Курсовая работа: Технологический расчет трубчатой печи

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра «Нефтехимия и химическая технология»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему Технологический расчет трубчатой печи

по дисциплине «Дополнительные главы по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии»

направление подготовки 18.03.01 Химическая технология

профиль «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов»

Студент гр. БТП-20-02 Д.С. Ирмекеев

Уфа

2023

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Расчет процесса горения топлива

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

Выбор типоразмера трубчатой печи

Упрощенный расчет камеры радиации

Расчет диаметра печных труб

Расчет камеры конвекции

Гидравлический расчет змеевика трубчатой печи

Упрощенный аэродинамический расчет дымовой трубы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

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

Представляют собой камеры горения, в которых расположено большое количество труб как над огневым пространством, в котором сгорает топливо, так и в потоке горячих дымовых газов. Общая длина труб, размещенных в печи, достигает несколько километров. В трубчатых печах осуществляется косвенный нагрев. Нагреваемая жидкостная или газовая смесь быстро движется по трубам противотоком топочным газам, обогревающим внешнюю поверхность труб.

К основным элементам трубчатой печи относятся: камера радиации (топка), камера конвекции, трубы, которые образуют так называемые экраны (теплопоглощающие поверхности), горелочные устройства (горелки, форсунки) с шиберами, печной боров для отвода продуктов сгорания, дымовая труба.

Работу трубчатых печей нефтеперерабатывающих установок характеризуют следующие основные показатели: производительность в т/сут (кг/ч), полезная тепловая нагрузка в кДж/ч (Гкал/ч), коэффициент полезного действия, теплонапряженность поверхности нагрева радиантных труб, то есть количество тепла, передаваемое через 1 м² поверхности сырьевых труб, в кВт/м²ч, гидравлические потери напора в трубчатом змеевике.

Производительность печи показывает или количество сырья, проходящего через нее в единицу времени или количество получаемого продукта.

Полезная тепловая мощность или теплопроизводительность - это количество теплоты, воспринимаемое сырьем в единицу времени.

Коэффициент полезного действия печи показывает насколько эффективно используется теплота сгорания топлива. КПД зависит от таких параметров как: полнота сгорания топлива, коэффициент избытка воздуха (то есть сколько подается воздуха на горение), температура уходящих дымовых газов, тепловая изоляция печи. Обычно коэффициент полезного действия трубчатой печи лежит в пределах от 60 до 85 процентов.

Теплонапряженность поверхности нагрева характеризует, насколько эффективно используется змеевик печи. Теплонапряженность зависит от жаропрочности и жаростойкости стали печных труб, скорости движения сырья, его состава. При повышении теплонапряженности в змеевике может образовываться кокс, что нежелательно, так как приводит к локальному перегрев и прогару змеевика.

Гидравлическое сопротивление змеевика печи зависит от скорости потока в нем. При низкой скорости возможно протекание нежелательных реакций разложения. При слишком высокой скорости возрастает сопротивление змеевика и энергозатраты на перекачивание. Управление работой печи, регулирование процесса нагрева называется шуровкой печи.

Трубчатые печи получили широкое распространение благодаря следующим особенностям: их работа основывается на принципе однократного испарения, что обеспечивает либо глубокий отгон при данной конечной температуре нагрева сырья, либо заданный отгон при более низкой температуре нагрева.

Они обладают высокой тепловой эффективностью, достаточно компактны, у них высокий коэффициент полезного действия, они могут обеспечивать большую тепловую мощность.

Нагрев сырья или какого-либо продукта в трубчатых печах происходит практически без заметного термического разложения вследствие малого времени пребывания нагреваемого продукта в зоне повышенных температур.

Печи удобны в эксплуатации и позволяют применить автоматизацию для управления режимом горения топлива.

Расчет процесса горения топлива

Целью этого этапа расчета является расчет низшей теплотворной способности топлива, количества и состава продуктов сгорания, теплосодержания продуктов сгорания.

Определение элементарного состава газового топлива:

(1.1)

(1.2)

где n_Ci, n_Hi - соответственно число атомов углерода, водорода в молекулах газовых компонентов топлива;

X_i - концентрация газовых компонентов в топливе, % масс;

M_i - молекулярная масса компонентов топлива;

k - число компонентов в топливе;

C, H - соответственно содержание углерода, водорода, % масс.

Низшая теплотворная способность топлива определяется по уравнению Менделеева, кДж/кг:

кДж/кг.(1.3)

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

Элементарный состав мазута задан при подготовке исходных данных. Содержание влаги в топливе было принято равным нулю.

кДж/кг.(1.4)

Теоретическое количество воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива, кг/кг:

,(1.5)

кг/кг.

Фактический расход воздуха, кг/кг:

кг/кг,(1.6)

где - коэффициент избытка воздуха.

Количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива, кг/кг:

кг/кг,(1.7)

где - расход форсуночного пара, принятый за ноль, кг/кг.

Количество газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива, кг/кг:

кг/кг,(1.8)

кг/к,(1.9)

кг/к,(1.10)

кг/к,(1.11)

Проверка:

,(1.12)

Объемный расход воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива, м³/кг:

,(1.13)

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

,(1.14)

где T - температура продуктов сгорания, К;

,,,,- средние массовые теплоемкости продуктов сгорания, кДж/кг К.

кДж/кгК

Таблица 1 - Зависимость теплосодержания продуктов сгорания на 1 кг топлива от температуры

Итак, в данном разделе была найдена низшая теплотворная способность

= 50340,8 кДж/кг, фактическое количество воздуха, необходимого для полного сгорания топлива L=18,83 кг/кг, количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива G=19,83 кг/кг.

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

Согласно закону сохранения энергии уравнение теплового баланса для трубчатой печи выглядит так:

,( 2.1)

где , - соответственно статьи прихода и расхода тепла, кДж/кг.

Расчет теплового баланса ведется на 1 кг топлива.

Статьи расхода тепла:

,( 2.2)

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

Статьи прихода тепла:

( 2.3)

где , , - соответственно теплоемкости топлива, воздуха, форсуночного водяного пара, кДж/кг;

, , - соответственно температуры топлива, воздуха, форсуночного водяного пара, .

Явное тепло топлива, воздуха и водяного пара обычно невелико и им часто в технических расчетах пренебрегают. Однако при анализе способов, способствующих повышению коэффициента полезного действия трубчатой печи, эти статьи прихода тепла необходимо учитывать.

Итак, уравнение теплового баланса запишется в следующем виде:

, ( 2.4)

( 2.5)

,( 2.6)

откуда определяется коэффициент полезного действия трубчатой печи:

,( 2.7)

где, - соответственно потери тепла с уходящими дымовыми газами и потери тепла в окружающую среду в долях от низшей теплотворной способности топлива.

Примем, что потери тепла в окружающую среду составляют 5%, тогда

кДж/кг.( 2.8)

Температура уходящих дымовых газов определяется равенством:

C( 2.9)

где - температура нагреваемого продукта на входе в печь, примем 135C;

- разность температур теплоносителей на входе сырья в змеевик камеры конвекции, примем 125C.

При естественной тяге в печи не должна быть меньше 250 C.

определяем по уравнению (1.15).

( 2.10)

По уравнению (2.5) находим тепло полезно воспринятое в печи сырьем:

кДж/кг.( 2.11)По уравнению (2.6) находим коэффициент полезного действия трубчатой печи:

( 2.12)

Расчет полезной тепловой нагрузки трубчатой печи, кДж/ч:

,( 2.13)

где G - производительность печи по сырью, кг/ч;

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

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

Теплосодержание паров нефтепродуктов определяется по уравнению, кДж/кг:

,( 2.14)

( 2.15)

Для определения теплосодержания жидких нефтепродуктов используем уравнение, кДж/кг:

,( 2.16)

где t - температура, при которой определяется теплосодержание нагреваемого продукта, C.

кДж/кг,( 2.17)

кДж/кг.( 2.18)

По уравнению (2.12) определяем полезную тепловую нагрузку трубчатой печи, кДж/ч:

( 2.19)

Определение полной тепловой нагрузки печи, кДж/ч:

кДж/ч = 30,22 МВт.( 2.20)

Часовой расход топлива рассчитывается по формуле, кг/ч:

кг/ч( 2.21)

Итак, в данном разделе были высчитан коэффициент полезного действия

з = 0,83, полезная тепловая нагрузка печи = 90311812,5 кДж/ч, часовой расход топлива B = 2161,45 кг/ч, необходимый для работы печи в заданном режиме, с учетом потерь тепла в окружающую среду через неплотности и с уходящими дымовыми газами.

Коэффициент полезного действия удовлетворяет пределу значений КПД для трубчатых печей (от 0,65 до 0,85).

Обычно температуру уходящих из печи дымовых газов рекомендуется принимать на 100-150 °С выше температуры сырья, поступающего в конвекционную часть печи. В данной работе температура уходящих газов равна = 260 °С. Данная температура не ниже предельного значения в 250 °С, что обеспечивает естественную тягу в печи.

Температура сырья, поступающего в камеру конвекции намного меньше температуры отходящих дымовых газов, это способствует более эффективной передаче тепла в камере конвекции и, следовательно, требуется меньшая поверхность конвекционных труб.

Выбор типоразмера трубчатой печи

Выбор типоразмера трубчатой печи осуществляется по каталогу в зависимости от теплопроизводительности, назначения и вида топлива. В нашем случае назначение печи - сжигание газового топлива, теплопроизводительность Q_Т = 2610⁶ ккал/ч, топливо - газ. Исходя из этих условий выбираем трубчатую печь на газовом топливе ГН2.

Таблица 2 - Техническая характеристика трубчатой печи ГН2.