Курсовая работа: Трубчатые печи

Содержание

• Введение
• 1. Описание конструкций аппаратов, применяемых в промышленности
• 1.1 Основные характеристики трубчатых печей
• 1.2 Обозначения трубчатых печей и их виды
• 2. Термотехнологические процессы, протекающие в печах
• 2.1 Химические превращения
• 2.2 Физико-химические превращения
• 3. Топливно-сжигающие устройства (ТСУ) трубчатых печей
• 3.1 ТСУ для сжигания жидкого топлива
• 3.2 ТСУ для сжигания газового топлива
• 3.3 Комбинированные ТСУ для сжигания жидкого и газообразного топлива
• 4. Описание технологической схемы
• 5. Расчетная часть
• 5.1 Расчет процесса горения топлива
• 5.2 Тепловой баланс трубчатой печи. Расчет коэффициента полезного действия и расхода топлива
• 5.3 Выбор типоразмера трубчатой печи
• 5.4 Упрощенный расчет камеры радиации
• 5.5 Расчет диаметра печных труб
• 5.6 Расчет камеры конвекции
• 5.7 Гидравлический расчет змеевика трубчатой печи
• 5.8 Упрощенный аэродинамический расчет дымовой трубы
• Список использованной литературы

Введение

Технологические печи очень широко используются практически во всех химических отраслях промышленности. В печах за счет сжигания топлива (газообразного, жидкого и комбинированного) реализуется процесс нагрева перерабатываемого продукта. Механизм теплопередачи достаточно сложен, поскольку в этих устройствах, в отличие, например, от теплообменников, значителен вклад в суммарный теплообмен лучистой (радиационной) составляющей. В некоторых случаях этот механизм теплопередачи является превалирующим. Организация движения образующихся дымовых газов в свою очередь существенно влияет на вклад в суммарный теплообмен конвективной составляющей. Поэтому проектирование печей предполагает учет характеристик топлива, расчет процесса горения с учетом гидродинамики движения дымовых газов, выбор конструкции печи, учет характеристик топливно-сжигающих устройств (ТСУ), прочностные расчеты всех элементов конструкции. Эти задачи предполагают использование весьма разнообразных знаний.

трубчатая печь нефтеперерабатывающий типоразмер

1. Описание конструкций аппаратов, применяемых в промышленности

Трубчатые печи нашли самое широкое применение в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности. Так в нефтепереработке трубчатые печи используются для огневого нагрева и частичного испарения нефти и продуктов её переработки на установках АВТ, каталитического крекинга, риформинга и многих других. Трубчатые печи широко используются и в качестве реакционных аппаратов (установки термического крекинга, пиролиза), причем реакционные процессы могут протекать как в жидкой, так и в паровой фазах.

По способу передачи тепла потоку перерабатываемого сырья трубчатые печи можно разделить на три группы: конвективные, радиантно-конвективные и радиантные.

В конвективных печах тепло передается продукту при соприкосновении продуктов сгорания топлива с трубами, по которым прокачивается сырье. Топочная камера в печах вынесена отдельно, а трубные экраны отсутствуют. За счет конвекции передается до 80% от общего количества тепла (остальное количество тепла передается радиацией). В печах данного типа обеспечиваются более мягкие условия теплообмена (меньшая разность температур между стенкой трубы и перерабатываемым продуктом).

В печах радиантно-конвективного типа 40 - 60% всего тепла передается радиацией, а остальное - конвекцией.

В радиантных печах основная доля тепла передается радиацией. В печах этого типа стены топочной камеры покрыты экранами из радиантных труб. Тепло от факела горения передается экранам излучением. Камера конвекции имеет вспомогательное значение. Печи данного типа наиболее компактны. Основным их недостатком является высокая температура отходящих газов, что ухудшает экономические показатели печного агрегата. В зависимости от места расположения трубные экраны радиантных печей (секций) разделяются на потолочные (подвесные), боковые (фронтальные) и подовые (напольные), а в зависимости от направления подвода тепла излучением - одно - и двухстороннего облучения.

1.1 Основные характеристики трубчатых печей

В промышленности применяются трубчатые печи с поверхностью нагрева радиантных труб от 15 до 2000 м². Тепло - производительность печей меняется в широком диапазоне и составляет от 0,7 до 60 МВт, на крупных установках она может достигать 100 МВт. Температура и давление нагреваемой среды на входе и на выходе из печи в зависимости от типа технологического процесса также могут меняться в самых широких пределах (температура - от 70 до 900 ^оС, давление - от 0,1 до 30 МПа).

Допускаемая теплонапряженность поверхности нагрева зависит от вида нагреваемого продукта и скорости его движения по трубам. Чем тяжелее нагреваемый продукт, тем меньше величина допускаемой тепло напряженности (см. табл.1). Так при перегонке нефти теплонапряженность радиантных труб составляет 45 ^ 60 кВт/м, в печах замедленного коксования - 25 - ^35 кВт/м², при нагреве масел - 10 + 20 кВт/м². Для труб конвективных камер величина теплонапряженности составляет 10 + 20 кВт/м². Теплонапряженность топочного пространства в современных трубчатых печах установок нефтепереработки составляет 50 ^100 кВт/м³.

КПД трубчатой печи зависит от величины коэффициента избытка воздуха, подаваемого в горелки печи, температуры отходящих продуктов сгорания топлива, качества тепловой изоляции печи и ряда других параметров. КПД современных трубчатых печей находится на уровне 0,65 + 0,93.

Таблица 1. Допускаемая теплонапряженность труб радиантных змеевиков для основных процессов нефтепереработки

Вышеприведенная классификация трубчатых печей проводится без учета конструкции трубного змеевика. Трубчатые змеевики проектируются отдельно, поскольку нормализовать для них всю совокупность производственных требований весьма затруднительно. Поэтому при разработке трубчатой печи такие узлы, как корпус с обмуровкой и теплоизоляцией, трубные решетки для поддержки труб экранов и змеевиков, газосборники и дымовые трубы разрабатываются как самостоятельные унифицированные узлы, из которых и собираются в зависимости от условий применения. Таким образом, за счет сравнительно незначительных конструктивных модификаций печей около десяти типов можно получить до ста типоразмеров печей, обеспечивающих требования самых разнообразных технологических процессов.

Для выбора и привязки типовой трубчатой печи к конкретной технологической установке необходимо в соответствии с исходными данными произвести выбор материалов, диаметров и толщин стенок труб соответствующих змеевиков, определить число потоков в змеевиках и т.д. В некоторых случаях, например для установок пиролиза, существенное значение приобретает и технология изготовления труб, в частности чистота обработки внутренней поверхности труб. Детальные методы теплового расчета трубчатых печей изложены в специальной литературе. В последние годы все большее распространение для проведения теплотехнических расчетов печей и их отдельных элементов находят специализированные программные средства (системы автоматизированного проектирования).

1.2 Обозначения трубчатых печей и их виды

В настоящее время трубные печи выпускаются в соответствии с каталогом "Трубчатые печи. Типы, параметры и основные размеры". По конструктивным признакам различают печи цилиндрические, с наклонным сводом, вертикальные и др. По числу камер (радиантных и конвективных) печи подразделяются на одно-, двух - и многокамерные. Расположение труб в трубных экранах также может быть горизонтальным или вертикальным. Печи разделяются и по способу организации теплообмена (печи с излучающими стенами из беспламенных панельных горелок; с настильным, объемно-настильным и вертикально-факельным сжиганием топлива; с дифференцированным подводом воздуха).

В каталоге использованы следующие условные обозначения печей. Первая буква в обозначении характеризует конструктивное исполнение: Г - узко камерные трубчатые печи с верхним отводом дымовых газов и горизонтальными настенными экранами; А - узкокамерные трубчатые печи с верхним отводом дымовых газов и центральным горизонтальным экраном; В - узкокамерные секционные трубчатые печи с вертикальными трубами экрана; С - секционные трубчатые печи с прямоугольно и горизонтально витым трубным змеевиком; Ц - цилиндрические трубчатые печи с верхней камерой конвекции, горизонтальными трубами конвекции и вертикальными трубами радиации; К - цилиндрические печи с боковой кольцевой камерой конвекции и вертикальным расположением конвективных труб. Цифровой индекс к первой букве обозначает число рядов экрана (при однорядном экране индекс не указывается).

Вторая буква означает способ сжигания топлива: С - свободный вертикальный факел с позонным подводом воздуха по высоте факела; Н - настильный факел; Д - настильный факел с дифференциальным подводом воздуха по высоте факела; Б - беспламенное горение с излучающими стенами из панельных горелок; знак (штрих) ко второй букве обозначает смещение горелок от центра в сторону входа продукта; цифры после буквенного обозначения - число радиантных камер или секций печи.

На последнем месте обозначения стоит дробь, числитель которой характеризует поверхность нагрева радиантных труб, м²; а знаменатель - длину или высоту топки, м (в большинстве случаев длина топки совпадает с длиной радиантных труб). В табл.2 представлены условные обозначения наиболее распространенных трубчатых печей.

Таблица 2. Условные обозначения наиболее распространенных трубчатых печей

Например, А₂Б₂115/6 - узкокамерная трубчатая печь с центральным горизонтальным двухрядным экраном и верхним отводом дымовых газов, беспламенным горением, с излучающими стенами из панельных горелок, двумя радиантными камерами, с поверхностью нагрева радиантных труб 115 м² и длиной радиантных труб 6 м.

Схематичное изображение наиболее распространенных типов трубчатых печей показано на рис.1.

Рис.1. Принципиальные схемы трубчатых печей с факельными горелками: а) - конвекционная печь; б) - радиантно-конвекционная печь: 1 - горелка; 2 - радиантный змеевик; 3 - конвективный змеевик; 4 - перевальная стенка; 5 - обмуровка; 6 - боров (дымоход).

На рис.1, а) показана принципиальная схема конвекционной печи с нижним отводом дымовых газов. Обогрев труб конвективного змеевика 3 осуществляется топочными газами, образованными в результате сгорания топлива в горелках 1. Конвекционная камера разделена от топки печи перевальной стеной 4, имеющей со стороны конвекционной камеры наклонную стену. За счет увеличения площади поперечного сечения в верхней части конвекционной камеры, на входе в камеру удается разместить большее число труб, с целью обеспечения более эффективной теплоотдачи от горячих дымовых газов к трубам. На рис.1, б) представлена схема радиантно-конвекционной печи с горизонтальными трубами змеевиков и с нижним отводом дымовых газов. Здесь радиантный змеевик 2, для более полного использования теплоты излучения от пламени факельных горелок 1, размещен вдоль обеих стен топки (настенный экран) и подвешен к верхнему своду печи (потолочный экран). Отработанные топочные газы далее проходят через конвекционную камеру, расположенную за перевальной стеной 4, где дополнительно обогревают трубы конвективного змеевика 3 и отводятся через нижний боров 6 в дымовую трубу.

Рис.2. Принципиальные схемы многокамерных секционных печей:

а) - трехкамерная печь типа ВС3 с нижними факельными горелками и вертикальными трубами радиантной камеры в плане; б) - трехкамерная печь типа СС3 с боковыми горелками и с горизонтальными змеевиками радиантных и конвективных камер: 1 - горелки; 2 - радиантный змеевик; 3 - конвективный змеевик; 4 - обмуровка; 5 - боров (дымоход).

Для увеличения единичной тепловой мощности трубчатых печей их выполняют многокамерными или секционными. На рис.2 представлены схемы трехкамерных печей: а) - тип ВС3 с нижним расположением факельных горелок и вертикальными трубами радиантного змеевика и б) - тип СС3 с боковыми горелками и горизонтальными змеевиками радиантного и конвективного змеевика. В многокамерных печах, кроме настенных радиантных змеевиков одностороннего облучения, имеются межкамерные одно - или двухрядные радиантные экраны 2, подверженные двухстороннему облучению высокотемпературным пламенем факельных горелок, что обеспечивают более равномерный обогрев труб, увеличивая КПД печи, особенно в радиантной камере.