Технологический расчет трубчатой печи 2 страница

В каталоге описаны трубчатые печи различных типов, с поверхностью нагрева от 16 до 1650 м ² и приведены чертежи разрезов и общих видов печей, а также планы расположения фундаментных болтов.

Для условного обозначения трубчатых печей принят следующий шифр.

Первая буква означает конструктивное исполнение печи: Г - трубчатые печи с верхним отводом дымовых газов и горизонтальными радиантными трубами; В - трубчатые печи с верхним отводом дымовых газов и вертикальными радиантными трубами; Ц - цилиндрические трубчатые печи с верхней камерой конвекции; К - цилиндрические трубчатые печи с кольцевой камерой конвекции; С - секционные трубчатые печи; Б - блочные трубчатые печи для нефтепромыслов.

Вторая буква означает способ сжигания топлива: С - свободный факел; Н - настильный факел; Д - настильный факел с дифференциальным подводом воздуха по высоте факела.

цифра после буквенного обозначения - число радиантных камер (Р) или секций (С). В случае отсутствия цифры - однокамерный (односекционный) вариант. Цифры: в числителе дроби - поверхность нагрева радиантных труб, м ²; в знаменателе - длина или высота радиантных труб, м.

Например, трубчатая печь ГС, поверхностью нагрева 959 м ², с трубой длиной 24 м обозначается ГС 959/29.4.

7.1 трубчатая печь конструкции ГС

Печь - трубчатая коробчатая с верхним отводом дымовых газов, горизонтальными экранами, свободного вертикального сжигания комбинированного топлива.

Горелки расположены в один ряд в поду печи. Обслуживание горелок производится с одной стороны печи, что позволяет установить рядом две камеры радиации (тип ГС2).

Печи типа ГС применяются на установках AT, ВТ на вторичных процессах.

Печи ГС2 - предпочтительны на установках замедленного коксования, и на процессах где требуется нагрев нефтепродуктов с низкими теплонапряжениями (29 кВт/м ²).

Принципиальные схемы печей конструкции ГС приведены в приложении на рисунке 1. Техническая характеристика их показана в приложении в таблице 1.

7.2. трубчатая печь конструкции ГН

Печь - трубчатая коробчатая с верхним отводом дымовых газов и горизонтальными настенными или центральными трубными экранами. объемно-настильный способ сжигания комбинированного топлива или настильного сжигания газового топлива на фронтальные стены.

Принципиальная схема печей конструкции ГН приведена на рисунке 7.2. Техническая характеристика печей типа ГН показана в таблицах 7.2 (вариант I) и 7.3 (вариант ii).

Вариант I. Горелки расположены в два ряда на фронтальных стенах под углом 45°. По оси печи расположена настильная стена, на которую и направлены горящие факелы. Печь ГН 2 имеет две камеры радиации. Она предпочтительна для процессов, требующих «мягкий» режим нагрева (УЗК, процессы крекинга) с низкими теплонапряжениями (29 кВт/м ²).

Вариант II. Горелки расположены ярусами на фронтальных стенах. Двухрядный горизонтальный экран располагается по оси печи. Тепло к экранам передается от фронтальных стен, на которые настилаются факелы веерных горелок (ГВН-0,35; ГВН-0,75). Данный тип предназначен для реконструкции существующих печей беспламенного горения, а также в процессах средней производительности, обеспеченных газовым топливом, в том числе с большим содержанием водорода.

7.3 Трубчатые печи типа ВС

Печь - коробчатая, с вертикальным расположением труб змеевика, свободного вертикально-факельного сжигания комбинированного топлива. Вертикальные трубы радиального змеевика размещены вдоль по всем четырём сторонам камеры радиации. На стенах камер радиации расположены однорядные настенные экраны.

Предусмотрено четыре типоразмера этих печей, которые отличаются числом одинаковых камер радиации. Над камерой радиации расположена камера конвекции с гладкими горизонтальными трубами.

Обслуживание горелок с двух сторон. Печи футерованы легковесным жаропрочным бетоном. Печи ВС установлены на установке ЛК-6-У. Могут применяться на установках AT, вторичной переработки и т.д.

Принципиальная схема печи конструкции ВС приведена на рисунке 7.9.3. Техническая характеристика печей типа ВС показана в таблице 7.9.4.

7.9.4. Трубчатые печи типа Ц – цилиндрические с верхним отводом дымовых газов и вертикальными трубами радиантного змеевика. Их изготовляют в двух исполнениях ЦС 1 и ЦД 9.4. Радиантные змеевики собраны из вертикальных труб на приварных калачах. Калачи вместе с переходными из камеры конвекции трубами, расположенными в камере радиации, – обогреваемые.

Трубчатые печи типа ЦС1 - цилиндрические с пристенным расположением труб змеевика в одной камере радиации, свободного вертикально-факельного сжигания комбинированного топлива. Комбинированные горелки расположены в поду печи. На стенах камеры радиации установлены однорядные настенные трубные экраны. Отвод газов сгорания - через дымовую трубу, установленную на печи, и сборник газов. Предусмотрено два варианта исполнения этих печей: радиантное (без камеры конвекции) и радиантно-конвективное (с камерой конвекции). В радиантных печах к шифру добавляется буква Р.

Трубы камеры радиации могут быть или вертикальными, или горизонтальными навитыми по спирали.

Принципиальная схема печи конструкции ЦС1 приведена на рисунке 7.9.4. Техническая характеристика печей типа ЦС1 показана в таблице 7.5.

Трубчатые печи типа ЦД4 - цилиндрическая с дифференциальным подводом воздуха, вертикальным расположением труб экранов в четырех камерах радиации, настильного сжигания комбинированного топлива.

Комбинированные горелки расположены в поду печи. Оси их наклонены в сторону отражателя-распределителя, установленного в центре печи. Отражатель изготовлен в виде пирамиды с вогнутыми гранями, представляющими собой настильные стены для факелов горелок каждой камеры радиации. Внутри отражатель разделен на отдельные воздуховоды, количество которых вдвое больше количества граней. Каждый воздуховод оснащен поворотным шибером, управляемым с площадки обслуживания.

В кладке граней отражателя на двух ярусах по высоте граней расположены каналы прямоугольного сечения, которые служат для подвода вторичного воздуха из воздуховодов к настильному факелу каждой грани. Изменяя подачу воздуха через каналы, можно регулировать степень выгорания топлива в настильном факеле, что позволяет выравнивать теплонапряженность по высоте труб в камере радиации.

На стенах радиации установлены однорядные настенные экраны, а между камерами радиации - двухрядные радиальные экраны двухстороннего облучения.

При изменении тепловой производительности горелок в этих печах эпюра подведенных тепловых потоков практически не меняется, однако в каждой из четырех камер радиации можно поддерживать свои средние допускаемые значения теплонапряженности поверхности труб экрана камеры радиации.

Отвод газов сгорания - через сборник газов и дымовую трубу.

Предусмотрено изготовление печей четырех типоразмеров.

Принципиальная схема печи конструкции ЦД4 приведена на рисунке 7.5. Техническая характеристика печей типа Ц Д4 показана в таблице 7.6.

8 РАСЧЁТ ТЕПЛООБМЕНА В ТОПКЕ (ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЁТ)

В современных трубчатых печах основную роль играет передача тепла лучеиспусканием. Поэтому главной частью печи является камера радиации, одновременно исполняющая роль топочной камеры. Передача тепла в радиантных камерах трубчатых печей представляет собой сложный процесс, складывающийся из теплоотдачи радиацией и свободной конвекцией. Все методы расчёта камеры радиации можно разбить на две группы: эмпирические и аналитические.

Эмпирические методы расчёта камеры конвекции (топки), дающие в основном лишь приближённое решение, не удовлетворяют потребности проектировщиков.

В основу существующих аналитических методов теплового расчёта экранированных топок паровых котлов, трубчатых печей, перегревателей и т.п. положены закон Стефана-Больцмана, уравнение теплового баланса топки и эмпирическая зависимость температуры излучающей среды от температуры газов, покидающих топку.

Расчётное уравнение теплопередачи в топке имеет вид

(8.1)

где T _max – максимальная температура горения, К; Т _р – температура дымовых газов на выходе из топки, К; C _S – коэффициент лучеиспускания абсолютно чёрного тела (C _S = 0,00577 кВт/(К ⁴ ×м ²); H _S – величина эквивалентной абсолютно чёрной поверхности, м ²; q - средняя температура наружной поверхности радиантных труб, К; a _кр – коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к радиантным трубам, кВт/(м ² ×К); Н _кр – величина радиантной поверхности, участвующая в конвекционном теплообмене. Численное значение её можно принять равной поверхности радиантных труб.

Н.И. Белоконем показано, что уравнение этого вида может быть представлено в явном виде относительно Т _Р как

(8.2)

где b =Т _Р /(Т _max - Dq) есть характеристика излучения;

- аргумент излучения.

Расчётное уравнение, связывающее характеристику излучения с аргументом излучения, будет иметь следующий вид:

(8.3)

Рассмотрим порядок расчёта величин, входящих в Х и b.

8.1 Максимальная температура горения определится с учётом потерь в топке при условии, что всё тепло, выделяемое от сжигания топлива, идёт только на повышение температуры дымовых газов, при этом средняя теплоёмкость газов определяется в пределах температур t ₀ и t _p;

(8.4)

Приведённая температура исходной системы, если пренебречь теплосодержанием топлива и в случае работы без циркуляции газов,

(8.5)

где t _в – температура поступающего воздуха, °С; С _Ф, С _в – средние массовые теплоёмкости водяного пара и воздуха, кДж/(кг×град). В печах, работающих без подогрева воздуха, можно принять t ₀ = t _в.

8.2 Температурная поправка теплопередачи в топке характеризует влияние теплоотдачи конвекцией и обратного излучения поверхностей радиантных труб и определится как

(8.6)

Средняя температура стенки трубы q, К, определится как

(8.7)

где t _pk – температура продукта на входе в радиантные трубы, °С (см. п. 6.2); d – толщина стенки трубы, м; l – коэффициент теплопроводности сталей, кВт/(м ² ×°С) (берется по таблице 8.1); a _2p – коэффициент теплоотдачи от стенки к продукту, кВт/(м ² ×°С). Численное значение его можно рассчитать по [9, с. 557].

Cтали	а	b
Углеродистые	-0,00004536	0,05599
Легированные	-0,00003181	0,04767
Высоколегированные аустенитные	0,00001417	0,01469

Таблица 8.1 – Коэффициенты для расчета коэффициента теплопроводности (l) для различных сталей при разных температурах (t) по уравнению l= аt+b, кВт/(м×°С)

По практическим данным, в печах прямой перегонки средняя температура поверхности радиантных труб будет выше средней температуры нефтепродукта на 30-60 ° С [4, с. 137].

8.3 Коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к радиантным трубам для случая теплоотдачи при свободной конвекции можно определить по формуле, кВт/(м ² ×°С),

(8.8)

8.4 Величина эквивалентной абсолютно чёрной поверхности для поверхностного горения (излучающие стенки) определится по следующему уравнению [3, с. 89].

(8.9)

где Т _V – температура газа в топке, К; Т _R – температура излучающей стенки, К.

К излучающим стенам относятся стены с настильным пламенем, стены, собранные из панельных горелок, раскалённые форсуночные амбразуры, перевальная стенка, омываемая факелом горения.

В уравнении (8.9)

(8.10)

(8.11)

(8.12)

(8.13)

(8.14)

где e _V, e _H, e _F, e _R – соответственно степень черноты объёма газа и факела, трубного экрана, неэкранированной поверхности кладки в топке и излучающих стен; r _VH, r _HR, r _FR, r _FH – степень эффективности излучения поверхностей (угловые коэффициенты взаимного излучения).

Для расчётов можно принять e _H = e _F = e _R = 0,9 [9, с. 594]. Степень черноты объёма газа и факела можно вычислить в зависимости от парциальных давлений трёхатомных газов, геометрических размеров топки, конфигурации и природы факела и условий сажеобразования по следующей формуле [3, с. 93]:

e = 1-g×exp (-a∙s ), (8.15)

где g – коэффициент прозрачности газовой среды, определяемый в зависимости от степеней черноты трёхатомных газов [9, с. 597]; s – толщина поглощающего газового слоя в топке, может быть вычислена по следующей формуле [9, с. 600]:

(8.16)

где V – объём, в котором заключён газ, м ³; F – поверхность оболочки, ограничивающей объём газа, м ²; a – коэффициент поглощения, соответствующий объёмному содержанию частиц сажи и твёрдых взвешенных частиц Ч ₀, %:

a = 0,25×10 ⁴ ×Ч ₀ (8.17)

Для печей с беспламенным сжиганием газа коэффициент a = 0, а следовательно, e _V = 1 -g. С достаточной точностью значение g можно взять из таблицы 6.2. или определить по уравнению g = 0,145 ∙Ln (t) - 0,269.

Таблица 6.2 – Изменение g в зависимости от температуры [3, с. 94]

t,° C
g	0,60	0,63	0,66	0,68	0,70	0,72	0,73

8.5 Температуру газа в топке для практических расчётов можно определить как

(8.18)

где С _pm – средняя теплоёмкость газов в пределах температур от Т _Р и Т _V. (Практически можно принять при Т _Р); Q _PK – количество тепла, переданное конвекцией от газов к трубному экрану, кВт. Q _PK = a _KP ×H _P∙ (T _P - q); Q _ПОТ – потери тепла через стенки топки, кВт.

8.6 Температура излучающей стенки T_R определится из опытных данных при q £800 К, T _R = 1,2 Т _Р и при q >1000 К, T _R = 1,1 Т _Р [3, с. 93].

8.7 Угловой коэффициент или степень эффективности излучения поверхности r показывает, во сколько раз расчётная поверхность взаимного излучения двух тел больше или меньше одной из взаимно излучающих поверхностей, участвующих в теплообмене. Например, r _HF =П _HF /H показывает, во сколько раз расчётная поверхность П _HF больше поверхности труб (Н).

Для двух параллельно расположенных поверхностей R и F одинаковой длины с расстоянием между ними, достаточно малым относительно длины, величина расчётной поверхности, по правилу натянутой нити, определится как длина тела L, умноженная на полусумму внутренних, минус полусумму внешних нитей, натянутых по контуру на оба этих тела [3, с. 97].

На основании этого правила расчётная поверхность двух взаимно излучающих поверхностей F и R (рисунок 8.1) определится как

Рисунок 8.1 – Две параллельные взаимно излучающиеся поверхности (к правилу натянутой нити)

П _FR = 0,5 × L × ((A ₁ C ₁ D ₂ B ₂ + B ₁ D ₁ C ₂ A ₂) – (A ₁ A ₂ + B ₁ B ₂)).

Угловой коэффициент относительно поверхности определится как

Изложенный метод определения углового коэффициента относится к двум сплошным поверхностям.

Если одна из поверхностей экранирована и шаг между трубами больше их диаметра, то необходимо определить угловой коэффициент для каждой трубы в отдельности. Величина углового коэффициента относительно всей экранированной поверхности определится как средняя арифметическая.

Рассмотрим метод определения углового коэффициента взаимного излучения трубного экрана и излучающей стенки r _HR. Для этого вычерчиваем в масштабе эскиз печи и определяем угловые коэффициенты для отдельных труб.

По правилу натянутой нити определяем расчётную поверхность взаимного излучения одной трубы и излучающей стенки.

Так как и длины дуг

то поскольку Ða+Ðb=2Ðg (рисунок 8.2.), а

где a – высота излучающей стенки; b _i, c _i – расстояние от крайних точек излучающей стенки A ₁ B ₁ до центра трубы (см. рисунок 8.2). Расстояния a, b, c определяют по эскизу печи; l – длина трубы; d – наружный диаметр трубы.

  Рисунок 8.2 – К определению расчетной поверхности взаимного излучения излучающей стенки и трубы

Тогда величина расчётной поверхности определится как

Поверхность одной трубы Н ^/ =p∙ l ∙ d, расчётное уравнение для определения углового коэффициента для одной трубы будет иметь вид

(8.19)

Угловой коэффициент взаимного излучения

(8.20)

где m – число труб, взятых для определения углового коэффициента.

Величина углового коэффициента взаимного излучения газового объёма и трубного экрана r _VH определяется по графикам Хоттеля [3] или по уравнениям в зависимости от отношения шага к диаметру трубы (s ₁ /d) и принятого размещения труб:

для однорядного экрана

r _VH =0,013+0,3659 (s ₁ /d)-0,046 (s ₁ /d) ²; (8.21)

для двухрядного экрана, первый ряд

r _VH =0,196+0,1458 (s ₁ /d)-0,012 (s ₁ /d) ²; (8.22)

для двухрядного экрана, второй ряд

r _VH = -0,232+0,251 (s ₁ /d)-0,019 (s ₁ /d) ². (8.23)

Величина степени эффективности излучения от газового объёма или факела к поверхности стен топки r _VF = 1 [3, с. 99].

Величину углового коэффициента взаимного излучения экрана и кладки можно определить по правилу натянутой нити либо приближённо [4, с. 124].

(8.24)

где å F – суммарная поверхность кладки, м; F – неэкранированная поверхность кладки, м.

8.8. Величина эквивалентной абсолютно чёрной поверхности для объёмного сжигания определится из уравнения (8.9) при А ₂ =0 и величина b ₁, определяемая по уравнению (8.14), будет иметь следующий вид:

(8.25)

При определении величины e _V можно пользоваться приближённым уравнением [4, с. 125]

(8.26)

здесь a – коэффициент избытка воздуха.

9. РАСЧЁТ КОНВЕКЦИОННОЙ КАМЕРЫ

Процесс теплопередачи в камере конвекции определяется отдачей тепла от газового потока к конвекционным трубам конвекцией и радиацией. Основное значение в конвекционной камере имеет конвективный теплообмен. Однако температура газов в ней достаточно высока и значительное количество тепла передаётся излучением [1, 5].

Расчёт конвекционной камеры производится в следующей последовательности:

1) определяется количество тепла, которое необходимо передать в камере конвекции;

2) рассчитывается предварительное значение поверхности конвекционных труб;

3) конструируется камера конвекции;

4) проводится поверочный расчёт.

9.1. Количество тепла, переданное в камере конвекции, кВт:

(9.1)

9.2. Предварительное значение поверхности конвекционных труб (для случая проектирования печи) определяем по следующему уравнению:

(9.2)

где F _K – поверхность конвекционных труб, м ²; Q _HK – теплонапряжённость конвекционных труб, кВт/м ².

Ориентировочно можно принять Q _HK = 9 -18 кВт/м ².

Потребное количество труб в камере конвекции определяется по уравнению

(9.3)

где d – наружный диаметр труб, м; L – длина одной трубы, участвующей в теплообмене, м.

Выбирается расстояние между осями труб S ₁, равное 1,5; 1,7; 2,0 ∙d (в зависимости от размеров применяемых двойников).

При шахматном расположении труб расстояние между осями рядов для S ₁ = S _d определяется как

(9.4)

где S _d – расстояние между осями труб по диагонали.

9.9.3. При конструировании камеры конвекции различают два случая.

В первом случае размеры камеры конвекции неизвестны, то принимаем число труб в ряду, определяем количество рядов и находим высоту и ширину камеры. Длина камеры конвекции в большинстве случаев равна длине радиантной камеры.

Во втором случае размеры камеры конвекции известны (например, печь выбрана по каталогу), необходимо выбрать диаметр труб и расстояние между ними такими, чтобы обеспечить потребную поверхность.

При выборе числа труб в ряду, диаметра труб и расстояния между ними необходимо ориентироваться на то, чтобы скорость дымовых газов в самом узком сечении межтрубного пространства равнялась 10-12 м/с [3, с. 166]. Низкие значения скорости приводят к снижению коэффициента теплоотдачи, высокие – увеличивают потери напора в газовом тракте. Уменьшение диаметра труб также увеличивает потери напора в трубном змеевике.

После определения основных размеров камеры конвекции и предварительного значения числа труб проводим её поверочный расчёт.

9.9.4. Поверочный расчёт камеры конвекции заключается в определении потребной поверхности конвекционных труб по уравнению

(9.5)

где К – коэффициент теплопередачи, кВт/(м ² ×град); Dt _СР – средний температурный напор, определяется как средне логарифмическая величина температурных напоров на концах теплообменного аппарата для случая прямотока и противотока. Для других схем теплообмена Dt _СР необходимо рассчитать с учётом коэффициента противоточности [3, с. 100].

Коэффициент теплопередачи с учётом, что коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к продукту в конвекционных трубах нефтезаводских печей обычно во много раз больше коэффициента теплоотдачи от газов к стенке, и пренебрегая сопротивлением стенки трубы, можно определить как

(9.6)

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке в камере конвекции определится по формуле

(9.7)

где 1,1 – величина, учитывающая радиацию кладки, её необходимо учитывать для печей, в которых камера радиации отделена от конвекции перевальной стеной; a_П – коэффициент теплоотдачи радиацией, кВт/(м ² ×град).

(9.8)

---

Дата добавления: 2015-07-20