, при 60Вт/(м²•К) [15]:

м²

Необходимая поверхность теплообмена 1690,054 м².

Выбираем стандартный нормализованный теплообменник по справочным данным [15]:

Поверхность теплообмена 831 м²

Диаметр кожуха 1400 мм Диаметр труб 20×2 мм Число ходов по трубному пространству 2.

Длина труб 6000 мм Необходимое количество теплообменников:

Принимаем 2 теплообменника с поверхностью 831 м².

Расчет трубчатой печи Основные показатели работы трубчатой печи: полезная тепловая нагрузка печи, теплонапряженность поверхности нагрева, производительность по сырью, коэффициент полезного действия, температура газов на перевале, в топке, на выходе из печи и др.

Исходные данные для расчета:

— производительность печи по сырью 92 434 кг/ч.

• — плотность вакуумного газойля 0,9102
• — плотность циркулирующего газа 0,146 кг/м³
• — доля отгона 0,6
• — температура на входе 210 ^оС.
• — температура на выходе 440 ^оС.
• — температура на перевале печей 800 ^оС.

Полезная тепловая нагрузка печи Полезная тепловая нагрузка печи складывается из тепла, затраченного на нагрев и испарение сырья:

(3.27).

Тепло, необходимое для нагрева сырья :

(3.28).

Тепло, необходимое для испарения сырья.

(3.29).

где производительность печи (по сырью), кг/ч; массовая доля отгона сырья, доли единицы; энтальпия жидкости при температурах входе и выхода ее из печи, кДж/кг; энтальпия паров при температуре выхода их из печи, кДж/кг.

Энтальпия сырья при t =210 ^oC:

для вакуумного газойля:

кДж/кг для циркулирующего газа:

кДж/кг.

кДж/кг.

кДж/кг.

кДж/кг Энтальпия смеси:

кДж/кг Энтальпия сырья при t = 440 ^oC:

кДж/кг для циркулирующего газа:

кДж/кг.

кДж/кг.

кДж/кг.

кДж/кг Энтальпия смеси:

кДж/кг Тепло, необходимое для нагрева продукта:

кДж/кг или 5 116 252,711 Вт Энтальпия паров вакуумного газойля при t =440 ^оС.

кДж/кг Энтальпия смеси:

кДж/кг Тепло, необходимое для испарения смеси:

кДж/кг или 8 984 122,63 Вт Полезная тепловая нагрузка печи:

кДж/кг или 14 100 375,341 Вт Теплота сгорания топлива Теплота сгорания топлива — количество тепла, выделяющегося при сгорании 1 кг топлива.

Для определения низшей теплоты сгорания любого топлива можно использовать формулу Д. И. Менделеева:

(3.30).

В качестве топлива взят газ следующего состава:

С — 85,15%; Н — 13,24%; N₂-0,05%; S — 0,67%; О₂-0,89%.

кДж/кг Определим теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг газа по формуле:

(3.31).

кг/кг Для печей с излучающими стенками коэффициент избытка воздуха =1,031,07. Принимаем =1,05. Тогда действительное количество воздуха:

кг/кг.

м³/кг Определим количество продуктов сгорания, образующихся при сгорании 1 кг топлива:

кг/кг кг/кг.

Јкг/кг.

Јкг/кг Суммарное количество продуктов сгорания:

кг/кг Проверка:

бкг/кг Коэффициент полезного действия (КПД) Коэффициент полезного действия трубчатой печи — доля тепла, полезно использованного в печи на нагрев нефтепродукта. При полном сгорании топлива КПД печи зависит от ее конструкции, от потерь тепла с уходящими дымовыми газами и через кладку печи, от коэффициента избытка воздуха.

КПД печи определяется по формуле:

(3.32).

где КПД печи; теплота сгорания топлива, кДж/кг;

потери тепла в окружающую среду через кладку печи, кДж/кг топлива;

потери тепла с уходящими дымовыми газами, кДж/кг топлива;

потери тепла неполноты сгорания топлива, кДж/кг (практически 0,5%).

Тепловые потери в окружающую среду через кладку составляют 4−8% от рабочей теплоты сгорания топлива. Потери тепла с дымовыми газами, уходящими из печи в дымовую трубу, зависят от коэффициента избытка воздуха и температуры этих газов. Обычно температуру уходящих дымовых газов принимают на 150−200^оС выше температуры поступающего в печь сырья, т. е.

(3.33).

где температура уходящих дымовых газов, ^оС; температура поступающего в печь сырья, ^оС.

^оС.

Потери тепла с дымовыми газами определяются по графику [Приложение 36; Сард] зависимости теплоты от температуры и коэффициента избытка воздуха.

кДж/кг Потери тепла от неполноты сгорания топлива примем 0,5%.

кДж/кг По полученным данным рассчитаем КПД печи:

КПД печи составляет 76,9%.

Расход топлива Расход топлива в печи вычисляют по формуле:

(3.34).

кг/ч Расчет радиантной секции.

• 1) Задаются температурой дымовых газов над перевальной стенкой 800^оС.
• 2) Определяют среднюю теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива при этой температуре.

(3.35).

Теплоемкость продуктов сгорания определяют по графику на рис. 39 [10].

кДж/кг•К Энтальпия продуктов сгорания:

кДж/кг.

3) Приведенную температуру исходной системы определяют по формуле, но в случае работы без рециркуляции дымовых газов ее можно принять равной температуре поступающего воздуха, т. е.

4) Максимальную расчетную температуру горения определяют по формуле:

(3.36).

где КПД топки — рекомендуется принимать в пределах 0,94−0,98.

^оС.

К.

5) Количество тепла, воспринимаемого сырьевой смесью через радиантные трубы рассчитывают по формуле:

(3.37).

кДж/ч или 10 670 283,460 Вт.

6) Количество тепла, воспринимаемого сырьевой смесью через конвекционные трубы кДж/ч или 11 136 407,714 Вт.

7) Энтальпия смеси на входе в радиантные трубы по формуле:

(3.38).

где энтальпия сырья при входе в печь, кДж/кг, масса сырья.

кДж/кг.

По таблицам зависимости энтальпии от температуры [16] находим .

8) Средняя температура наружной поверхности радиантных труб по формуле:

(3.39).

где конечная температура нагрева сырья, ^оС; разность температур между наружной поверхностью труб и температурой сырья (.

^оС.

К.

9) По графикам на рис. 39 (а, б) по известным и интерполяцией находят значение параметра :

Вт/м²

Общее количество тепла, вносимого в топку составляет:

кДж/ч или 17 419 200,548 Вт Предварительное значение эквивалентной абсолютно черной поверхности:

м²

10) Задаемся степенью экранирования кладки .

По графику [10] определяют величину.

11) Эквивалентная плоская поверхность.

м²

12) Площадь заэкранированной плоской поверхности заменяющей трубы:

м²

Фактор определяют по графику [10]. При однорядном экране и расстоянии между трубами 2d фактор формы.

13) Поверхность радиантных труб:

м²

14) Проводим проверочный расчет радиантной секции. Величина неэкранированной поверхности по формуле:

м²

15) Уточненное значение абсолютно черной поверхности по формуле:

(3.40).

где степень черноты поглощающей среды, зависит от концентрации трехатомных газов в продуктах сгорания топлива; приближенно для данного топлива можно подсчитать:

принимается равной 0,8−0,85; и соответственно степень черноты экрана и кладки печи; рекомендуется коэффициент.

Коэффициент определяется по уравнению:

(3.41).

где угловой коэффициент взаимного излучения поверхностей экрана и кладки, определяется в зависимости от отношения; если то; если то; суммарная поверхность экрана и кладки, м².

т.е.

Значение абсолютно черной поверхности:

м²

16) Коэффициент теплоотдачи свободной конвекцией от дымовых газов к радиантным трубам по формуле:

(3.42).

Вт/(м²•^оС).

17) Температурная поправка теплопередачи в топке определяется по формуле:

(3.43).

где поверхность радиантных труб, м²; максимальная температура горения,; средняя температура экрана,; постоянная излучения абсолютно черного тела; Вт/(м²•К).

18) Аргумент излучения определяется по формуле:

(3.44).

• 19) Характеристика излучения может быть найдена по графику на рисунке 43 [10] в зависимости от найденного аргумента излучения; .
• 20) Уточненное значение температуры дымовых газов на перевале по формуле:

(3.45).

^оС Результат между найденной температурой дымовых газов на перевале и принятой небольшая, т. е. равняя 5,15^оС, поэтому результат вычислении можно считать окончательным.

21) Коэффициент прямой отдачи определяют по формуле:

(3.46).

где приведенная температура исходной смеси, ^оС.

22) Количество тепла, полученного радиантными трубами кДж/час или Вт.

23) Тепловая напряженность радиантных труб по формуле:

(3.47).

Вт/м²

или кДж/м²_.

24) Число труб в радиантной камере.

Полезная поверхность одной трубы определяется по формуле:

(3.48).

где диаметр труб, м.

Диаметр трубы определяется по приложению 41 [10], в зависимости от необходимого сечения труб, определяемого по формуле:

(3.49).

где производительность печи, кг/час; плотность сырья; скорость протекания продукта по трубам, м/с.

Скорость протекания по трубам 3−10 м/с для паров и газов, находящихся под давлением.

м²

Этому значению сечения соответствуют трубы с диаметром d = 152×12 мм.

По полученным значениям и выбираем марку печи из приложения 42 [10].

кДж/час.

кДж/м²

Этим значениям соответствуют печи типа ГН2.

Количество труб в радиантной камере:

м²

Принимаем 76 труб в радиантной камере.