Расчет печи шатрового типа

Расчет печи шатрового типа

Введение

Нефть представляет собой горючий материал, ее теплота сгорания выше, чем у твердых горючих полезных ископаемых (угля, сланца, торфа), и составляет около 42 МДж/кг. В отличие от твердых горючих ископаемых нефть содержит мало золы.

По внешнему виду нефть - маслянистая жидкость, флуоресцирующая на свету. Цвет нефти зависит от содержания и строения, содержащихся в ней смолистых веществ; известны темные (бурые, почти черные), светлые и даже бесцветные нефти. Нефть легче воды и почти нерастворима в ней. Вязкость нефти определяется ее составом, но во всех случаях она значительно выше, чем у воды.

Свое название нефть получила от персидского слова нафата, означающего просачивающаяся, вытекающая. Происхождение нефти является одной из наиболее сложных проблем современной науки. Значительное большинство геологов и химиков являются сторонниками теории органического происхождения нефти, однако отдельные ученые считают, что нефть образуется в природе абиогенным способом, за счет различных химических превращений неорганических веществ.

Одним из первых выдвинул теорию неорганического происхождения нефти Д.И. Менделеев (1877 г.). Согласно его гипотезе, углеводороды нефти образовались в результате взаимодействия воды с находящимися в недрах земли карбидами металлов. Хотя, в принципе, такие реакции имеют место, с помощью карбидной теории невозможно объяснить появление в составе нефти огромного количества углеводородов разнообразного строения; непонятно также, как могла попасть вода из области низких давлений на поверхности Земли в область высоких давлений, существующих в недрах Земли.

Значение нефти для энергетики, транспорта, различных отраслей промышленности чрезвычайно велико. Из нефти вырабатываются всевозможные виды жидкого топлива (бензин, керосин, дизельное, газотурбинное, котельное топлива), смазочные и специальные масла, пластичные смазки, парафин, технический углерод (сажа), битумы, нефтяные коксы и другие товарные продукты.

1. Технологическая часть

.1 Назначение и краткая характеристика процесса

Проектируемая печь находится на установке каталитического крекинга, который предназначен для получения высокооктанового бензина.

Сырье нагревается в теплообменниках в проектируемой печи от 200 до 380 °C, смешивается с водяным паром и поступает в подъемный стояк катализаторопровода, подхватывая частички регенерированного катализатора, движущегося из регенератора. Смесь сырья, водяного пара и катализатора проходят через отверстия распределительной решетки реактора и попадает в кипящий слой катализатора. При контакте сырья и катализатора в подъемном стояке и кипящем слое происходят реакции крекинга. Продукты реакции поднимаются в верхнюю часть реактора, проходят через трехступенчатые циклоны, в которых определяется унесенный катализатор, и направляется в колонну на разделение.

Продукты, полученные на установке или блоке имеют следующие применения:

углеводородный газ - содержит 80-90% (масс) предельных и непредельных углеводородов С-С, направляется на разделение на газофракционирующие установки;

бензиновая фракция н.к.-180 °C - используется как компонент карбюраторного топлива. О.ч.=85;

легкий газойль, фракция 180-350 °C - применяется как компонент дизельного топлива;

тяжелый газойль, фракция > 350 °C. Используется как сырье для термокрекинга, как компонент котельного топлива.

1.2 Устройство аппарата и обоснование его конструкции

Печь шатрового типа состоит из камеры конвекции, где расположены конвекционные трубы. В камере радиации различают три экрана. Экран - ряд труб расположенных в одной плоскости. Различаю боковой, подовый и потолочный экраны. Камера конвекции разделена от камеры радиации перевальной стенкой, верхняя часть которой называется перевалом.

Сырье двумя потоками подается в камеру конвекции, где предварительно подогревается теплом отходящих дымовых газов. Далее оно проходит все экраны камеры радиации, где принимает основную долю тепла. Два потока сырья объединяются на выходе из печи и поступают по назначению.

Топливо сгорает в камере радиации, поэтому ее называют топочной. При сгорании топлива образуются дымовые газы, которые переходят через перевал и омывают конвекционные трубы, затем поступают в дымоход и дымовую трубу за счет тяги, которая создается разностью плотностей горячих дымовых газов и холодного атмосферного воздуха.

Камера радиации называется радиантной, так как основной способ передачи тепла в камере - радиация. Источниками излучения служат факел, кладка печи, дымовой газ.

Камера конвекции называется конвекционной, так как основной способ передачи тепла - конвекция.

Несмотря на то, что печь шатрового типа уступает по многим показателям вертикально-факельным печам, она надежна по строению и удобна в эксплуатации.

2. Расчётная часть

топливо горение конвекция камера

Исходные данные:

1)      Производительность печи , 180000 кг/ч (50 кг/с);

)        Вид сырья - мазут;

)        Вид жидкого топлива - мазут;

)        Плотность сырья , 900 кг/м³;

)        Плотность топлива , 0,9;

)        Содержание серы в топливе , 1,7 % масс;

)        Температура входа сырья в печь ₁, 360 ⁰C (633 ⁰К);

)        Температура выхода сырья из печи ₂, 410 ⁰C (683 ⁰К);

)        Доля отгона , 0,3;

)        Полная длина трубы _пол, 15 м;

)        Диаметр труб , 102  6 м.

2.1 Расчет процесса горения

Характеризующий фактор К

где Т-температура кипения топлива, ;

- относительная плотность топлива.

Содержание углерода в топливе

По монограмме определяем содержание водорода, % масс, /1/

Н = 12,4 %

Находим содержание углерода С, % масс

С=100-(Н+S)

С=100-(12,4+1,8) =85,9 %

Теплота сгорания топлива

Теплота сгорания топлива , кДж/кг

,

где С - содержание углерода в топливе, %;

Н - содержание водорода в топливе, %;

О - содержание серы в топливе, %;

S - содержание серы в топливе, %;

W - содержание влаги в топливе, %.

 = 339*85.9+1030*12.4-109(О-1.7)-0=41706,8 кДж/кг

Теоретический расход воздуха, необходимый для сжигания 1кг жидкого топлива L₀, кг/кг

где С, Н, S, O- содержание в топливе углерода, водорода, серы и кислорода, в % масс.

Теоретически необходимый объем воздуха V₀, м³/кг

где 1,293- плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м³.

 м³/кг

Действительный расход воздуха

Коэффициент избытка воздуха зависит от рода топлива и от метода сжигания. Для жидкого топлива α=1,2÷1,5 /1/

Принимаем α=1,5

L=αL₀

L=1,5*14,23=21,34 кг/кг

Действительный объем воздуха V, м³/с.

V=1,5*15,01=16,51 м³/с

Состав продуктов горения

Вычисляем количество продуктов горения: сумма углекислоты и сернистого газа , кмоль/кг определяется по формуле:

Содержание водяных паров в продуктах горения , кмоль/кг, определяют по формуле

где - количество водяного пара, подаваемого на распыление топлива, кг/кг.

Принимаем =0,3 кг/кг

Общее содержание азота и избыточного кислорода в продуктах горения

Общее количество продуктов горения, кмоль/кг, находим по формуле

Общий объем продуктов горения, м³/кг

_п.г=22,4(∑N)

V_п.г=22.4*0,75 = 16,8 м³/кг

Вес продуктов горения 1 кг топлива, кг/кг

G=1.5*14.23+1+0.3=22.64 кг/кг

.2 Коэффициент полезного действия и расход топлива

Температура отходящих газов является определяющей для коэффициента полезного действия печи и обычно ее принимают на 100-150 выше температуры продукта, поступающего в печь. /1/

Принимаем t₂ =360+100=460

где  -теплоемкости продуктов горения при температуре отходящих дымовых газов, кДж/кмоль /1/;

t₀ - температура окружающего воздуха,  (принимаем t₀=20)

t₂ -температура отходящих газов,

Q₂ кДж/кг

Потери тепла с отходящими газами, q₂, в %

Принимаем потери тепла излучением  и  5%. Потерями тепла от химической и механической неполноты горения пренебрегают q₃=0 и q₄=0

Принимаем

КПД топки- это доля полезного тепла, используемого в топке, η_Т. Находится в пределах 0,950-0,988 и по формуле

КПД печи- это доля полезного тепла, используемого в печи, η. Находится в пределах 0,6-0,85 и по формуле

Расход топлива В, кг/с, находится по формуле

Максимальная температура горения

Предварительно задается температура газов на перевале (700-890)

Принимаем

Средняя теплоемкость продуктов горения 1 кг топлива при температуре газов на перевале С_ср, кДж/кг

С_ср

где  - теплоемкости продуктов горения при температуре перевала, кДж/кмоль /1/

Максимальная температура горения t_max,

.3 Тепловой расчет камеры радиации

Количество тепла, переданное сырью через радиантную поверхность Q_p, кВт

)

 8876,6кВт

Тепло, переданное через конвекционную поверхность Q_к, кВт

 кВт

Энтальпия сырья на входе в радиантные труб i_к,кДж/кг

По таблице зависимости энтальпии от температуры, находим температуру t_k /2/

t_k=372

Средняя температура экрана камеры радиации  (температура стенки),

где - температура сырья на выходе из печи,

- разность температур между наружной поверхностью радиантных труб и температурой сырья. Принимается 30-60

Принимаем

Скорость сырья на входе в печь

Сечение труб S, м², вычисляют по формуле

Скорость продукта на входе в печь при двух параллельных потоках , м/с

Общее количество тепла, введенного в топку Q, кВт

где - теплоемкость воздуха, кДж/кг (принимается 1 кДж/кг);

- температура воздуха,

Тепловая напряженность поверхности нагрева радиантных труб при температуре стенки q_st, кВт/м²

По графику находим при Т_max и t_p значение , кВт/м² /1/

По графику находим при t_p и при  поправочный коэффициент , следовательно, q_st, кВт/м², определяется по формуле

Эквивалентная абсолютно черная поверхность H_s, м²

Отношение

Для печи с однорядным экраном одностороннего облучения предварительно задаемся степенью экранирования кладки  (принимается в пределах 0,3-0,5) /1/

При известных значениях коэффициента избытка воздуха α степени экранирования , отношение  находим по графику /1/

Эффективная лучевоспринимающая поверхность

Эффективная лучевоспринимающая поверхность H_л, м², вычисляется по формуле

Принимается 0,87

Поверхность радиантных труб , м², вычисляют по формуле

Поверхность одной трубы F_mp=3,14

l=14-2*0,2=14,6 м

Число труб в радиантной камере n, шт., вычисляют по формуле

.4 Проверочный расчет камеры радиации

Величина неэкранированной поверхности F, м², вычисляют по формуле

Более уточненное значение абсолютно черной поверхности H_s, м²

где  может быть определена в зависимости от коэффициента избытка воздуха по приближенному уравнению

где  и  - степени черноты экрана могут быть приняты

 /1/

 - функция зависит от распределения температур в топке и в среднем равна

 /1/

 - коэффициент, который определяют по формуле

где  - угловой коэффициент взаимной видимости экрана и кладки, вычисляем по формуле

Коэффициент теплоотдачи свободной конвекции ,

Характеризует превышение предельной теплопередачи конвекцией над обратным излучением экрана ,

где  - постоянная излучения абсолютно черного тела, кВт/м²⁴

- средняя температура экрана,

T_max - максимальная температура горения,

Принимаем

По графику находим значение характеристики излучения  в зависимости от аргумента излучения Х. /1/

Температура газов на перевале Т_р,  вычисляют по формуле

Обычно значение коэффициента прямой отдачи µ в трубчатых печах лежит в пределах 0,4-0,6 и вычисляется по формуле

Тепло, переданное радиантным трубам в обеих камерах Q_p, кВт, вычисляют по формуле

Тепловая напряженность радиантных труб q_н, кВт/м², вычисляют по формуле

 кВт/м²

2.5 Тепловой расчет камеры конвекции

Тепловая нагрузка камеры конвекции Q_k, кВт, вычисляют по формуле

Энтальпия сырья на выходе из камеры конвекции , кДж/кг, вычисляют по формуле

По таблице энтальпии находим температуру сырья t_k на выходе из камеры конвекции, соответствующую i_k /2/

t_k = 641

Средняя температура газов в камере конвекции t_cp, , вычисляют по формуле

Живое сечение камеры конвекции f_k, м², вычисляют по формуле

Коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к трубам , кВт/м², вычисляют по формуле

Эффективная толщина газового слоя S, м, вычисляют по формуле

S=3.49*0.204-4,1*0.102=0.29 м

По графику находим коэффициент a, зависящий от толщины газового слоя и от типа топлива (жидкое) при значении S /1/

Принимаем α=0,82

Средняя температура наружной поверхности конвекционных труб

Средняя температура наружной поверхности конвекционных труб , , вычисляют по формуле

Коэффициент теплоотдачи излучением

Находим коэффициент теплоотдачи излучением α_р, кВт/м²

кВт/м²

Коэффициент теплопередачи К, кВт/м²К, вычисляют по формуле

К=1,1( кВт/м²К

Средняя логарифмическая разность температур

Потребная поверхность нагрева конвекционных труб H_k.mp, м², вычисляют по формуле

Число труб n, шт. вычисляют по формуле

Литература

1 Адельсон С.В. Процессы и аппараты нефтепереработки и нефтехимии. М., Гостоптехиздат, 1963г, 310с;

2 Кузнецов А.В., Кагерманов С.М. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. Химия, 1974г, 344с;

Сарданашвили А.Г., Львова А.И. Примеры и задачи по технологии переработки нефти и газа. М., Химия, 1980г, 256с;

Рудин М.Г., Драбкин А.Е. Краткий справочник нефтепереработчика. Л. Химия, 1980г, 328с;

Эрих В.Н., Расина М.Г., Рудин М.Г. Химия и технология нефти и газа Л., Химия, 1985г, 408с.