По процессам и аппаратам химической технологии

«Базовый этап технологического расчета трубчатой печи»

Вариант-96

Выполнил: ст. гр. ТП-05-01

Султанов Р.Р.

Проверил: профессор

Зиганшин Г.К.

Уфа 2007

Содержание

С.

1.Введение

2.Исходные данные

3.Расчет процесса горения топлива

4.Тепловой баланс трубчатой печи. Расчет коэффициента полезного действия

и расхода топлива

5. Выбор типоразмера трубчатой печи

6. Расчет диаметра печных труб

7. Заключение

8. Список использованной литературы

9. Графическая часть(эскиз трубчатой печи)

1. Введение

Трубчатая печь является аппаратом, предназначенным для передачи нагреваемому продукту тепла, выделяющегося при сжигании топлива, непосредственно в этом же аппарате. Нагрев в трубчатой печи может осуществляется без изменения агрегатного состояния, с частичным или полным испарением исходного продукта. При этом не меняется его физическая природа. Однако в промышленной практике нагрев сырья часто сопровождается его химический превращением.

В начальный период развития нефтеперерабатывающей промышленности для нагрева сырья использовались кубы; однако они имеют много существенных недостатков и поэтому они теперь не используются.

Трубчатые печи нашли широкое распространение в нефтеперабатывающей и нефтехимической промышленности 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 излучением, существенная часть передается конвекцией вследствие сравнительно высокой скорости движения дымовых газов. Они являются составной частью многих промышленных установок и применяются в различных технологических процессах, таких как перегонка нефти, мазута, каталитического крекинга, пиролиза и т д.

Помимо этого, трубчатые печи являются компактными аппаратами, их коэффициент

полезного действия высок, они могут обеспечивать высокую тепловую мощность. 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 осуществить автоматизацию.

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

В данной работе будет произведен следующий технологический расчет трубчатой печи: расчет процесса горения топлива; расчет теплового баланса, коэффициента полезного действия и расход топлива; выбор по каталогу типоразмера трубчатой печи; расчет диаметра печных труб.

2. Исходные данные

Произвести базовый технологический расчет трубной печи для нагрева и частичного испарения нефти со следующими исходными данными:

Производительность печи Gc = 3900т/сутки(162500 кг/час)

Начальная температура сырья

на входе в печь t₁ = 125

Конечная температура сырья t₂ = 340

Доля отгона(массовая) е = 0,38

Коэффициент избытка воздуха = 1,06

Относительная плотность сырья = 0,9

Относительная плотность

сконденсированных паров = 0,8

Состав топлива:

газ CH₄ -80%

C₂H₆ - 10%

C₃H₈ -8%

C₄H₁₀ - 2%

3. Расчет процесса горения топлива

Рассчитаем элементарный состав газового топлива, низшую теплотворную способность топлива, количество и состав продуктов сгорания, теплосодержание продуктов сгорания.

1) Определим элементарный состав газового топлива:

Содержание углерода

С=12 ,

Где n_Ci – число атомов углерода в молекулах компонентов газового топлива;

xi - концентрация компонентов в топливе, % масс;

M_i – молекулярные массы компонентов газового топлива, г/моль.

k - число компонентов в топливе;

С – содержание углерода, % масс.

С=12 ( + + + ) = 76,20 % масс

Содержание водорода

H= ,

Где n_Hi – число атомов водорода в молекулах компонентов газового топлива;

xi - концентрация газовых компонентов топливе, % масс;

M_i – молекулярные массы компонентов топлива;

k - число компонентов в топливе;

H – содержание водорода, % масс.

H= ( + + + ) = 23,80 % масс

Cделаем проверку : 76,2 + 23,8 =100 % масс.

2)Низшая теплотворная способность топлива определяется по уравнению Менделеева:

,

где - соответственно содержание углерода, водорода, серы и влаги в топливе, % масс.

кДж/кг.

3) Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива, кг/кг:

,

кг/кг.

4) Фактический расход воздуха, кг/кг:

,

кг/кг.

5) Количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива, кг/кг:

,

где - расход форсуночного пара,кг/кг.

кг/кг.

6) Количество газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива кг/кг:

,

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Проверка:

.

;

=18,99

Т.е. расчеты верны.

7) Объемный расход воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива, м³/кг:

;

м³/кг.

4. Тепловой баланс трубчатой печи. Расчет коэффициента полезного действия и расхода топлива

Согласно закону сохранения энергии уравнения теплового баланса для трубчатой печи выглядит так:

,

где , - соответственно статьи прихода и расхода тепла, кДж/кг.

Расчет теплового баланса ведется на 1 кг топлива.

Статьи расхода тепла:

,

где , , - соответственно полезно воспринятое в печи сырьем, теряемое с уходящими из печи дымовыми газами, теряемое в окружающую среду тепло, кДж/кг.

Статьи прихода тепла:

,

где - соответственно теплоемкости топлива, воздуха, форсуночного водяного пара, кДж/кг;

- соответственно температуры топлива, воздуха, форсуночного водяного пара, °С.

Явное тепло топлива, воздуха и водяного пара обычно невелико и им часто в технологических расчетах пренебрегают. Однако при анализе способов, способствующих повышению коэффициента полезного действия трубчатой печи, эти статьи прихода тепла необходимо учитывать.

Итак, уравнение теплового баланса запишется в следующем виде:

,

или

,

откуда определяется коэффициент полезного действия трубчатой печи:

,

где - соответственно потери тепла с уходящими дымовыми газами и потери тепла в окружающую среду в долях от низшей теплотворной способности топлива.

Потери тепла в окружающую среду составляют 3-8%. Принимаем потери тепла в окружающую среду 5%.

Температура уходящих дымовых газов, °С:

,

где - температура нагреваемого продукта на входе в печь, °С

- разность температур теплоносителей на входе сырья в змеевик камеры конвекции, °С.

°С.

При естественной тяге в печи не должна быть меньше 250 °С, что мы и получили = 275 °С.

Теперь, зная температуру уходящих дымовых газов, рассчитаем продуктов сгорания на 1 кг топлива при заданной температуре :

,

где - температура продуктов сгорания, К;

- средние массовые теплоемкости продуктов сгорания, , [4, табл. ХХVΙΙ с.528].

С помощью интерполяции рассчитаем массовые теплоемкости продуктов сгорания при = 275 °С , в справочнике даны мольные теплоемкости газов, нужно перевести их в массовые, разделив данные значения на молярные массы продуктов сгорания:

С_CO2 = + ;

С_H2O = + ;

С_O2 = + ;

С_N2 = + ;

С_SO2 = + .

Поэтому теплосодержание продуктов сгорание будет равно:

Коэффициент полезного действия трубчатой печи:

;

Для трубчатых печей значение коэффициента полезного действия находится в пределах от 0,65 до 0,85. Полученное значение ή = 0,83 удовлетворяет данному пределу.

Расчет полезной тепловой нагрузки трубчатой печи:

,

где - производительность печи по сырью, кг/ч;

G = 3900 т/сутки =

, , - соответственно теплосодержание паровой и жидкой фазы при температуре , жидкой фазы (сырья) при температуре , кДж/кг;

- доля отгона сырья на выходе из змеевика трубчатой печи.

Теплосодержание паров нефтепродуктов определяется по уравнению, кДж/кг:

;

Теплосодержание жидких нефтепродуктов определяется по уравнению, кДж/кг:

,

где - температура, при которой определяется теплосодержание нагреваемого продукта, °С.

кДж/кг.

кДж/кг;

кДж/кг;

кДж/ч,(25,71*10⁶ ккал/ч)

Определение полной тепловой нагрузки печи, кДж/ч:

;

кДж/ч,(30,98*10⁶ ккал/ч)

Часовой расход топлива рассчитывается по формуле, кг/ч:

;

кг/ч.

Во втором пункте данной работы был произведен расчет коэффициента полезного действия трубчатой печи 3, полезная тепловая нагрузка печи =25,71*10⁶ ккал/ч и часовой расход топлива В=2571,63 кг/ч.

Коэффициент полезного действия удовлетворяет пределу значений КПД для трубчатых печей (от 0,65 до 0,85).

Обычно температуру уходящих из печи дымовых газов рекомендуется принимать на 100-150°С выше температуры сырья, поступающего в конвекционную часть печи. В данной работе температура уходящих газов на 150°С выше и равна = 275 °С. Данная температура выше 250 °С, что обеспечивает нормальную работу печи.

Разность температуры сырья, поступающего в камеру конвекции намного больше температуры отходящих дымовых газов, -t = 275-125=150°С, это способствует более эффективной передаче тепла в камере конвекции и, следовательно, требуется меньшая поверхность конвекционных труб.

5. Выбор типоразмера трубчатой печи

Выбор типоразмера трубчатой печи осуществляется по каталогу [3] в зависимости от ее теплопроизводительности, назначения и вида топлива. Так как в данной работе топливо газообразное, теплопроизводительность печи =25,71*10⁶ ккал/ч, то выбираем печь типа Б( узкокамерная с беспламенным сжиганием газового топлива, нижним отводом дымовых газов и горизонтальным расположением труб змеевика). По таблице «Техническая характеристика трубчатых печей Б» выбираем печь ББ2 .

Техническая характеристика печи типа ББ2 :

Радиантные трубы: рабочая длина, м поверхность нагрева, м2 Теплопроизводительность(при средне допускаемом теплонапряжении радиантных труб для печей ББ2 – 50 000 ккал/м2 ч), ккал/ч Габаритные размеры (с площадками для обслуживания), м: длина L ширина высота Вес, т: металла печи (без змеевика) футеровки (подвесной кладки)

26*106   8,4 8,8

При выборе типоразмера трубной печи выбрали по ГОСТу более высокую теплопроизводительность =26*10⁶ ккал/ч, чем было рассчитано( =25,71*10⁶ ккал/ч). То есть, остается на запас.

Для трубной печи типа ББ2 по каталогу [ ] выберем горелку. Так как выбранная печь работает только на газовом топливе, то горелку соответственно выбираем газовую. Беспламенная панельная горелка типа ГПБш( ТУ 26-02-921-83) предназначены для сжигания газообразного топлива постоянного состава, не содержащего конденсата, механических примесей и сернистых соединений.

Техническая характеристика горелки ГБПш-280:

Тепловая мощность, ккал/ч 280000

Код ОКП 36 8941 006

Давление перед горелкой:

мазута и пара, МПа (кгс/см² ) 0,001 – 0,25

(0,01 – 2,5)

Диаметр смесителя, мм 70

Трубки:

Диаметр* толщина, мм 10*14

Количество 196

Шаг между трубками, мм 35,7*36,7

Габаритные размеры,мм

L 850

B 500

Масса, кг 36,5

Типоразмер горелки выбрали в соответствии с заданной мощностью из каталога, [ ].

Количество горелок определяем разделив полезную тепловую мощность трубчатой печи на теплопроизводительность одной горелки: n = = = 93 шт.

6. Расчет диаметра печных труб

На данном этапе по результатам расчета выбираются стандартные размеры труб (диаметр, толщина и шаг). При этом используется следующий алгоритм расчета.

Определяется объемный расход нагреваемого продукта:

,

где G_с– производительность печи по сырью, т/сут;

- плотность продукта при средней температуре t_ср, кг/м³.

Пересчет относительной плотности от одной температуры к другой производится по формуле:

,

где - температурная(средняя) поправка на один градус

,

t_ср рассчитываем как средне арифметическую:

t_ср = ,

t_ср = = 232,5

.

Объемный расход нагреваемого продукта:

.

Площадь поперечного сечения трубы определяется уравнением:

,

где n – число потоков, число потоков принимаем равным n=2, поскольку в данном типе печи две камеры радиации;

W – допустимая линейная скорость продукта, м/с,

d_вн – расчетный внутренний диаметр трубы, м.

При нагреве нефти линейную скорость можно принять в пределах ,(из лекций по процессам и аппаратам). Принимаем линейную скорость нефти

Из уравнения рассчитывается внутренний диаметр трубы:

,

Вибираем стандартный d_н по таблице 5:

d_н = 0,152м,

толщину стенки труб принимаем равной = 0,008 м

d_вн = d_н - 2* ,

d_вн = 0,152 - 2*0,008 = 0,136м.

Определим фактическую скорость продукта:

При выборе диаметра печных труб, принимаем по ГОСТу большее значение. То есть, линейная скорость потока сырья будет ниже, следовательно, турбулентность потока тоже уменьшится. Это приведет к уменьшения коэффициента теплопередачи, т.е. интенсивность теплообмена будет ниже.

Заключение

В данной работе был произведен базовый технологический расчет трубной печи для нагрева и частичного испарения нефти. Расчитанны основные показатели работы печи: полезная тепловая нагрузка (количество тепла, воспринимаемое сырьем в печи) =21,3 10⁶ ккал/ч, коэффициент полезного действия печи (величина, характеризующая полезно используемую часть тепла, выделенную при сгорании топлива) 3, который удовлетворяет пределу значений КПД для трубчатых печей (от 0,65 до 0,85).

Так же был произведен расчет процесса горения топлива. Данное газообразное топливо содержит H - 23,15 % масс и С - 76,85 % масс, имеет постоянный состав, не содержит конденсата, механических примесей и сернистых соединений.

Составлен тепловой баланс трубчатой печи (составляется применительно к некоторому отрезку времени, например к одному часу или ко времени, в течение которого сжигается один кг топлива): = 49905,61 кДж/кг.

Температуру уходящих из печи дымовых газов рекомендуется принимать на 100-150°С выше температуры сырья, поступающего в конвекционную часть печи. В данной работе температура уходящих газов на 150°С выше и равна = 270 °С. Данная температура выше 250 °С, что обеспечивает нормальную работу печи.

Разность температуры сырья, поступающего в камеру конвекции намного больше температуры отходящих дымовых газов, -t = 270-120=150°С, это способствует более эффективной передаче тепла в камере конвекции и, следовательно, требуется меньшая поверхность конвекционных труб.

Выбран типоразмер трубчатой печи. Так как в данной работе топливо газообразное, теплопроизводительность печи =21,3 10⁶ ккал/ч, то выбрали печь типа ББ2 . К данной печи была подобрана беспламенная панельная горелка типа ГПБш-280, предназначенная для сжигания газообразного топлива постоянного состава, не содержащего конденсата, механических примесей и сернистых соединений, в количестве 91 шт.

Рассчитаны и подобраны диаметры для печных труб: dн = 0,127м и dвн = 0,111м. При выборе диаметра печных труб, принимаем по ГОСТу большее значение. То есть, линейная скорость потока сырья будет ниже, следовательно, турбулентность потока тоже уменьшится. Это приведет к уменьшения коэффициента теплопередачи, т.е. интенсивность теплообмена будет ниже.

8. Список использованных источников

1. Зиганшин Г.К. Технологический расчет трубчатой печи на ЭВМ. Методическое пособие к лабораторным и практическим занятием, курсовому и дипломному проектированию. УГНТУ,1997.

2. Скобло А.И., Трегубова И.А., Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. – М.: Химия, 1982.-584 с.

3. Трубчатые печи: Каталог/ Под ред. Ц.А. Бахшляна. – М. ВНИИхимнефтемаш,

4. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – М.: ООО «РусМедиаКонсалт», 2004. – 576 с.

5. Горелки для трубчатых печей: Каталог. Изд. 5-ое. – М. ЦИНТИхимнефтемаш,М.:1990.