КомпонентыCpmi,
кДж/(кмоль∙град.)Ni∙Cpmi
|
|
|
CO2
|
47,60
|
3,33
|
H2O
|
36,96
|
3,04
|
N2
|
30,61
|
16,34
|
Сумма
|
|
24,05
|
Количество тепла, передаваемое нагреваемому
продукту через радиантную поверхность, определяется по уравнению
(4.1)
Q
p=0,77∙(47029∙0,87-44,4∙703,1)=21236
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 20489/700=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=127х8,
тогда внутреннее сечение трубы
Sт=
3,14∙(0,127-2∙0,08)2/4= 0,00968 м2.
Секундный объем нагреваемого продукта
Vc=Gc/204,
(5.1)
Vc=44,4/874=0,0477
м3/с.
Скорость нагреваемого продукта на входе в печь
w=Vc/Sт,
(5.2)
w
=0,0477/0,00968=4,93 м/с.
при двух параллельных потоках w=4,93/2=2,46
м/c, что допустимо.
6.
Поверочный расчет топки
.1 Максимальная температура горения определится
по уравнению
, (6.1)
Твых=10+ 0,955∙47029/44,4+273,2=1913
К.
.2 Определяем температуру продукта на входе в
радиантные трубы
Количество тепла, переданное продукту в камере
конвекции по уравнению
, (6.2)
QК=31569-21236=10333
кВт.
Теплосодержание продукта на входе в камеру
радиации найдем по уравнению
qрк=
359+ 10333/44,4= 548 кДж/кг.
По уравнению находим, что найденному теплосодержанию
соответствует температура продукта на входе в камеру радиации
(6.3)
tрк=244
0С.
.3 Принимаем среднюю температуру наружной стенки
труб на 30 0 выше средней температуры продукта в камере
радиации
=(tpk+tk)/2
+30+273,2,
(244+375)/2+30+273,2=613
K.
.4 Коэффициент теплоотдачи конвекцией в камере
радиации определится по уравнению
(6.4)
=0,00917 кВт/(м2∙град).
.5 Определим все величины, необходимые для
расчета эквивалентной абсолютно черной поверхности
Количество тепла, переданное в топке конвекцией
pk
= akp×HP(TP
- q),
(6.5)pk
=0,00917∙700∙(976,1-613)=2333
кВт.
Потери тепла через стенки топки
, (6.6)пот
=1697
кВт.
Температура газа в топке определяется по
уравнению
. (6.7)
TV=
1159 K.
Соответствующие степени черноты: eH
= eF
= 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
SF=
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)
=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)
HS
м2.
6.6 Температурная поправка теплопередачи в топке
определится по уравнению
, (6.14)
К.
.7 определим
аргумент излучения
, (6.15)
Х=4,55.
.8 Характеристику излучения определим по
уравнению
, (6.16)
=0,561.
6.9 Температура дымовых газов на выходе из топки
ТР =b∙(Тmax
- Dq)-273,2,
(6.17)
ТР =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)
Qк=31569-0,919∙(47029∙0,955-50,4
703,1)=6854 кВт.
Предварительное значение поверхности
конвекционных труб определяем по уравнению
, (7.2)
Fк
=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=102х8,
при этом внутреннее сечение трубы
т=
3,14∙(0,102-2∙0,08)2/4= 0,00581 м2.
скорость
продукта на входе в камеру конвекции
w=Vc/Sт
,
(7.3)
w
=0,0477/0,00581=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
1=1,5∙d=
1,5∙0,102=0,153 м.
Тогда расстояние между осями рядов
2=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
=1,89∙(S1+S2)-4,1∙d
,
S=1,89∙(0,153+0,132)-4,1∙0,102
=0,121 м.
диоксида углерода
, (7.4)
РСО=0,0700/0,7757∙105=9024
Па,
- водяных паров
,
(7.5)
РНО=0,0822/0,7757∙105=10620
Па.
Средняя температура дымовых газов в камере
конвекции
Tm=( ТР
-T2)/ln(ТР/
T2), (7.6)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=(tpk+tн)/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
Компоненты
|
Mi
|
кмоль/кг
|
Доли мольные (xi)
|
xi ∙Mi
|
Доли массовые (x′i)
|
CO2
|
44
|
0,0700
|
0,0902
|
3,97
|
0,1384
|
H2O
|
18
|
0,0822
|
0,1060
|
1,91
|
0,0665
|
N2
|
28
|
0,5719
|
0,7372
|
20,64
|
0,7195
|
Сумма
|
|
0,7757
|
1,0000
|
28,69
|
1,0000
|
таблица
7.2 - Расчеты динамической вязкости, теплопроводности и истинной теплоемкости
дымовых газов
Компоненты
|
|
|
|
|
Cpi
|
Cpi x′i
|
CO2
|
34,17
|
0,1162
|
44,85
|
4,047
|
1,138
|
0,157
|
H2O
|
28,76
|
0,0663
|
71,26
|
7,553
|
2,208
|
0,147
|
N2
|
33,27
|
0,6204
|
56,45
|
41,620
|
1,107
|
0,796
|
Сумма
|
|
0,8598
|
|
57,306
|
|
1,179
|
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)
fr=(1,8-12∙0,102)∙3,9=2,246
м2,
где bK
- 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=
13732.
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)
FК=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 РН= 2,05 МПа.
Для заданной нефти рассчитываем температуру
начала испарения при РН= 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 РН=
2,05 МПа.
Наименование параметра
|
Величина
|
Единица измерения
|
Массовая доля отгона
|
0
|
|
Мольная доля отгона
|
0
|
|
Давление
|
2,05
|
МПа
|
Температура
|
369,3
|
°C
|
Плотность жидкости
|
0,874
|
г/см3
|
Плотность пара
|
0,789
|
г/см3
|
Энтальпия жидкости
|
913,0
|
кДж/кг
|
Энтальпия пара
|
1115,7
|
кДж/кг
|
Молекулярная масса сырья
|
254,2
|
|
Плотность сырья
|
0,874
|
г/см3
|
Из расчетов находим, что давлению РН=
2,05 МПа соответствует температура начала однократного испарения TНИ=
379,3 0С.
Определим теплосодержание нефти в конце
рассчитываемого участка (на выходе из печи) при температуре T2
=tк
, (8.1)
qT2=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 РН= 2,05 МПа
Компонент № п/п
|
xL
|
Однократное испарение
|
ti∙yi
|
Mi∙yi
|
|
|
xi
|
yi
|
Pi
|
xм
|
yм
|
|
|
1
|
0,2000
|
0,2000
|
0,6408
|
6,572
|
0,0865
|
0,5342
|
73,9
|
70,7
|
2
|
0,1000
|
0,1000
|
0,1600
|
3,278
|
0,0559
|
0,1722
|
26,4
|
22,7
|
3
|
0,1000
|
0,1000
|
0,0926
|
1,897
|
0,0653
|
0,1164
|
18,6
|
15,3
|
4
|
0,1000
|
0,1000
|
0,0537
|
1,101
|
0,0756
|
0,0782
|
12,6
|
10,2
|
5
|
0,1000
|
0,1000
|
0,0303
|
0,620
|
0,0873
|
0,0509
|
8,1
|
6,7
|
6
|
0,1000
|
0,1000
|
0,0157
|
0,321
|
0,1023
|
0,0309
|
4,8
|
4,0
|
7
|
0,1000
|
0,1000
|
0,0064
|
0,132
|
0,1243
|
0,0154
|
2,3
|
2,0
|
8
|
0,2000
|
0,2000
|
0,0005
|
0,005
|
0,4028
|
0,0018
|
0,2
|
0,2
|
Сумма
|
1,0000
|
1,0000
|
1,0000
|
|
1,0000
|
1,0000
|
147,0
|
131,8
|
Эквивалентная длина одного потока радиантных
труб определяем по уравнению
LЭКВ=nLmp+
(n-1)∙Y∙dвн
, (8.2)
Lэкв=
140∙12,9+(140-1)∙50∙(0,127-2∙0,008)=2577
м.
Расчетная длина участка испарения определяем по
уравнению
, (8.3)
Lи=665
м
Коэффициент гидравлического сопротивления
принимаем равным l=0,024.
Секундный расход исходной нефти для одного
потока
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+(1,317520-1,8256)∙(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=6306800000.
Давление в начале участка испарения определим по
уравнению
, (8.8)
РН
=2050000 Па =2,05 МПа.
Определяем эквивалентную длину участка нагрева
=-=2577-665=912
м.
Коэффициент гидравлического сопротивления примем
равным l=0,032.
Средняя температура на участке нагрева t=(369,3+244)/2=307
0С.
Средняя плотность нефти на этом участке
t=20+(1,317520-1,8256)∙(t-20),
(8.9)
=874+(1,3175∙876-1,8256)∙(307-20)=681
кг/м3.
Массовая скорость нефти на один поток
UC=GC/SТ,
(8.10)
UC=
22,2/0,00968 =2153 кг/(м2∙с).
Потери напора в змеевике на участке нагрева
камеры радиации
, (8.11)
=1880000 Па =1,88
МПа.
Определим эквивалентную длину участка нагрева
LН
=n∙Lmp+
(n-1)∙Y∙dвн
, (8.12)
= 90∙3,9+
(90-1)∙50∙(0,102-2∙0,008)=734 м.
Коэффициент гидравлического сопротивления
принимаем равным l=0,032.
Средняя температура на участке нагрева
t=(tpk+tн)/2,
(8.13)
t= (244+150)/2=182 0С.
Средняя плотность нефти на этом участке
t=20+(1,317520-1,8256)∙(t-20),
(8.14)
=874+(1,3175∙876-1,8256)∙(207-20)=748
кг/м3.
Массовая скорость нефти на один поток
UC=GC/(2∙SТ),
(8.15)
= 44,4/(2∙0,00581)
=897 кг/(м2∙с).
Потери напора в змеевике на участке нагрева
камеры радиации определяем по формуле
, (8.16)
= 147000 Па =0,15
МПа.
Максимальная высота печи 14,7 м.
Средняя температура
=(tk+tн)/2=
(375+150)/2=247 0С.
Средняя плотность нефти на этом участке
t=20+(1,317520-1,8256)∙(t-20),
(8.17)
=874+(1,3175∙876-1,8256)∙(273-20)=704
кг/м3.
DРСТ = 9,81∙h∙rж
,
(8.18)
DРСТ =9,81∙14,7∙704=100000
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
.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
e=b(5,4+3,4∙m)Re-0,28
, (9.1)
=1∙(5,4+3,4∙15)
∙13732-0,28 =3,91.
Средняя температура дымовых газов t=tм=513,4
0С.
Плотность дымовых газов при средней температуре
равна
гt=МГ∙273,2/(22,4∙ТГ),
(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.
.2
Определяем величины эффекта самотяги
Плотность воздуха
rв=1,29∙273,2/303,3=1,16
кг/м3.
гt=МГ∙273,2/(22,4∙ТГ),
(9.4)
гt =28,69∙273,2/(22,4∙(350+273,2))=0,56
кг/м3.
Высота газового тракта определяется принимаем
равным hГ=14,7
м
величины
эффекта самотяги газового тракта
DРТ = 9,81∙hr∙(rв
- rг),
(9.5)
DРТ = 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 [9] 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)
DРм =130,0
Па.
9.4
Определяем величины для определения высоты дымовой трубы
Расход дымовых газов
G=∑Ni∙МГ∙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
==2,41 м.
Принимаем D=2,4
м.
Задаемся температурой дымовых газов на выходе из
трубы Тух=600К.
Плотность дымовых газов при средней температуре
в трубе
гt=МГ∙273,2/(22,4∙Тух),
(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 lт=0,014.
Высота дымовой трубы определится по уравнению
(11.9)
, (9.9)
hтр==31
м.
.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
Компоненты
|
|
|
|
|
Cpi
|
Cpi x′i
|
CO2
|
28,06
|
0,1415
|
35,57
|
3,209
|
1,062
|
0,147
|
H2O
|
21,62
|
0,0883
|
49,64
|
5,262
|
2,089
|
0,139
|
N2
|
28,30
|
0,7295
|
47,21
|
34,801
|
1,070
|
0,770
|
Сумма
|
|
1,0267
|
|
46,607
|
|
1,131
|
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=
392810.
Определяем коэффициент теплоотдачи к стенке
трубы
, (9.13)
=0,021∙1,05∙3928100,8∙0,6780,43∙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
Компоненты
|
Cpmi, кДж/(кмоль∙град.)
|
Ni∙Cpmi
|
CO2
|
42,61
|
2,98
|
H2O
|
35,76
|
2,94
|
N2
|
29,50
|
16,87
|
Сумма
|
|
24,39
|
Количество тепла, теряемое через стенку трубы,
определяется по уравнению
QПОТ = B∙G∙Cpm∙(tг
- tух), (9.14)ПОТ =0,919∙24,39∙(350- 327)=520
кВт.
Поверхность трубы
нт=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.