Расчет трубчатой печи пиролиза углеводородов

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Казанский государственный технологический университет»

Кафедра теоретических основ теплотехники

(ТОТ) Пояснительная записка и расчеты к курсовому проекту по предмету «Высокотемпературные процессы и установки»

КП 2−02.069.639−1401−02−12 ПЗ

Расчет трубчатой печи пиролиза углеводородов

Руководитель, доцент (Курбангалеев М.С.)

Исполнитель, студент группы 2271−81 (Илалов Р.Р.)

Казань 2011

Задание

I. Расчет процесса горения

II. Определение конструктивной схемы печи

III. Поверочный расчет радиантной камеры

IV. Поверочный расчет конвективной камеры

V. Гидравлический и аэродинамический расчеты Литература

Задание

Рассчитать трубчатую печь для пиролиза углеводородов

Исходные данные

Вариант 6 V 24

Вид топлива: попутный или нефтяной газ, месторождение Нижняя Омра Состав топлива:

= 68,86%

= 11%

= 9%

= 6%

= 1,10%

= 0,04%

= 4%

Сжигание топлива осуществляется с коэффициентом расхода =1,06

Влагосодержание в окислителе (воздухе) dок =10 г, температура окислителя Ток = 293К Состав газов пиролиза:

= 0,327

= 0,283

= 0,075

= 0,115

= 0,012

= 0,060

= 0,040

= 0,030

= 0,043

= 0,015

с =0.886 кг Время пребывания пирогаза в зоне реакции ф = 0,9 сек Состав сырья:

Вид сырья — Бензин 140

Количество водяного пара, масс % от массы сырья — 60

Расход сырья — 8,5 т/ч Температура продукта на входе в печь, єС — 110

Температура продукта на входе в радиантную камеру, єС — 630

Температура продукта на выходе из радиантной камеры, єС — 780

Бензин 140 — бензиновая фракция с температурой кипения до 140 єС (справочные данные берем для n-октана)

I. Расчет процесса горения

Определяем низшую теплоту сгорания топлива по формуле:

Q_н^с = 0,01·? r_i· Q_н^с_i,

где r_i — объемная доля i-го компонента топлива,

Q_н^с_i — низшая теплота сгорания i-го компонента топлива, определяем по справочным данным

= 35,82 МДж/нм³

= 63,75 МДж/нм³

= 91,40 МДж/нм³

= 118 МДж/нм³

= 146 МДж/нм³

Q_н^с = 0,01· (68,86·35,82+11·63,75+9·91,4+6·118+1,10·146) 10⁶ = 4118,67· Дж/нм³

= 41,187 МДж/нм³

Определяем теоретический расход окислителя:

где — теоретический расход кислорода, определяем из уравнения:

= 0.01· (2· 68,86 + 3,5· 11 + 5· 9 + 6,5· 6 + 8· 1,10) = 2,6902 нм³/нм³

тогда = · 100 =12,810 нм³/нм³

С учетом коэффициента избытка б действительный расход окислителя равен:

= 12,810 · 1,06 =13,579 нм³/нм³

Теоретический выход продуктов горения вычисляем по уравнению:

где — теоретические выходы соответственных компонентов, которые определяем с помощью следующих выражений:

(1· 68,86 + 2· 11+ 3· 9 + 4· 6 + 5· 1,10 + 0,04) = 1,474 нм³/нм³

(1· 68,86 + 3· 11+ 4· 9 + 5· 6 + 6· 1,1+ 0,124· 10··12,810) = 2,433 нм³/нм³

· (79· 12,810 + 4) = 10,159 нм³/нм³

Таким образом, = 2,433 + 1,474 + 10,159 = 14,067 нм³/нм³

Тогда действительный выход продуктов горения найдем из уравнения:

где слагаемые — действительные выходы соответствующих компонентов продуктов горения, которые находим из следующих выражений:

= = 1,474 нм³/нм³

= 2,433 + (1,06 -1) · 0,124· 10·12,810 = 2,434 нм³/нм³

= 10,159 + 0,01(1,06 -1)7912,810 =10,767 нм³/нм³

= 0,01 (1,06 — 1)2112,810 = 0,1614 нм³/нм³

Следовательно, = 1,474 + 2,434 + 10,767 + 0,1614 = 14,8364 нм³/нм³

Определим объемные доли содержания компонентов в продуктах горения с помощью соотношения:

горение трубчатая печь пиролиз углеводород Верность полученных значений проверим выполнением условия

9,935 + 72 572 +16,406 +1,088 = 100%

как видно, условие выполняется, значит, значения объемных процентов найдены верно.

В качестве значимого элемента процесса горения необходимо определить расход топлива.

Для расчета расхода топлива воспользуемся соотношением

где — теплота горения

Вычислим теплоту горения по формуле

КПД печи находим с учетом тепловых потерь из выражения

где — соответственно теплоты, потерянные с уходящими газами, из-за химического и механического недожогов и в окружающую среду соответственно. В данном случае; по справочным данным принимаем; а тепло уходящих газов рассчитаем с помощью выражения:

где — низшая теплота сгорания, найденная выше

— теплосодержание уходящих газов, рассчитываемое по уравнению

= 771,8 + 626,2 + 526,5 + 551

= 1,474 771,8 +2,434 626,2 +10,767 526,5 +0,1 614 551 = 8419,56 кДж/нм³

Тогда определяем

Следовательно, КПД печи составляет

= 1 — (0,204 + 0,06) =0,736, то есть, =73,6%

Полезную теплопроизводительность Q_пол, идущую на осуществление процесса, находим как сумму теплот конвективной и радиантной камер:

Определим теплоту конвективной камеры:

Найдем теплоты бензина и водяного пара в конвективной камере:

= 8,27 ккал/моль

= = 303,737 кДж/кг

кДж/ч

= (140 110)

= 254,14 Дж/моль К

== 2229,29 Дж/кг К = 2,229 кДж/кг К

= 8500 2,229(140 110) = 568 395 кДж/ч

= 11,84 + 666,51· 413 + (-244,93) = 245,33 Дж/моль К

== 2152,01 Дж/кг К = 2,152 кДж/кг К

= 11,84 + 666,51· 903 + (-244,93) = 413,98 Дж/моль К

= = 3631,40 Дж/кг К = 3,631 кДж/кг К

= 8500 (3,631· 630 2,152· 140) = 16 883 125 кДж/ч

Значит, теплота конвективной камеры составляет

= 20,031 кДж/ч

Определяем теплоту радиантной камеры:

здесь — химическая теплота, — теплота водяного пара, — теплота пирогаза.

Найдем химическую теплоту радиантной камеры:

где — энтальпии образования продуктов реакции и исходных компонентов, определяемые по следующим соотношениям:

Выбирая значения энтальпий веществ из справочных данных, находим:

кДж/кг

кДж/ч

кДж/ч

Тогда кДж/ч

где, ,. Значения а, в, и с берем для всех компонентов реакции из справочных данных. Получаем:

Получаем

Находим теплоту водяного пара радиантной камеры:

кДж/ч

где берем из ТТД таблиц для воды

Определим теплоту пирогаза

Теплоемкости пирогаза определяем как сумму произведений теплоемкостей компонентов пирогаза на их массовые доли:

3,657 кДж/кг· К 3,951 кДж/кг· К

Таким образом, находим:

Значит, теплота радиантной камеры составляет

кДж/ч

Следовательно, полезная теплопроизводительность равна

Вычислим теплоту горения:

Тогда расход топлива составит

II. Определение конструктивной схемы печи

Необходимо подобрать такое сочетание скорости сырья, диаметра труб и теплонапряжения, чтобы обеспечить требуемое время контакта и минимальные потери напора, причем теплонапряжение радиантных труб не должно превышать допустимое.

Определим число потоков по продукту:

где G_пр=13 600, кг/ч — производительность печи

= 120 кг/м²с — средняя оптимальная массовая скорость продукта,

— площадь сечения трубопровода.

Для дальнейшего расчета выбираем для беспламенных горелок трубы диаметром d=140мм и толщиной стенки д=8мм. Тогда сечение трубопровода составляет:

м²

Следовательно,

Принимаем для последующего расчета n_пр = 3. Тогда уточним действительную скорость продукта:

pv=RT, p=RTс, откуда

= 8500 кг

= 5100 кг

Доля бензина 140 и водяного пара:

= = 0,625, = = 0,375

=

= = 0,791 =

=+

= 0,7910,018+0,2090,114=38,064 кг/моль

Rсм =

= кг/м³

=

кг/м³

Тогда линейная скорость сырья будет равна

Определим длину труб:

здесь с — время контакта, приведенное в исходных данных.

88,7070,9 = 79,837 м

= 79,8373 = 239,111 м

9+0,93,140,14 = 9,396 м

Определим общую поверхность нагрева радиантной камеры:

м²

Для нормального функционирования печи должно выполняться условие

где q_p — потребное теплонапряжение радиантных труб,

q_доп — допустимое теплонапряжение.

кВт/м²

Допустимое теплонапряжение рассчитаем по уравнению

где: =950єС — допустимая температура стенки,

t — температура продукта,

— учитывает равномерность обогрева, зависит от конструкции печи,

— учитывает равномерность обогрева, зависит от типа горелочного устройства

_,

где — коэффициент кинематической вязкости, рассчитываемый для смеси бензина и водяного пара:

Из справочника Варгафтика:

С8Н18 Н20

С учетом полученных значений вычислим

Используем следующее уравнение подобия:

где число Прандтля для среды принимаем, а

Тогда число Нуссельта составляет

Известно, что

.

Отсюда

Коэффициент теплопроводности л_ж потока среды находим по формуле

где л_i для компонентов смеси находим из справочных таблиц.

С8Н18 Н20

Тогда

Таким образом, находим

Следовательно, допустимое теплонапряжение на входе и выходе составляет:

Среднее значение допустимого теплонапряжения:

Значит, условие выполняется (54,39 73,65).

Компоновка радиантной камеры:

Габариты печи:

b = 2,59 м

h = 4,85 м

a =

a = 9,396 + 1= 10,396 м

Если взять 1 ряд труб:

м

Поэтому используем шахматное расположение труб, шагом s=1,8d в два ряда

м

Определим мощность одного ряда горелок, учитывая, что горелки расположены с 2х сторон по 5 рядов на каждой:

Определяем число горелок в одном ряду:

горелки типа «а»: Принимаем

горелки типа «б»: Принимаем

Рассмотрим горелки типа «а».

Найдем необходимую производительность одной горелки:

По справочным таблицам подбираем горелки типа ГБП 3а с производительностью

=85· 10³

Тогда один ряд таких горелок обеспечивает теплоту

Определим отклонение от требуемого значения:

м

верно

Таким образом, выбрали горелки ГБП 3а.

Вычисляем действительный расход топлива:

III. Поверочный расчет радиантной камеры

Расчет проводим с целью определить, является ли полученное выше значение теплоты радиантной камеры достаточным для ее требуемого расчетного значения. Расчетное значение находим по формуле:

.

Значит, дальнейший расчет сводится к определению температуры газов на выходе из камеры. Чтобы ее определить, найдем значение эквивалентной абсолютно черной поверхности:

где — приведенная степень черноты продуктов горения

— функция распределения температуры топочном объеме

— степени черноты

Н_Л — эффективная плоская поверхность экранов

— коэффициент, учитывающий совместное влияние излучающих объема газа и кладки

F — поверхность излучения (полная поверхность кладки печи)

Определим все составляющие вышеприведенного соотношения:

где F_i — плоская поверхность экранных труб,

— фактор формы, зависит от расположения экранных труб и составляет

для однорядных

для двухрядных

м²

Тогда м²

где

м²

Определяем

где — угловой коэффициент взаимного излучения поверхности кладки, зависит от Н и F:

если, то, если, то

Тогда:

Таким образом,

Тогда определяем

Температуру газов на выходе из камеры находим из соотношения

здесь — характеристика излучения,

ДТ — температурная поправка, учитывает долю поправки между излучением-конвекцией.

Для того, чтобы рассчитать графическим методом необходимо рассчитать теплоемкость отходящих газов при предполагаемом интервале, в котором находится значение)

При

При

Найдем по графику:

Таким образом, ,

Определяем температурную поправку ДТ:

где — коэффициент теплоотдачи от продуктов горения и стенок экрана,

Т_ст — температура стенки,

где — средняя температура продукта в радиантной камере,

— толщина стенки трубы (8 мм),

— коэффициент теплопроводности трубы,

Значит,

Найдем значение по формуле:

где А= 2,1 — постоянная для труб диаметром 50−140мм, из материала Х23Н18

Задаемся К

Тогда

Определим общую поверхность труб камеры:

Таким образом, находим

Теперь определяем характеристику излучения как функцию аргумента излучения

По графикам из справочной литературы определяем при полученном Х значение

Тогда по приведенной выше формуле находим температуру газов на выходе из камеры:

Разница между заданным и найденным значением составляет:

1500 — 1298,67 = 201,32 > 5 K

Найдем новое значение

При Х значение

1298,67 — 1280,89 = 17,78 > 5 K

Найдем новое значение

При Х значение

1280,89 — 1286,52 = 5,63 > 5 K

Снова найдем новое значение

При Х значение

1286,52 — 1281,6 = 4,92? 5 K

Значит,

Теперь определяем расчетное значение теплоты радиантной камеры:

Значит, заданное выше условие выполняется

Следовательно, камера функционирует удовлетворительно, соответствуя заданным параметрам.

IV. Поверочный расчет конвективной камеры

Известны следующие температуры:

єС, єС,

єС, єС

Необходимо учесть:

1) При температуре от 110 єС до 140 єС: сырье — жидкость

Оптимальная скорость движения сырья в трубах м/с — принимаем 2 м/с

2) При температуре от 140 єС до 630 єС: сырье — газ

Оптимальная скорость движения сырья в трубах м/с — принимаем 5 м/с

Сырье — жидкость

Найдем площадь сечения всех труб камеры:

где — средняя плотность сырья в интервале температур от 110єС до 140 єС

Найдем октана для двух температур:

кг/м³ кг/м³

Следовательно, средняя плотность сырья составляет

кг/м³

Значит, м²

Определяем число труб в конвективной камере:

где F_тр — площадь сечения одной трубы Выбираем трубы 89×6 мм

Округляем до = 1 (змеевик) В связи с полученным числом уточняем значение скорости движения сырья в трубах

м/с

Поверочный расчет проводим с целью определить, является ли полученное выше значение теплоты конвективной камеры, достаточным для ее требуемого расчетного значения?. Расчетное значение находим по формуле:

где k — коэффициент теплопередачи,

— средний температурный напор,

Fк — поверхность теплообмена

где l_кк — длина труб, омываемая дымовыми газами

здесь мм — толщина трубной решетки м

Значит, м²

Найдем значение среднего температурного напора:

єС Найдем значение коэффициента теплопередачи. Учитывая, то будем вести расчет как для плоской стенки:

где — коэффициенты теплоотдачи от газов к стенкам труб и от стенок к сырью соответственно,

— толщина стенки и коэффициент теплопроводности Коэффициент теплоотдачи от горячих дымовых газов рассчитаем по формуле:

здесь — конвективная и лучистая составляющая Определим коэффициент теплоотдачи излучением:

Вт/м^2· К Определим коэффициент теплоотдачи конвекцией. Для этого используем теорию подобия.

Найдем число Рейнольдса:

где м²/с — коэффициент кинематической вязкости дымовых газов при температуре 704,3 ⁰С

— средняя скорость газов,

где F — свободное сечение конвективной камеры м/с Тогда

Из справочника на стр. 54 для 10? Re = используем уравнение подобия:

Находим коэффициент теплоотдачи:

Вт/м^2· К Значит, коэффициент теплоотдачи от горячих дымовых газов будет равен:

Вт/м^2· К Определяем коэффициент теплоотдачи от нагретых стенок к сырью. Для этого воспользуемся теорией подобия. Найдем число Рейнольдса:

где м²/с — средний коэффициент кинематической вязкости Подставляем полученное значение в уравнение

Тогда

где =0,10 475 Вт/м^· К при 370 єС

Вт/м^2· К Таким образом,

Вт/м^2· К Значит, расчетное значение теплоты конвективной камеры составляет:

Необходимое число труб для подогрева бензина:

Принимаем =26 шт. (4 ряда по 6 труб) Расчетное значение теплоты конвективной камеры составит:

Следовательно, условие выполняется Уточним значение числа труб, т.к. расчет велся для одиночных труб Для пучка труб будет:

где Находим коэффициент теплоотдачи для 3−4 рядов с помощью соотношения:

Коэффициенты теплоотдачи для 1 и 2 рядов находим по следующим зависимостям:

;

;

Тогда искомое значение составит:

(1065,08 874,55) — условие выполняется

Сырье — газ

Найдем площадь сечения всех труб камеры:

где — средняя плотность сырья в интервале температур от 140єС до 630 єС

Найдем октана для двух температур:

кг/м³ кг/м³

Следовательно, средняя плотность сырья составляет

кг/м³

м²

Берем 18 труб (3 ряда по 6 труб) Уточняем значение скорости движения сырья в трубах

м/с

єС

Вт/м^2· К

— средняя скорость газов, м/с Тогда

где м²/с — средний коэффициент кинематической вязкости Подставляем полученное значение в уравнение :

Тогда

где =0,10 475 Вт/м^· К

Вт/м^2· К Тогда получаем:

Возьмем 13 секций Уточним расчет

n=· = 13· 3 = 39

=18.15

Расчетное значение теплоты конвективной камеры составит:

Следовательно, условие выполняется Высота конвективной камеры составит:

V. Гидравлический и аэродинамический расчеты

Гидравлический расчет

Определяем гидравлические потери в радиантной камере как сумму потерь на трение и местное сопротивление:

В дальнейшем потери давления определяем по формуле:

где — коэффициент гидравлического сопротивления,

— динамический напор.

Па

где — коэффициент трения, определяется качеством материала трубопровода и режимом протекания жидкости в канале

Для турбулентного режима движения в круглом канале определяем:

где мм — шероховатость труб после нескольких лет эксплуатации

Длина пути потока:

— длина поворота

Тогда

Па

По справочным данным принимаем С=1, В=1,

Тогда

Па

=0,3

Па

Таким образом, Па

Гидравлические потери в конвективной камере составляют:

Па

Полные гидравлические потери:

Па

? 0,05

34 068,59? 0,05· 2,5·

34 068,59? 12 500

Неравенство не выполняется, поэтому необходимо изменить входное давление для обеспечения необходимого технологического режима, новое значение входного давления:

В результате повышения входного давления необходим пересчет конвективной камеры

Известны следующие температуры:

Найдем суммарную площадь сечений всех труб камеры:

где — средняя плотность сырья в интервале температур от 110 до 630

.

кг/м³

кг/м³

кг/м³

Значит,

Определяем число труб в конвективной камере: берем трубы 89×6 мм

где F_тр — площадь сечения одной трубы

Примем количество труб в одной секции 18, выбираем шахматное расположение труб, 3 ряда по 6 труб.

В связи с полученным числом уточняем значение скорости движения сырья в трубах

Поверочный расчет проводим с целью определить, является ли расчетное значение теплоты конвективной камеры Q_к^расч достаточным для ее требуемого значения .

Расчетное значение находим по формуле

где К — коэффициент теплопередачи,

— средний температурный напор,

Fк — поверхность теплообмена

где l_кк — длина труб, омываемая дымовыми газами

здесь мм — толщина трубной решетки

Определяем коэффициент теплоотдачи от нагретых стенок к сырью. Для этого воспользуемся теорией подобия. Найдем число Рейнольдса:

где м²/с — средний коэффициент кинематической вязкости

Подставляем полученное значение в уравнение :

Тогда

где =0,10 475 Вт/м^· К

Вт/м^2· К

Тогда получаем:

Чтобы условие выполнялось, необходимо:

Примем 13 секций

Расчетное значение теплоты конвективной камеры составит:

Следовательно, условие выполняется и, значит, вышеприведенные расчеты верны, а работа камеры обеспечивает заданные параметры.

Аэродинамический расчет

Расчет проводим с целью определить исправность тяги. Чтобы тяга работала, необходимо, чтобы общие потери давления в печи не превышали расчетного. Разделим весь путь газов на участки:

а) потери при переходе из радиантной камеры в конвективную где:

F₀, F₁ — соответственно площади каналов, из которого выходят газы и в который они входят количество дымовых труб.

где ширина конвективной камеры, ширина радиантной камеры

Па

Па б) потери в конвективной камере Па в) Потери при переходе из конвективной камеры в трубу

Па где при 704,3°С

F₀, F₁ — соответственно площади каналов, из которого выходят газы и в который они входят количество дымовых труб.

где =1,17 м

Па г) потери в дымоходе

м/с

при °С

Па

Па

Па Значит, в общем потери составляют:

Па Определяем расчетные потери:

где — плотность воздуха при max tре для данного региона (при +25°С)

— плотность дымовых газов при

= 1,4 — коэффициент запаса

B — барометрическое давление

Па Таким образом, поставленное условие (219,92>40,89) выполняется, следовательно, тяга работает.

1. Краткий справочник физико-химических величин

2. Трубчатые печи. Каталог ЦНИИНефтеМаш

3. Теплофизические свойства теплоносителей и рабочих тел энерготехнологических процессов и установок. Методические указания. КГТУ, 2000 — 63 стр.

4. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. Н. Б. Варгафтик, М., 1972, 720 стр. с илл.