Расчет процесса горения топлива

Введение

 

Трубчатая печь является аппаратом, предназначенным для передачи нагреваемому продукту тепла, выделяющегося при сжигании топлива, непосредственно в этом же аппарате. Нагрев в трубчатой печи может осуществляется без изменения агрегатного состояния, с частичным или полным испарением исходного продукта. При этом не меняется его физическая природа. Однако в промышленной практике нагрев сырья часто сопровождается его химический превращением.

Трубчатые печи нашли широкое распространение в нефтеперабатывающей и нефтехимической промышленности благодаря следующим своим особенностям. Их работа основывается на принципе однократного испарения, что обеспечивает либо более глубокий отгон при данной конечной температуре нагрева сырья, либо заданный отгон при более низкой температуре нагрева. Они обладают высокой тепловой эффективностью, так как в дополнение к основной части тепла, которая передается излучением, существенная часть передается конвекцией вследствие сравнительно высокой скорости движения дымовых газов. Они являются составной частью многих промышленных установок и применяются в различных технологических процессах, таких как перегонка нефти, мазута, каталитического крекинга, пиролиза и т д.

Помимо этого, трубчатые печи являются компактными аппаратами, их коэффициент полезного действия высок, они могут обеспечивать высокую тепловую мощность. Продолжительность пребывания нагреваемого сырья в зоне высоких температур не превышает нескольких минут, что уменьшает возможность его разложения и коксоотложения в трубах, вследствие чего при необходимости сырье можно нагревать до более высокой температуры. Печи удобны в эксплуатации, позволяют осуществить автоматизацию.

В зоне нагрева трубчатых печей единовременно находится относительно небольшое количество нефтепродукта, что снижает пожарную опасность. В случае прогара труб пожар легче устранять.

В данной работе будет произведен следующий технологический расчет трубчатой печи: расчет процесса горения топлива; расчет теплового баланса, коэффициента полезного действия и расход топлива; выбор по каталогу типоразмера трубчатой печи; расчет диаметра печных труб.

 

 

Расчетная часть

Расчет процесса горения топлива

 

На данном этапе будет произведен расчет элементарного состава газового топлива, низшей теплотворной способности топлива, количества и состава продуктов сгорания, теплосодержания продуктов сгорания.

2.1.1 Определение элементарного состава газового топлива

Содержание углерода, водорода, серы, кислорода и азота находится по следующим формулам:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

где , , , , – соответственно число атомов углерода, водорода, серы, кислорода, азота в молекулах газовых компонентов топлива;

– концентрация газовых компонентов в топливе, % масс;

– молекулярная масса компонентов топлива;

– число компонентов в топливе;

– соответственно содержание углерода, водорода, серы,

кислорода, азота, % масс.

 

Определение низшей теплотворной способности и теплосодержания продуктов сгорания

 

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

, (6)

где – содержание влаги в топливе, % масс.

кДж/кг.

 

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

, (7)

кг/кг.

Фактический расход воздуха, кг/кг:

, (8)

кг/кг.

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

, (9)

где - расход форсуночного пара,кг/кг,

кг/кг.

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

, (10)

кг/кг;

; (11)

кг/кг;

; (12)

кг/кг;

; (13)

кг/кг;

; (14)

кг/кг.

Проверка:

. (15)

кг/кг;

G=18.586=m_i=18.58 кг/кг.

Проверка показала, что все произведенные расчеты верны.

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

; (16)

м³/кг.

 

 

Таким образом, в разделе был проведен расчет:

- элементарного состава газового топлива;

- низшей теплоты сгорания топлива ;

- состав продуктов сгорания;

- фактическое количество воздуха необходимого для полного сгорания топлива L= кг/кг.

- количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива.

 

 

Действия и расхода топлива

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

, (17)

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

Расчет теплового баланса ведется на 1 кг топлива.

Статьи расхода тепла:

, (18)

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

Статьи прихода тепла:

, (19)

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

- температуры топлива, воздуха, форсуночного водяного пара соответственно,°С. Итак, уравнение теплового баланса запишется в следующем виде:

(20)

 

(21)

(22)

 

откуда определяется коэффициент полезного действия трубчатой печи:

, (23)

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

Потери тепла в окружающую среду составляют 4%.

Температура уходящих дымовых газов, °С:

, (24)

где - температура нагреваемого продукта на входе в печь, °С

- разность температур теплоносителей на входе сырья в змеевик камеры

конвекции, °С.

°С

К.

При естественной тяге в печи не должна быть меньше 250 °С.

Расчет продуктов сгорания на 1 кг топлива при заданной температуре производится по формуле:

, (25)

где - температура продуктов сгорания, К;

- средние массовые теплоемкости продуктов сгорания,

.

Потери тепла в окружающую среду составляют 3-8%, примем 5%.

.

 

Статьи прихода тепла Qприх	Статьи расхода тепла Qрасх
Qр^н	50161,905	qпот	2508,09
		qух
		qпол
итого:	50161,905	итого:	50161,905

 

.
Расчет полезной тепловой нагрузки трубчатой печи:

, (26)

где - производительность печи по сырью, кг/ч;

, , - соответственно теплосодержание паровой и жидкой фазы при

температуре , жидкой фазы (сырья) при температуре , кДж/кг;

- доля отгона сырья на выходе из змеевика трубчатой печи.

Теплосодержание паров нефтепродуктов определяется по уравнению:

, (27)

где - температура, при которой определяется теплосодержание нагреваемого

продукта, °С.

Дж/кг.

Теплосодержание жидких нефтепродуктов определяется по уравнению:

; (28)

кДж/кг;

; (29)

кДж/кг;

кДж/ч.

Определение полной тепловой нагрузки печи:

; (30)

кДж/ч.

Часовой расход топлива рассчитывается по формуле:

; (31)

кг/ч.

 

 

Таким образом, были рассчитаны:

- коэффициент полезного действия трубчатой печи ,

- полезная тепловая нагрузка печи = кДж/ч

- часовой расход топлива В=2078.08 кг/ч необходимый для работы печи в заданном режиме, с учетом потерь тепла в окружающую среду через

неплотности и с уходящими дымовыми газами.

 

 

Расчет диаметра печных труб

 

На данном этапе по результатам расчета выбираются стандартные размеры труб (диаметр, толщина и шаг). При этом используется следующий алгоритм расчета.

 

Определяется объемный расход нагреваемого продукта, м³/с:

, (37)

где G_с– производительность печи по сырью, т/сут;

- плотность продукта при средней температуре t_ср, кг/м³.

, (38)

.

Площадь поперечного сечения трубы определяется уравнением:

, (39)

где n – число потоков;

W – допустимая линейная скорость продукта, м/с,

d_вн – расчетный внутренний диаметр трубы, м.

Оптимальная скорость при нагреве нефти может быть принята [2] Принимаем скорость линейную скорость нефти

Из уравнения рассчитывается внутренний диаметр трубы:

, (40)

Конструкция выбранного типоразмера печи такова, что эффективнее разделить поток сырья на кратное двум число потоков, поскольку в камере радиации установлена стена, делящая камеру на две.

Разделим поток сырья на два параллельных потока, что обусловлено не только конструкционными особенностями трубчатой печи, но и снижением общего гидравлического сопротивления.

Округляя значение расчетного диаметра трубы, учитывая толщину стенки, и выбирая в соответствие с этим остальные размеры труб, получим:

d_нар= 0,152м, d_вн= 0,152-2·0,008= 0,136м; [2].

Шаг между осями труб: фитинги S₁= 0,275м, толщина стенки труб σ= 0,008м.

Тогда фактическая скорость движения потока, м/с:

(41)

 

При выборе диаметра печных труб, принимаем по ГОСТу большее значение. Таким образом, увеличивается поверхность теплообмена и снижается гидравлическое сопротивление потоку сырья. С другой стороны, линейная скорость потока сырья будет ниже, следовательно, турбулентность потока тоже уменьшится. Это приведет к снижению коэффициента теплопередачи, т.е. интенсивность теплообмена будет ниже.

Но поскольку в камере радиации происходит испарение сырья, то поток нефти, двигающийся по змеевику сверху вниз, будет барботироваться парами, что увеличит поверхность теплообмена (за счет поверхностей пузырьков пара).

Фактическая скорость оказалась меньше расчетной вследствие округления диаметра трубы в большую сторону.

 

 

Расчет камеры конвекции

 

Целью данного этапа является расчет поверхности конвекционных труб и проведение анализа эффективности работы камеры конвекции.

Поверхность конвекционных труб определяется по уравнению

 

(42)

где Q_к – количество тепла, воспринятое конвекционными трубами, Вт;

К – коэффициент теплопередачи от дымовых газов к нагреваемому продукту, ;

- средняя разность температур, К.

, (43)

Вт

Средняя разность температур определяется по уравнению:

, (44)

где , - соответственно большая и меньшая разность температур, ^оС;

- температура продукта на выходе из камеры конвекции, находится путем решения квадратичного уравнения, предварительно определив теплосодержание продукта при этой температуре:

; (45)

 

Уравнение (24) запишем в виде:

; (46)

где a=0,000405, b=0,403;

, (47)

– соответственно коэффициенты уравнения.

Имеем уравнение:

.

Решению уравнения удовлетворяет значение только одного корня

; (48)

^оС.

Составим схему теплообмена:

t_п=838,8902 ^oC t_ух=270 ^оС

 

t_к= ^оС t₁=135 ^oC

;

;

.

Коэффициент теплопередачи в камере конвекции рассчитывается по уравнению

 

 

(49)
где , , - соответственно коэффициенты теплоотдачи от газов к стенке, конвекцией, излучением трехатомных газов, Вт/(м² К).

определяют по эмпирическому уравнению Нельсона:

(50)

где - средняя температура дымовых газов в камере конвекции (К),вычисляется по формуле:

, (51)

.

;

определяется следующим образом:

, (52)

где Е – коэффициент, зависящий от свойств топочных газов, значение которого находится из справочных данных;

U – массовая скорость движения газов, ;

d – наружный диаметр труб, м.

Е=21,63 при средней температуре в камере конвекции

[1, стр. 9].

Массовая скорость движения газов определяется по формуле

(53)

где f – свободное сечение прохода дымовых газов в камере конвекции, м².

, (54)

где n – число труб в одном горизонтальном ряду;

d – наружный диаметр труб, м;

S₁ – расстояние между осями труб в горизонтальном ряду [2, стр. 473] м;

- рабочая длина конвекционных труб, м;

- характерный размер для камеры конвекции, м.

Принимаем n=4, м; из технической характеристики печи =12,5 м.

;

;

;

;

Определяем число труб в камере конвекции:

, (55)

Округляем до 108 штук.

Тогда фактическая поверхность нагрева будет равна:

; (56)

Число труб по вертикали:

; (57)

шт.

Высота пучка труб в камере конвекции, м:

, (58)

где - расстояние между горизонтальными рядами труб, определяемое как

; (59)

.

.

 

 

Средняя теплонапряженность камеры конвекции равна:

 

, (60)

В разделе рассчитана средняя теплонапряженность и количество труб в камере конвекции N_к=108 и высота трубного пучка h_к=6,2 м.

 

 

Введение

 

Трубчатая печь является аппаратом, предназначенным для передачи нагреваемому продукту тепла, выделяющегося при сжигании топлива, непосредственно в этом же аппарате. Нагрев в трубчатой печи может осуществляется без изменения агрегатного состояния, с частичным или полным испарением исходного продукта. При этом не меняется его физическая природа. Однако в промышленной практике нагрев сырья часто сопровождается его химический превращением.

Трубчатые печи нашли широкое распространение в нефтеперабатывающей и нефтехимической промышленности благодаря следующим своим особенностям. Их работа основывается на принципе однократного испарения, что обеспечивает либо более глубокий отгон при данной конечной температуре нагрева сырья, либо заданный отгон при более низкой температуре нагрева. Они обладают высокой тепловой эффективностью, так как в дополнение к основной части тепла, которая передается излучением, существенная часть передается конвекцией вследствие сравнительно высокой скорости движения дымовых газов. Они являются составной частью многих промышленных установок и применяются в различных технологических процессах, таких как перегонка нефти, мазута, каталитического крекинга, пиролиза и т д.

Помимо этого, трубчатые печи являются компактными аппаратами, их коэффициент полезного действия высок, они могут обеспечивать высокую тепловую мощность. Продолжительность пребывания нагреваемого сырья в зоне высоких температур не превышает нескольких минут, что уменьшает возможность его разложения и коксоотложения в трубах, вследствие чего при необходимости сырье можно нагревать до более высокой температуры. Печи удобны в эксплуатации, позволяют осуществить автоматизацию.

В зоне нагрева трубчатых печей единовременно находится относительно небольшое количество нефтепродукта, что снижает пожарную опасность. В случае прогара труб пожар легче устранять.

В данной работе будет произведен следующий технологический расчет трубчатой печи: расчет процесса горения топлива; расчет теплового баланса, коэффициента полезного действия и расход топлива; выбор по каталогу типоразмера трубчатой печи; расчет диаметра печных труб.

 

 

Расчетная часть

Расчет процесса горения топлива

 

На данном этапе будет произведен расчет элементарного состава газового топлива, низшей теплотворной способности топлива, количества и состава продуктов сгорания, теплосодержания продуктов сгорания.

2.1.1 Определение элементарного состава газового топлива

Содержание углерода, водорода, серы, кислорода и азота находится по следующим формулам:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

где , , , , – соответственно число атомов углерода, водорода, серы, кислорода, азота в молекулах газовых компонентов топлива;

– концентрация газовых компонентов в топливе, % масс;

– молекулярная масса компонентов топлива;

– число компонентов в топливе;

– соответственно содержание углерода, водорода, серы,

кислорода, азота, % масс.