Технологический расчет трубчатой печи 1 страница

Трубчатая печь – аппарат, который предназначен для передачи нагреваемому продукту тепла, выделяющегося при сжигании топлива, непосредственно в этом же аппарате.

В настоящее время трубчатые печи получили широкое распространение в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, они являются составной частью многих установок и применяются в различных технологических процессах, таких как перегонка нефти, мазута, каталитический крекинг, гидроочистка, очистка масел и др. [1, 2, 3, 9.4.].

В трубчатых печах наряду с передачей тепла нагреваемому продукту протекает процесс однократного испарения нагреваемого продукта.

Трубчатая печь имеет камеры радиации и конвекции. В камере радиации (топочная камера), где сжигается топливо, размещены радиантные трубы. Радиантные трубы получают тепло не только излучением, но и свободной конвекцией. Из всего количества тепла, воспринятого радиантными трубами, значительная часть (до 90%) передаётся излучением, остальное тепло конвекцией. В камере конвекции наибольшее количество тепла отдаётся трубам путём конвекции (до 70%), отдача тепла излучением от газов составляет 30%.

9.1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ

При расчёте трубчатых печей перед проектировщиком могут быть поставлены задачи: либо конструирование новой печи, либо выбор её по имеющимся каталогам. При этом технологический расчёт трубчатой печи производится в следующей последовательности:

1) определяют полезную тепловую нагрузку;

2) рассчитывают процесс горения;

3) определяют коэффициент полезного действия печи и расход топлива;

4) определяют скорость продукта на входе в печь;

5) определяют поверхность нагрева радиантных труб и основные размеры камеры радиации, при этом:

- задаются температурой дымовых газов на выходе из топки и находят количество тепла, переданное продукту через радиантную поверхность;

- находят температуру продукта на входе в радиантные трубы;

- принимают теплонапряжённость и определяют поверхность нагрева радиантных труб;

- выбирают тип конструкции печи (либо конструируют новую печь), проводят компоновку радиантной поверхности и определяют основные (внутренние) размеры печи;

6) рассчитывают теплообмен в топке (поверочный расчёт). Этот расчёт проводится с целью подтверждения взаимного соответствия ранее выбранных температуры дымовых газов на выходе из топки и теплонапряженности поверхности радиантных труб. Если в результате расчёта окажется, что для выбранной теплонапряжённости радиантных труб температура газов на выходе из топки будет значительно отличаться от ранее принятой, то необходимо задаться новым значением этой температуры и повторить расчёт;

7) определяют величину конвективной поверхности нагрева печи, число конвекционных труб и размеры конвекции;

8) проводят гидравлический расчёт змеевика печи и определяют давление на входе в него;

9) определяют потери напора в газовом тракте печи и рассчитывают основные размеры (диаметр, высоту) дымовой трубы.

9.2 ПОЛЕЗНАЯ ТЕПЛОВАЯ НАГРУЗКА

полезно использованное тепло, или полезная тепловая нагрузка печи, складывается из количества тепла, которое надлежит передать продукту в печи для его нагрева, испарения и перегрева паров, тепла, затрачиваемого на химическую реакцию. Если в печи помещены несколько самостоятельных змеевиков, то полезная тепловая нагрузка печи будет равна сумме теплот, полученных отдельными потоками.

Так, в случае нагрева и испарения продукта, полезную тепловую нагрузку печи можно определить по выражению

(9.2.1)

где G _C – расход продукта, кг/с; е – массовая доля отгона на выходе из печи; , , – соответственно удельные теплосодержания продукта на входе в печь, неиспарившейся жидкости и паров на выходе из печи, кДж/кг.

Массовая доля отгона рассчитывается из процесса однократного испарения в зависимости от физических свойств нагреваемого продукта, конечной температуры нагрева и давления на выходе из печи [5, с. 284].

Расчет процесса однократного испарения проводится с целью определения доли отгона (или температуры Т, или давления Р) при однократном испарении смеси, и состава образовавшихся фаз и для заданных условий разделения.

Расчетные уравнения равновесного процесса однократного испарения имеют следующий вид:

, (9.2.2)

, (9.2.3)

где , , - мольная доля соответственно в жидкой фазе, в исходной смеси и в паровой фазе -го компонента или узкой нефтяной фракции; е – мольная доля отгона; - константа фазового равновесия, .

При расчете изотермического процесса однократной перегонки нефтяных смесей в присутствии перегретого водяного пара или другого инертного агента, полностью переходящего в паровую фазу, используют также уравнение (9.2), однако при этом необходимо учитывать изменение летучестей фракций вследствие уменьшения их парциального давления.

В соответствии с законом Дальтона исправленные значения констант равновесия узких нефтяных фракций или условных компонентов будут определяться следующим уравнением:

, (9.2.4)

где - константы фазового равновесия нефтяных фракций при заданных Р и Т; - удельный расход водяного пара; L – количество молей исходного сырья; Z -. количество молей водяного пара или другого инертного агента, полностью переходящего в паровую фазу.

Получающиеся в результате расчетов по уравнениям (9.2.2) и (9.2.3) составы паровой и жидкой фаз относятся только к углеводородным компонентам, т. е. определяются без учета водяного пара или инертного компонента.

Если в печи нагреваются нефть и нефтепродукты, то их удельное теплосодержание можно определить по таблицам [1, с. 328] или рассчитать по следующим уравнениям [7, с. 85], кДж/кг:

для жидких нефтепродуктов

(9.2.2)

где – плотность жидкости при температуре 20 ° C, отнесённая к плотности воды при 4 °С; t – температура, при которой определяется удельное теплосодержание, °С; для углеводородных газов и паров при невысоких давлениях

(9.2.3)

При повышенных давлениях удельное теплосодержание паров можно найти по [7, с. 89]

9.3 РАСЧЁТ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ

9.3.1 Низшая теплотворная способность топлива – количество тепла, выделяемого при полном сгорании единицы топлива, охлаждении продуктов сгорания до начальной температуры топлива, но в предположении, что влага остаётся в продуктах горения в парообразном состоянии.

В трубчатых печах и в других обычных огневых нагревателях дымовые газы выводятся через дымовую трубу при таких температурах, при которых водяные пары, находящиеся в продуктах сгорания, не могут сконденсироваться, следовательно, тепло конденсации водяного пара не используется. Поэтому для практических расчётов процесса горения пользуются низшей теплотворной способностью топлива.

Низшая теплотворная способность топлива может быть рассчитана по формуле Д. И. Менделеева, кДж/кг:

(9.3.1)

где С, H, S, O, W – соответственно содержание углерода, водорода, серы, кислорода, влаги, % масс.

Учитывая, что теплота сгорания – свойство аддитивное, и воспользовавшись литературными данными о теплоте сгорания индивидуальных веществ [5, с. 403], теплоту сгорания топлива, в том числе и газообразного, можно определить по правилу смешения.

(9.3.2)

где – теплота сгорания i -го компонента в топливе; х _i – массовая доля i -го компонента в топливе; n – число индивидуальных компонентов в топливе.

9.3.2. Коэффициент избытка воздуха. Для обеспечения полноты сгорания топлива практически приходится подавать в топку некоторый избыток воздуха по сравнению с теоретическим избытком.

Избыток воздуха характеризуется коэффициентом избытка воздуха

(9.3.3)

где L _n, L _o – практическое и теоретическое количество воздуха, отнесённое к одному килограмму топлива, кг/кг.

С увеличением избытка воздуха, подаваемого в топку, общее количество дымовых газов увеличивается, что приводит к росту потерь тепла с газами, уходящими в дымовую трубу. Наряду с этим понижается температура дымовых газов в топке, а, следовательно, интенсивность теплопередачи радиантным трубам. Поэтому на практике следует стремиться к возможному пониженному значению коэффициента избытка воздуха, при одновременном обеспечении полноты сгорания.

В таблице 9.3.1. приведены наиболее приемлемые значения коэффициента избытка воздуха в зависимости от вида топлива и способа его сжигания.

Здесь необходимо отметить, что при прохождении дымовых газов от топки к дымовой трубе происходит подсос воздуха, вследствие чего коэффициент избытка воздуха в камере конвекции несколько возрастает. В современных печах подсос воздуха не превышает 5-10% от практического количества воздуха.

Таблица 9.3.1 – Оптимальное значение коэффициента избытка топлива [3, 4]

Вид топлива	Способ сжигания	Коэффициент избытка воздуха
Жидкое	в форсунках с паровым распылом	1,3-1,4
Жидкое	в форсунках с воздушным распылом	1,2-1,3
Газообразное	объёмное горение	1,05-1,2
Газообразное	беспламенное горение	1,02-1,05

9.3.3 Теоретическое количество воздуха, необходимого для сжигания одного килограмма топлива, определится как

(9.3.4)

где 23,2 – содержание кислорода в воздухе, % масс.

Отсюда теоретический объём воздуха, приведённый к нормальным условиям, составит

(9.3.5)

где 1,293 – плотность воздуха, кг/м ^9.3.

9.3.4 Состав продуктов горения. Продукты полного горения топлива состоят из двуокиси углерода, сернистого газа, паров воды, избыточного кислорода и азота.

Количество продуктов горения одного килограмма топлива определится по следующим уравнениям:

(9.3.6)

(9.3.7)

(9.3.8)

(9.3.9)

(9.3.10)

где N с соответствующим индексом – количество молей компонента в дымовых газах, кмоль/кг; Z _j – количество форсуночного водяного пара при паровом распыливании жидкого топлива, кг/кг. Расход форсуночного пара принимается по таблице 9.3.2, в которой приведены технические характеристики некоторых комбинированных газомазутных факельных горелок.

9.4 КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ПЕЧИ,

РАСХОД ТОПЛИВА

Коэффициент полезного действия трубчатой печи в основном зависит от коэффициента избытка воздуха и температуры отходящих дымовых газов.

9.4.1 Температура отходящих дымовых газов, исходя из практических данных [4, с. 284], принимают на 130-180 ° C выше температуры поступающего в печь продукта, так как более низкий перепад температур приводит к увеличению размеров камеры конвекции, а завышенное его значение снижает коэффициент полезного действия печи. При определении температуры отходящих газов необходимо учитывать то, что её значение должно быть более 250 ° C при естественной тяге. Использование искусственной тяги даёт возможность снизить температуру до 150-170 ° С. в некоторых случаях, когда температура уходящих газов по технологическим расчётам получается высокой, более 400 ° С, экономически целесообразно использование тепла отходящих газов для подогрева воздуха, подаваемого в печь.

Другим фактором, влияющим на коэффициент полезного действия печи, является коэффициент избытка воздуха. Вопрос о снижении его связан в первую очередь с конструкцией форсунок. Для снижения расхода воздуха необходимо смешивать топливо с воздухом непосредственно в форсунке. Другим путём является применение беспламенного или настильного горения топлива. Этот способ основан на том, что некоторые огнеупорные материалы катализируют горение. Ускорение горения путём каталитического воздействия огнеупорного материала позволяет вести процесс почти с теоретическим количеством воздуха.

Таблица 9.3.2 - Технические характеристики комбинированных газомазутных факельных горелок [6, с. 53]

Показатель	ФГМ-95ВП	ФГМ-120М	ГИК-2	ФП-2	ФГШУ
Теплопроизводительность, МВт	1,16	2,32	1,39	0,93-1,75	1,40
Расход топлива:
жидкого, кг/ч		120-200	70-170	80-150	70-120
газообразного, м^3/ч		до 160	до 200	95-180	80-145
Пределы регулирования теплопроизводительности от номинальной, %	± 30	± 25	± 40	–	–
Давление перед горелкой:
мазута, МПа	0,2-0,8	0,2-0,8	0,01-0,05	0,15-0,30	0,15-0,30
газа, кПа	1,0-10	1,0-10	30-200	до 60	40-150
воздуха, кПа	2,0-3,0	2,0-3,0	–	–	–
пара, МПа	0,3-1,0	0,3-1,0	0,2-0,6	0,3-0,6	–
Температура перед горелкой, °С:
мазута	80-120	80-120	80-120	80-120	80-120
газа и воздуха		до 250	до 200	–	до 250
Удельное количество пара (при работе без подачи воздуха вентилятором), кг/кг топлива	0,45	0,45	0,50	0,75	0,40-0,60
Габаритные размеры, мм:
длина
ширина
высота
Масса, кг	49,0	74,6	21,0	27,0	41,7

9.4.2 Численное значение коэффициента полезного действия печи определится как

(9.4.1)

где q ₂, q ₃, q ₄, q ₅ – потери тепла соответственно с уходящими в дымовую трубу газами, от химической и механической неполноты сгорания, излучением через стены печи в окружающую среду в долях от низшей теплоты сгорания.

В современных трубчатых печах потери тепла от химической и механической неполноты сгорания малы, и можно принять q ₅ ≈ q ₄ ≈0.

Потери тепла излучением составляют около 0,05.

Величина q ₂ рассчитывается как

(9.4.2)

где Q ₂ – потери тепла с отходящими газами; рассчитываются по уравнению

(9.4.3)

где N _i – содержание i- го компонента в дымовых газах на выходе из камеры конвекции, кмоль/кг; C _pm – средняя молярная теплоёмкость i- го компонента, кДж/(кг×град); t ₂ и t _в – температуры уходящих дымовых газов и окружающего воздуха, ° С.

Средняя молярная теплоёмкость определяется при средней температуре от t ₂ до t _в по уравнению

(9.4.4)

значения коэффициентов a, b, c приведены в таблице 9.4.1.

Таблица 9.4.1 – Значения коэффициентов a, b, c в уравнении 9.4.4

Вещество	a	b ×10^3	c ×10^6
O2	37,2	17,3	-3,57
CO2	35,0	1,8	1,40
H2O	28,4	3,4	-0,36
N2	29,1	4,8	-0,81
SO2	41,2	11,9	-2,20

9.4.3 Расход топлива, кг/с, определится по уравнению

(9.4.5)

9.5 СКОРОСТЬ ПРОДУКТА НА ВХОДЕ В ПЕЧЬ

Скорость движения продукта в печных трубах имеет большое значение. Низкая скорость может привести к нежелательным реакциям разложения с образованием слоя кокса в трубах и их прогоранию. С увеличением скорости движения сырья увеличивается коэффициент теплопередачи, снижается температура стенок труб и, как следствие, удлиняется пробег печи без чистки змеевика. При чрезмерно высокой скорости движения сырья увеличиваются потери и, следовательно, возрастает необходимое давление на выходе из нагнетательной линии насоса, с помощью которого сырьё подаётся в печь. Поэтому диаметры печных труб выбираются такими, чтобы линейные скорости продукта на входе в печь (считая жидкое сырьё) находились в пределах 1-3 м/с [6, с. 70; 3, с. 166].

Трубы для змеевиков изготовляют из углеродистой и низколегированной стали (ГОСТ 8734-75), также из легированной стали (ГОСТ 550-75).

Скорость продукта на входе в печные трубы, м/с, определится как

(9.5.1)

где ρ – плотность продукта при температуре 20 ° C, кг/м ³; S – внутреннее сечение трубы, м ²; m – число параллельных потоков продукта в печи.

9.6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА РАДИАНТНЫХ ТРУБ

9.6.1 В начале расчёта размеров радиантной камеры задаёмся температурой дымовых газов на выходе из топки и последующим расчётом проверяем приёмлемость принятой температуры. Обычно эта величина на действующих трубчатых печах находится в пределах 700-900 ° C [3].

Количество тепла, переданное продукту через радиантную поверхность, определим из уравнения теплового баланса топки, кВт:

(9.6.1)

где h _Т – коэффициент полезного действия топки; GC _pm – средняя теплоёмкость продуктов горения одного килограмма топлива при температуре газов на выходе из топки; t _p – температура газов на выходе из топки, °С.

Коэффициент полезного действия топки характеризует долю тепла, которую можно полезно использовать в топке. Поскольку q ₅ ≈ q ₄ ≈ 0. (см. п. 9.4.2.), а потери тепла излучением в топке составляют около 0,045, то h _T = 0,955.

Численное значение величины G×C _pm определится как

(9.6.2)

здесь N _i – содержание i -го компонента в топочных дымовых газах, кмоль/кг; C _{pm i} определяется, как и в п. 9.4.2.

9.6.2 Полагая на основе опытных данных, что продукт в конвекционных трубах не испаряется, теплосодержание его на входе в радиантные трубы определится по уравнению

(9.6.3)

где Q _K – количество тепла, воспринимаемое конвекционными трубами, определится как

(9.6.4)

Температуру продукта на входе в радиантные трубы (на выходе из конвекционных труб) определяем в зависимости от величины теплосодержания жидкого потока сырья q _pk по уравнению

(9.6.5)

9.6.3 Теплонапряжённость определяется количеством тепла, передаваемого через единицу поверхности нагрева за единицу времени. Теплонапряжённость поверхности нагрева характеризует, насколько эффективно используется трубчатый змеевик печи для нагрева сырья.

Допускаемое значение теплонапряжённости поверхности нагрева принимают с учётом жаропрочности и жаростойкости стали печных труб, скорости движения потока сырья, его состава и свойств, чтобы при работе печи не происходили нежелательные реакции из-за перегрева сырья и не образовывались отложения солей и кокса на стенках труб. Низкая теплопроводность кокса является причиной быстрого повышения температуры стенки труб в местах его отложения, что уменьшает прочность материала труб, увеличивает агрессивность сред, воздействующих на сталь, в результате чего срок службы печных труб резко снижается. Поэтому для сырья, содержащего смолистые соединения, а также при малых скоростях движения потоков теплонапряжённость устанавливается невысокой. Далее, чем выше температура нагрева сырья, а значит и стенок труб (при неизменных скоростях потока), тем ниже допускаемая теплонапряжённость поверхности нагрева.

Средние значения допускаемой теплонапряжённости во многом зависят от равномерного распределения тепловой нагрузки по всей поверхности труб, что достигается оптимальной компоновкой трубчатого змеевика, удачным его размещением в топке, совершенствованием конструкции горелок и методов сжигания топлива.

При равномерном распределении тепла по всей длине и окружности печных труб, что наблюдается в печах с двухсторонним облучением, допускаемая теплонапряжённость поверхности нагрева может быть увеличена на 50% от значений, приведённых в таблице 9.6.1.

Из таблицы 9.6.1. в зависимости от назначения печи выбираем ориентировочное значение средней допустимой теплонапряжённости (дальнейшим расчётом подтвердим эту величину). Тогда ориентировочная поверхность нагрева радиантных труб определится как

(9.6.6)

Таблица 9.6.1 - значение средней допустимой теплонапряжённости поверхности нагрева радиантных трубчатых змеевиков печей [6. с.69]

Назначение змеевика	Теплонапряжённость , кВт/м^2
Нагревательные печи
Нагрев без испарения	46-58
Нагрев и испарение нефти
до 310 °C	31-47
до 425 °C	27-35
Вакуумная перегонка мазута	24-31
Замедленное коксование	23-35
Каталитический крекинг	29-53
Каталитическое дегидрирование бутана	29-35
Отгон фильтрата установок депарафинизации	20-23
Нагрев раствора остаточных масел	17-20
Реакционно–нагревательные печи
Глубокий крекинг дистиллятного сырья	29-47
Лёгкое разложение мазута	29-47
Лёгкий крекинг тяжёлого и остаточного сырья	24-41
Реакционные печи термического крекинга	14-23
Пиролиз газов и бензиновых фракций	35-81
Нагрев сырья:
в печах каталитического риформинга	29-35
в печах гидроочистки	23-29
в печах установок ароматизации	21-24

7 ВЫБОР ТИПА КОНСТРУКЦИИ ПЕЧИ

Определив ориентировочную поверхность нагрева радиантных труб, по техническим характеристикам, приведённым в каталоге «Трубчатые печи» [8], выбирают ближайший (по поверхности нагрева) типоразмер печи.

В каталоге [8] содержатся сведения об основных типах трубчатых печей для нефтеперерабатывающей, нефтехимической и газовой промышленности. В зависимости от специфики технологического процесса, физико-химических свойств нагреваемой среды и вида топлива применяют печи различных конструкций и параметров.

---

Дата добавления: 2015-07-20