Расчет трубчатой печи пиролиза углеводородов

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

Содержание

Задание.     Расчет процесса горения.     Определение конструктивной схемы печи.         Поверочный расчет радиантной камеры.         Поверочный расчет конвективной камеры.      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

ρ =0.886 кг\

Время пребывания пирогаза в зоне реакции τ = 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 , ºС - 110

Температура продукта на входе в радиантную камеру , ºС - 630

Температура продукта на выходе из радиантной камеры , ºС - 780

Бензин 140 - бензиновая фракция с температурой кипения до 140 ºС ( 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 α 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

,935 + 72572 +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

= 1,474771,8 +2,434626,2 +10,767526,5 +0,1614551 = 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) = 568395 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) = 16883125 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

. 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=13600, 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 δ=8мм. Тогда сечение трубопровода составляет:

м²

Следовательно,

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

,

pv=RT, p=RTρ, 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: =950ºС - 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 λ_ж потока среды находим по формуле

,

где λ_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

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,

ΔТ - 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 ΔТ:

,

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:

 - 1298,67 = 201,32 > 5 K

Найдем новое значение

При Х значение

,67 - 1280,89 = 17,78 > 5 K

Найдем новое значение

При Х значение

,89 - 1286,52 = 5,63 > 5 K

Снова найдем новое значение

При Х значение

,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:

ºС, ºС,

ºС,  ºС

Необходимо учесть:

1)      При температуре от 110 ºС до 140 ºС: сырье - жидкость

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

2)      При температуре от 140 ºС до 630 ºС: 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 110ºС до 140 ºС

,

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 89х6 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:

 ºС

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 =0,10475 Вт/м^·К при 370 ºС

 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 140ºС до 630 ºС

,

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

 ºС

 Вт/м^2·К

- средняя скорость газов,

м/с

Тогда

,

,

,

где м²/с - средний коэффициент кинематической вязкости

Подставляем полученное значение в уравнение :

Тогда

,

где =0,10475 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

,59 ˂ 0,05·2,5·

,59 ˂ 12500

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 89х6 мм

,

где F_тр - площадь сечения одной трубы

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 =0,10475 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.

Литература

1.       Краткий справочник физико-химических величин

.        Трубчатые печи. Каталог ЦНИИНефтеМаш

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

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