Трубчатая печь с излучающими стенками топки для нагревания и частичного испарения отбензиненной нефти

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Нефть, представляет собой чрезвычайно сложную смесь взаимно растворенных органических веществ. На практике нефть разделяют на фракции и группы углеводородов, подвергают обработке с целью изменения химического состава. Существуют процессы первичной и вторичной переработки нефти. К первичной переработке относятся такие процессы как ректификация, в котором нефть разделяется на фракции, различающиеся пределами выкипания.

Процессы перегонки нефти осуществляют на так называемых атмосферных трубчатых (AT) и вакуумных трубчатых (ВТ) или атмосферно-вакуумных трубчатых (АВТ) установках.

В зависимости от направления использования фракций установки перегонки нефти принято именовать топливными, масляными или топливно-масляными и соответственно этому - варианты переработки нефти.

Установки первичной переработки нефти составляют основу всех нефтеперерабатывающих заводов, от работы этих установок зависят качество и выходы получаемых компонентов топлив, а также сырья для вторичных и других процессов переработки нефти. В промышленной практике нефть разделяют на фракции, различающиеся температурными пределами выкипания. Прямую перегонку осуществляют при атмосферном или несколько повышенном давлении, а остатков - под вакуумом.

Важную роль на установках АТ и АВТ играет процесс нагрева нефти в трубчатых печах.

Трубчатые печи являются огневыми аппаратами, предназначенными для передачи тепла выделяющегося при сжигании топлива, нагреваемому продукту.

В начальный период развития нефтепереработки нагрев сырья производился в металлических кубах, обогреваемых теплом сжигаемого топлива в топке, расположенной под ними. При этом нагревали большие количества нефти, длительно находящей в зоне нагрева, что приводило к термическому ее разложению. Также имело место повышенная пожароопасность при прогаре стенки куба. Наконец, при большом расходе металла поверхность нагрева оставалась незначительной. В связи с этим в таких аппаратах тепло сжигаемого топлива неэффективно передавалось сырью, что требовало повышенных затрат на нагрев. [1, с. 7]

Поэтому трубчатые печи явились своего рода техническим новшеством, позволившим кардинальным образом решить вопросы теплопередачи во многих процессах, использующих тепло сжигаемого топлива для нагрева продукта. В настоящее время имеется большая разновидность трубчатых печей, используемых на установках первичной переработки, каталитического крекинга, каталитического риформинга, гидроочистки других процессов.



1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА

Для нагревания нефти до высоких температур в печах применяется огневой нагрев. Топливо, сгорая, отдает тепло подогреваемому сырью, которое движется в трубах. В современных печах различают две камеры нагрева нефти: конвекционная и радиантная.

Конвекция - процесс распространения теплоты в результате движения и перемещения частиц жидкостей или газов. Перенос теплоты возможен в условиях естественной конвекции, при которой движение частиц вызвано разностью плотностей в различных точках объема, вследствие разности температур в этих точках, и принудительной конвекции при перемещении всей массы газа или жидкости.

Радиация (тепловое излучение) - это процесс переноса теплоты в виде электромагнитных волн излучаемых нагретым телом (лучистой энергии).

Источником тепла в топочной камере служат факел и продукты сгорания топлива. Эти источники тепла передают лучистую энергию экранным трубам к кладке. Часть этого тепла кладка отражает поверхность радиантных труб, а небольшая часть теряется в окружающую среду через стенки кладки. Температура дымовых газов различна в разных частях топки. [5, с. 319]

Сочетание конвекции и радиации дает максимальный нагрев за счет того, что перепад температур между различными секциями печи сводится к минимуму.

Горение представляет собой процесс быстрого и полного окисления горючего вещества, происходящий при высокой температуре и сопровождающийся выделением тепла. В горении участвуют два компонента, а именно, окисляемое (горящее вещество, называемое топливом, и окислитель - вещество, содержащие кислород, способный достаточно быстро вступать в реакцию с топливом. В топках котельных агрегатов в настоящее время используют только самый дешевый и распространенный в природе окислитель, а именно атмосферный воздух, 21% объема которого составляет кислород.

Характер горения топлива в каждом отдельном случае определяется рядом различных факторов, среди которых основными являются:

• вид сжигаемого топлива,

• способ сжигания,

• аэродинамические особенности процесса,

• характер подвода кислорода к топливу.



2. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЦЕССА

Современная печь представляет собой синхронно работающий печной комплекс, т. е. упорядоченную совокупность, состоящую из непосредственно печи, средств обеспечения печного процесса, а также систем автоматизированного регулирования и управления печным процессом и средствами его обеспечения.

Несмотря на большое многообразие типов и конструкций трубчатых печей, общими и основными элементами для них являются рабочая камера (радиация, конвекция), трубчатый змеевик, огнеупорная футеровка, оборудование для сжигания топлива (горелки), дымоход, дымовая труба.

Печь работает следующим образом. Газ сжигается с помощью горелок, расположенных на стенах или поду камеры радиации. Газы сгорания из камеры радиации поступают в камеру конвекции, направляются в дымоход и по дымовой трубе уходят в атмосферу. Продукт одним или несколькими потоками поступает в трубы конвективного змеевика, проходит трубы экранов камеры радиации и нагретый до необходимой температуры, выходит из печи.

Тепловое воздействие на исходные материалы в рабочей камере печи, является одним из основных технологических приемов, ведущих к получению заданных целевых продуктов. [2, с. 146]

2.1 Печь беспламенного горения

Более совершенными и экономичными являются трубчатые печи с излучающими стенками из беспламенных панельных горелок и двух сторонним облучением труб змеевика (рис. 2.1). Она работают на газообразном топливе, которое сжигается в горелках, выполненных в виде керамических призм (призмы являются одновременно сборными элементами стен печи). При сжигании газа в туннелях керамические плитки накаливаются и интенсивно излучают тепло на поверхность радиантных труб, расположенных в шахматном порядке на расстоянии 600-1000 мм от плиток. Монтируя панельные горелки на противоположных сторонах печи, можно облучать трубы с двух сторон. Поэтому такие печи названы печами двухстороннего облучения.

Печи с излучающими стенками помимо высоких теплотехнических показателей обладают меньшими габаритами, требуют меньше металла, огнеупорного кирпича. Их выпускают тепловой мощностью 6 - 20 млн. ккал/ч. Змеевики собирают из труб диаметром 102 - 152 мм, длиной 6 - 24 м. Количество металла на 1 млн. ккал/ч для печей с излучающими стенками колеблется от 11,6 до 8,1 м против 16,8 м для двускатных печей. [3, c. 23]



1 - дымовая труба; 2 - каркас; 3 - футеровка; 4 - конвекционные змеевики; 5 - рациационные змеевики; 6 - горелки типа ГБП2а; 7 - обслуживающие лестницы и площадки

Рисунок 2.1 - Трубчатая печь беспламенного горения типа А2Б2

Печь типа А2Б2 узкокамерная с верхним отводом дымовых газов, центральным горизонтальным экраном и излучающими стенами из беспламенных панельных горелок. Горелки расположены во фронтальных стенах камеры радиации по четыре ряда в каждой стене, образуя два противостоящих излучающих блока. Между излучающими стенами установлен трубный экран двустороннего облучения. В целях обеспечения независимого регулирования теплопроизводительности для горелок каждого ряда предусмотрен свой газовый коллектор и, следовательно, теплопередача соответствующему участку радиантного змеевика. Меняя теплопроизводительность четырех рядов горелок, можно изменить эпюру подведенных тепловых потоков на трубный экран с целью повышения коэффициента ОРЗ. В зависимости от длины труб камеры радиации, имеющей два исполнения с кладкой из подвесного шамотного кирпича и футеровкой из легковесного жароупорного бетона, печи изготовляют пяти типоразмеров. Печи данного типа предусматривают беспламенное сжигание чистого обессеренного газа, поэтому вредные выбросы в атмосферу отсутствуют, что позволяет устанавливать дымовые трубы с наивысшей отметкой 25 м.[8, c. 12]

2.2 Выбор конструкционного материала

На установках АТ, АВТ, ВТ, где тепловой режим эксплуатации печей стабильный и температура нагрева сырья сравнительно со вторичными процессами невысока, с учетом коррозионных свойств нефти применяют печные трубы из углеродистых сталей Сталь 10 и Сталь 20, либо из низколегированных сталей марок 15Х5М и 15X5ВФ. Эти трубы обладают достаточной теплоустойчивостью и не подвергаются интенсивной коррозии. [6, c. 25]

Сталь жаропрочная низколегированная марки 15X5ВФ является сталью мартенситного класса. Рекомендуемая температура применения до 800°С; срок работы - более 10000 ч.

Таблица 2.1 - Химический состав материала в %

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	W	V
0,15	0,3 - 0,6	до 0,5	до 0,6	до 0,025	до 0,03	4,5 - 6	0,4 - 0,7	0,4 - 0,6



3. последовательность расчета трубчатой печи

1) Рассчитывают процесс горения. В результате этого расчета определяют: низшую теплоту сгорания топлива, количество воздуха, требующегося для его сжигания, массовые и объемные количества продуктов сгорания топлива, теплосодержание продуктов сгорания при различных температурах, а затем строят график теплосодержание газов -- температура, облегчающий последующие тепловые расчеты.

2) Определяют к. п. д. печи, ее полезную и полную тепловую мощность, расход топлива.

3) Определяют поверхность нагрева радиантных (экранных) труб и основные размеры камеры радиации (топки). Расчет ведется по следующей схеме:

а) задаются температурой дымовых газов на выходе из топки и находят количество радиантного тепла (прямую отдачу топки);

б) принимают теплонапряженность радиантных труб и определяют их поверхность нагрева;

в) находят температуру сырья на входе в радиантные трубы;

г) выбирают диаметр и полезную (обогреваемую) длину труб и находят их число;

д) выбирают тип печи, проводят компоновку радиантной поверхности и определяют основные (внутренние) размеры топки;

е) принимают для проектируемой печи тип газовой горелки
и, зная ее теплопроизводительность и полную тепловую мощность печи, определяют количество горелок и площадь излучающих стен печи.

4) Проверяют, находится ли в допустимых пределах скорость сырья на входе в змеевик печи.

5) Рассчитывают лучистый теплообмен в топке. Этот расчет проводится с целью подтверждения (проверки) взаимного соответствия ранее выбранных температуры дымовых газов на выходе из топки и теплонапряженности поверхности радиантных труб. Если в результате расчета окажется, что при выбранной теплонапряженности радиантных труб температура газов на выходе из топки будет значительно отличаться от ранее принятой, то необходимо принять новое значение этой температуры и повторить расчет, начиная с п. 3.

Расчет проводится по следующей схеме:

а) находят коэффициент теплоотдачи свободной конвекцией от дымовых газов к радиантным трубам;

б) рассчитывают максимальную температуру горения, среднюю температуру поглощающей среды (газа в топке), температуру излучающей стены;

в) рассчитывают эквивалентную абсолютно черную поверхность излучения;

г) пользуясь формулами Н.И. Белоконя, находят действительную температуру дымовых газов на выходе из топки.

6) Определяют величину конвективной поверхности нагрева печи, число конвекционных труб и размеры камеры конвекции.

7) Проводят гидравлический расчет змеевика печи и определяют давление сырья на входе в него.

8) Определяют потери напора в газовом тракте печи и рассчитывают основные размеры -- диаметр и высоту -- дымовой трубы. [10, с. 176]



4. Расчет процесса горения

Пересчитаем состав топлива в массовые проценты (объемный и мольный составы газа при нормальных условиях тождественны). Результаты пересчета сведены в таблицу 4.1.

Таблица 4.1 - Состав топлива

Компоненты	Массовая доля gi (мас. %)	Молекулярная масса Mi	, моль	Мольная (объемная) доля
1	2	3	4	5	6
CH4	96,3	16	6,018	0,983	15,728
C2H6	0,8	30	0,026	0,004	0,12
C3H8	0,7	44	0,015	0,003	0,132
н-C4H10	0,6	58	0,01	0,002	0,116
CO2	0,5	44	0,011	0,002	0,088
N2	1,1	28	0,039	0,006	0,168
Итого:	100	-	6,119	1,000

Определим низшую теплоту сгорания топлива по формуле (4.1)

(4.1)

где СН4, С2Н4 и т.д. -- содержание соответствующих компонентов в топливе, в объемн. %

ккал/м3

или ккал/кг [5723 кДж/кг]

Определим элементарный состав топлива в массовых процентах. Содержание углерода в любом i-ом компоненте топлива находим по формуле (4.2)

(4.2)

где - число атомов углерода в данном компоненте топлива;

- массовая доля, мас. % (из таблицы 4.1);

- молекулярная масса (из таблицы 4.1).

Содержание углерода

%

Содержание водорода находим по формуле (4.3)

(4.3)

где - число атомов водорода в данном компоненте топлива;

- массовая доля, мас. % (из таблицы 4.1);

- молекулярная масса (из таблицы 4.1).

%

Содержание кислорода рассчитываем по формуле (4.4)



(4.4)

где - число атомов кислорода в молекуле CO2;

- массовая доля углекислого газа, мас. % (из таблицы 2.1);

- молекулярная масса углекислого газа (из таблицы 2.1).

%

Содержание азота рассчитаем по формуле (4.5)

(4.5)

где - число атомов азота в молекуле;

- массовая доля азота, мас. % (из таблицы 4.1);

- молекулярная масса азота (из таблицы 4.1).

%

Проверку проведем по формуле (4.6)

% (4.6)

%

Определяем теоретическое количество воздуха, необходимого для сжигания 1 кг газа, по формуле (4.7)

(4.7)

где C, H, S, O - содержание углерода, водорода, серы, кислорода соответственно, % мас.

кг/кг

Найдем действительное количество воздуха, которое потребуется для сжигания 1 кг газа.

Для газового топлива коэффициент избытка воздуха . Принимаем [4, с. 114]. Тогда действительное количество воздуха рассчитаем по формуле (4.8)

(4.8)

где - коэффициент избытка воздуха;

- теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг газа, кг/кг.

кг/кг

Или объемное количество рассчитаем по формуле (4.9)

(4.9)

где кг/м3 - плотность воздуха при нормальных условиях (0°C и 760 мм рт. ст.);

- действительное количество воздуха, кг/кг.

м3/кг

Определим количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива по формулам (4.10-13)

(4.10)

(4.11)

(4.12)

(4.13)

где C, H, N - содержание углерода, водорода, азота соответственно, % масс;

- коэффициент избытка воздуха;

- теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг газа, кг/кг.

кг/кг

кг/кг

кг/кг

кг/кг

Суммарное количество продуктов сгорания определяем по формуле (4.14)

(4.14)

кг/кг

Проверка расчета суммарного количества продуктов сгорания определяется по формуле (4.15)

(4.15)

где - коэффициент избытка воздуха;

- теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг газа, кг/кг.

кг/кг

Содержание влаги в воздухе пренебрегаем.

Найдем объемное количество продуктов сгорания в м3 на 1 кг топлива (при нормальных условиях) по формуле (4.16)

(4.16)

где - количество продуктов сгорания i-ого компонента, кг/кг;

- молекулярная масса i-ого компонента (таблица 2.1).

м3/кг

м3/кг

м3/кг

м3/кг

Суммарный объем продуктов сгорания определяем по формуле (4.17)

(4.17)

м3/кг

Плотность продуктов сгорания при 0 °C и 760 мм рт. ст. рассчитаем по формуле (4.18)



(4.18)

где - суммарное количество продуктов сгорания, кг/кг;

- суммарный объем продуктов сгорания, м3/кг.

кг/м3

Определяем теплосодержание продуктов сгорания при различных температурах по уравнению (4.19)

(4.19)

где - температура продуктов сгорания (дымовых газов), °C;

, , … - средние массовые теплоемкости компонентов дымовых газов, [19, с. 329]

, , … - количество продуктов сгорания, кг/кг (рассчитано по формуле 2.10-13).

Найдем для примера

ккал/кг [4430 кДж/кг]

Результаты расчетов сведены в таблицу 4.2.

Таблица 4.2 - Зависимость теплосодержания от температуры

t, °C	0	200	400	800	1000	1400	200
, ккал/кг	0	1019	2139	4438	5798	8397	12360

По данным этой таблицы строим график q-t (рисунок 4.1)



Рисунок 4.1 - График зависимости теплосодержания от температур



5. КПД печи, её тепловая нагрузка и расход топлива

КПД печи найдем по формуле (5.1)

(5.1)

где - потери тепла в окружающую среду, в долях от низшей теплоты сгорания топлива;

- потери тепла с уходящими дымовыми газами, в долях от низшей теплоты сгорания топлива.

Примем, что [18, с. 498] и что температура дымовых газов, покидающих конвекционную камеру печи, на °C выше температуры сырья, поступающего в печь [2, с. 155]. Температуру дымовых газов рассчитаем по формуле (5.2)

(5.2)

где - температура сырья на входе в печь, °C, (по заданию);

- изменение температуры, для определения температуры дымовых газов, °C.

°C

При °C найдем по графику q-t (рисунок 4.1) потерю тепла с уходящими дымовыми газами, равную ккал/кг, или в долях от низшей теплоты сгорания топлива

Подставив числовые значения величин в формулу (5.1), получил, что КПД печи

Полную тепловую нагрузку печи, или теплопроизводительность газовых газовых горелок. При КПД печи найдем из формулы (5.3)

(5.3)

где - полезное тепло печи, ккал/ч;

- КПД печи.

Полезное тепло печи рассчитываем по формуле (5.4)

(5.4)

где - производительность печи по сырью, кг/ч (по заданию);

- массовая доля отгона сырья на выходе из печи при °C; можно определить по кривой однократного испарения сырья или аналитическим методом А.М. Трегубова; в данном расчете величина дана по заданию;

и - теплосодержание соответственно паровой и жидкой фаз сырья на выходе из печи при °C, ккал/кг;

- теплосодержание сырья на входе в печь при °C, ккал/кг;

По таблице теплосодержаний жидких нефтепродуктов и нефтяных паров [19, с. 321], зная плотности отбензиненной нефти, отгона и остатка однократного испарения (по заданию), найдем

ккал/кг

ккал/кг

ккал/кг

Тогда

ккал/ч [5205580 вт]

Подставляя в формулу (5.3) заданные и найденные величины, получим

ккал/ч [ вт]

Часовой расход топлива найдем по формуле (5.5)

(5.5)

где - полная тепловая нагрузка печи, ккал/ч;

- низшая теплота сгорания топлива, ккал/ч.

кг/ч

или объемный часовой расход топлива найдем по формуле (5.6)

(5.6)

где - часовой расход топлива, кг/ч;

- плотность газа, кг/м3 (по заданию).

м3/ч



6. Поверхность нагрева радиантных труб и размеры камеры радиации (топки)

перегонка нефть трубчатый печь

Поверхность нагрева радиантных труб определяется по формуле (6.1)

(6.1)

где - количество тепла, переданного сырью в камере радиации, ккал/ч;

- теплонапряженность радиантных труб, ккал/(м2·ч).

Количество тепла, переданного сырья в камере радиации (прямая отдача топки), найдем из уравнения теплового баланса топки рассчитаем по формуле (6.2)

(6.2)

где - коэффициент эффективности (КПД) топки;

- низшая теплота сгорания топлива, ккал/кг;

- теплосодержание дымовых газов на выходе из камеры радиации при температуре .

Примем °C [2, с. 148] и определим по графику q-t (рисунок 2.1)

ккал/кг

Ранее было принято, что потери тепла в окружающую среду равным 7%. Пусть 5% в том числе составляют потери тепла в топке [18, с. 501]. Тогда коэффициент эффективности топки рассчитаем по формуле (6.3)

(6.3)

Подставив числовые данные в формулу (6.2) получим

ккал/ч

Примем теплонапряженность радиантных труб ккал/(м2·ч) [61700 вт/м2] [18, с. 483] (дальнейшим расчетом подтвердим эту величину).

Таким образом, поверхность нагрева радиантных труб будет равна

м2

Определим температуру сырья (нефти) на входе в радиантные трубы.

Полагая на основе опытных и расчетных данных, что нефть в конвекционных трубах не испаряется, найдем её теплосодержание на входе в радиантные трубы по формуле (6.4-5)

(6.4)

(6.5)

ккал/кг

По таблице теплосодержаний жидких нефтепродуктов [20, с 321] искомая температура °C.

Выбираем трубы диаметром 127х8 мм с полезной длиной м (полная длина трубы с учетом заделки концов в трубный двойник равна 12,5 м. Число радиантных труб рассчитывается по формуле (6.6)

(6.6)

где - поверхность раздела радиантных труб, м2;

;

- наружный диаметр труб, м;

- полезная длина трубы, м.

Подбираем печь, расчет которой будем проводить дальше.

Учитывая опыт промышленности, принимаем печь беспламенного горения с двухрядным экраном двухстороннего обогрева, с горизонтальным шахматным расположением труб и двумя верхними конвекционными пучками (рисунок 6.1).



Рисунок 6.1 - Схема печи с излучающими стенками топки



7. Проверка скорости сырья на входе в змеевик печи

Оптимальное значение скорости на входе в змеевик печи с учетом эффективного теплообмена и минимальных энергетических затрат на прокачивание сырья составляют 1-3 м/сек [7, с. 6]. Проверим, соответствует ли скорость подачи сырья для нашей печи установленным пределам.

Так как температура нефти на входе в змеевик печи °C, то плотность нефти при этой температуре рассчитаем по формуле (7.1)

(7.1)

где - плотность нефти при 20 °C, г/см3;

- средняя температурная поправка, [13, с. 61];

- температура, при которой необходимо определить плотность нефти, °C.

г/см3 или 768 кг/м3

При двухпоточном движении сырья в змеевике печи его скорость рассчитаем по формуле (7.2)

(7.2)

где ;

- производительность печи по сырью, кг/ч (по заданию);

- плотность нефть на входе в печь при температуре 180 °C, кг/м3;

- внутренний диаметр конвекционных труб, м;

- число потоков сырья.

Подставив числовые значения величин, получим

м/сек

Как видно, начальная скорость сырья в змеевике печи находится в допустимых пределах.



8. Расчет лучистого теплообмена в топке

Целью этого расчета является определение действительной температуры дымовых газов на выходе из топки при принятой теплонапряженности радиантных труб или проверка ранее выбранной температуры дымовых газов, покидающих топку.

Определим коэффициент теплоотдачи свободной конвекцией от дымовых газов к радиантным трубам по формуле (8.1)

(8.1)

где - температура дымовых газов над перевальной стенкой, °C;

- средняя температура наружной поверхности стенки радиантной трубы, °C.

Средняя температура наружной поверхности стенки радиантной трубы определяется по формуле (8.2)

(8.2)

где - средняя температура сырья в радиантных трубах, °C;

- теплонапряженность радиантных труб, ккал/(м2·ч);

- коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к нефти, ккал/(м2·ч·град) [11, с. 383-389;];

- толщина стенки трубы, м;

- коэффициент теплопроводности стенки трубы, ккал/(м·ч·град) [4, с. 216;].

Среднюю температуру сырья в радиантных трубах рассчитаем по формуле (8.3)

(8.3)

где - температура сырья на выходе из камеры конвекции, °C;

- температура сырья на выходе из печи, °C.

°C

Принимаем ккал/(м2·ч·град) [1050 вт/(м2·град)], ккал/(м·ч·град) [45,5 вт/(м·град)].

Подставим значения в формулу (8.2), получим

°C

или

°К

Коэффициент теплоотдачи свободной конвекцией от дымовых газов к радиантным трубам

ккал/(м2·ч·град) [9,55 вт/(м2·град)]

Рассчитываем максимальную температуру горения по формуле (8.4)

(8.4)

где - так называемая приведенная температура системы [1, с. 113], может быть принятой равной температуре поступающего воздуха 20-30 °C;

Для упрощения расчета второе слагаемое правой части формулы найдем по графику q-t (рисунок 2.1), отложив значение, рассчитанное по формуле (8.5)

(8.5)

где - низшая теплота сгорания, ккал/кг;

- коэффициент эффективности топки.

ккал/кг

по оси абцисс и прочитав значение температуры на оси ординат. Подставив значения в формулу (8.4) получим

°C или °К

Определим средняя температуру поглощающей среды (газа в топке) по формуле (8.5)

(8.5)

где - тепло, переданное радиантным трубам свободной конвекцией газов, ккал/ч;

- потери тепла радиантной камерой в окружающую среду, ккал/ч;

- часовой расход топлива, кг/ч;

- средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива в интервале температур от до .

Тепло, переданное радиантными трубами свободной конвекцией газов, рассчитаем по формуле (8.6)

(8.6)

где - коэффициент теплоотдачи свободной конвекцией от дымовых газов к радиантным трубам, ккал/(м2·ч·град);

- поверхность нагрева радиантных труб, м2;

- температура дымовых газов над перевальной стенкой, °C;

- средняя температура наружной поверхности стенки радиантной трубы, °C.

ккал/ч [1079181 вт]

Потери тепла радиантной камерой в окружающую среду рассчитаем по формуле (8.7)

(8.7)

где - полная тепловая нагрузка печи, ккал/ч;

- коэффициент эффективности топки.

ккал/ч [1397142 вт]

Подставив числовые значения в формулу (8.5), получим

Отложив на графике q-t (рисунок 4.1) величину ккал/кг, найдем соответствующую температуру °C (°К).

Определим температуру излучающей стенки. Согласно опытным данным Гипронефтемаша [3, с. 93] эту температуру можно найти по формуле (8.8)

(8.8)

где - температура дымовых газов над перевальной стенкой, °C.

°К

Рассчитаем эквивалентную абсолютно черную поверхность. Предварительно определим все необходимые для этого величины.

Найдем угловой коэффициент для случая лучистого теплообмена между поверхностью экрана и излучающей стенкой, или коэффициент облучения . Этот коэффициент показывает, во сколько раз эффективная (расчетная) поверхность взаимного излучения экрана и излучающей стенки больше поверхности радиантных труб. Рассчитаем по формуле (8.9)

(8.9)

где - эффективная поверхность взаимного излучения экрана и излучающей стенки;

- поверхность нагрева радиантных труб, м2.

Основы расчета достаточно подробно изложены в ряде руководств. Ниже излагаются схема расчета для нашего случая.

В любом масштабе (лучше 1/20 или 1/10) вычерчиваем схему топки печи с размещенными в ней трубами. Ввиду симметричности топки на схеме (рисунок 6.1) дана только левая половина её. Для упрощения схемы в левом вертикальном ряду показаны верхние девять труб из двадцати семи, а в правом вертикальном ряду - нижние семь труб из двадцати семи.

Расчетная поверхность взаимного излучения определяется для каждой трубы отдельно. Ввиду симметричного размещения труб относительно излучающей стенки, очевидно, достаточно найти для половины труб левого ряда, половины труб правого ряда и труб левой половины потолочного экрана. Для получения средней расчетной поверхности одной трубы достаточно для нашего случая подсчитать для части вычерченных труб. Эти трубы на схеме (рисунок 8.1) занумерованы (1, 3, 5, 7, 9; 1', 3', 5', 7', 9' и 10, 11, 12).

Рисунок 8.1 - Схема к расчету поверхности взаимного излучения

Из точек А и В, ограничивающих высоту излучающей стенки, к каждой из занумерованных труб проводим касательные (например, к трубе 1 - касательные , , , ; к трубе 5' - касательные , , , ).

Четыре касательные образуют у каждой трубы две воображаемые упругие нити, как бы натянутые на трубу, - внутреннюю и внешнюю (например, для трубы 1 - нить - внешняя и нить - внутренняя; аналогично для трубы - нить - внешняя и нить - внутренняя). По методу «натянутых нитей» расчетная поверхность взаимного излучения для трубы 1 определяется по формуле (8.10)

(8.10)

Но ,

Поэтому (8.11)

(8.11)

Аналогично, для тубы (8.12)

(8.12)

Следовательно, для любой i-той трубы нашей схемы расчетная поверхность взаимного излучения определяется по формуле (8.13)

(8.13)

Для определения размеров и при расчете любой трубы необходимо рядом со схемой топки вычертить в масштабе 1:1 окружность диаметра, равным наружному диаметру трубы, т.е. мм. Проводя к этой окружности касательные, параллельные касательным к соответствующей трубе на схеме.

Например, на окружности с мм таким способом для трубы 1 найдем точки , , , ; для трубы - точки , , , , которые ограничили нужные нам дуги: и . Такие построения на окружности сделаны для всех занумерованных труб (на рисунке 6.1 не показаны).

Длина любой дуги легко найдется геометрически по формуле (8.14)

мм (8.14)

где мм - наружный диаметр трубы;

- центральный угол, соответствующий дуге .

Результаты вычислений длин дуг и расчетных поверхностей взаимного излучения всех занумерованных труб представлены в таблице 8.1. Все расчетные поверхности найдены на 1 мм длины труб.

Таблица 8.1 - Величина длин дуг и расчетных поверхностей взаимного излучения

Номер i трубы			Мм	мм	мм2
1	2	3	4	5	6
1	42	53	46	59	52,5
3	67	77	74	85	79,5
5	95	93	105	103	104,0
7	65	82	72	91	81,5
9	75	80	83	89	86,0
	52	50	57	55	56,0
	76	92	84	102	93,0
	91	83	101	92	96,5
	85	77	94	85	89,5
10	30	20	33	22	27,5
11	30	37	33	41	37,5
12	62	52	68	57	63,5
	-	-	-	-	мм2

Среднюю расчетную поверхность взаимного излучения для одной трубы экрана рассчитываем по формуле (8.15)

(8.15)

где - суммарная поверхность взаимного излучения для всех занумерованных труб, мм2;

- количество занумерованных труб.

мм2

Поверхность взаимного излучения для всего экрана печи рассчитываем по формуле (8.16)

(8.16)

где - число радиантных труб;

- средняя расчетная поверхность взаимного излучения, мм2.

мм2 на 1 мм длины труб

Находим величину коэффициента облученности, или углового коэффициента по формуле (8.17)

(8.17)

где - поверхность взаимного излучения для всего экрана печи, мм2 на 1 мм длины труб;

- поверхность экрана печи, приходящаяся на 1 мм длины труб, рассчитываем по формуле (8.18)

(8.18)

где - наружный диаметр трубы, мм;

- число радиантных труб.

мм2

Определим угловой коэффициент для случая лучистого теплообмена между газовым слоем и трубным экраном.

Величину этого углового коэффициента найдем по графику [14, с. 396], имея в виду, что отношение шага труб к диаметру трубы . Для двухрядного экрана получим

Найдем поверхность неэкранированных стен топки.

Из принятой схемы компоновки экранных труб (рисунок 6.1) видно, что неэкранированными поверхностями топки являются её торцевые стены и часть фронтовых стен, не занятых газовыми горелками. Площадь этих поверхностей рассчитаем по формуле (8.19)

(8.19)

где - расстояние от излучающих стен до трубного экрана, м;

- высота радиантной камеры, м;

- полезная длина трубы, м;

- площадь излучающей стены печи, м2.

м2

Определим приведенную степень черноты трубного экрана по формуле [Бахшиян, с. 89] (8.20)

(8.20)

В этой формуле

(8.21)

(8.22)

(8.23)

(8.24)

где - степень черноты газового слоя;

- степень черноты экрана и излучающей стенки (принимается в интервале 0,9-0,95) [12, с. 398];

и - расчетные величины, зависящие от отношения поверхности нагрева радиантных труб к поверхности неэкранированных стен топки;

- угловой коэффициент для случая лучистого теплообмена между газовым слоем и трубным экраном;

- коэффициент облученности;

- температура дымовых газов на перевальной стенка, °К;

- температура поглощающей стенки, °К;

- температура излучающей стенки, °К.

Найдем степень черноты газового слоя.

Для печей с излучающими стенками топки найдем по формуле (8.25)

(8.25)

где - коэффициент прозрачности газовой среды, определяемый по таблице [3, с. 94] в зависимости от .

При °C, поэтому

Определим и , и и .

Так как то по таблице [3, с. 90] найдем: , .

Вычисляем значения и по формулам (8.21, 8.23)

Подставив числовые данные в формулу (6.20), определяем

Таким образом, эквивалентную абсолютно черную поверхность рассчитаем по формуле (8.26)

(8.26)

где - приведенная степень черноты трубного экрана;

- поверхность нагрева радиантных труб, м2.

м2

Определим действительную температуру дымовых газов, покидающих топку.

Пользуясь формулами Н.И. Белоконя [18, с. 504], найдем некоторые величины, необходимые для решения поставленной задачи.

Температурную поправку к теплопередаче в топке рассчитаем по формуле

(8.27)

где - коэффициент теплоотдачи свободной конвекцией от дымовых газов к радиантным трубам, ккал/(м2·ч·град);

- поверхность нагрева радиантных труб, м2;

- максимальная температура горения, °К;

- средняя температура наружной поверхности стенки радиантной трубы, °К;

- эквивалентная абсолютно черная поверхность, м2;

- постоянная излучения абсолютно черного тела, равная 4,96 ккал/(м2·°К·ч) [13, с. 7];

- часовой расход топлива, кг/ч;

ккал/(кг·град) - суммарная теплоемкость дымовых газов при °C, найденная как отношение ккал/кг к °C.

°

Аргумент излучения рассчитываем по формуле (8.28)

(8.28)

где - эквивалентная абсолютно черная поверхность, м2;

- постоянная излучения абсолютно черного тела, равная 4,96 ккал/(м2·°К·ч) [13, с. 7];

- коэффициент теплоотдачи свободной конвекцией от дымовых газов к радиантным трубам, ккал/(м2·ч·град);

- поверхность нагрева радиантных труб, м2;

- часовой расход топлива, кг/ч;

- максимальная температура горения, °К;

- температурная поправка к теплопередаче в топке, °;

ккал/(кг·град) - суммарная теплоемкость дымовых газов при °C, найденная как отношение ккал/кг к °C.

Характеристику излучения в топке найдем по формуле (8.29)

(8.29)

Температуру дымовых газов на выходе из топки находим по формуле (8.30)

(8.30)

где - характеристика излучения в топке;

- максимальная температура горения, °К;

- температурная поправка к теплопередаче в топке, °.

°К

или

°C

Полученная расчетом температура °C незначительно отличается от предельно принятой °C. Таким образом, подтверждается ранее назначенная нами теплонапряженность радиантных труб ккал/(м2·ч) и рассчитанная поверхность нагрева экрана м2.

Если полученная расчетом окажется значительно больше или меньше ранее принятой, следует повторить расчет, задавшись более высоким или более низким соответственно значением .



9. Расчет конвекционной поверхности нагрева печи

Поверхность нагрева конвекционных труб рассчитываем по формуле (9.1)

(9.1)

где - количество тепла, передаваемого сырью в конвекционных трубах, ккал/ч;

- коэффициент теплоотдачи в конвекционной камере печи, ккал/(м2·ч·град);

- средний температурный напор, °C.

Количество тепла, передаваемого сырью в конвекционных трубах, рассчитываем по формуле (9.2)

(9.2)

где - полезное тепло печи, ккал/ч;

- количество тепла, переданного сырью в камере радиации, ккал/ч.

ккал/ч [6416500 вт]

Коэффициент теплоотдачи в конвекционной камере рассчитаем по формуле (9.3)

(9.3)

где - коэффициент теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к трубам, ккал/(м2·ч·град);

- коэффициент теплоотдачи излучением от трехатомных газов к трубам, ккал/(м2·ч·град).

Коэффициент определим по формуле Д.А. Литвинова [14, с. 369] (9.4)

(9.4)

где - коэффициент, зависящий от средней температуры дымовых газов; находим по графику Литвинова [14, с. 547] для °C ;

- массовая скорость дымовых газов в свободном сечении конвекционной камеры, кг/м2·сек;

- наружный диаметр конвекционных труб, м.

В камерах конвекции устанавливаются трубы с полезной длиной м, наружным диаметром мм и толщиной стенки 6 мм. В каждой камере компонуется змеевик для одного потока сырья. В одном горизонтальном ряду в каждой камере устанавливается по четыре трубы. Конвекционный трубы размещаются в шахматном порядке. Согласно размерам печных двойников принимаем шаг труб мм.

Массовая скорость дымовых газов в узком (свободном) сечении каждой из двух конвекционных камер определим по формуле (9.5)

(9.5)

где - часовой расход топлива, кг/ч;

- суммарное количество продуктов сгорания, кг;

- площадь свободного сечения для прохода дымовых газов в пучке, м2.

Величину рассчитаем по формуле (9.6)

(9.6)

где - ширина конвекционной камеры, м;

- число труб в одном горизонтальном ряду;

- наружный диаметр конвекционных труб, м;

- полезная длина конвекционных труб, м.

Согласно приведенной схеме ширина каждой конвекционной камеры рассчитывается по формуле (9.7)

(9.7)

где - число труб в одном горизонтальном ряду;

- наружный диаметр конвекционных труб, м;

- шаг труб конвекционной камеры, м.

м

м2

кг/(м2·сек)

После подстановки всех величин в формулу (7.4) для вычисления получим

ккал/(м2·ч·град) [19,3 вт/(м2·град)]

Коэффициент теплоотдачи излучением от трехатомных газов рассчитаем по формуле (9.8)

(9.8)

где - коэффициенты теплоотдачи излучением от CO2 и H2O, определяемые по таблицам [16, с. 409-410] в зависимости от средней температуры дымовых газов в конвекционной камере, силы поглощения трехатомных газов и температуры стенки.

Среднелогарифмическая температура дымовых газов в конвекционной камере рассчитывается по формуле (9.9)

(9.9)

где - температура дымовых газов на выходе из топки или верху конвекционной камеры, °C;

- температура дымовых газов, покидающих конвекционную камеру, °C.

°C

Эффективная толщина газового слоя рассчитывается по формуле (9.10)

(9.10)

где - наружный диаметр конвекционных труб, м;

- шаг труб конвекционной камеры, м;

- расстояние между рядами труб, или шаг труб по глубине пучка, м.

Так как трубы расположены в шахматном порядке (рисунок 6.1), то расстояние между рядами труб рассчитаем по формуле (9.11)

(9.11)

где - шаг труб конвекционной камеры, мм.

мм

м

Парциальное давление углекислого газа при давлении внутри печи ат рассчитаем по формуле (9.12)

(9.12)

где - объемное количество углекислого газа при сгорании в м3 на 1 кг топлива, м3/кг;

- суммарный объем продуктов сгорания, м3/кг.

ат

Тот же расчет проводим для водяных паров по формуле (9.13)

(9.13)

где - объемное количество водяного пара при сгорании в м3 на 1 кг топлива, м3/кг;

- суммарный объем продуктов сгорания, м3/кг.

ат

Силу поглощения CO2 и H2O в газовом слое рассчитываем по формулам (9.14-15)

(9.14)

(9.15)

где и - парциальное давление углекислого газа и водяного пара соответственно, ат;

- эффективная толщина газового слоя, м.

м·ат

м·ат

Температуру стенок конвекционных труб примем на 35 °C выше средней температуры сырья в них, рассчитаем эту величину по формуле (9.16)

(9.16)

где - начальная температура сырья на входе в печь, °C;

- температура сырья на входе в радиантные трубы, °C.

°C

Находим

ккал/(м2·ч·град) [4,65 вт/(м2·град)]

ккал/(м2·ч·град) [6,98 вт/(м2·град)]

Тогда

ккал/(м2·ч·град) [11,63 вт/(м2·град)]

Коэффициент теплоотдачи излучением газов можно определить также по формуле Нельсона (9.17)

(9.17)

где - среднелогарифмическая температура дымовых газов в конвекционной камере, °C.

ккал/(м2·ч·град) [11,86 вт/(м2·град)]

Суммарный коэффициент теплоотдачи (9.3) будет равен

ккал/(м2·ч·град) [34,1 вт/(м2·град)]

В конвекционной камере проектируемой печи теплопередача от дымовых газов к сырью в трубная осуществляется при смешанно-перекрестном токе с индексом сопротивления, равным единице. Поэтому средний температурный напор рассчитываем по уравнению Грасгофа (9.18)

(9.18)

где

(9.19)

(9.20)

Из исходных данных и предыдущих расчетов необходимые температуры известны:

°C - температура сырья, поступающего в конвекционные трубы течи;

°C - температура сырья на выходе из конвекционных труб;

°C - температура дымовых газов на выходе из топки или в верху конвекционной камеры;

°C - температура дымовых газов, покидающих конвекционную камеру.

Подставив числовые данные в формулы (9.18-20), получим

°C

°C

°C

Таким образом, поверхность конвекционных труб (9.1) будет равна

м2

Определим число труб в конвекционных камерах по формуле (9.21)

(9.21)

где - поверхность конвекционных труб, м2;

- наружный диаметр конвекционных труб, м;

- полезная длина конвекционных труб, м.

Количество труб в одной конвекционной камере рассчитаем по формуле (9.22)



(9.22)

где - общее количество труб в конвекционных камерах;

2 - количество конвекционных камер.

Примем труб.

Число рядов труб по вертикали в одной камере рассчитаем по формуле (9.23)

(9.23)

где - количество труб в одной камере конвекции;

- число труб в одном горизонтальном ряду.

Высота, занимаемая трубами в конвекционной камере, при шаге труб по глубине конвекционного пучка м, рассчитаем по формуле (9.24)

(9.24)

где - число рядов труб по вертикали в одной камере конвекции;

- шаг труб по глубине конвекционного пучка, м.

м



10. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЗМЕЕВИКА ПЕЧИ

Целью гидравлического расчета является определение давления сырья на входе в змеевик печи. Так как давление на выходе из змеевика печи принимаем кГ/см2 [18, с. 498] (принимается в пределах от 1 до 4,5 кГ/см2), то для отыскивания давления на входе в змеевик необходимо рассчитать потери напора в нем. В проектируемой печи происходит частичное испарение сырья, поэтому гидравлический расчет змеевика ведем по методу Б.Д. Бакланова.

Давление сырья на входе в змеевик печи рассчитываем по формуле (10.1)

(10.1)

где - давление сырья на выходе из змеевика, кГ/см2;

- потери сырья на участке испарения, кГ/см2;

- потери напора на участке нагрева радиантных труб, кГ/см2;

- потери напора в конвекционном змеевике печи (по одному потоку), кГ/см2;

- статический напор, необходимый для подъема нефти в змеевик от уровня её ввода в конвекционный змеевик по до уровня вывода из радиантных труб, кГ/см2.

Расчет необходимо начинать с определения потерь напора на участке испарения по формуле (10.2)

(10.2)

где - давление в начале участка испарения, кГ/см2;

- давление сырья на выходе из змеевика, кГ/см2.

Началом участка испарения называется то сечение змеевика печи, в котором сырье закипает, т.е. достигает температуры начала однократного испарения. При этой температуре упругость насыщенных паров сырья становится равной давлению в начале участка испарения.

Давление в начале участка испарения определяется методом постепенного приближения. Для некоторого облегчения расчетов предварительно строят вспомогательную кривую зависимости температуры начала однократного испарения сырья от давления (или кривую - зависимости упругости насыщенных паров сырья от температуры начала однократного испарения).

Фракционный состав отбензиненной нефти (сырья) приведен в таблице 10.1.

Таблица 10.1 - Фракционный состав отбензиненной нефти

Пределы кипения фракций, °C	180-250	250-300	300-345	345-437	437-462	462-500	Выше 500
Выход фракций, мас. %	20,0	16,0	14,0	20,0	10,0	10,0	10,0

Порядок построения кривой следующий:

а) Для каждой фракции отбензиненной нефти (таблица 10.1) находим среднюю температуру кипения (как среднеарифметическую температуру начала и конца кипения).

б) Рассчитываем молекулярные массы фракций по формуле Б.П. Воинова (10.3)

(10.3)

в) Зная массовую долю каждой фракции в сырье и её молекулярную массу , находим её мольную долю в сырье по формуле (8.4)

(10.4)

г) Каждую узкую фракцию в соответствии с её молекулярной массой приравниваем (условно) к индивидуальному углеводороду (алкану) и находим при нескольких температурах (в нашем случае при 260, 300 и 340 °C) по диаграмме Кокса [13, с. 62] для каждой фракции (приравненной к индивидуальному углеводороду) упругость насыщенных паров. Вычисляем производительность выражающие парциальное давление паров каждой фракции, и по уравнению изотермы жидкой фазы (10.5)

(10.5)

находим для каждой из выбранных температур упругость паров сырья, т.е. давление, при котором сырье закипит при данной температуре.

Все эти определения и расчеты сводим в таблицу 10.2.

По данным этой таблицы построена кривая упругости паров сырья (рисунок 10.1).



Рисунок 10.1 - График для определения упругости паров

Предварительно задаемся давлением в начале участка испарения ат и по кривой (рисунок 10.1) находим температуру начала однократного испарения (закипания) отбензиненной нефти, соответствующую этому давлению, °C. Эта температура выше той, с которой сырье входит в радиантные трубы (°C). Это значит, что испарение сырья начинается в радиантной секции.

Найдем эквивалентную (расчетную) длину радиантных труб для одного потока сырья по формуле (10.6)

(10.6)



где м - полная длина трубы, м;

- число радиантных труб в одном потоке (складывается из количества труб в вертикальном ряду экрана радиантной камеры (27) и количества труб на потолке радиантной камеры);

- коэффициент, зависящий от вида соединения труб [7, с. 131];

м - внутренний диаметр радиантных труб, м.

м

Рассчитываем эквивалентную длину участка испарения по уравнению (10.7)

(10.7)

где - теплосодержание сырья на выходе из печи, ккал/кг;

ккал/кг - теплосодержание сырья в начале участка испарения при °C;

ккал/кг - теплосодержание сырья на входе в радиантные трубы;

- эквивалентная длина радиантных труб, м.

Теплосодержание сырья на выходе из печи рассчитаем по формуле (10.8)

(10.8)

где - массовая доля отгона сырья (по заданию);

- теплосодержание паровой фазы на выходе из печи, ккал/кг;

- теплосодержание жидкой фазы на выходе из печи, кка/кг.

ккал/кг

Подставив данные в формулу (10.7), получим

м

Определение давления в начале участка испарения по формуле Б.Д. Бакланова (10.9)

(10.9)

где ат = 1,25·104 кГ/м2 - давление сырья на выходе из змеевика печи или, что то же самое, в конце участка испарения;

А и В - расчетные коэффициенты.

Коэффициент А находим по формуле [18, с. 497] (10.10)

(10.10)

где - коэффициент гидравлического сопротивления, равный для атмосферных печей 0,020-0,024; принимаем [18, с. 497];

- секундный расход сырья по одному потоку, кг/сек;

кг/м3 - плотность сырья при средней температуре на участке испарения °C;

м - внутренний диаметр радиантных труб, м.

Секундный расход сырья по одному потоку рассчитываем по формуле (8.11)

(10.11)

где - производительность печи по сырью, т/сутки;

2 - количество потоков.

кг/сек

Коэффициент В находим по формуле (10.12)

(10.12)

где А - расчетный коэффициент;

- массовая доля отгона сырья (по заданию);

кг/м3 - плотность сырья при средней температуре на участке испарения °C;

- эквивалентная длина участка испарения, м;

- средняя плотность паров сырья при давлении 1 кГ/м2 в кг/м3 [14, с. 556].

После подстановки числовых значений в формулу (8.12) получим

Давление в начале участка испарения равно

Полученное значение достаточно близко к ранее принятому (расхождение 2%), поэтому пересчета не делаем.

Вычислим потерю напора на участке испарения по формуле (10.2)

кГ/м2

Потери напора на участке нагрева радиантных труб найдем по формуле (10.13)

(10.13)

где - коэффициент гидравлического сопротивления, выбирается по таблице [18, с. 513];

- эквивалентная длина участка нагрева радиантных труб по одному потоку, м;

- внутренний диаметр радиантных труб;

- массовая скорость сырья в трубах, кг/(м2·сек);

- безразмерный коэффициент перевода ньютонов в килограммы;

кг/м3 - плотность отбензиненной нефти при средней температуре на участке нагрева радиантных труб °C.

Эквивалентная длина участка нагрева радиантных труб рассчитываем по формуле (10.14)

(10.14)

где - эквивалентная длина радиантных труб, м;

- эквивалентная длина участка испарения, м.

м

Массовую скорость сырья в трубах (одного потока) рассчитаем по формуле (10.15)

(10.15)

где - производительность печи по сырью, т/сутки;

- число труб в одном горизонтальном ряду;

- внутренний диаметр радиантных труб, м;

2 - количество потоков.

кг/(м2·сек)

Подставляя в формулу (10.13) для числовые значения величин, получим

кГ/м2 = 1,4293 кГ/см2 [9,03·104 н/м2]

Потери напора в конвекционном змеевике (по одному потоку) найдем по формуле (10.16)

(10.16)

где - коэффициент гидравлического сопротивления, выбирается по таблице [18, с. 513];

- эквивалентная (расчетная) длина конвекционного змеевика по одному потоку, м;

- внутренний диаметр конвекционных труб;

- массовая скорость сырья в конвекционных трубах, кг/(м2·сек);

- безразмерный коэффициент перевода ньютонов в килограммы;

кг/м3 - плотность отбензиненной нефти при средней температуре в конвекционных трубах °C.

Эквивалентную длину конвекционного змеевика по одному потоку рассчитаем по формуле (10.17)



(10.17)

где - число труб в одном потоке;

- внутренний диаметр конвекционных труб;

м - полная длина трубы;

[3, с.131].

м

Массовую скорость рассчитаем по формуле (10.18)

(10.18)

где - производительность печи по сырью, т/сутки;

- число труб в одном горизонтальном ряду;

- внутренний диаметр конвекционных труб, м;

2 - количество потоков.

кг/(м2·сек)

Подставляя в формулу (10.16) для числовые значения величин, получаем

кГ/м2 = 29 кГ/см2 [290,3·104 н/м2]

Определяем статический напор, необходимый для подъема отбензиненной нефти в змеевике от уровня её ввода в конвекционный змеевик до уровня вывода из радиантных труб, по формуле (10.19)

(10.19)

где - высота радиантной камеры, м;

- высота, занимаемая трубами в конвекционной камере, м;

кг/м3 - плотность отбензиненной нефти при средней температуре в конвекционных трубах °C.

кГ/м2 = 0,82 кГ/см2 [н/м2]

Таким образом, давление сырья на входе в змеевик печи будет

кГ/см2 [119,6·104 н/м2]



11. Расчет потерь напора в газовом тракте печи

Общие потери напора по газовому тракту печи, или величина тяги в дымовой трубе, рассчитываем по формуле (11.1)

(11.1)

где - величина разрежения в камере радиации, ( мм вод. ст.) принимаем мм. вод. ст. (1Па=0,1 мм вод. ст.) [12, с. 564];

- потери напора в камере конвекции, мм. вод. ст.;

- потери напора в дымовой трубе, мм. вод. ст..

Потери напора в камере конвекции рассчитаем по формуле (11.2)

(11.2)

где - потеря напора в конвекционном пучке труб, мм. вод. ст.;

- статический напор в камере конвекции при нисходящем потоке газов, мм. вод. ст..

Потери напора в конвекционном пучке труб определяем по формуле В.М. Антуфьева и Л.С. Казаченко (11.3)

(11.3)

где - коэффициент, берется по таблице [10, с. 139]; в нашем случае при ;

- коэффициент, берется по графику [10, с. 139]; в нашем случае при ;

- число горизонтальных рядов труб в конвекционном пучке;

- критерий Рейнольдса;

- кг/(м2·сек) - массовая скорость газов в узком сечении пучка (найдена в 9 разделе);

- плотность дымовых газов при их средней температуре в конвекционной камере, кг/м3.

Определим среднюю температуру газов в конвекционной камере по формуле (11.4)

(11.4)

где - температура дымовых газов на выходе из топки или в верху конвекционной камеры, °C;

- температура дымовых газов, покидающих конвекционную камеру, °C.

°C

Значение критерия Рейнольдса подсчитаем по формуле (11.5)

(11.5)

где - кг/(м2·сек) - массовая скорость газов в узком сечении пучка (найдена в 9 разделе);

- плотность дымовых газов при их средней температуре в конвекционной камере, кг/м3.

- внутренний диаметр конвекционных труб, м;

м2/сек - кинетическая вязкость дымовых газов при °C [17, с. 135].

Определим величину по формуле (11.6)

(11.6)

где °К;

кг/м3 - плотность дымовых газов при 0 °C и 760 мм. рт. ст., (рассчитана во 2 разделе);

°К - средняя абсолютная температура дымовых газов.

Тогда

кг/м3

кГ/м2 = 0,72 мм. вод. ст. [7,07 н/м2]

Рекомендуется найденную величину увеличить на 40 %, поэтому примем (11.7)

(11.7)

мм. вод. ст. [9,98 н/м2]

Статический напор в камере конвекции при нисходящем потоке газов найдем по формуле (11.8)

(11.8)

где м - высота камеры конвекции (рисунок 6.1);

- удельный вес воздуха при температуре окружающей среды °C и нормальном давлении и удельный вес дымовых газов, кГ/м3.

Рассчитаем по формуле (11.9)

(11.9)

где - плотность воздуха при нормальных условиях;

°C - температура воздуха;

°К.

кг/м3

кг/м2 = 3,17 мм вод. ст. (30,9 н/м2)

мм вод. ст. (47,5 н/м2)

Потери напора в дымовой трубе найдем по формуле (11.10)

(11.10)

где - потери напора при входе газов в трубу и выходе из неё, мм вод. ст.;

- потери напора на трение при движении газов в трубе, мм вод. ст..

Предварительно рассчитаем диаметр дымовой трубы по формуле (11.11)

(11.11)

где - секундное количество продуктов сгорания, кг/сек;

- массовая скорость газов на входе в трубу, кг/...