Расчет трубчатой печи П-301/1,2 для переработки нефти

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Назначение и основные характеристики огневых нагревателей

Трубчатая печь является аппаратом, предназначенным для передачи нагреваемому продукту тепла, выделяющегося при сжигании топлива, непосредственно в этом же аппарате.

Таблица 1

Трубчатые печи широко распространены в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности и являются составной частью многих установок. Они применяются в различных технологических процессах, таких как перегонка нефти, мазута, каталитический крекинг и риформинг, гидроочистка, очистка масел и др.

Трубчатые печи получили широкое распространение благодаря следующим своим особенностям:

1) 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;

2) 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;

3) печи являются компактными аппаратами, их коэффициент полезного действия высок, они могут обеспечивать высокую тепловую мощность;

4) 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;

5) печи удобны в эксплуатации, позволяют осуществлять автоматизацию;

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

2. Теплообмен в трубчатой печи

Трубчатая печь имеет камеры радиации и конвекции. В камере радиации (топочной камере), где сжигается топливо, размещена радиантная поверхность (экран), поглощающая лучистое тепло в основном за счет радиации.

В камере конвекции расположены конвекционные трубы, воспринимающие тепло главным образом при соприкосновении дымовых газов с поверхностью нагрева путем конвекции. Нагреваемый продукт в печи последовательно проходит через конвекционные и радиантные трубы, поглощая тепло. Обычно радиантная поверхность воспринимает большую часть тепла, выделяемого в печи при сгорании топлива. Лучистое тепло эффективно передается при охлаждении дымовых газов до 1000-1200 К.

Снижение температуры дымовых газов до более низких значений часто бывает неоправданным, так как при этом радиантная поверхность работает с пониженной теплонапряженностью поверхности нагрева и требуется значительно увеличить поверхность радиантных труб. Эффективность теплопередачи конвекцией в меньшей степени зависит от температуры дымовых газов. Конвекционная поверхность использует тепло дымовых газов и может обеспечить их охлаждение до температуры, при которой значение коэффициента полезного действия аппарата будет экономически оправданным.

Если наличие конвекционной поверхности для нагрева сырья не является обязательным или размеры этой поверхности могут быть существенно уменьшены, то тепло дымовых газов может быть использовано для иных целей, например для подогрева воздуха или производства водяного пара. При небольшой производительности иногда применяют печи без конвекционной поверхности, более простые в конструктивном отношении, но обладающие невысоким коэффициентом полезного действия.

Механизм процесса передачи тепла в печи, состоящей из двух камер с настильным пламенем. Характерной особенностью этой печи является наклонное расположение в низу печи форсунок (горелок), обеспечивающих соприкосновение факела с поверхностью стены, размещенной в середине камеры радиации (рисунок 1).

В топочную камеру этой печи при помощи форсунки вводится распыленное топливо, а также необходимый для горения нагретый или холодный воздух. Высокая степень дисперсности топлива обеспечивает его интенсивное перемешивание с воздухом и более эффективное горение. Соприкосновение факела с поверхностью настильной стены обусловливает повышение ее температуры; излучение происходит не только от факела, но и от раскаленной стены. Тепло, выделенное при сгорании топлива, расходуется на повышение температуры дымовых газов и частиц горящего топлива; последние раскаляются и образуют светящийся факел. Температура, размер и конфигурация факела зависят от многих факторов и, в частности, от температуры и количества воздуха, подаваемого для горения топлива, способа подвода воздуха, конструкции и нагрузки форсунки, теплотворной способности топлива, расхода форсуночного пара, размера радиантной поверхности (степени экранирования топки) и др.

При повышении температуры воздуха увеличивается температура факела, повышается скорость горения, и сокращаются размеры факела.

Размеры факела уменьшаются и при увеличении (до известного предела) количества воздуха, поступающего в топку, так как избыток воздуха ускоряет процесс горения топлива. При недостаточном количестве воздуха факел получается растянутым, топливо полностью не сгорает, что приводит к потере тепла. Чрезмерное количество воздуха недопустимо вследствие повышенных потерь тепла с отходящими дымовыми газами и более интенсивного окисления (окалинообразования) поверхности нагрева.

Воздух, необходимый для горения топлива, подводят к устью форсунки, т.е. к началу факела. В некоторых форсунках топливо распыляется воздухом, который в этом случае вводится в топку совместно с топливом.

Рисунок 1. Схема работы трубчатой печи с объемно-настильным сжиганием топлива

1 - форсунка; 2 - настильная стенка; 3 - камера радиации (топочная камера); 4 - камера конвекции; 5 - дымовая труба; 6 - змеевик конвекционных труб; 7 - змеевик радиантных труб; 8 - футеровка.

Потоки: I - вход сырья; II - выход сырья; III - топливо и воздух; IV - дымовые газы

В ряде конструкций во внутренней полости стен печей размещается канал для подачи так называемого вторичного воздуха, позволяющий подводить необходимый для горения воздух по длине факела, что повышает температуру излучающей стенки и способствует более равномерной передаче тепла радиацией.

В такой печи теплоизлучением передается от факела, излучающей стенки и трехатомных газов (двуокись углерода, водяной пар, диоксид серы), обладающих избирательной способностью поглощать и излучать лучи определенной длины волны. Часть лучей через пространство между трубами попадает на поверхность кладки, вдоль которой расположены эти трубы; эти лучи разогревают кладку, и она, в свою очередь, излучает; при этом часть энергии поглощается той частью поверхности труб, которая обращена к стенке кладки. Настильная стена, а также прочие стены кладки, у которых расположены трубы (экранированная часть кладки) или свободные от труб (не заэкранированные), принято называть вторичными излучателями.

Радиантные трубы получают тепло не только излучением, но также и от соприкосновения дымовых газов с поверхностью труб, имеющих более низкую температуру (теплопередача свободной конвекцией). Из всего количества тепла, воспринятого радиантными трубами, значительная часть (85-90 %) передается излучением, остальное конвекцией. Наружная поверхность труб в свою очередь излучает некоторое количество тепла, т.е. имеет место процесс взаимоизлучения, однако температура поверхности труб вследствие непрерывного отвода тепла сырьем, проходящим через радиантные трубы, значительно ниже температуры других источников излучения и поэтому в итоге взаимоизлучения через поверхность радиантных труб сырью передается небольшое количество тепла. В результате теплопередачи, осуществляемой в топочной камере, дымовые газы охлаждаются и поступают в камеру конвекции, где происходит их прямое соприкосновение с более холодной поверхностью конвекционных труб (вынужденная конвекция).

В камере конвекции передача тепла осуществляется также за счет радиации трехатомных дымовых газов и от излучения стенок кладки. Наибольшее количество тепла в камере конвекции передается путем конвекции; оно достигает 60-70% общего количества тепла, воспринимаемого этими трубами. Передача тепла излучением от газов составляет 20-30%; излучением стенок кладки конвекционной камеры передается в среднем около 10% тепла.

Основным фактором, предопределяющим эффективность передачи тепла конвекцией, является скорость движения дымовых газов, поэтому при конструировании трубчатых печей стремятся обеспечить ее наибольшее значение. Это достигается размещением минимального числа труб в одном горизонтальном ряду и выбором минимального расстояния между осями труб. Однако при повышении скорости дымовых газов в камере конвекции увеличивается сопротивление потоку газов, что и ограничивает выбор величины скорости. С другой стороны, сокращение числа труб в одном горизонтальном ряду приводит к увеличению высоты камеры конвекции. Это обстоятельство также предопределяет выбор допустимой скорости движения дымовых газов в камере конвекции.

Существенным фактором, влияющим на эффективность передачи тепла, является способ размещения труб в камере конвекции. При расположении труб в шахматном порядке в связи с более интенсивной турбулентностью потока дымовых газов и лучшей обтекаемостью ими труб тепло передается эффективнее, чем при расположении коридорным способом (рисунок 2). При одинаковой скорости движения дымовых газов шахматное расположение труб обеспечивает по сравнению с коридорным более эффективную (на 20-30%) передачу тепла.

Уменьшение диаметра труб также способствует более интенсивной передаче тепла, как за счет лучшей обтекаемости труб, так и в связи с возможностью более компактного их расположения, позволяющего создать более высокие скорости дымовых газов.

Однако необходимо иметь в виду, что при уменьшении диаметра печных труб увеличивается скорость сырья и, следовательно, повышается сопротивление перемещению нагреваемого потока. Для снижения сопротивления при применении печных труб меньшего диаметра движение нагреваемого продукта, как правило, осуществляется двумя или несколькими параллельными потоками.

Эффективность передачи тепла в камере конвекции может быть повышена путем оребрения наружной поверхности конвекционных труб, так как при этом увеличивается поверхность соприкосновения дымовых газов с трубами и обеспечивается передача большого количества тепла.

Передача тепла конвекцией зависит также от температурного напора, т.е. от разности температур между дымовыми газами и нагреваемым сырьем. Обычно величина температурного напора убывает в направлении движения дымовых газов. Так, при повышении температуры сырья на один градус дымовые газы охлаждаются на 5-7°С.

Наибольший температурный напор в камере конвекции наблюдается при входе дымовых газов в камеру, а наименьший при их выходе. Количество тепла, поглощаемого конвективными трубами, убывает также в направлении движения дымовых газов.

Рисунок 2 - Схема движения дымовых газов: а - коридорное расположение труб; б - шахматное расположение труб

Доля тепла, передаваемого излучением в камере конвекции, значительно меньше, чем в камере радиации, как вследствие более низкой температуры дымовых газов, так и из-за меньшей толщины излучаемого газового потока. Эффективная толщина газового слоя в камере конвекции предопределяется расстоянием между смежными рядами труб. Снижение температуры дымовых газов в направлении их движения, естественно, вызывает также и уменьшение передачи тепла излучением от них.

Конвекционные трубы, расположенные в первых рядах по ходу дымовых газов, получают больше тепла, как за счет конвекции, так и за счет излучения и поэтому в отдельных случаях их теплонапряженность может быть выше теплонапряженности радиантных труб.

2. Тепловой баланс

Таблица 2. Тепловой баланс трубчатой печи типа П301/1,2

Определяем теоретический и действительный объем воздуха.

Необходимый для расчета элементарный состав топлива выбирается из табл. 3.

Таблица 3. Расчетные характеристики мазута малосернистого

Теоретический объем воздуха:

, м³/кг

, м³/кг.

Потеря теплоты с уходящими газами:

=0,111•11,7+0,0124•3+0,0161•10,621=1,5 нм³/кг.

Теоретический объем трехатомных газов, нм³/кг:

V_RO2=1,866*(C^p+0,375*S^p_л)/100,

V_RO2=1,866*(84,6+0,375*0,3)/100=1,581 нм³/кг.

Теоретический объем азота, нм³/кг:

V⁰_N2=0,79*V⁰_в+0,8*N^p/100,

V⁰_N2=0,79*10,621+0,8*0/100=8,391 нм3/кг,

Потеря теплоты на технологический нагрев нефти:

Из уравнения баланса найдем расход мазута:

41870•B_м+5087•B_м+65996460+226•B_м=105902310+17025•B_м+576921+288460,5

30158•B_м=40774021,5

B_м=1352 т/ч.

3. Расчет игольчатого рекуператора

В игольчатом рекуператоре воздух подогревается до Температура дыма на входе в рекуператор .

Определим размеры рекуператора и аэродинамическое сопротивление по воздушному и дымовому пути.

Будем считать, что рекуператор собирается из труб длиной 0,88 м и с иглами только на воздушной стороне. Ориентировочно принимаем скорость движения воздуха а скорость движения дымовых газов

Найдем температуру уходящих дымовых газов. На входе в рекуператор при температуре 850 теплоемкость дымовых газов равна:

Для определения теплоемкости дымовых газов на выходе из рекуператора задаемся температурой дыма . При этой температуре теплоемкость дымовых газов составит:

Приняв потери тепла в окружающую среду равными 10%, находим действительную температуру дымовых газов на выходе из рекуператора:

,

трубчатый печь настильный тепловой

Список литературы

1. Скобло А.И. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Учебник для вузов. Энергоиздат.1982 г.

2. Сторожев Ю.И. Энергопотребление в камерных и проходных печах сопротивления. Методические указания/ КГТУ. Красноярск, 2006 г.

3. Шарихин В.В., Коновалов А.А., Скороход А.А. Трубчатые печи: Учеб. пособие. 3-е изд. - Самара: Офорт, 2005 г.

4. Шишканов О.Г. Проектирование топливных нагревательных печей. Метод. указания / КГТУ. Красноярск, 1997 г.

5. Трубчатые печи. Каталог ВНИИ нефтемаш. М.: ЦМНТИ. хим. Нефтемаш, 1973 г.

6. Мастрюков Б.С. Теория, конструкция и расчеты металлургических печей, Т-2. М.: Металлургия, 1986 г.

Размещено на Allbest.ru