Размещено на http://www.allbest.ru/

4

Содержание

Введение

1. Исходные данные

2. Определение физико-химических параметров сырья

3. Расчет процесса горения

4. Расчет теплового баланса печи, КПД печи и топки и расхода топлива

5. Определение поверхности нагрева радиантных труб. Выбор типа и типоразмера печи

6. Расчет радиантной камеры

7. Расчет конвекционной камеры печи

8. Гидравлический расчет змеевика

9. Расчет газового сопротивления и тяги

Выводы

Список использованных источников



Введение

Атмосферно - трубчатая установка АТ- 2 предназначена для переработки нефти и смеси нефтяных отходов, как компонента сырья с целью получения бензина прямогонного, бензина - сырья риформинга, керосина осветительного, топлива дизельного, атмосферного газойля (топливо жидкое для ТЭЦ) и мазута.

В состав установки входят следующие блоки:

блок ЭЛОУ;

блок АТ;

блок защелачивания бензина;

блок защиты оборудования от коррозии.

Установка построена по проекту «Азнефтепроект» г. Баку и введена в эксплуатацию в 1953 г.

В 1994 году произведена замена печей, по проекту ОАО «ВНИИнефтемаш», изменена схема теплообмена по проекту «ВНИИПИнефть».

В 2002 году изменена схема теплообмена по проекту «КОХ - ГЛИТЧ».

В 2004- 2005 гг. произведена замена колонн К-1, К-2, К-4 по проекту «КОХ - ГЛИТЧ».

Номинальная производительность установки 2,0 миллиона тонн/год по сырой нефти при 8000 рабочих часов в год. Диапазон производительности может составлять 60- 110%.

Генеральный проектировщик завода - ОАО «Самаранефтехимпроект».

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

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

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

Трубчатые печи получили широкое распространение 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. 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 осуществлять автоматизацию.

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



1. Исходные данные

Сырье подается в печь при температуре 245^оС и нагревается до температуры 365^оС.

Расход сырья 219000 кг/ч

Давление на выходе 1,03 МПа

Коэффициент избытка воздуха б=1,3

Таблица 1- Состав сырья: отбензиненная нефть

Температура кипения фракции, оС	Содержание, % масс.
120-140	12,4
140-160	8,2
160-185	7,0
185-200	5,5
200-220	8,0
220-300	15,0
300-350	9,0
350-380	9,3
380 и выше	25,5

Состав отопительного газа:

С₃Н₈ - 47% масс.

С₄Н₁₀ - 53% масс.

2. Определение физико-химических параметров сырья

Определение относительной плотности при 20 ^оС:

Пересчет плотности нефтепродукта от одной температуры к другой проводим по формуле Менделеева:

.

Рассчитываем величину характеристического фактора:

.

Рассчитываем среднюю молекулярную массу узких фракций по уравнению Войнова:

,

где ;

;

.

Рассчитываем усредненные аддитивные характеристики сырья:

,

.

,

.

Рассчитываем мольные доли компонентов сырья:

.



Рассчитанные значения сводим в таблицу:

Таблица 2 - Физико-химические параметры

Фракция	xfi	x`fi	d204i	d1515i	Kwi	Mi
120-140	0.124	0.215	0.761	0.766	11.726	116.453
140-160	0.082	0.129	0.775	0.780	11.703	128.073
160-185	0.07	0.099	0.789	0.794	11.697	142.285
185-200	0.055	0.071	0.801	0.806	11.693	155.817
200-220	0.082	0.098	0.810	0.815	11.707	168.549
220-300	0.15	0.145	0.833	0.838	11.766	209.090
300-350	0.09	0.067	0.857	0.862	11.885	272.015
350-380	0.093	0.059	0.870	0.875	11.964	316.744
выше 380	0.255	0.114	0.898	0.903	12.170	450.405

Расчет процесса однократного испарения:

Определяем давление насыщенных паров i-той узкой фракции по формуле Ашворта:

,

где p_i - давление насыщенных паров, Па:

Т - рабочая температура, ^оС;

Т_ср - средняя температура кипения фракции, ^оС;

f(T) - функция температуры, определяемая по уравнению:

.

Рассчитываем константы фазового равновесия узких фракций:

,



где Р - общее давление в системе, Па.

Мольная доля отгона сырья определяется по уравнению Трегубова:

.

0.533

Рассчитываем мольные доли компонентов в жидкой и паровой фазах:

,

.

Молекулярная масса жидкой фазы:

Молекулярная масса паровой фазы:

Рассчитываем массовые доли компонентов сырья в жидкой и паровой фазах:



Относительная плотность жидкой фазы при 15 ^оС:

0.863

Относительная плотность паровой фазы при 15 ^оС:

0.801

Находим массовую долю отгона сырья:

0.391

Таблица 3 - Результаты расчета однократного испарения

Фракция	Pi, Па	Кpi	xi	xi'	yi	yi'
120-140	3.533•106	3.603	0.04	0.09	0.254	0.324
140-160	2.799•106	2.854	0.032	0.065	0.16	0.185
160-185	2.124•106	2.166	0.033	0.061	0.127	0.132
185-200	1.641•106	1.673	0.031	0.052	0.092	0.087
200-220	1.296•106	1.322	0.054	0.084	0.125	0.111
220-300	6.254•105	0.638	0.143	0.18	0.161	0.115
300-350	2.126•105	0.217	0.119	0.115	0.046	0.025
350-380	1.012•105	0.103	0.136	0.113	0.025	0.012
выше 380	1.336•104	0.014	0.412	0.24	0.01	0.0034

3. Расчет процесса горения

Определение элементарного состава топлива:

Элементарный состав газообразного топлива, для которого известно содержание отдельных его компонентов, рассчитывают из следующих уравнений:

;

,

где и - число атомов углерода и водорода в молекулах отдельных компонентов, входящих в состав топлива, соответственно;

- содержание каждого компонента топлива, % масс.;

- молекулярный вес компонентов топлива, г/моль.

% масс.

% масс.

Низшая теплотворная способность топлива определяется по уравнению:

где C, H, - содержание соответствующих элементов в топливе, %масс.

кДж/кг.

Теоретическое количество воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива:

;

кг/кг.

Фактический расход воздуха:

,

где - коэффициент избытка воздуха;

=1,3

кг/кг.

Количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива:

,

где W_ф - расход форсуночного пара, при использовании газообразного топлива =0 ;

кг/кг.

Количество газов, образующихся при сгорании 1кг топлива:

кг/кг;

кг/кг;

кг/кг;

кг/кг.



Объем дымовых газов при любой температуре и постоянном давлении:

,

где t - температура уходящих газов.

=2,83 м³/кг;

м³/кг;

м³/кг;

= 1,39 м³/кг.

Плотность продуктов сгорания

,

кг/м³

Расчет энтальпии продуктов сгорания

Расчет теплосодержания продуктов сгорания на 1 кг топлива при заданной температуре производится по формуле:

,

где t - температура продуктов сгорания, ^оС;

C_i - средние массовые теплоемкости продуктов сгорания, кДж/кгК;

Средние теплоемкости рассчитываются по эмпирическому уравнению:

,

где а0, а1, а2, а3 - константы, характерные для индивидуальных веществ. Их берем из справочника.

кДж/кг

Таблица 4 - Энтальпии дымовых газов

	mi, кг/кг	Cpi, кДж/кг•К при Т, К
		400	500	600	700	800	900	1000	1100
CO2	3,02	0,964	1,028	1,073	1,107	1,137	1,164	1,189	1,213
H2O	1,59	1,893	1,957	2,019	2,079	2,14	2,2	2,26	2,32
N2	15,54	1,063	1,08	1,097	1,114	1,131	1,147	1,164	1,181
O2	1,08	0,952	0,989	1,014	1,033	1,049	1,064	1,077	1,09
?(mi•Cpi)		23,471	24,068	25,589	25,074	25,539	25,994	26,441	26,884
qt, кДж/кг		2981	5463	8041	10706	13460	16298	19223	22233

График 1 - Энтальпия дымовых газов

4. Расчет теплового баланса печи, КПД печи и топки и расхода топлива

Уравнение теплового баланса для трубчатой печи выглядит так:



Статьи расхода тепла:

,

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

Статьи прихода тепла:

,

где C_т, C_в, C_ф.п. - соответственно теплоемкости топлива, воздуха, форсуночного водяного пара, кДж/кг;

t_т, t_в, t_ф.п. - температуры топлива, воздуха, форсуночного водяного пара, ⁰С.

Явное тепло топлива, воздуха и водяного пара обычно невелико и ими часто в технических расчетах пренебрегают.

Итак, уравнение теплового баланса запишется в следующем виде:

,

а

или ,

откуда 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 q_пот. принимаем 5 % (0,05 в долях) от низшей теплотворной способности топлива, т.е.

.

Потери тепла с уходящими дымовыми газами (в % от Q^н_р) приближенно определяются по формуле:

,

где - температура уходящих газов, ^оС; температура воздуха, поступающего в печь, ^оС; - калориметрическая (теоретическая) температура горения топлива, ^оС;

С - поправочный коэффициент, С = 0,83;

(h-1) - содержание воздуха в 1 м3 влажных газов на 1 м3 сухих газов, получаемых в стехиометрических условиях, h = 1,45;

К - поправочный коэффициент, К = 0,78;

В - поправочный коэффициент, В = 0,84.

.

Расчет коэффициента полезного действия:



,

В данном случае значениями q_т, q_в, q_ф, q_н можно пренебречь, по этому

,

КПД топки учитывает только потери тепла в окружающую среду через тепловую изоляцию радиантной камеры и потери тепла от механической и химической неполноты сгорания:

,

.

Расчет полезной тепловой нагрузки трубчатой печи производим по формуле:

,

где - производительность печи по сырью, кг/ч;

, , - соответственно теплосодержания паровой и жидкой фазы при температуре t₂, жидкой фазы (сырья) при температуре t₁, кДж/кг;

e - массовая доля отгона сырья на выходе из змеевика трубчатой печи.

Теплосодержание паров нефтепродуктов определяется по уравнению:

.

Уравнение для расчета теплосодержания жидких нефтепродуктов имеет вид:

.

кДж/кг

кДж/кг

кДж/кг

Рассчитываем полезную тепловую нагрузку печи:

кДж/ч

Часовой расход топлива:

кг/ч.

кг/ч

5. Определение поверхности нагрева радиантных труб. Выбор типа и типоразмера печи

Поверхность радиантных труб определяется по формуле:

,

где Q_p - количество тепла, переданного сырью в камере радиации, кВт;

q_p - теплонапряженность радиантных труб, кВт/м².

Количество тепла, переданного сырью в камере радиации можно найти из уравнения:



м²

Определив величину Н_р, по каталогу выбираем тип и типоразмер печи: СКГ1 495/12,5. Теплопроизводительность 26,8 кВт. Радиантные трубы: поверхность нагрева 495 м², рабочая длина 12,5 м, число секций 5.

6. Расчет радиантной камеры

Принимаем температуру дымовых газов, покидающих топку: Т_п = 1050 К

Определяем максимальную расчетную температуру горения:

,

где - средняя теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива при Т_п, кДж/(кг•К);

=26,663 кДж/(кг•К)

Т₀ - приведенная температура исходной системы, К.

Принимаем значение Т₀ равным температуре окружающего воздуха (13.5 ^оС)

K

Определяем площадь эквивалентной абсолютно черной поверхности:



,

где q_s - теплонапряженность абсолютно черной поверхности, которая находится по графику в зависимости от температур Т_п, Т_max, Т_ст.

Температуру стенки определяют по уравнению:

,

Откуда

кДж/кг

По значению находим Т_к

Т_к = 577 К

Рассчитываем температуру наружной поверхности труб:

,

где ?=20-120 - повышение температуры труб за счет загрязнений.

К

q_s = 13•10⁴ Вт/м² = 46800кДж/(м²•ч)

м²

Задаемся степенью экранирования кладки:

ц=0,45

Определяем по графику значение H_s/Н_л:

H_s/Н_л = 0,74

Определяем эквивалентную лучевоспринимающую поверхность:



м²

Определяем площадь экранированной плоской поверхности, заменяющей трубы, используя график Хоттеля:

м²

Определяем высоту экрана, принимая длину трубы и вычисляя ту ее часть, которая непосредственно омывается дымовыми газами:

м

м

Рассчитываем число труб в радиантной камере:

,

где s - расстояние между осями труб, м;

d - наружный диаметр труб, м.

труб

Определяем поверхность нагрева радиантных труб:



м²

Определяем действительную площадь экранированной кладки:

м²

Подсчитаем уточненную эквивалентную лучевоспринимающую поверхность:

м²

Вычисляем степень экранирования кладки:

Полученное значение достаточно близко к принятому ранее и разница не вносит погрешности в расчете, поэтому пересчета не требуется.

Вычисляем коэффициент теплоотдачи свободной конвекции от продуктов сгорания к радиантным трубам:

Вт/м²К



Определяем температурную поправку теплопередачи в топке:

К

Вычислим аргумент излучения:

Находим характеристику излучения по графику:

в_s=0.56

Находим температуру продуктов сгорания на выходе из топки:

К

Полученное значение близко к принятому ранее, поэтому пересчет не проводится.

Определяем коэффициент прямой отдачи:

Уточняем количество теплоты, полученными радиантными трубами:

МДж/ч

Рассчитываем тепловую напряженность радиантных труб:

Теплонапряженность труб не превышает допустимое значение, поэтому результаты расчета приемлемы.

7. Расчет конвекционной камеры печи

Рассчитываем количество теплоты, передаваемое сырью в камере конвекции:

кДж/ч

Т_к = 575 К

Определяем средний температурный напор, с учетом того, что в камере конвекции сырье в трубах и дымовые газы движутся противотоком:



^оС

^оС

^оС

Рассчитаем температуру наружной поверхности трубы:

,

где ?=20-100

^оС

Рассчитаем среднюю температуру дымовых газов:

^оС

Вычислим коэффициент теплоотдачи излучением по формуле Нельсона:

Вт/м²К

Рассчитаем ширину камеры конвекции:



,

где s₁ = 2•d_н, м;

n₁ - число труб в одном горизонтальном ряду, шт.

м

Рассчитаем живое сечение камеры конвекции:

м²

Рассчитаем массовую скорость движения дымовых газов:

,

где - секундный расход дымовых газов, кг/с

кг/м²с

Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к трубам, расположенным в шахматном порядке:

Вт/м²К

Определяем коэффициент теплопередачи:

Вт/м²К

Вычисляем необходимую площадь поверхности нагрева конвекционных труб:

м²

Рассчитываем число труб в камере конвекции:

трубы

Определяем теплонапряженность конвекционных труб:

кВт/м²

8. Гидравлический расчет змеевика

Рассчитываем значения давлений паров сырья при разных давлениях:

При Т=533 Р=4,892•10⁵ Па

При Т=573 Р=8,346•10⁵ Па

При Т=613 Р=1,314•10⁶ Па

При Т=626 Р=1,501•10⁶ Па

При Т=638 Р=1,608•10⁶ Па

График 2 - График для определения давления паров

Предварительно задаемся значением давления в начале участка испарения р_и=1,0•10⁶ Па и по кривой находим температуру начала однократного испарения отбензиненной нефти соответствующую этому давлению, Т_и=587 К

Найдем эквивалентную длину радиантных труб:

м

Рассчитаем длину участка испарения:

,



где и - энтальпии сырья в начале участка испарения и на входе в радиантные трубы соответственно, кДж/кг

м

Определим коэффициенты:

,

где - коэффициент гидравлического сопротивления, равный 0,024;

G₁ - Секундный расход сырья, кг/с;

- плотность жидкости при средней температуре участка, кг/м³;

d_в - внутренний диаметр трубы, м.

Найдем давление в начале участка испарения:

Па

Полученное значение практически совпадает с ранее принятым, поэтому пересчет не требуется.



9. Расчет газового сопротивления и тяги

Расчет гидравлического сопротивления пучка конвекционных труб

,

где С - коэффициент, учитывающий величину шага труб, температуру стенки и диаметр трубы;

,

где - коэффициент, зависящий от диаметра труб;

- коэффициент, зависящий от температуры стенки

К - Коэффициент, зависящий от скорости газа в узком сечении пучка и от температуры газа.

Па

Расчет статического напора к конвекционной камере:

,

h - высота столба в конвекционной камере, м;

- разность плотностей наружного воздуха и дымовых газов, кг/м³.

Па

Расчет гидравлического сопротивления газоходов:

,



где l - высота газохода, м;

d - диаметр газохода, м;

о - коэффициент местного сопротивления

х - секундная скорость дымовых газов, кг/м²с;

с - плотность дымовых газов, кг/м³.

Па

В связи с тем, что сопротивления движению дымовых газов близко к значению 300 Па, а именно 295,29 Па, то устанавливаем дымосос.



Выводы

В курсовом проекте произведён расчет печи подогрева газо-сырьевой смеси. В печи происходит нагрев сырья от 245?С до 365?С.

При расчете курсового проекта выбрана печь СКГ1 495/12,5

При расчете получено:

Полезная тепловая нагрузка печи Qпол=97575 МДж/кг

КПД печи з=0,835

Часовой расход топлива B=2533 кг/ч

Радиантная камера:

Длина труб - 12,5 м

Диаметр труб - 127Ч8 мм

Число труб - 120 шт.

Экран однорядный

Число камер - 5

Конвекционная камера:

Длина труб - 12,5 м

Диаметр труб - 89Ч8 мм

Число труб в горизонтальном ряду - 8 шт.

Число труб - 250 шт.

Расположение труб шахматное.

трубчатый печь топливо топка



Список использованных источников

1. Пекаревский, Б.В. Трубчатые печи. Типовые конструкции и особенности расчета: уч. пособие/ Б. В. Пекаревский; СПбГТИ(ТУ).- СПб., 2000. - 142 с.

2. Трубчатые печи: Каталог / Составители В.Е. Бакшалов, В.Ф. Дребенцов, Т.Г. Калинина, Н.И. Сметанкина, Е.И. Ширман, М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1985 - 34 с.

3. Рудин, М.Г. Краткий справочник нефтепереработчика/ М.Г Рудин, А.Е. Драбкин.- Л.: Химия, 1980 - 328с.

4. Поникаров, И. И. Расчеты машин и аппаратов химических производств и нефтегазопереработки (примеры и задачи): учебное пособие/ И. И. Поникаров, С. И. Поникаров, С. В. Рачковский. - М.:Альфа-М, 2008. - 720 с.

5. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: учебник для вузов/ А. И. Скобло [и др.]; - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000. - 677 с.

6. Кузнецов, А. А. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности/ А. А. Кузнецов, С. М. Кагерманов, Е. Н. Судаков. - Л.: Химия,1974. - 344 с.

/Размещено на Allbest.ru

...