Материал: Технологический расчет трубчатой печи для нагрева и частичного испарения нефти

Технологический расчет трубчатой печи для нагрева и частичного испарения нефти

Введение

В большинстве процессов нефтеперерабатывающей промышленности используется нагрев исходного сырья, а также применяемых при его переработке растворителей, реагентов, катализаторов и др. Полученные в результате того или иного технологического процесса целевые продукты или полуфабрикаты обычно требуется охлаждать до температуры, при которой возможны их хранение и транспортировка.

На современном нефтеперерабатывающем заводе, где осуществляется глубокая переработка нефти, на изготовление аппаратов, предназначенных для нагрева и охлаждения, затрачивается до 30% общего расхода материалов на все технологические установки. Высокая эффективность работы подобных аппаратов позволяет сократить расход топлива и электроэнергии, затрачиваемой на тот или иной технологический процесс, и оказывает существенное влияние на его технико-экономические показатели. Поэтому изучению устройства и работы таких аппаратов, а также освоению их расчета необходимо уделять особое внимание.

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 процесса, таких как перегонка и риформинг, гидроочистка и др.

Трубчатые печи получили широкое распространение благодаря своим особенностям. Их работа основывается на принципе однократного испарения, что обеспечивает либо более глубокое при данной температуре нагрев сырья, либо заданный отгон при более низкой температуре нагрева.

Трубчатая печь имеет две камеры: радиации и конвекции. В камере радиации, где сжигается топливо, размещена радиантная поверхность. Тепло поглощается в основном за счет радиации. В камере конвекции расположены трубы, воспринимающие тепло, главным образом, за счет конвекции - при соприкосновении дымовых газов с поверхностью нагрева.

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

1. Исходные данные

2. Расчетная часть

2.1 Расчет процесса горения топлива

Цель данного этапа: расчет низшей теплотворной способности топлива, количества и состава продуктов сгорания, теплосодержания продуктов сгорания.

Низшая теплотворная способность топлива определяется по уравнению Менделеева:

 (1)

где C, H, S, O, W - соответственно содержание в топливе углерода, водорода, серы, кислорода, влаги, % масс.;

кДж/кг.

Теоретическое количество воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива:

; (2)

 кг/кг.

Фактический расход воздуха:

, (3)

где a - коэффициент избытка воздуха;

 кг/кг.

Количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива:

, (4)

где Wф - расход форсуночного пара;

 кг/кг.

Количество газов, образующихся при сгорании 1кг топлива:

 кг/кг; (5)

 кг/кг; (6)

 кг/кг; (7)

 кг/кг; (8)

 кг/кг. (9)

Проверка осуществляется, исходя из условия: ;

3,117+1,170+0,827+13,690+0,02 = 18,824 кг/кг » 18,825 кг/кг.

Объемный расход воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива:

; (10)

 м3/кг.

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

,(11)

где Т - температура продуктов сгорания (дымовых газов), К;- средние массовые теплоемкости продуктов сгорания, кДж/кг×К (их значения находим по табл.2 [2, с.7] методом интерполяции).

Температура уходящих дымовых газов определяется равенством:

, 0С, (12)

где t1 - температура нагреваемого продукта на входе в печь, 0С;

Dt - разность температур теплоносителей на входе сырья в змеевик камеры конвекции; принимаем Dt = 130 0С;

 0С (533 К).

 кДж/кг.

Таблица 1- Результаты расчета теплосодержания продуктов сгорания при разной температуре уходящих газов

Выводы: по результатам расчетов данного этапа низшая теплотворная способность топлива составила 42215,50 кДж/кг, количество продуктов сгорания на 1 кг сжигаемого топлива - 18,825кг/кг.

Рисунок 1 - Зависимость теплосодержания продуктов сгорания от температуры.

.2 Тепловой баланс трубчатой печи. Расчет коэффициента полезного действия и расхода топлива

Цель этапа: кроме к.п.д. и расхода топлива рассчитать теплопроизводительность трубчатой печи (полную тепловую нагрузку), значение которой необходимо для выбора ее типоразмера.

Уравнение теплового баланса для трубчатой печи выглядит так:

 (13)

Расчет теплового баланса ведется на 1 кг топлива.

Статьи расхода тепла:

, (14)

где qпол., qух., qпот. - соответственно полезно воспринятое в печи сырьем, теряемое с уходящими из печи дымовыми газами, теряемое в окружающую среду, кДж/кг.

Статьи прихода тепла:

, (15)

где Cт, Cв, Cф.п. - соответственно теплоемкости топлива, воздуха, форсуночного водяного пара, кДж/кг;т, tв, tф.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:

, (16)

а

или , (17)

откуда коэффициент полезного действия трубчатой печи:

, (18)

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 qпот. принимаем 6 % (0,06 в долях) от низшей теплотворной способности топлива, т.е.

, откуда

 кДж/кг.

Итак, определяем к.п.д. печи:

.

Расчет полезной тепловой нагрузки трубчатой печи производим по формуле:

, (19)

где  - производительность печи по сырью, кг/ч;

, ,  - соответственно теплосодержания паровой и жидкой фазы при температуре t2, жидкой фазы (сырья) при температуре t1, кДж/кг;- доля отгона сырья на выходе из змеевика трубчатой печи.

Теплосодержание паров нефтепродуктов определяется по уравнению:

, (20)

где  - относительная плотность; для конденсированных паров = 0,8;

 кДж/кг.

Уравнение для расчета теплосодержания жидких нефтепродуктов имеет вид:

, (21)

где относительная плотность нефти = 0,9;

 кДж/кг;

 кДж/кг.

Рассчитываем полезную тепловую нагрузку печи:

 .

Определяем полную тепловую нагрузку печи:

 = 36,91 МВт. (22)

Часовой расход топлива:

 кг/ч. (23)

Выводы: 1) расчеты данного этапа показали, что коэффициент полезного действия нашей печи h = 0,810, т.е. довольно высокий, т.к. для трубчатых печей значение к.п.д. находится в пределах от 0,65 до 0,85 [1, с.439];

) полная тепловая нагрузка печи составила 36,91 МВт.

.3 Выбор типоразмера трубчатой печи

Цель: подобрать печь, удовлетворяющую исходным данным и рассчитанным ранее параметрам, и ознакомиться с ее характеристиками и конструкцией.

Выбор типоразмера трубчатой печи осуществляем по каталогу [4] в зависимости от ее назначения, теплопроизводительности и вида используемого топлива.

В нашем случае назначение печи - нагрев и частичное испарение нефти, теплопроизводительность Qт составляет 36,91 МВт, а топливом является газ. Исходя из этих условий, выбираем трубчатую печь на комбинированном топливе (мазут + газ) НОКГ2.

Таблица 2 - Техническая характеристика печи НОКГ2.

Печь - объемнонастильного сжигания комбинированного топлива, коробчатая, с горизонтальным расположением труб змеевика в одной камере радиации. Горелки типа ГП расположены в один ряд в поду печи. На каждой боковой стороне камеры радиации установлены однорядные настенные трубные экраны, которые облучаются рядом вертикальных факелов. При изменении теплопроизводительности горелок практически не меняется характер подведенных тепловых потоков на трубный экран.