Базовый технологический расчет трубчатой печи

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕСИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

“УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ”

 

Кафедра нефтехимии и  химической технологии

 

 

 

 

 

Домашнее задание

Базовый технологический расчет трубчатой печи

Вариант-15

по дисциплине процессы и аппараты химической технологии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                 Выполнил: ст. гр. ТС-04        

                                                                                    Абель Е.Ю.                                                             

                                                                                Проверил : проф., Зиганшин Г.К.

 

 

 

 

 

Уфа 2007 

 

Содержание

 

                                                                                                            

                                                                                                                                                   С.

1. Введение
2. Исходные данные
3. Расчет процесса горения топлива
4. Тепловой баланс трубчатой печи. Расчет коэффициента полезного действия

       и расхода топлива

5.   Выбор типоразмера трубчатой печи

 6.   Расчет диаметра печных труб

 7.   Заключение

 8.   Список использованной литературы

9.   Графическая часть( эскиз трубчатой печи)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. 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.

В начальный период развития нефтеперерабатывающей промышленности для нагрева сырья использовались кубы; однако они имеют много существенных недостатков и поэтому они теперь не используются.

  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 тд.

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.

2. Исходные данные

 

  

          Произвести  базовый технологический расчет  трубной печи для нагрева и  частичного испарения нефти со следующими исходными данными:

 

Производительность печи                                             Gc = 3100т/сутки(129166,7 кг/час)

 

Начальная температура сырья 

        на входе  в печь                                                                 t₁ = 120

 

Конечная температура сырья                                                  t₂ = 345

 

Доля отгона(массовая)                                                            е = 0,39

 

Коэффициент избытка воздуха                                              = 1,05

 

Относительная плотность сырья                                          = 0,9

 

Относительная плотность 

         сконденсированных  паров                                            = 0,8

 

 

Состав топлива:

 

                                   газ             CH₄   -70%

                                                     C₂H₆ - 15%

                                                     C₃H₈   -10%

                                                     C₄H₁₀ - 5%                          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.  Расчет процесса горения топлива

 

Рассчитаем элементарный состав газового топлива, низшую теплотворную способность топлива, количество и состав продуктов сгорания, теплосодержание продуктов сгорания.

1. Определим элементарный состав газового топлива:

Содержание углерода

С=12

,

Где  n_Ci – число атомов углерода в молекулах компонентов газового топлива;

         xi -  концентрация компонентов в топливе, % масс;

         M_i – молекулярные массы компонентов газового топлива, г/моль.

         k  -  число компонентов в топливе;

         С – содержание углерода, % масс.

 

С=12 (

+ + + ) = 76,85 % масс

Содержание водорода

H=

,

Где  n_Hi – число атомов водорода в молекулах компонентов газового топлива;

         xi -  концентрация газовых  компонентов топливе, % масс;

         M_i – молекулярные массы компонентов топлива;

         k  -  число компонентов в топливе;

         H – содержание водорода, % масс.

 

H= (

+ + + ) = 23,15 % масс

Cделаем проверку :  76,85 + 23,15 =100 % масс.

 

2)Низшая теплотворная способность топлива определяется по уравнению Менделеева:

 

,

 

где -    соответственно содержание углерода, водорода, серы и влаги в топливе,                            % масс.

 

 кДж/кг.

 

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

 

,

 кг/кг.

 

4) Фактический расход воздуха, кг/кг:

 

,

кг/кг.

 

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

 

,

 

где - расход форсуночного пара, кг/кг.

 

 кг/кг.

 

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

,

;

 

;

;

 

;

;

 

;

;

 

;

.

 

Проверка:

.

 

;

                                                                                 G=18,66=m_i

                                         Т.е. расчеты  верны.

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

 

;

 м³/кг.

 

8) Рассчитаем теплосодержание продуктов  сгорания на 1 кг топлива при  заданной температуре, кДж/кг:

,

 

где - температура продуктов сгорания, К;

- средние массовые теплоемкости  продуктов сгорания, .

Расчет данной формулы произведем в следующем пункте, когда определим  температуру продуктов сгорания.

 

 

4.  Тепловой баланс трубчатой печи. Расчет коэффициента полезного действия и расхода топлива

                                       

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

,

 

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

 

Расчет теплового баланса ведется  на 1 кг топлива.

     Статьи расхода тепла:

 

,

 

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

 

     Статьи прихода тепла:

 

,

 

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

-  соответственно температуры  топлива, воздуха, форсуночного  водяного пара, °С.

 

     Явное тепло топлива, воздуха и водяного пара обычно невелико и им часто в технологических расчетах пренебрегают. Однако при анализе способов, способствующих повышению коэффициента полезного действия трубчатой печи, эти статьи прихода тепла необходимо учитывать.

 

     Итак, уравнение теплового баланса запишется в следующем виде:

 

,

или

,

 

откуда определяется коэффициент  полезного действия трубчатой печи:

 

,

 

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 3-8%.

Температура уходящих дымовых газов, °С:

 

,

 

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

- разность температур теплоносителей  на входе сырья в змеевик  камеры конвекции,  °С.

 

°С.

 

При естественной тяге в печи  не должна быть меньше 250 °С, что мы и получили  = 270 °С.

Теперь, зная температуру уходящих дымовых газов, рассчитаем продуктов сгорания на 1 кг топлива при заданной температуре :

 

,

 

где - температура продуктов сгорания, К;

- средние массовые теплоемкости  продуктов сгорания, , [1, табл. ХХ ΙΙ ].

С помощью интерполяции рассчитаем массовые теплоемкости продуктов сгорания при = 270 °С , в справочнике даны мольные теплоемкости газов, нужно перевести  их в массовые, разделив данные значения на молярные массы продуктов сгорания:

С_CO2 =

+ ;

 

 С_H2O =

+ ;

 

С_O2 =

+ ;

 

С_N2 =

+ ;

 

             С_SO2 =

+ .

 

Поэтому теплосодержание продуктов  сгорание будет равно:

 

Коэффициент полезного действия трубчатой печи:

;

Для трубчатых печей значение коэффициента полезного действия находится в  пределах от 0,65 до 0,85. Полученное значение  ή = 0,83 удовлетворяет данному пределу.

 

Расчет полезной тепловой нагрузки трубчатой печи:

 

,

 

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, кДж/кг: