Расчет трубчатой печи для нагрева балаханской масляной нефти

Расчет трубчатой печи для нагрева балаханской масляной нефти

1. Исходные данные Топливом служит мазут следующего элементного состава углерод 75, водород 25% масс.

Сырье в количестве 160 т/ч = 44,4 кг/с с начальной температурой t_н =150 ^оC требуется нагреть до t_к=370 ⁰C, давление P_к=0,265 МПа.

Решение

1 Определение тепловой нагрузки В зависимости от физических свойств нагреваемой нефти, конечной температуры нагрева и давления на выходе из печи рассчитываются доля отгона и относительные плотности паровой и жидкой части сырья. Результаты расчетов однократного испарения нагреваемой нефти приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 -рассчитанные параметры однократного испарения нагреваемой нефти на выходе из печи.

мольный и массовый составы исходного сырья, паровой и жидкой части сырья после однократного испарения рассчитываем по следующим формулам. Расчет сводим в таблицу 1.2.

(1.1)

. (1.2)

Полезную тепловую нагрузку определяем из уравнения

(1.3)

Q_пол = 44,4•(1164•0,5159+907•(1−0,5159)-359=31 569 кВт.

Таблица 1.2 — мольный и массовый составы исходного сырья, паровой и жидкой части сырья после однократного испарения

2. Расчет процесса горения

2.1 Низшая теплотворная способность топлива рассчитается по уравнению

(2.1)

339•75+1030•25=47 029 кДж/кг.

2.2 Теоретический расход воздуха по уравнению

(2.2)

L₀= кг/кг.

2.3 Теоретический объем воздуха по уравнению

(2.3)

V₀==12,3 м³/кг.

2.4 Состав продуктов горения определяем по следующим уравнениям

(2.4)

(2.5)

(2.6)

Принимаем коэффициент избытка воздуха в топке равный 1,4, на выходе из камеры конвекции — 1,5. Результаты расчета количеств компонентов при горении одного килограмма топлива сведены в таблицу 2.1.

Таблица 2.1 — количества компонентов горения одного килограмма топлива (N_i), в кмоль/кг

3. Определение коэффициента полезного действия печи и топки Принимаем температуру отходящих дымовых газов на 180 ⁰ выше температуры входящего нагреваемого продукта, тогда

t₂= 150+180=330 ⁰С.

Потери тепла с отходящими дымовыми газами определим по уравнению

(3.1)

где средняя молярная теплоемкость компонентов определится по уравнению

(3.2)

значения коэффициентов a, b, c приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 — Значения коэффициентов a, b, c в уравнении 3.1

Тогда

Q ₂= 23,86•(330−10)=6919,4 кДж/кг.

Результаты расчетов средней молярной теплоемкости компонентов и уходящих дымовых газов сведены в таблицу 3.2.

Доля тепла, теряемая с уходящими дымовыми газами, определится по уравнению

q ₂=.

Коэффициент полезного действия печи определится по уравнению

(3.3)

1−0,13−0-0−0=0,87.

Таблица 3.2 — Результаты расчетов средней молярной теплоемкости компонентов и уходящих из печи дымовых газов

Коэффициент полезного действия топки

(3.4)

1-(0+0+0,45)=0,955.

Расход топлива определится по уравнению

(3.5)

В=0,77 кг/с.

4. Определяем предварительное значение поверхности нагрева радиантных труб Принимаем температуру дымовых газов, уходящих из топки, t_p=702,9 ⁰C или T=976,1 К. Результаты расчетов средней молярной теплоемкости компонентов и уходящих из топки дымовых газов сведены в таблицу 4.1

Таблица 4.1 — Результаты расчетов средней молярной теплоемкости компонентов и уходящих из топки дымовых газов

Количество тепла, передаваемое нагреваемому продукту через радиантную поверхность, определяется по уравнению

(4.1)

Q _p=0,77•(47 029•0,87−44,4•703,1)=21 236 кВт.

Выбираем трубчатую печь типа В. По таблице выбираем ориентировочное значение средней теплонапряженности радиантных труб 30 кВт/м². При этом имеем предварительное значение поверхности нагрева радиантных труб Нр=683 м².

Выбираем по таблице ближайший типоразмер ВС2 700/12,6.

При этом точное значение средней теплонапряженности радиантных труб составит 20 489/700=29 кВт/м².

Наружная поверхность одной трубы Sтр=3,14•0,127•12,6=5,025 м².

Число труб в одной камере 700/5,025=140 штук.

5. Определяем скорость продукта на входе в печь Принимаем диаметр труб d=127×8, тогда внутреннее сечение трубы

S_т= 3,14•(0,127−2•0,08)²/4= 0,968 м².

Секундный объем нагреваемого продукта

V_c=G_c/?²⁰₄, (5.1)

V_c=44,4/874=0,0477 м³/с.

Скорость нагреваемого продукта на входе в печь

w=V_c/S_т, (5.2)

w =0,0477/0,968=4,93 м/с.

при двух параллельных потоках w=4,93/2=2,46 м/c, что допустимо.

6. Поверочный расчет топки

6.1 Максимальная температура горения определится по уравнению

(6.1)

Т_вых=10+ 0,955•47 029/44,4+273,2=1913 К.

6.2 Определяем температуру продукта на входе в радиантные трубы Количество тепла, переданное продукту в камере конвекции по уравнению

(6.2)

Q_К=31 569−21 236=10333 кВт.

Теплосодержание продукта на входе в камеру радиации найдем по уравнению

q_рк= 359+ 10 333/44,4= 548 кДж/кг.

По уравнению находим, что найденному теплосодержанию соответствует температура продукта на входе в камеру радиации

(6.3)

t_рк=244 ⁰С.

6.3 Принимаем среднюю температуру наружной стенки труб на 30 ⁰ выше средней температуры продукта в камере радиации

?=(t_pk+t_k)/2 +30+273,2,

(244+375)/2+30+273,2=613 K.

6.4 Коэффициент теплоотдачи конвекцией в камере радиации определится по уравнению

(6.4)

=0,917 кВт/(м²•град).

6.5 Определим все величины, необходимые для расчета эквивалентной абсолютно черной поверхности Количество тепла, переданное в топке конвекцией

Q_pk = _kpH_P(T_P —), (6.5)

Q_pk =0,917•700•(976,1−613)=2333 кВт.

Потери тепла через стенки топки

(6.6)

Q_пот =1697 кВт.

Температура газа в топке определяется по уравнению

. (6.7)

T_V= 1159 K.

Соответствующие степени черноты: _H = _F = 0,9.

=0,500.

Величина углового коэффициента взаимного излучения газового объёма и трубного экрана ?_VH определяется по уравнению

?_VH=0,013+0,3659 (s₁/d)-0,046 (s₁/d)²; (6.8)

при отношении шага к диаметру трубы S₁/d=2 для однорядного экрана

?_VH=0,013+0,3659 (2)-0,046 (2)²=0,56.

Суммарная поверхность кладки определяем по рисунку, тогда

F= 2•12,60•2•3,25+2•12,6•5,5+2•5,5•2•3,25=374 м².

Неэкранированная поверхность кладки (потолок и под печи)

F=2•5,5•2•3,25=71,5 м².

Величина углового коэффициента взаимного излучения экрана и кладки определится из уравнения

(6.9)

=0,191.

Величина ?₁ определится при А₂=0 по следующему уравнению

(6.10)

Величина определится по уравнению

(6.11)

Величина А₁ определится из уравнения

(6.12)

А₁

Величина эквивалентной абсолютно чёрной поверхности А₂=0 определится по уравнению

(6.13)

H_S м².

6.6 Температурная поправка теплопередачи в топке определится по уравнению

(6.14)

К.

6.7 определим аргумент излучения

(6.15)

Х=4,55.

6.8 Характеристику излучения определим по уравнению

(6.16)

=0,561.

6.9 Температура дымовых газов на выходе из топки Т_Р =•(Т_max —)-273,2, (6.17)

Т_Р =0,561•(1913;172)=703,1 ⁰С.

Полученное значение температуры отличается от заданной в п. 4 меньше чем на 2%, поэтому пересчетов не делаем.

7. Расчет конвекционной секции тепловой печь топливо конвекционный Количество тепла, переданное в камере конвекции, определяем по уравнению

(7.1)

Q_к=31 569−0,919•(47 029•0,955−50,4 703,1)=6854 кВт.

Предварительное значение поверхности конвекционных труб определяем по уравнению

(7.2)

F_к =451 м²

Определяем основные размеры камеры конвекции: длина — 3,9 м; ширина — 1.8 м; высота — 2,1 м.

Путем предварительных расчетов принимаем диаметр труб в камере конвекции d=102×8, при этом внутреннее сечение трубы

S_т= 3,14•(0,102−2•0,08)²/4= 0,581 м².

скорость продукта на входе в камеру конвекции

w=V_c/S_т, (7.3)

w =0,0477/0,581=8,21 м/с при четырех параллельных потоках w=8,21/4=2,05 м/c, что допустимо.

Наружная поверхность одной трубы

Sтр=3,14•0,102•3,9=1,25 м².

необходимое количество труб в камере конвекции 451/1,25=361 штук.

Конструируем камеру конвекции. Принимаем шахматное расположение труб и расстояние между осями труб в ряду

S₁=1,5•d= 1,5•0,102=0,153 м.

Тогда расстояние между осями рядов

S₂=0,866•S₁=0,866•0,153 = 0,132 м.

Число труб в ряду 1,8/0,153=12 штук, тогда в одной камере конвекции можно расположить 2,1/0,132 =16 рядов.

Распологаем 15 рядов. Тогда количество труб в одной камере конвекции составит 12•15=180 штук. В двух камерах 180•2=360 штук.

Поверочный расчет камеры конвекции.

Эффективная величина газового слоя из уравнения

S=1,89•(S₁+S₂)-4,1•d ,

S=1,89•(0,153+0,132)-4,1•0,102 =0,121 м.

Парциальные давления трех атомных газов:

— диоксида углерода

, (7.4)

Р_СО=0,0700/0,7757•10⁵=9024 Па,

— водяных паров

, (7.5)

Р_НО=0,0822/0,7757•10⁵=10 620 Па.

Средняя температура дымовых газов в камере конвекции

T_m=(Т_Р -T₂)/ln (Т_Р/ T₂), (7.6)

T_m=(976,3−623,2)/ln (976,3/623,2)=786,6 K.

Степени черноты диоксида углерода и водяного пара определяем по уравнению

(7.7)

=0,0551,

(7.8)

=0,0417.

Степень черноты газовой среды определяем по уравнению

(7.9)

=0,0968.

Средняя температура стенки труб

?_m=(t_pk+t_н)/2 +30+273,2, (7.10)

?_m =(244+150)/2+30+273,2=510 K.

Коэффициент теплоотдачи радиацией в камере конвекции определяем по уравнению

(7.11)

=8,8 Вт/(м²•К) Расчеты мольной, массовой доли компонентов и средней молекулярной массы смеси газов в камере конвекции сведим в таблицу 7.1. Расчеты динамической вязкости, теплопроводности и истинной теплоемкости дымовых газов сведены в таблицу 7.2.

таблица 7.1 — Расчеты мольной, массовой доли компонентов и средней молекулярной массы смеси газов

таблица 7.2 — Расчеты динамической вязкости, теплопроводности и истинной теплоемкости дымовых газов

Коэффициент динамической вязкости рассчитываем по уравнению

(7.12)

=33,4•10^-6 кг/(м•с) Коэффициент теплопроводности определяем по уравнению

(7.13)

=57,306•10^-6 кВт/(м•град).

Истинная теплоёмкость дымовых газов дымовых газов определим по уравнению

=1,179 кДж/(кг•град) параметр Прандтля определим по уравнению

(7.14)

Pr=0,678.

Наименьшая площадь для прохода дымовых газов

(7.15)

f_r=(1,8−12•0,102)•3,9=2,246 м²,

где b_K — ширина камеры конвекции, м; n₁— число труб в ряду; d — наружный диаметр труб, м; L — длина камеры конвекции.

Массовая скорость дымовых газов

(7.16)

U==4,49 кг/(м²•с),

где m — число камер конвекции.

Значение числа рейнольдса определяем по уравнению

(7.17)

Re= 13 732.

Параметр теплоотдачи определяем по уравнению

(7.18)

А'=9,6,

где С, n, m — коэффициенты.

Коэффициент теплоотдачи вынужденной конвекцией в камере конвекции определим по уравнению

(7.19)

= 51 Вт/(м²•град).

Определим коэффициент теплопередачи

(7.20)

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке в камере конвекции определим по формуле

(7.21)

тогда К= 51,0+8,0=59,0 Вт/(м²•град).

Средний температурный напор в камере конвекции Потребная поверхность теплообмена в камере конвекции определим по уравнению

(7.23)

F_К=450 м².

Потребная поверхность в одной камере конвекции 450/2 =225 м².

Потребное число труб в одной камере 225/1,25=180.

Число труб в ряду оставляем 12 штук, тогда количество рядов составит 180/12=15.

8. Расчет потерь напора в змеевике печи Предполагаем, что испарение нефти начинается в камере радиации Предварительно задаемся давлением в начале участка испарения Р_Н= 2,05 МПа.

Для заданной нефти рассчитываем температуру начала испарения при Р_Н= 2,05 МПа. Результаты расчета начала однократного испарения нефти сведены в таблицу 8.1.

Таблица 8.1 -рассчитанные параметры начала однократного испарения нагреваемой нефти при Р_Н= 2,05 МПа.

Из расчетов находим, что давлению Р_Н= 2,05 МПа соответствует температура начала однократного испарения T_НИ= 379,3 ⁰С.

Определим теплосодержание нефти в конце рассчитываемого участка (на выходе из печи) при температуре T₂ =t_к

(8.1)

q_T2=1164•0,5159+907•(1−0,5159)= 1040 кДж/кг Теплосодержание нагреваемого продукта на входе в рассчитываемый участок (на входе в камеру конвекции)

=548 кДж/кг.

Таблица 8.1- мольный и массовый составы исходного сырья, паровой и жидкой части сырья в начале однократного испарения при Р_Н= 2,05 МПа

Эквивалентная длина одного потока радиантных труб определяем по уравнению

L_ЭКВ=nL_mp+ (n-1)••d_вн, (8.2)

L_экв= 140•12,9+(140−1)•50•(0,127−2•0,008)=2577 м.

Расчетная длина участка испарения определяем по уравнению

(8.3)

L_и=665 м Коэффициент гидравлического сопротивления принимаем равным =0,024.

Секундный расход исходной нефти для одного потока

G_с=44,4/2=22,2 кг/с.

Плотность паров при давлении 0,10 МПа определяем по уравнению

(8.4)

=2473,

Плотность жидкого продукта на участке испарения при средней температуре t=(375+369,3)/2=372 ⁰C

?_t=?₂₀+(1,3175?₂₀-1,8256)•(t-20), (8.5)

874+(1,3175•876−1,8256)•(372−20)=637 кг/м³.

Величины коэффициентов, А и В определяем по уравнениям при е₀=0

(8.6)

А=791,

(8.7)

В=6 306 800 000.

Давление в начале участка испарения определим по уравнению

(8.8)

Р_Н =2 050 000 Па =2,05 МПа.

Определяем эквивалентную длину участка нагрева

=-=2577−665=912 м.

Коэффициент гидравлического сопротивления примем равным =0,032.

Средняя температура на участке нагрева t=(369,3+244)/2=307 ⁰С.

Средняя плотность нефти на этом участке

??_t=?₂₀+(1,3175?₂₀-1,8256)•(t-20), (8.9)

=874+(1,3175•876−1,8256)•(307−20)=681 кг/м³.

Массовая скорость нефти на один поток

U_C=G_C/S_Т, (8.10)

U_C= 22,2/0,968 =2153 кг/(м²•с).

Потери напора в змеевике на участке нагрева камеры радиации

(8.11)

=1 880 000 Па =1,88 МПа.

Определим эквивалентную длину участка нагрева

L_Н =n•L_mp+ (n-1)••d_вн, (8.12)

= 90•3,9+ (90−1)•50•(0,102−2•0,008)=734 м.

Коэффициент гидравлического сопротивления принимаем равным =0,032.

Средняя температура на участке нагрева

t=(t_pk+t_н)/2, (8.13)

t= (244+150)/2=182 ⁰С.

Средняя плотность нефти на этом участке

??_t=?₂₀+(1,3175?₂₀-1,8256)•(t-20), (8.14)

=874+(1,3175•876−1,8256)•(207−20)=748 кг/м³.

Массовая скорость нефти на один поток

U_C=G_C/(2•S_Т), (8.15)

= 44,4/(2•0,581) =897 кг/(м²•с).

Потери напора в змеевике на участке нагрева камеры радиации определяем по формуле

(8.16)

= 147 000 Па =0,15 МПа.

Максимальная высота печи 14,7 м.

Средняя температура

t=(t_k+t_н)/2= (375+150)/2=247 ⁰С.

Средняя плотность нефти на этом участке

??_t=?₂₀+(1,3175?₂₀-1,8256)•(t-20), (8.17)

=874+(1,3175•876−1,8256)•(273−20)=704 кг/м³.

Р_СТ = 9,81•h•_ж, (8.18)

Р_СТ =9,81•14,7•704=100 000 Па = 0,10 МПа.

Давление нагреваемого продукта на входе в печь

(8.19)

Р = 2,05+1,88 +0,15 +0,10=4,18 МПа.

9. Определение газового сопротивления и тяги в трубчатой печи

9.1 Для обеспечения нормальной работы топки потерю напора в камере радиации принимаем 40 Па Определяем коэффициент сопротивления при поперечном омывании труб. При шахматном расположении труб и при S₁>S₂

=b (5,4+3,4•m)Re^-0,28, (9.1)

=1•(5,4+3,4•15) •13 732^-0,28 =3,91.

Средняя температура дымовых газов t=t_м=513,4 ⁰С.

Плотность дымовых газов при средней температуре равна

??_гt=М_Г•273,2/(22,4•Т_Г), (9.2)

?_гt =28,69•273,2/(22,4•(513,4+273,2))=0,44 кг/м³.

Массовая скорость дымовых газов в камере конвекции и=4,49 кг/(м²•с).

потери напора по газовому тракту в камере конвекции

(9.3)

=88,8 Па.

9.2 Определяем величины эффекта самотяги Плотность воздуха

_в=1,29•273,2/303,3=1,16 кг/м³.

Плотность дымовых газов при температуре покидающих камеру конвекции

??_гt=М_Г•273,2/(22,4•Т_Г), (9.4)

?_гt =28,69•273,2/(22,4•(350+273,2))=0,56 кг/м³.

Высота газового тракта определяется принимаем равным h_Г=14,7 м величины эффекта самотяги газового тракта Р_Т = 9,81•h_r•(_в — _г), (9.5)

Р_Т = 9,81•14,7•(1,16 — 0,56)=87,0 Па.

9.3 Определяем величины для определения величины потери напора на преодоление местных сопротивлений Принимаем скорость движения дымовых газов в газоходе, в сборнике газов и в дымовой трубе 8 м/с.

Массовая скорость дымовых газов при температуре, выходящих из камеры конвекции и= 8/0,56= 4,5 кг/(м²•с).

По литературе берем значения коэффициентов местных сопротивлений: сужение из камеры конвекции в газоход — 0,3; шибер — 4; поворот на 90⁰ из газохода в сборник газов — 0,75; поворот на 90⁰ из сборника газов в дымовую трубу 1,2; выход газов из дымовой трубы 1,0.

Величина потери напора на преодоление местных сопротивлений (повороты, сужения, расширения, шиберы и т. д.)

(9.6)

Р_м =130,0 Па.

9.4 Определяем величины для определения высоты дымовой трубы Расход дымовых газов

G=?Ni•М_Г•В, (9.7)

G= 0,7757•28,69•0,919=20,45 кг/с, Сечение дымовой трубы

S=G/и=24,4/4,5=4,56 м².

Диаметр дымовой трубы

D==2,41 м.

Принимаем D=2,4 м.

Задаемся температурой дымовых газов на выходе из трубы Т_ух=600К.

Плотность дымовых газов при средней температуре в трубе

?_гt=М_Г•273,2/(22,4•Т_ух), (9.8)

?_гt =28,69•273,2/(22,4•612,6)=0,57 кг/м³.

Массовая скорость дымовых газов при температуре, выходящих из дымовой трубы

и= 8/0,57= 4,6 кг/(м²•с).

Общие потери напора в газовом тракте за исключением скоростного напора в трубе

??Р=40+88,8+130,0−87,0=172 Па.

По литературным данным [9, c.396] определится коэффициент трения _т=0,014.

Высота дымовой трубы определится по уравнению (11.9)

(9.9)

h_тр==31 м.

9.5 Поверочный расчет дымовой трубы Расчеты динамической вязкости, теплопроводности и истинной теплоемкости дымовых газов сведем в таблицу 9.1.

таблица 9.1 — Расчеты динамической вязкости, теплопроводности и истинной теплоемкости дымовых газов

Коэффициент динамической вязкости рассчитываем по уравнению

(9.10)

=27,9•10^-6 кг/(м•с) Коэффициент теплопроводности определяем по уравнению

=46,6•10^-6 кВт/(м•град) Истинная теплоёмкость дымовых газов определяем по уравнению

=1,131 кДж/(кг•град) параметр Прандтля определяем по уравнению

(9.11)

Pr=0,678.

Определяем значение числа рейнольдса

(9.12)

Re= 392 810.

Определяем коэффициент теплоотдачи к стенке трубы

(9.13)

=0,021•1,05•392 810^0,8•0,678^0,43•46,7/2,4=0,0108 кВт/(м²•К) Результаты расчетов средней молярной теплоемкости компонентов и уходящих из топки дымовых газов сведем в таблицу 9.2.

Таблица 9.2 — Результаты расчетов средней молярной теплоемкости компонентов и уходящих из топки дымовых газов

Количество тепла, теряемое через стенку трубы, определяется по уравнению

Q_ПОТ = B•G•C_pm•(t_г — t_ух), (9.14)

Q_ПОТ =0,919•24,39•(350- 327)=520 кВт.

Поверхность трубы н_т=3,14•2,4•31=232 м.

Температура стенки трубы определим по уравнению

(9.15)

=404 К величина потерь тепла поверхностью дымовой трубы в окружающую среду

= 510 кВт.

температура уходящих дымовых газов определяется по формуле

=600,1 К.

Полученная температура совпадает с заданной менее чем на 0,1%, поэтому пересчетов не делаем.

9.6 Потери напора от скоростного напора в дымовой трубе определятся по уравнениям

=0,18

=8 Па.

Общие потери напора в дымовой трубе

= 170+8=178 Па.

Так как общее сопротивление движению дымовых газов не превышает 300 Па, нет необходимости установки дымососа.