Технологический расчет трубчатой печи 3 страница

где T _m и q _m – средние температуры соответственно газа и наружной стенки, К; e _V – степень черноты газовой среды, при отсутствии в дымовых газах твёрдых частиц

(9.9)

при этом

(9.10)

где Р _СО2 и Р _Н2О – парциальные давления СО ₂ и Н ₂ О, Па; S – эффективная толщина газового слоя между трубами, м.

S=1,89∙(S ₁ + S ₂)–4,1 d, при этом S ₁ и S ₂ – шаг труб по ширине и глубине пучка, м.

Величину a _П можно определить как сумму коэффициентов теплоотдачи излучением трёхатомных газов по номограмме [9, с. 478].

Коэффициент теплоотдачи вынужденной конвекции определяется по формуле

(9.11)

где u – массовая скорость, рассчитывается на наименьшую площадь свободного сечения, кг/(м ² ×°С); С _Р – истинная массовая теплоёмкость дымовых газов, кДж/(кг×град); А ^/ – параметр теплоотдачи при вынужденной конвекции.

(9.12)

где С, n, m – коэффициенты, определяемые из табл. 9.1; Re – параметр Рейнольдса

(9.13)

где d – определяющий размер (диаметр), м; m – динамическая вязкость дымовых газов, кг/(м×с); Pr – параметр Прандтля.

Вид поверхности нагрева и характер омывания	n	m	c
Продольное омывание:
1) гладкотрубных пучков d=dЭ; Re ³2320; L- длина камеры; dн- наружный диаметр; Z – число труб; bK – ширина камеры.	0,2	0,6	28,234∙(L/dн)^-0,093
2)пластинчатых воздухоподогревателей Re<10000		0,6	3,13
Поперечное омывание гладкотрубных пучков d=dH: ; Z – число рядов
1) коридорное Re=4000-65000	0,36	1,00
2) шахматное Re=2000-65000
при d£0,7	0,4	1,0
при d>0,7	0,4	1,0
Пучки труб с круглыми рёбрами при h/s = 0,5-2,5; d/s = 3,0-4,8; s = 0,01-0,03 м, где d – наружный диаметр трубы; s – шаг рёбер; h – высота рёбер:	Значение соответствует величине теплоотдачи, отнесённой к полной наружной поверхности оребрённых труб.
1) коридорное расположение	0,28	1,0	СГ = 125,9
2) шахматное расположение	0,35	1,0	СГ = 270

Таблица 9.1 – Значения n, m, c в уравнении (9.12)

(9.14)

где l – коэффициент теплопроводности дымовых газов, кВт/(м×град).

Значения коэффициентов для определения С _Р, m и l для основных компонентов дымовых газов в зависимости от температуры приведены в таблицах 9.2-9.9.4.

Таблица 9.2- К определению значения коэффициента теплопроводности l по уравнению l= a + b ∙t+ c ∙t ², 10 ^-6 кВт/(м∙град)

Компоненты	a	b	c
CO2	14,94	0,0662	-0,0000154
SO2	7,65	0,0424	0,0000074
H2O	16,28	0,0821	0,0000486
N2	23,83	0,0798	-0,0000316
О2	24,81	0,0838	-0,0000223

Таблица 9.3- К определению значения коэффициента динамической вязкости m по уравнению m= a + b ∙t+ c ∙t ², 10 ^-6 кг/(м∙с)

Компоненты	a	b	c
CO2	14,199	0,045	-0,00001177
SO2	12,399	0,038	-0,00000011
H2O	8,07	0,04	0,00000149
N2	16,602	0,039	-0,00001192
О2	18,914	0,044	-0,00001215

Таблица 9.4- К определению значения истинной теплоемкости С _р по уравнению С _р = a + b ∙t+ c ∙t ², кДж/(кг∙град)

Компоненты	a	b	c
CO2	0,848	0,00075990	-0,00000038
SO2	0,6151	0,00055310	-0,00000033
H2O	1,8897	0,00053240	0,00000017
N2	1,0159	0,00013060	0,00000009
О2	0,8894	0,00040150	-0,00000018

Значения Re и Pr по уравнениям (9.13) и (9.14) вычисляются при средней логарифмической температуре дымовых газов в камере конвекции. Скорость газов рассчитывается для самого узкого сечения межтрубного пространства.

Коэффициент динамической вязкости рассчитывается по уравнению

(9.15)

где M _r, m – молекулярная масса и динамическая вязкость дымовых газов; M _i, m _i – молекулярная масса и динамическая вязкость i -го компонента в дымовых газах; x _i – мольная доля i -го компонента в дымовых газах; n – число компонентов.

Коэффициент теплопроводности определяется по уравнению

(9.16)

где l _i – коэффициент теплопроводности i-го компонента в смеси.

Истинная теплоёмкость дымовых газов дымовых газов

(9.17)

где С р_i, x _i^/ – истинная теплоёмкость и массовая доля i -го компонента в смеси газов.

10. РАСЧЁТ ПОТЕРЬ НАПОРА В ЗМЕЕВИКЕ ПЕЧИ

Потеря напора в змеевике печи связана непосредственно со скоростью движения продукта в трубах печи. Как указывалось выше, скорость движения в трубах печи имеет большое значение, поскольку с увеличением её возрастает коэффициент теплообмена к продукту, уменьшается время пребывания последнего в трубах и, следовательно, уменьшается опасность коксообразования и разложения. В связи с этим гидравлический расчёт змеевика является важным звеном в расчёте трубчатой печи и, в конечном счёте, определяет выбор диаметра труб и числа потоков.

При расчёте потери напора в змеевике трубчатой печи могут встретиться случаи, когда продукт подвергается:

1) только нагреву и на всём протяжении змеевика остаётся в одной фазе; 2) нагреву и частичному или полному испарению; 3) нагреву, испарению и химическому превращению.

10.1. Если продукт на всём протяжении змеевика в процессе нагрева находится в одной фазе, потери напора рассчитываются по формуле Дарси-Вейсбаха:

(10.1)

где DР – потеря напора на рассчитываемом участке, Па; l – коэффициент гидравлического сопротивления, определяется по табл. 10.1. в зависимости от среднего диаметра труб; L _ЭКВ – эквивалентная длина одного потока, м; d _вн – внутренний диаметр труб, м; U _с – массовая скорость продукта в трубах, кг/(м ² ×с); r – плотность продукта при средней температуре на участке, кг/м ^9.3.

Таблица 10.1 – Значение коэффициента гидравлического сопротивления

d, мм
l	0,035	0,043	0,033	0,032	0,031	0,030

Эквивалентная длина змеевика вычисляется как сумма длин труб и эквивалентной длины двойников:

L _ЭКВ =nL _mp + (n- 1)∙y ∙ d _вн (10.2)

где n – число труб в одном потоке; L _mp – полная длина трубы, м; y – коэффициент, определяемый по таблице 10.2

Таблица 10.2 – Значение коэффициента y уравнения (10.2)

Конструкция двойника	y
Двойник с резким поворотом и значительным внутренним сужением потока
Двойник с резким поворотом потока	50-60
Двойник с плавным поворотом потока
Калач с радиусом R более 4dвн

10.2. Гидравлический расчёт змеевика нагревательных печей, в которых происходит испарение продукта, рекомендуется производить по методу Б.Д. Бакланова [3, с. 131].

Змеевик условно разбивается на два участка – зону нагрева и зону испарения. Расчёт потери напора производится на каждом участке в отдельности. Задача сводится к определению давления в начале участка испарения.

Давление в начале рассчитываемого участка в общем случае определится по уравнению Б.Д. Бакланова

(10.3)

где Р _к, Р _н – давление в конце и начале рассчитываемого участка, Па; L _u – расчётная длина участка испарения, м; А, В – коэффициенты, равные соответственно:

(10.4)

(10.5)

где l – коэффициент гидравлического сопротивления, равный для атмосферных печей 0,020-0,024, для вакуумных печей 0,018-0,020; G _C – секундный расход жидкости для одного потока, кг/с; e ₀, e _K – массовая доля отгона в начале и в конце рассчитываемого участка; r _ж – плотность жидкости при средней температуре участка, кг/м ³; r _п – плотность паров при давлении 0,10 МПа, кг/м ^9.3.

(10.6)

где Т ₀ и Т _К – температура кипения испаряющихся фракций в начале и конце участка, К; М ₀, М _К – соответственно их молекулярные массы.

По данным Я.Г. Соркина, можно приближённо принять для нефти и полумазута 1/r_п = 3500, для мазута 1/r_п = 2000.

Расчётная длина участка испарения определяется в предположении, что распределение теплонапряжённости по длине рассчитываемого участка равномерное:

(10.7)

где – теплосодержание сырья на выходе, входе рассчитываемого участка и в начале участка испарения; Т ₂, Т₀, Т _Н – температура сырья на выходе, входе рассчитываемого участка и в начале участка испарения.

В зависимости от того, в какой камере начинается испарение нагреваемого продукта, представляется два случая расчёта гидравлического сопротивления змеевика.

10.2.1 В случае, если испарение начинается в радиантных трубах, необходимо подобрать давление в начале участка испарения.

Порядок расчёта в этом случае следующий:

1. задаёмся давлением в начале участка испарения.

2. из условия начала однократного испарения нагреваемого нефтепродукта определяем температуру в начале участка испарения.

3. по уравнению (10.7) определяем длину участка испарения.

4. по уравнению (10.3) проверяем правильность принятого давления (относительное отклонение не более 5%).

5. по уравнению (10.1) рассчитываем потери напора на участках нагрева радиантных и конвекционных труб.

В этом случае в уравнении (10.3) коэффициенты А и В определяются при е ₀ = 0.

10.2.2 В случае, если испарение начинается в конвекционных трубах, вначале необходимо подобрать давление на входе в радиантные трубы, определив при этом долю отгона нефтепродукта. Затем подбирается давление в начале участка испарения в конвекционных трубах. При этом рекомендуется следующий порядок расчёта:

1. задаёмся давлением в начале змеевика камеры радиации.

2. задаёмся температурой в начале змеевика камеры радиации, рассчитываем долю отгона е ₀ и теплосодержания паровой и жидкой фаз нефтепродукта.

3. из теплового баланса потока нефтепродукта в змеевике конвекционной камеры проверяем правильность принятой температуры.

4. по уравнению (10.3) проверяем правильность принятого давления.

5. рассчитываем давление в начале участка испарения в конвекционных трубах. Порядок расчёта см. п. 10.2.1. При этом доля отгона в конце рассчитываемого участка е _К = е ₀.

10.9.3. Гидравлический расчёт печи при нагреве продукта, сопровождающемся химической реакцией, следует вести по участкам, сочетая их с кинетическими расчётами. Порядок расчёта для этого случая и некоторые примеры приведены в литературе [3, с. 133, 151; 1, с. 200].

10.9.4. Потери напора в змеевике трубчатой печи будут составлять

(10.8)

где DР _Н и DР _И – потери напора на участке испарения и нагрева, Па; DР _СТ – статическое давление столба жидкости в печи, Па.

DР _СТ = 9,81∙h∙r_ж, (10.9)

где h – высота печи до оси самой верхней трубы, м; r_ж – плотность сырья при средней температуре в конвекционных трубах, кг/м ^9.3.

10.5. Мощность на валу электродвигателя, затрачиваемая на прокачку продукта, определяется по формуле, Вт:

(10.10)

где h – к.п.д. насоса, доли единицы; r – плотность продукта, кг/м ³; G_C – расход нагреваемого продукта, кг/с; DР – потеря напора в змеевике печи, Па.

11. ГАЗОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ И ТЯГА В ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ

Общие потери напора по газовому тракту печи, или величина тяги дымовой трубы, рассчитывается по уравнению

(11.1)

где DР _Р – величина разряжения в камере радиации; DР _К – потери напора в конвекционном пучке труб; DР _Н – потери напора на преодоление местных сопротивлений; DР _ТР – потери напора в дымовой трубе; DР _Т – величина эффекта самотяги.

Величину разряжения в камере радиации во избежание утечки газа следует поддерживать от 20 до 40 Па.

Величина эффекта самотяги определяется по уравнению

DР _Т = 9,81∙h_r∙(r _в - r _г), (11.2)

где h _r – высота газового тракта, м; r _в – плотность воздуха, кг/м ³; r _г – плотность дымовых газов в газовом тракте, кг/м ^9.3.

При движении дымовых газов сверху вниз самотяга газохода препятствует движению газа и в уравнении (11.1) величину DР _Т необходимо взять с противоположным знаком.

Потери напора в конвекционном пучке труб рассчитываются по следующему уравнению:

(11.3)

где u – массовая скорость дымовых газов, кг/(м ² ×с); r _г – плотность дымовых газов при средней температуре газов в конвекционной камере, кг/м ³;

e – коэффициент сопротивления.

Коэффициент сопротивления при продольном омывании труб рассчитывается по уравнению

(11.4)

где l – коэффициент трения, рассчитывается по [9, с. 396]; L – длина, м; d _Э = 4f/П, здесь f – площадь поперечного сечения потока, м ²; П – смоченный периметр, м.

Коэффициент сопротивления при поперечном омывании труб:

1) при шахматном расположении

при S ₁ £S ₂ e=b∙(4+6,6∙m)∙ Re ^-0,28, (11.5)

при S ₁ >S ₂ e=b(5,4+3,4∙m) Re ^-0,28; (11.6)

2) при коридорном расположении

(11.7)

где S ₁, S ₂ – расстояние между осями труб поперёк и вдоль движения потока газа, м; d – наружный диаметр труб, м; m – число рядов в пучке в направлении движения; Re – рассчитывается по уравнению (9.13); b – коэффициент, зависящий от угла атаки (угол между осью трубы и направлением потока газов), определяется по табл. 11.1.

Таблица 11.1 – Значение коэффициента b в уравнениях (11.5-11.7) в зависимости от угла атаки.

Угол атаки, градус
b			0,95	0,83	0,69	0,53	0,38	0,15

Потери напора на преодоление местных сопротивлений (повороты, сужения, расширения, шиберы и т.д.) рассчитываются по уравнению

(11.8)

где e _i – коэффициент местного сопротивления.

Численные значения коэффициентов местных сопротивлений для различных видов сопротивлений приведены в [9, с. 368].

11.1. Потери напора в дымовой трубе непосредственно рассчитать невозможно, поскольку неизвестна высота трубы. Для расчёта высоты дымовой трубы предлагается следующий порядок расчёта:

1) из практических данных выбираем скорость движения дымовых газов в трубе. При естественной тяге принимается 4-8 м/с, поскольку при меньших скоростях возможно задувание воздуха в трубу, большие скорости приводят к увеличению сопротивления;

2) зная количество дымовых газов и их температуру, можно рассчитать необходимый диаметр дымовой трубы;

3) задавшись температурой газов на выходе из трубы, можно рассчитать высоту трубы по следующему уравнению:

(11.9)

где SDР – общие потери напора в газовом тракте за исключением скоростного напора в трубе, Па; r _в, r _г – плотность окружающего воздуха при 30 ° С и дымовых газов при средней температуре в трубе, кг/м ³; g – стандартное ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с ²; l – коэффициент трения (см. уравнение (11.4)); D – диаметр трубы;

4) далее проводим поверочный расчёт, который сводится к проверке правильности выбора температуры уходящих газов. Для этого определим величину потерь тепла поверхностью дымовой трубы в окружающую среду:

(11.10)

где Т _в – температура окружающего воздуха, К; С – постоянная излучения поверхности трубы [9, с. 593], кВт/(м ² ×К ⁴); Н _Т – поверхность трубы, м ²; q - средняя температура стенки, К. Она определяется по формуле

(11.11)

Т _СР – средняя температура дымовых газов, К; Q _ПОТ – количество передаваемого тепла, кВт.

Q _ПОТ = B∙G∙C _pm ∙(t _г – t _ух). (11.12)

C _pm – средняя молярная теплоёмкость дымовых газов, определяется при средней температуре от t _г до t _ух; t _г и t _ух – температуры газов на входе и выходе из трубы, °С; a_Т – коэффициент теплоотдачи от газов к стенке трубы, Вт/(м ² ×град); d - толщина стенки, м; l - коэффициент теплопроводности материала стенки трубы, кВт/(м×град).

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке трубы определится по следующему уравнению [9, с. 557]:

(11.13)

где e _L – коэффициент, учитывающий влияние отношения длины трубы к её диаметру, определяется по [9, с. 558]; D – диаметр дымовой трубы, м; Re и Pr – параметры Рейнольдса и Прандтля, определяются по уравнениям (9.13) и (9.14);

5) определяем температуру уходящих дымовых газов по уравнению

(11.14)

В случае несовпадения полученной температуры уходящих газов с ранее принятой необходимо произвести перерасчёт, начиная с п. 3;

6) далее по уравнению (11.1) определяем общие потери напора по газовому тракту. Если сопротивление движению дымовых газов превышает 300 Па, то в этом случае необходимо установить дымосос.

Мощность электродвигателя дымососа определится как

(11.15)

где V – производительность по газу, м ³ /с; h - к.п.д. дымососа.

Литература

1. Кузнецов А.А., Кагерманов С.М., Судаков Е.Н. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. –Л.: Химия, 1974, - 343с.

2. Скобло А.И., Трегубова И.А., Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. –М.: Химия, 1982. -584с.

3. Бахшиян Ц.А. Трубчатые печи с излучающими стенками топки. –М.: ГОСИНТИ, 1963, -192с.

4. Адельсон С.В. Процессы и аппараты нефтепереработки и нефтехимии. –М.: Гостоптехиздат,1969.3. -310с.

5. Эмирджанов Р.Т. Основы технологических расчетов в нефтепереработке. –М. – Л.: Химия, 1965. -544с.

6. Ентус П.Р. Трубчатые печи. –М.: Химия, 1977. -222с.

7. Рабинович Г.Г. и др. Справочник. Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепереработки. -М.: Химия, 1982. -584с.

8. Трубчатые печи. Каталог. –М.: ЦинТихимнефтемаш, 1985. -34с.

9. Справочник химика. –М. – Л.: Химия, т. V, 1968. -974с.

10. Трубы металлические и соединительные части к ним. Ч. 1,-М.:Изд-во стандартов,1961. -375с.

11.

Содержание

Введение
1. Технологический расчет
2. Полезная тепловая нагрузка
3. Расчет процесса горения
4. Коэффициент полезного действия печи, расход топлива
5. Скорость продукта на входе в печь
6. Определение поверхности нагрева радиантных труб
7. Выбор типа конструкции печи
8. Расчет теплообмена в топке (поверочный расчет)
9. Расчет конвекционной камеры
10. Расчет потерь напора в змеевике печи
11. Газовое сопротивление и тяга в трубчатой печи
12. Пример расчета трубчатой печи
Литература
Приложения

Рисунок 7.3 Схема трубчатой печи типа ВС 1 - змеевик; 2 - взрывное окно; 3 - футеровка; 4 - каркас; 5 - горелка; 6 - гляделка; 7 - дымовая труба.

рисунок 1 - Трубчатая печь типа а - ГС и б - ГС2 1 - змеевик; 2 - каркас; 3 - футеровка; 4 - лестничная площадка; 5 - воздухоподогреватель;. 6 - дымовая труба; 7 – горелка.	рисунок 7.2 - Трубчатая печь типа ГН 1 - змеевик; 2 - каркас; 3 - футеровка; 4 - настильная стенка; 5 - горелка; 6 - площадка лестничная; 7-дымовая труба.

Дата добавления: 2015-07-20