Трубчатые печи

Трубчатые печи 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. 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 конвекцией. В камере конвекции наибольшее количество тепла отдаётся трубам путём конвекции (до 70%), отдача тепла излучением от газов составляет 30%. Трубчатые печи Немного истории. Трубчатая печь появилась и совершенствовалась вместе с развитием нефтепереработки. В России нефтепереработка впервые появилась в районе Баку, где добывалась нефть. Процесс перегонки очень древний процесс. Поэтому переработка нефти заключалась в её перегонки в кубах Сырая нефть Вода Емкость Перегонный куб Керосин Исходная сырая нефть подавалась периодически в перегонный куб. Содержимое куба служило топливом, которое сжигалось с помощью форсунки Поучаемые в парах продукты охлаждались и конденсировались в погружном холодильнике. В качестве продукта получали керосин для освещения Петербургских улиц. Недостатки кубов: Трубчатые печи 1 Процесс периодический. 2 Низкий коэффициент полезного действия . 3 Большая возможность разложения сырья, закоксованность куба. 4 Пожароопасность. Изобретение и развитие двигателей внутреннего сгорания потребовало получение новых видов топлива и в большем количестве. Получение этих видов топлива из нефти дало толчок развитию процесса перегонки, которое в свою очередь потребовало во-первых подводить большое количество тепла во вторых подводить это тепло непрерывно. В 1890 году В. Шуховым и С. Гавриловым была запатентована трубчатая печь. Нефть Трубчатые печи Преимущества трубчатой печи : 1 Процесс нагрева непрерывный. 2 Сравнительно высокий коэффициент полезного действия . 3 Подводится большое количество высокотемпературного тепла. 4 В печи проводится процесс однократного испарения. 5 Они легко автоматизируются. 6 Пожаро- врыво- безопасны, так как в аппарате находится небольшое количество нагреваемого продукта. Рассмотрим принципиальное устройство трубчатой печи ОБЩИЙ ВИД ДВУХКАМЕРНОЙ ПЕЧИ С НАКЛОННЫМ СВОДОМ 1 – камера конвекции; 2 – подовый экран радиантной камеры; 3 – потолочный экран радиантной камеры; муфели; 5 - форсунки Трубчатые печи 1 Основные детали трубчатой печи 1.1 Боковые стенки. Служат для размещения устройств для сжигания топлива, например, форсунок. 1.2 Потолок (с низа), скаты (с верха). 1.3 Устройство для монтажа труб. 1.4 Под печи. 1.5 Перевальные стенки. 2 Основные камеры (пространства) трубчатой печи 2.1 Камера радиации. 2.2 Камера конвекции. 2.3 Боров. 2.4 Дымоходы. 2.5 Дымовая труба. Устройство типовой трубчатой печи Трубчатые печи Принцип работы трубчатой печи. Ход дымовых газов. 1 Топливо газ или жидкость под давлением подаются в устройство для сжигания топлива, например, в форсунку. 2 В форсунку либо принудительно либо за счет эжекции, подается воздух. 3 В камере радиации происходит сжигание топлива. 4 Дымовые газы проходят перевальную стенку и, пройдя камеру конвекции, собираются в борове. 5 Далее дымовые газы проходят дымоход, поступают в дымовую трубу, и выбрасываются в атмосферу. Устройство типовой трубчатой печи. Ход дымовых газов Трубчатые печи Расположение труб. Ход нагреваемого продукта 1 Исходное нагреваемое сырье (продукт) проходит с низа в верх последовательно трубы камеры конвекции. 2 Далее поступает в трубы подового экрана. 3 Затем в трубы потолочного экрана. Устройство типовой трубчатой печи. Ход нагреваемого потока Трубчатые печи. Назначение Назначение трубчатой печи : 1 Служат для нагрева нефтепродуктов то есть печи как нагреватели. Например, процесс фильтрования масел отбеливающими глинами происходит нагрев масел для снижения вязкости масла. 2 Служат для нагрева и испарения продукта, то есть печи как испарители. Например, на установках АВТ 3 Служат для нагрева продукта для проведения химической реакции то есть печи как реакторы. Например, печи пиролиза, печи на конверсии для получения синтез газ. Трубчатые печи. Классификация Трубчатые печи классифицируются по следующим признакам: 1 По назначению: нагреватели, испарители и печи реакторы. 2 По конфигурации: Коробчатые Односкатные Двухскатные Цилиндрические 3 По числу камер радиации: Однокамерные Двухкамерные 3 По наличию труб в камере: Радиантные Конвективные Многокамерные (вид с верха) Радиантно-конвективные Трубчатые печи. Классификация 4 По расположению камер, камера конвекции: с боку в центре 5 По числу рядов в камере радиации: однорядные с низу с верху двухрядные 6 По направлению потока дымовых газов: восходящим нисходящим смешанным Трубчатые печи. Классификация 7 По способу сжигания: топливо объемное с помощью форсунок топливо топливо воздух беспламенное с помощью панельных горелок настильное с помощью тарелки 8 По наличию циркуляции дымовых газов: с и без циркуляции. 9 По наличию подогрева воздуха: с и без подогрева. 10 По расположению труб: вертикальное, горизонтальное, шахматное, коридорное. 11 По наличию дымососа: с и без дымососа. Точки: ОБОЗНАЧЕНИЯ н – продукт на входе в печь; 2 – продукт на выходе из камеры конвекции (входе в камеру радиации); ни – продукт в точке начала испарения к – продукт на выходе из печи; п –поток дымовых газов на перевале (на выходе из камеры радиации, на входе в камеру конвекции; г – поток дымовых газов на выходе из камеры конвекции; к ух – поток дымовых газов на выходе из трубы; в – окружающая среда (воздух); п – поток нагреваемого продукта; 2 ни – поток дымовых газов. н г в ух ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОГНЕВЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ 1 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. Qпол=Gc∙(Qtк∙e+qtк∙(1-e)-qtн±β∙Qреакц )+Q2п (3.9) где GC – расход нагреваемого продукта, кг/с; е – массовая доля отгона на выходе из печи; qtн, qtк, Qtк– соответственно удельные теплосодержания продукта на входе в печь, неиспарившейся жидкости и паров на выходе из печи, кДж/кг. β – массовая доля превращенного сырья на выходе из печи; Qреакц – теплота химического превращения сырья. Q2п – тепло затраченное на другой поток; 2 ТЕПЛОНАПРЯЖЁННОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА ТРУБ Теплонапряжённость определяется количеством тепла, передаваемого через единицу поверхности нагрева за единицу времени. Она характеризует, насколько эффективно используется трубчатый змеевик печи для нагрева сырья. Розовый овал – распределение истиной теплонапряженности по периметру трубы, при этом синие вектора характеризуют величину теплонапряжённости. Жирный синий вектор – максимальная величина теплонапряженности. Красная окружность и векторы – соответствуют средней теплонапряженности или расчётной. Синяя окружность и вектор – соответствуют допустимой теплонапряженности, по которой выбирается материал трубы. Разность между допустимой и средней теплонапряженностью показывает на сколько неэффективно используется труба. 2 ТЕПЛОНАПРЯЖЁННОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА ТРУБ Подобные явления с теплонапряженностью наблюдаются по длине трубы. Розовая фигура – распределение истиной теплонапряженности по длине трубы, при этом синие векторы характеризуют величину теплонапряжённости. Ф а к е л ы Жирные синие векторы – максимальная величина теплонапряженности. Красный прямоугольник – соответствует средней теплонапряженности или расчётной. Синий прямоугольник – соответствует допустимой теплонапряженности, по которой выбирается материал трубы. Разность между допустимой и средней теплонапряженностью показывает на сколько неэффективно используется труба. 2 ТЕПЛОНАПРЯЖЁННОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА ТРУБ 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 . 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 для печей объемного горения. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОГНЕВЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ 3 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 – это отношение практически подаваемого воздуха к теоретически необходимому или (3.10) α=L /L п о где Ln, Lo – практическое и теоретическое количество воздуха, отнесённое к одному килограмму топлива, кг/кг. Теоретическое количество воздуха – это количество воздуха необходимое для полного сгорания одного кг топлива Коэффициент избытка воздуха зависит от вида топлива и способа его сжигания. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОГНЕВЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ 4 КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ Коэффициент полезного действия печи - отношение полезно затраченного тепла к общему количеству тепла выделенного топливом. η=Qпол/(Qрн∙В) (3.11) где Qпол – полезная тепловая нагрузка; В – расход топлива; Qрн – низшая теплотворная способность топлива; Обычно уравнение (3.11) используют для определения расхода топлива, а для определения коэффициента полезного действия используют следующее уравнение η=1- (q2+q3+q4+q5) (3.12) где q2, q3, q4, q5 – доли тепла теряемые с дымовыми газами на выходе из печи, от механической и химической неполноты сгорания и в окружающую среду через стенки печи определяются как. (3.13) где i= 2, 3, 4, 5; qi=Qi / Qрн Q2, Q3, Q4, Q5 – количество тепла теряемое с дымовыми газами на выходе из печи, от механической и химической неполноты сгорания и в окружающую среду через стенки печи. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОГНЕВЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ 4 КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ В современных трубчатых печах потери тепла от химической и механической неполноты сгорания малы, и можно принять q3 ≈ q4 ≈ 0. Потери тепла излучением q5 составляют около 0,05. Величина q2 может достигать 0,20 и рассчитывается как q2=Q2 / Qрн (3.14) где Q2 – потери тепла с отходящими газами рассчитываются по уравнению (3.15) Q = ∑(N ∙C )∙(t -t ) 2 i pm г в где Ni – содержание i-го компонента в дымовых газах на выходе из камеры конвекции, кмоль/кг; Cpm – средняя молярная теплоёмкость i-го компонента, кДж/(кг⋅град); tг и tв – температуры уходящих дымовых газов и окружающего воздуха, °С. Как видно из уравнения (3.15) на величину Q2 влияет количество дымовых газов и температура уходящих дымовых газов. Рассмотрим влияние этих факторов на величину коэффициента полезного действия печи. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОГНЕВЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ 4 КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ Коэффициент полезного действия трубчатой печи в основном зависит от коэффициента избытка воздуха и температуры отходящих дымовых газов . 4.1 Зависимость коэффициента полезного действия печи от коэффициента избытка и вида топлива. К.п.д. печи 1,00 0,75 Беспламенное или настильное сжигание газообразного топлива Объемное сжигание газообразного топлива Объемное сжигание жидкого топлива 0,50 Объемное сжигание твердого топлива 0,25 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Коэффициент избытка воздуха ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОГНЕВЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ Для обеспечения полноты сгорания топлива практически приходится подавать в топку некоторый избыток воздуха по сравнению с теоретическим избытком. 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. Вопрос о снижении коэффициента полезного действия печи за счёт коэффициента избытка воздуха 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 горения. Ускорение горения путём каталитического воздействия огнеупорного материала позволяет вести процесс почти с теоретическим количеством воздуха. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОГНЕВЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ 4 КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ 4.2 Температура отходящих дымовых газов Чем ниже температура уходящих дымовых газов, тем меньше Q2, тем больше К.П.Д. печи. Снижение же температуры уходящих дымовых газов за счёт увеличения избытка воздуха не желательно. Рассмотрим пути снижения этой температуры, для этого проанализируем расчёт камеры конвекции. Расчёт камеры конвекции Согласно принятых ранее обозначений точек в печи обозначим: tn - температура дымовых газов на перевале; tп tг - температура дымовых газов покидающих камеру радиации; tн - температура нагреваемого продукта на входе в печь; t2 - температура нагреваемого продукта на выходе из камеры конвекции; t2 tн tг Порядок расчёта камеры конвекции 1 Определяем количество тепла , которое необходимо передать в камере конвекции. 1.1 Принципиальная схема теплообмена tn t2 ∆t1 tг tн ∆t2 1.2 Количество тепла определим из уравнения теплового баланса всей печи по уравнению (3.9) за минусом количества тепла , которое необходимо передать в камере радиации. 1.3 Уравнение теплового баланса по другому потоку по холодному дает возможность определить температуру t2 по уравнению. Qк = Gс∙(q2-qн ) где Gс– количество нагреваемого сырья (расход, например, кг/с); 1.4 Согласно приведенной схемы и расчетов по п 1.1 можно рассчитать средний температурный напор по уравнению (3.6) ∆tср = (∆t1 - ∆t2)/ ln (∆t1 / ∆t2). (3.6) 1.5 Задаемся из каталога размерами камеры конвекции и конструируем пучок труб в камере. 1.6 Определяем коэффициенты теплоотдачи αiТ, αiр, αiк для соответствующей среды. α1 - коэффициент теплоотдачи в среде дымовых газов. Состоит из коэффициентов теплоотдачи конвекцией и и радиацией α2 - коэффициент теплоотдачи через стенку трубы.. Зависит от материала трубы. Им можно пренебречь. α3 - коэффициент теплоотдачи в среде нагреваемого продукта. Зависит от скорости движения. При скорости от 1,0 до 3,0 м/с можно им пренебречь. 1.7 Определяем средний коэффициент теплопередачи по уравнению (3.7), то есть К≈ α1. 1.8 Определяем потребную поверхность теплообмена по уравнению (3.5) Согласно п.1.1 не нарушая 1 и 2 законы термодинамики можем принять, что tг = tн , тогда ∆t2= 0. При этом ∆tср= 0. Величина F= ∞. То есть если величина поверхности конечная, то tг > tн. Температура отходящих дымовых газов Температура отходящих дымовых газов (tг), исходя из практических данных, принимают на 130 - 180 ° 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. Скорость движения продукта в печных трубах 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 диаметр печных труб выбираются такими, чтобы линейные скорости продукта на входе в печь (считая на жидкое сырьё) находились в пределах 1-3 м/с. Скорость продукта на входе в печные трубы, м/с, определится как Wc = Gc /(ρ∙S∙m) (3.16) где ρ – плотность продукта при температуре 20 °C, кг/м3; S – внутреннее сечение трубы, м2; m – число параллельных потоков продукта в печи. Расход топлива Расход топлива определится из уравнения (3.1) как (3.17) В=Q /(Qр ∙η ) пол н п Низшая теплотворная способность топлива может быть рассчитана по формуле Д. И. Менделеева, кДж/кг: Qрн=339∙С+1030∙Н+109∙(S-O)-25∙W, (3.18) 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, теплоту сгорания топлива, в том числе и газообразного, можно определить по правилу смешения. Qр 1 н= ∑(Qi∙xi), (3.19) n Qi – теплота сгорания i-го компонента в топливе; хi – массовая доля i-го компонента в топливе; n – число индивидуальных компонентов в топливе. Расчёт камеры радиации Расчёт камеры радиации включает себя: 1 Расчёт процесса горения, так как камера радиации всегда выполняет функцию топки. Расчет процесса горения производится по обычным уравнениям химии заключается в определении : - расхода воздуха; - количества топлива; - количества и состава дымовых газов. 2 Тепловой расчёт камеры радиации : Сущность теплового расчета камеры радиации заключается в совместном решении уравнений теплового баланса топки и уравнения теплопередачи в топке. Теплообмен в топочной камере (камере радиации) Теплообмен также как и в камере конвекции α1 - коэффициент теплоотдачи в среде дымовых газов. Состоит из коэффициентов теплоотдачи конвекцией и и радиацией α2 - коэффициент теплоотдачи через стенку трубы.. Зависит от материала трубы. Им можно пренебречь. α3 - коэффициент теплоотдачи в среде нагреваемого продукта. Зависит от скорости движения. При скорости от 1,0 до 3,0 м/с можно им пренебречь, то есть К≈ α1. Рассмотрим подробнее за счет чего же происходит теплообмен в топке. Конвективный теплообмен происходит за счет скорости движения дымовых газов. Теплообмен радиацией происходит за счет высокой температуры газов, за счет наличия трехатомных газов. Особенность теплообмена радиацией в топе заключается в том , что в камере радиации (или топке) мы имеем различные испускающие и принимающиеся тепловые лучи поверхности. К ним относятся : поверхность труб, по которым идет нагреваемый продукт; поверхность факела; объем дымовых газов; поверхность различных стенок. Каждая из этих поверхностей имеет различные температуры, различные степени черноты и различное расположение друга относительно друга (коэффициент взаимной видимости) . Поэтому теплообмен радиацией можно характеризовать как сложный . Существующие методы расчёта можно условно разделить на два вида: 1 Имперические методы основанные на данных взятых из практики, которые в расчете используют опытные, экспериментальные зависимости в виде имперических уравнений либо графические зависимости. 2 Аналитические методы основанные на физической природе того или иного явления, которые в расчете используют аналитические выражения. Расчёт камеры радиации Одним из наиболее приемлемых методов расчета камеры радиации является аналитический метод предложенный профессором Белоконем. Допущения использованные в методе: 1 Все излучающие поверхности (трубы, стенки, факелы, газовый объем и др.) заменяются одной эквивалентной абсолютно черной поверхностью. 2 Температура этой эквивалентной абсолютно черной поверхности равна температуре газов на перевале. Сущность метода основана на совместном решении уравнения теплового баланса топки и уравнения теплопередачи от дымовых газов к поверхности трубы. Уравнение теплового баланса топки можно записать в виде: B∙Qрн∙ηт = B∙G∙Cpm∙(Tn-T0)+ Qp, (3.20) где В - количество топлива, кг/с; Qрн – низшая теплотворная способность топлива, дж/кг; ηт – коэффициент полезного действия топки; G – количество дымовых газов от сгорания одного кг топлива, кг/кг; Cpm – средняя теплоемкость дымовых газов; Tn,T0 – температура газов на перевале и окружающего воздуха, К; Qp – количество тепла переданное в камере радиации радиантным трубам; Расчёт камеры радиации Удобнее выразить уравнение теплового баланса топки через максимальную температуру горения. Максимальная температура горения - это та температура , которую имели бы дымовые газы на перевале (на выходе из топки) при условии отсутствия теплообмена в камере радиации (т.е. Qp=0 ) Таким образом из уравнения (3.20) B∙Qрн∙ηт = B∙G∙Cpm∙(Tmах-T0), (3.21) где Tmax – максимальная температура горения, К; Сравнивая уравнения (3.20) и (3.21) видим, что левые части у них равны, а значит можно приравнять правые. В результате преобразований получим B∙G∙Cpm∙(Tmах-Tп) = Qp (3.22) (3.23) Qp = Qрл + Qрк где Qрл – количество тепла переданное радиантным трубам радиацией; Qрк – количество тепла переданное радиантным трубам конвекцией. (3.24) Q = α ∙Н ∙(T - Θ) pк рк р n где αрк – коэффициент теплоотдачи конвекцией в камере радиации; Θ – средняя температура наружной стенки радиантных труб, К; Нp – поверхность радиантных труб, м2; Расчёт камеры радиации Qpл = Cs∙Нs∙(Tn4- Θ4) (3.25) где Сs – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела (CS = 0,00577 кВт/(К4⋅м2); Нs – величина эквивалентной абсолютно чёрной поверхности , м2; Подставим уравнения (3.24) и (3.25) в уравнение (3.23), а (3.23) в (3.22), в результате преобразований обозначим через β = Tn /(Tmax-∆Θ) x= ∆Θ = 10∙Cs∙Нs Tmax-Θ B∙G∙Cpm+ αрк∙Нр 3 (3.26) (3.27) 1000 αрк∙Нр∙(Tmax-Θ) - Cs∙Нs∙Θ 4 B∙G∙Cpm+ αрк∙Нр (3.28) получим x∙β4+β = 1 (3.29) Приближенным решением уравнения (3.29) будет β= 1 0,25+√(0,1875+√(0,141+ x)) (3.30) Расчёт камеры радиации Порядок расчета камеры радиации 1 В начале расчёта задаемся Tn. 2 Определяем типоразмер топки (камеры радиации). 3 Определяем величины входящие в уравнения (3.26), (3.27), (3.28). 4 Определяем величину β по уравнению (3.30) 5 Определяем из уравнения (3.26) Tn Tn = β ∙(Tmax-∆Θ) 6 Если полученная в п.5 величина Tn отличается от заданной в п. 1 менее чем на 2% тепловой расчет камеры радиации заканчивается. В противном случае полученная Tn в п. 5 подставляется в п.1. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ Гидравлический расчёт трубчатой печи производится в два этапа: 1 Расчёт потерь напора в змеевике печи, который заключается в определении гидравлического сопротивления змеевика трубчатой печи необходимого при выборе устройства для подачи нагреваемого продукта. 2 Газовое сопротивление и тяга в трубчатой печи, сущность которого заключается в расчете сопротивления по газовому тракту для обеспечения нормальной работы печи и расчете дымовой трубы. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ 1 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: 1.1 только нагреву и или на всём протяжении змеевика остаётся в одной фазе; 1.2 нагреву и частичному или полному испарению; 1.3 нагреву, испарению и химическому превращению. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ 1 РАСЧЁТ ПОТЕРЬ НАПОРА В ЗМЕЕВИКЕ ПЕЧИ 1.1 Если продукт на всём протяжении змеевика остаётся в одной фазе потери напора рассчитываются по формуле Дарси-Вейсбаха Lэкв∙UC2 (3.31) ∆P = λ dвн∙2∙ρ где ∆Р – потеря напора на рассчитываемом участке, Па; λ – коэффициент гидравлического сопротивления, определяется в зависимости от среднего диаметра труб; dвн – внутренний диаметр труб, м; Uс – массовая скорость продукта в трубах, кг/(м2⋅с); ρ – плотность продукта при средней температуре на участке, кг/м3. LЭКВ – эквивалентная длина одного потока, м. Эквивалентная длина змеевика вычисляется как сумма длин труб и эквивалентной длины двойников: Lэкв= n∙Lmp + (n-1)∙ψ ∙dвн (3.32) где n – число труб в одном потоке; Lmp – полная длина трубы, м; ψ – коэффициент зависимый от конструкции двойника. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ 1 РАСЧЁТ ПОТЕРЬ НАПОРА В ЗМЕЕВИКЕ ПЕЧИ 1.2. Гидравлический расчёт змеевика нагревательных печей, в которых происходит испарение продукта, рекомендуется производить по методу Б.Д. Бакланова. Змеевик условно разбивается на два участка – зону нагрева (2 ни) и зону испарения (ни к). Расчёт потери напора производится на каждом участке в отдельности. Задача сводится к определению давления в начале участка испарения (ни). к Давление в начале участка испарения в общем случае определится по уравнению Б.Д. Бакланова Pни = √(Pк2+А∙Lи∙Pк+В∙Lи) 2 ни н (3.33) где Рк, Рни – давление в конце рассчитываемого участка и начале участка испарения, Па; Lu – расчётная длина участка испарения, м; А, В – коэффициенты зависящие от физических свойств сред. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ 1 РАСЧЁТ ПОТЕРЬ НАПОРА В ЗМЕЕВИКЕ ПЕЧИ методу 1.2. Гидравлический расчёт змеевика нагревательных печей по Б.Д. Бакланова. Расчётная длина участка испарения определяется в предположении, что распределение теплонапряжённости по длине рассчитываемого участка равномерное Lи = Lэкв к 2 ни н qTк - qTни qTк –qT2 (3.34) где qTк, qT2, qTни - теплосодержание сырья на выходе, входе рассчитываемого участка и в начале участка испарения; Тк, Т2, Тни – температура сырья на выходе, входе рассчитываемого участка и в начале участка испарения. ПОРЯДОК РАСЧЁТА ПОТЕРЬ НАПОРА В ЗМЕЕВИКЕ ПЕЧИ Для случая если испарение начинается в радиантных трубах порядок расчёта в этом случае следующий: - задаёмся давлением в начале участка испарения. - из условия начала однократного испарения нагреваемого нефтепродукта определяем температуру в начале участка испарения. - по уравнению (3.34) определяем длину участка испарения. - по уравнению (3.33) проверяем правильность принятого давления (относительное отклонение не более 5%). -по уравнению (3.31) рассчитываем потери напора на участках нагрева радиантных и конвекционных труб. Потери напора в змеевике трубчатой печи будут составлять ∆P = ∆PH + ∆PИ + ∆PСТ , (3.35) где ∆РН и ∆РИ – потери напора на участке испарения и нагрева, Па; ∆РСТ – статическое давление столба жидкости в печи, Па. ∆РСТ = 9,81∙h∙ρж, (3.36) где h – высота печи до оси самой верхней трубы, м; ρж – плотность сырья при средней температуре в конвекционных трубах, кг/м3 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ 2 ГАЗОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ И ТЯГА В ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ Общие потери напора по газовому тракту печи, или величина тяги дымовой трубы, рассчитывается по уравнению ∆Pобщ=∆Pp+∆Pк+∆Pм+∆PТР-∆PТ (3.37) где ∆РР – величина разряжения в камере радиации; ∆РК – потери напора в конвекционном пучке труб; ∆Рм – потери напора на преодоление местных сопротивлений; ∆РТР – потери напора в дымовой трубе; ∆РТ – 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 ∆РТ = 9,81∙hТ∙(ρв - ρг ), (3.38) где hТ – высота газового тракта, м; ρв – плотность воздуха, кг/м3; ρг – плотность дымовых газов в газовом тракте, кг/м3. 2 ГАЗОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ И ТЯГА В ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ При движении дымовых газов сверху вниз самотяга газохода препятствует движению газа и в уравнении (3.37) величину ∆РТ необходимо взять с противоположным знаком. Потери напора в конвекционном пучке труб рассчитываются по следующему уравнению: ε ⋅ u 2 ∆ Pк = , (3.39) 2 ⋅ ρ г где u – массовая скорость дымовых газов, кг/(м2⋅с); ρг – плотность дымовых газов при средней температуре газов в конвекционной камере, кг/м3; ε – коэффициент сопротивления. Потери напора на преодоление местных сопротивлений (повороты, сужения, расширения, шиберы и т.д.) рассчитываются по уравнению ∆ PM  εi ⋅ u2 = ∑   2 ⋅ ρг  ,   где εi – коэффициенты местного сопротивления. (3.40) 2 ГАЗОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ И ТЯГА В ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ 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: hTP = ∑ ∆P 2 u g ⋅ ( ρв − ρ г ) − λ 2 ⋅ D ⋅ ρг , (3.41) где Σ∆Р – общие потери напора в газовом тракте за исключением скоростного напора в трубе, Па; ρв, ρг – плотность окружающего воздуха при 30 °С и дымовых газов при средней температуре в трубе, кг/м3; g – стандартное ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с2; λ – коэффициент трения; D – диаметр трубы; 2 ГАЗОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ И ТЯГА В ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ 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: QПОТ   θ  4  TВ  4  = C ⋅ H T    −   + 0,0023 ⋅ H T ⋅ (θ − Tв ) 4 θ − Tв , (3.42)   100   100   где НТ – поверхность трубы, м2; θ - средняя температура стенки, К. Она определяется по формуле QПОТ  1 δ   θ = TCP − + . Н Т  αT λ  (3.43) ТСР – средняя температура дымовых газов, К; QПОТ – количество передаваемого тепла, кВт. QПОТ = B∙G∙Cpm∙(tг – tух). (3.44) Cpm – средняя молярная теплоёмкость дымовых газов, определяется при средней температуре в дымовой трубе; αТ – коэффициент теплоотдачи от газов к стенке трубы, кВт/(м2⋅град); δ - толщина стенки, м; λ коэффициент теплопроводности материала стенки трубы, кВт/(м⋅град). 2 ГАЗОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ И ТЯГА В ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ 5 Определяем температуру уходящих дымовых газов по уравнению t ух Q ПОТ = tГ − . B ⋅ G ⋅ C pm (3.45) В случае несовпадения полученной температуры уходящих газов с ранее принятой необходимо произвести перерасчёт, начиная с п. 3; 6 Далее по уравнению (3.37) определяем общие потери напора по газовому тракту. Если сопротивление движению дымовых газов превышает 300 Па, то в этом случае необходимо установить дымосос.