Технологический расчет теплообменника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Химическая и нефтехимическая промышленность - прогрессивная, быстро развивающаяся отрасль. В 90-е годы нефтехимические продукты составляли более половины мирового объема производства органических веществ и более одной трети продукции всей химической промышленности. Основными тенденциями развития являются: повышение единичной мощности установок до оптимальных, повышение селективности для экономии сырья, снижение энергоёмкости и замыкание потоков энергии путём рекуперации, вовлечение в переработку новых видов сырья. Химия наряду с машиностроением, металлургией электроэнергетикой способствует научно-техническому прогрессу. Потребители продукции химической промышленности находятся во всех сферах народного хозяйства. Химическая и нефтехимическая промышленность становится источником сырья для производства товаров широкого потребления. В современной химической промышленности органического синтеза большую роль играет углеводородное нефтегазовое сырье. Для химических производств характерны многостадийность технологических процессов, применение различных видов сырья и полупродуктов. Широкое развитие в химии получило внутриотраслевое и межотраслевое комбинирование и кооперирование производств. Открываются большие возможности для энергохимического комбинирования.

Основная цель нефтепереработки - это производство нефтепродуктов, прежде всего различных видов топлива и сырья для последующей химической переработки. Для обеспечения перспективного внутреннего спроса на нефтепродукты и их экспорта предусматривается развитие нефтеперерабатывающей отрасли, и прежде всего на основе повышения эффективности использования нефтяного сырья. Приоритетом станет повышение качества моторных топлив в соответствии с изменением транспортного парка при сохранении технологически оправданного использования мазута в качестве резервного топлива на теплоэлектростанциях, безусловное удовлетворение нужд обороны страны. Основное направление развития нефтепереработки - модернизация и реконструкция действующих нефтеперерабатывающих заводов с опережающим строительством мощностей по углублению переработки нефти, повышению качества нефтепродуктов и производству катализаторов. Реконструкция и модернизация НПЗ предусматривает опережающее развитие технологических комплексов по углублению переработки нефти и повышению качества продукции.

1. Физические основы процесса

Пиролиз - термическое разложение органических и многих неорганических соединений. Основная цель процесс - получение углеводородного газа с высоким содержанием непредельных углеводородов. Термический пиролиз углеводородного сырья остаётся основным способом получения низкомолекулярных олефинов. В промышленных условиях пиролиз углеводородов осуществляют при температурах 800-900 °C и при давлениях, близких к атмосферному (на входе в пирозмеевик - 0,3 МПа, на выходе - 0,1 МПа избыточных). Время пребывания сырья в пирозмеевике составляет 0,1 - 0,5 сек. Все реакции при пиролизе делятся на первичные и вторичные. Первичные реакции протекают с увеличением объёма газа реакционной массы. Это реакции расщепления высокомолекулярных парафинов и нафтеновых углеводородов с образованием углеводородов с меньшей молекулярной массой. Вторичные реакции конденсации протекают на поздних стадиях пиролиза. Так как происходит увеличение молекулярной массы молекул продуктов реакции, то сопровождается уменьшение газообразного объёма реакционной массы. Это реакции образования ароматических углеводородов. Также, к вторичным реакциям можно отнести реакции образования различных пастообразных водородных соединений углерода. Лишённый водорода продукт, обожжённый при очень высокой температуре называется коксом. Для снижения скоростей вторичных реакций пиролиза используют разбавление сырья пиролиза водяным паром.

В результате парциальное давление углеводородов снижается и оно будет способствовать протеканию реакций, идущих с увеличением объёма, то есть - первичных. Энергетические характеристики реакций, определяют направления и максимальную равновесную степень превращения по ним исходных веществ. Все реакции пиролиза углеводородов обратимые. Пиролиз применяется для уничтожения бытового мусор, процесс получения этилена и пропилена как основного сырья для тяжёлого органического синтеза из этана и пропана.

По всему миру пиролизный газ начинают использовать как альтернативный источник энергии, прежде всего тепловой. Во многих европейских странах пиролизный газ давно стал обычным топливом, на котором десятками лет вырабатывается электроэнергия, пар и горячая вода. В настоящее время процесс термического пиролиза углеводородного сырья является главным способом получения этилена и пропилена.

трубчатый печь змеевик теплообмен

2. Выбор, обоснование выбора конструкции аппарата

В промышленности применяется большое число различных конструкций и типоразмеров трубчатых печей. При выборе печи в основном следует учитывать вид топлива; требование технологического процесса к расположению труб камеры радиации; необходимость дифференциального подвода тепла к трубам камеры радиации; количество регулируемых потоков; время пребывания продукта в печи или камере радиации. Для всех конструкций трубчатых печей металлический каркас представляет собой пространственную раму. Конфигурация каркаса соответствует наружной форме печи.

Трубчатые реакторы с наружным огневым обогревом являются основным типом реакторов для пиролиза газообразных и жидких углеводородов для получения этилена и пропилена. Это объясняется простотой конструкции трубчатых печей, невысокими капитальными затратами, сравнительной простотой эксплуатации и удовлетворительными показателями процессов пиролиза на этих установках. При 900 °C можно получить наибольшее количество ароматических углеводородов; когда же температура пиролиза выше 1000 °C, то основными продуктами становятся водород и углерод. В трубчатых печах нефть и мазут проходят по трубам, расположенным внутри печи и нагреваются за счет теплоты сгорания жидкого или газообразного топлива.

2.1 Классификация трубчатых печей

Трубчатые печи имеют следующую классификацию:

1. Технологическая (нагревательные и реакционно-нагревательные);

2. Теплотехническая (конвективные, радиационные и радиационно-конвективные);

3. Конструктивная:

- по форме каркаса (коробчатые, ширококамерные, узкокамерные, цилиндрические, кольцевые и секционные);

- по числу камер радиации (одно-, двух- и многокамерные);

- по расположению трубчатого змеевика (горизонтальные и вертикальные);

- по расположению горелок (боковые и подовые);

- по топливной системе (жидкое, газообразное и смешенное);

- по способу сжигания топлива (факельное и беспламенное);

- по расположению дымовой трубы (вне трубчатой печи и над камерой конвекции);

2.2 Конструкция печей

В промышленности распространение получили трубчатые реакторы пиролиза. Печи пиролиза состоят из двух отсеков - радиантной и конвекционной. Именно в радиантной секции находятся трубчатые реакторы пиролиза (пирозмеевики), обогреваемые теплом сгорания топливного газа на горелках этой секции. В конвекционной части печи происходит предварительный нагрев сырья, водяного пара разбавления до температуры начала пиролиза конвективным переносом тепла с дымовыми газами из радиантной секции. Для возможности более точной регулировки температуры в обеих секциях на выходе из печи установлен вытяжной вентилятор с шибером для регулирования скорости движения дымовых газов. Кроме нагрева сырья и разбавления пара, в конвекционной части происходит нагрев котловой питательной воды, которая используется для охлаждения продуктов пиролиза на выходе из печи - в закалочно-испарительных аппаратах. Полученный насыщенный пар используется для получения пара высокого давления, который в свою очередь используется для вращения паровой турбины компрессора пирогаза. Для повышения селективности процесса и выходов продуктов при пиролизе время пребывания сырья в реакционной зоне необходимо сокращать, а температуру повышать. По такому пути и развивалось изменение этих параметров на промышленных печах пиролиза. На данный момент время контакта на современных печах составляет порядка 0,2 сек., а температура пиролиза достигает 870-900 °C. Необходимо учитывать предельно допустимую температуру современных сплавов, из которых изготавливаются змеевики, и резкое повышение коксообразования на стенках этих сплавов при повышении температур. Не увеличивая градиент температур между стенкой пирозмеевика и паросырьевым потоком быстрый нагрев можно обеспечить, увеличив удельную поверхность пирозмеевика, то есть поверхности на единицу объёма паросырьевого потока. Изначально пирозмеевики представляли собой длинную трубу постоянного диаметра, согнутую на равные части (в змеевик) для уменьшения конструкционных размеров печи, но теперь пирозмеевики изготавливаются из большого количества входных труб (10 - 20) малого диаметра, которые объединяются, и, в итоге, на выходе змеевик состоит из 1 - 2 трубы значительно большого диаметра. В таких пирозмеевиках достигается высокая теплонапряженность на начальном участке и низкая - на конце, где температура стенки играет высокую роль в процессе коксообразования. Для резкого предотвращения протекания нежелательных вторичных реакции, на выходе из печи устанавливают закалочно-испарительные аппараты. В трубном пространстве происходит резкое охлаждение продуктов реакции до температур 450-550 °C.

2.3 Вертикально-цилиндрическая печь

Вертикально-цилиндрическая печь имеет цилиндрический корпус радиантной части, у внутренних стен футеровки которого по окружности вертикально расположены радиантные трубы. Газогорелочные устройства обычно те же, что используются в печах типа вертикально-секционные. Они расположены в центре пода печи. Максимальное число горелок - 4. Поскольку размеры конвекционной камеры зависят от диметра радиантной части печи, число труб в ряду конвекционной камеры печи типа и диаметр труб могут быть разными. Крепление труб радиантной и конвекционной части, гарнитура печи, гляделки и взрывные клапаны такие же, как для печей типа ВС. Футеровка радиантной части вертикально-цилиндрических печей выполняется в основном из легковесного шамотного кирпича, футеровка конвекционной камеры - из легкого жароупорного бетона. Каркас-кожух печи выполняется из листовой стали и из сортового проката. Вертикально-цилиндрические печи оснащаются вращающимися шиберами, расположенными в дымоходе за конвекционной камерой; управление шиберами - дистанционное.

Рисунок 2.3 - Вертикально-цилиндрическая трубчатая печь

2.4 Вертикально-секционная трубчатая печь

Рисунок 2.4 - Вертикально-секционная трубчатая печь

В основу конструкции вертикально-секционных печей положена отдельная секция. При необходимости обеспечить более высокую теплопроизводительность, такая печь набирается из нескольких типовых секций. Каждая секция состоит из радиантной и расположенной на ней конвекционной камеры. Радиантная секция представляет собой металлическую футерованную изнутри камеру коробчатой формы. По всем четырем внутренним стенам радиантной камеры расположены вертикальные трубы продуктового змеевика, соединенные под сводом и у пода калачами в шпильки. Конвекционная камера представляет собой футерованную шахту прямоугольного сечения, заполненную горизонтальными ошипованными трубами, расположенными в шахматном порядке. Над конвекционной камерой устанавливается дымовая труба или дымоход для присоединения к сборному борову, объединяющему несколько печей. Для защиты шипов от воздействия высоких температур и прямой радиации факелов горелок два ряда конвекционных труб по ходу продуктов сгорания выполняют обычно из гладких труб. Радиантные трубы крепятся в своей верхней части к металлоконструкциям свода печи путем подвесок из стали. Форсунки расположены в поде печи по ее длинной оси обычно в один ряд.

2.5 Теоретическое обоснование

Вертикально-цилиндрическая печь более выгодна в эксплуатации по сравнению с другими печами, т.к. имеет ряд преимуществ:

- горелки расположены посередине хода и могут быть установлены с определенным наклоном, что влияет на температуру продуктов сгорания в печи;

- в змеевике не вызывается закоксованность;

- снижение тепловых потерь в 2-2,5 раза;

- более высокий КПД;

- низкие капитальные затраты на сооружение и небольшая площадь, занимаемая печью;

- меньший расход топлива;

- исключён местный перегрев труб;

- простота обслуживания;

- малая задержка продукта.

3. Схема аппарата, его устройство, принцип действия

3.1 Схема аппарата

Рисунок - Вертикально-цилиндрическая трубчатая печь

3.2 Устройство аппарата

Печь представляет собой вертикальный аппарат, состоящий из двух камер: радиационной и конвективной. Внутри радиационной цилиндрической камеры расположен витой продуктовый змеевик. Под радиационной камерой установлена камера конвекции, внутри которой расположены экранные трубы. Дымовая труба установлена на камере радиации. В поду печи размещается необходимое количество горелок. Печь может поставляться совместно с блоком подачи продукта и блоком подачи топлива (с арматурой, приборами КиА и трубопроводами, расположенными на раме или в блок-боксе). Трубы расположены горизонтально вдоль внешних стен. Соединение труб для печей ГПЗ может производиться U-образными патрубками, находящимися внутри радиантной секции.

3.3 Принцип действия аппарата

Углеводородное сырье насосом одним потоком подается в подводящий коллектор. Из коллектора сырье выходит в цилиндрический змеевик. Сырье, проходя через змеевик за счет конвекционного теплообмена между горячими газами и поверхностью змеевика нагревается до требуемых температур и поступает в отводящий коллектор. В отводящем коллекторе поток выходит из печи в ректификационную или дистилляционную колонну. Для обеспечения высокой полноты сгорания жидкого или газообразного углеводородного топлива и минимальной степени дымности и токсичности отработавших газов процесс сгорания топливовоздушной смеси начинается в предкамере, в которую топливо и воздух требуемого соотношения подаются и поджигаются стандартной горелкой. Предкамера по касательной соединена с камерой сгорания, в которой происходит интенсивное перемешивание и догорание топливовоздушной смеси и формирование равномерного температурного поля горячих газов. Горячие газы из камеры сгорания через стакан поступают в верхнюю часть конвекционной камеры. Пройдя через витки змеевикового теплообменника, отработавшие газы радиационной камеры отводятся наружу через дымовую трубу. Петлевая траектория движения горячих газов и их симметричный отвод обеспечивает хорошую эффективность работы печи. Предкамера, камера сгорания и стакан футерованы огнеупорным кирпичом или жаростойким бетоном, а вся нагревательная печь покрыта теплоизоляционным материалом.

4. Охрана труда и окружающей среды

4.1 Охрана труда

Печи должны быть оборудованы дежурными горелками, оснащенными запальными устройствами, индивидуальной системой топливоснабжения. На трубопроводах газообразного топлива к основным горелкам должны быть установлены предохранительно - запорные клапана, дополнительно к общему отсекающему устройству на печи, срабатывающие при снижении давления газа ниже допустимого. На линиях подачи жидкого топлива и топливного газа к основным и дежурным горелкам должны быть установлены автоматические запорные органы, срабатывающие в системе блокировок. Перед пуском печи необходимо убедиться в отсутствии каких-либо предметов в камере сгорания, дымоходах - боровах, все люки и лазы должны быть закрыты. В период розжига печи должны быть включены все приборы контроля, предусмотренные технологическим регламентом, и вся сигнализация. Розжиг печи должен начинаться с розжига дежурных горелок. Печи должны быть оборудованы средствами автоматической подачи водяного пара в топочное пространство и в змеевики при прогаре труб, а также средствами автоматического отключения подачи сырья и топлива при авариях в системах змеевиков. Топливный газ для освобождения от жидкой фазы, влаги и механических примесей перед подачей в горелку должен предварительно пройти сепаратор, подогреватель и фильтры. Жидкое топливо для обеспечения необходимой вязкости и освобождения от механических примесей перед подачей в форсунку должно предварительно пройти подогреватель и фильтры.

4.2 Охрана окружающей среды

Повышение уровня экологической чистоты технологии переработки углеводородного сырья связано, прежде всего, с недопустимостью выбросов любых вредных веществ в окружающую среду как при нормальной эксплуатации оборудования, так и при аварийных ситуациях. Сегодня наиболее выгодны стали безотходные технологии, в которых все отходы производства полностью утилизируются и перерабатываются во вторичные материальные ресурсы. Безотходное производство предполагает создание оптимальной технологической схемы с замкнутыми материальными и энергетическими потоками. Производственный цикл при этом организуется таким образом, чтобы все технологические потоки, содержащие загрязнители, были изолированы от окружающей среды и циркулировали в замкнутом контуре, проходя через специальные системы их выделения и переработки в товарные виды продукции, не оказывая отрицательного воздействия на среду обитания.

Охрана окружающей среды на любой установке НПЗ включает в себя систему мер, позволяющих свести выбросы вредных и ядовитых веществ в окружающую среду, т.е. в атмосферу, водоемы, почву, до минимально достижимых на сегодняшний день концентраций, но не выше ПДК. Воздействие вредных и ядовитых веществ на окружающую среду, взаимосвязь с ней человеческой деятельности и методы ее защиты изучает наука экология. В связи с этим все системы мер по охране окружающей среды на установке должны отвечать требованиям экологии. Каждая установка НПЗ имеет экологическую характеристику, которая оценивается четырьмя количественными показателями: газообразные выбросы, потери сырья, расход воды и неутилизируемые отходы.

По сравнению с другими разновидностями термических процессов установка пиролиза является более совершенной с экологической точки зрения, так как характеризуется меньшими значениями названных показателей. Однако эта установка не является изолированной в структуре завода. Она входит в комплекс каталитического крекинга, который, в свою очередь, связан с целым рядом других технологических и вспомогательных объектов. С целью сокращения воздействия газов на окружающую среду в объекте предусмотрена схема возврата газа, стравливаемого с аппаратов при подготовке к ремонту. Все стравливания с предохранительных клапанов с низкой температурой объединены в общий коллектор и направляются на факел постоянного горения.

5. Материальный баланс

Таблица 5.1 - материальный баланс

Поступило	% вес.	кг/ч
Пропановая фракция	80	8000
Водяной пар	20	2000
Итого	100	10000
Получено	% вес.	кг/ч
CH4	95,86	9586
C2H6	0,87	67
C3H8	1	100
н-C4H10	1,23	123
CO2	0,64	64
N2	0,6	60
Итого	100	10000

Мком = Мс * % Вес.ком / 100 %;

Мс = Мпр.ф. + Мв.п.;

8000 + 2000 = 10000 кг/ч (100 % вес.);

10000 * 95,86 / 100 = 9586 кг/ч;

10000 * 0,67 / 100 = 67 кг/ч;

10000 * 1 / 100 = 100 кг/ч

10000 * 1,23 / 100 = 123 кг/ч;

10000 * 0,64 / 100 = 64 кг/ч;

10000 * 0,6 / 100 = 60 кг/ч;

10000 * 100 / 100 = 10000 кг/ч;

6. Тепловой баланс

6.1 Расчёт процесса горения

Состав топливного газа:

CH4 - 95,86%, C2H6 - 0,67%, C3H8 - 1%, C4H10 - 1,23%, CO2 - 0,64%, N2 - 0,6%.

Определяем низшую теплоту сгорания топлива:

Qр = 35800 / 0,76 = 51173,6 кДж/кг; (6.1)

Определяем элементарный состав топлива в массовых процентах.

Содержание углерода:

Сi = gi * 12ni / Mi (6.2)

Где: gi - процентное содержание компонента в топливе, ni - число атомов углерода в данном компоненте топлива, Mi - молекулярная масса компонента топлива;

С = 95,86 * 12 * 1 / 16 + 0,67 * 12 * 2 / 30 + 1 * 12 * 5 / 44 + 1,23 * 12 * 4 / 58 + 0,64 * 12 * 1 / 44 = 74,443 %;

Содержание водорода:

Hi = gi * mi / Mi (6.3)

Где: gi - процентное содержание компонента в топливе, mi - число атомов водорода в данном компоненте топлива, Mi - молекулярная масса компонента топлива;

Н = 95,86 * 4 / 16 + 0,67 * 6 / 30 + 1 * 8 / 44 + 1,23 * 10 / 58 = 24,492%;

Содержание кислорода:

Oi = gi * 16pi / Mi (6.4)

Где: gi - процентное содержание компонента в топливе, pi - число атомов кислорода в данном компоненте топлива, Mi - молекулярная масса компонента топлива;

О = 0,64 * 32 / 44 = 0,465 %;

Содержание азота:

Ni = gi * 14ti / Mi (6.5)

Где: gi - процентное содержание компонента в топливе, ti - число атомов азота в данном компоненте топлива, Mi - молекулярная масса компонента топлива;

N = 0,6 * 14 * 2 / 28 = 0,6 %;

Проверка:

С + Н + О + N = 74,443 + 24,492 + 0,465 + 0,6 = 100% (6.6)

Определяем теоретическое количество воздуха:

L0 = (0,0267 * 74,443 + 0,08 * 24,492 + 0,01 * 0,132) 0,23 = 17,16 (6.7)

Определяем действительное количество воздуха:

Lд = а * L0 = 1,05 * 17,16 = 18 кг/кг (6.8)

Где: а - коэффициент избыточного воздуха (1,03 - 1,07);

Определяем количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива:

mCO = 0,0367 * 74,443 = 2,73 кг/кг (6.9)

mH2O = 0,09 * 24,492 = 2,2 кг/кг (6.10)

mO = 0,23 * 17,16 * (1,05 - 1) = 0,197 кг/кг (6.11)

mN = 0,77 * 17,16 * 1,05 + 0,01 * 0,6 = 13,88 кг/кг (6.12)

Определяем суммарное количество продуктов сгорания:

?m = 2,73 + 2,2 + 0,197 + 13,88 = 19,007 кг/кг (6.13)

Проводим проверку суммарного количества продуктов сгорания:

? = 1 + а * L0 = 19 кг/кг (6.14)

Содержанием влаги в воздухе пренебрегаем.

Определяем объёмное количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива:

VCO = 2,73 * 22,4 / 44 = 1,39 м3/кг (6.15)

VH2O = 2,2 * 22,4 / 18 = 2,73 м3/кг (6.16)

VO = 0,197 * 22,4 / 32 = 0,138 м3/кг (6.17)

VN = 13,88 * 22,4 / 28 = 11,17 м3/кг (6.18)

Определяем суммарный объём продуктов сгорания:

?V = 1,39 + 2,73 + 0,138 + 11,17 = 15,358 м3/кг (6.19)

Определяем энтальпию продуктов сгорания на 1 кг топлива:

q1 = (408 - 273) * (2,73 * 0,92 + 2,2 * 1,9 + 0,197 * 0,94 + 13,88 * 1,0362) = 2868,075 кДж/кг (6.20)

6.2 Расчёт теплового баланса

Определяем тепло приходящее с воздухом:

Qвозд = 18 * (0,24 + 0,47 * 28,2) * 25 = 6100 кДж (6.21)

Определяем тепло приходящее с паром:

Qпар = Wс * iп = 0,4 * 4190 = 1676 кДж (6.22)

Где: Wс - линейную скорость сырья, iп - электропроводность водяного пара;

Определяем количество тепла, сообщаемого сырью в печи:

Qс = G * (e * qп1 + (1 - е) * (х1 * qж1) - (с1 * qж2)) = 8000 * (0,7 * 830,5 + (1 - 0,7) * (1 - 670,4) - (1 - 544,7)) = 7393840 кДж/ч (6.23)

Где: G - количество раствора, e - массовая доля пара, qп1 - энтальпия водяного пара при 468К, х1 - содержание пара в растворе, с1 - состав исходного раствора, qж1 и qж2 - энтальпия раствора при 468К и 408К;

Определяем количество тепла на перегрев водяного пара:

Qп = Z * (CP * (TG - TS) + r * x) = 760 * (2,01 * (513 - 393) + 2203 * 0,05) = 604300 кДж/ч (6.24)

Где: Z - количество перегреваемого пара, CP - теплоёмкость перегретого пара, TG - температура водяного пара на выходе из печи, TS - начальная температура водяного пара, r - теплота парообразования воды, x - влажность пара;

Определяем приходящее тепло в печь:

Qприход = Qс + Qп + Qвозд + Qпар (6.25)

Qприход = 7393840 + 604300 + 6104 + 1676 = 8006 кДж;

Определяем потери тепла в окружающую среду:

Qокр = 0,04 * Qр = 0,04 * 51173,6 = 2046,944 кДж (6.26)

Принимаем потери тепла уходящих дымовых газов:

Qд = 5900 кДж (6.27)

Определяем уходящее тепло из печи:

Qуход = Qс + Qп + Qокр + Qд (6.28)

Qуход = 7393840 + 604300 + 2046,944 + 5900 = 8006 кДж;

Тепловой баланс печи:

Qприход = Qуход (6.29)

8006 кДж = 8006 кДж;

7. Технологический расчет

7.1 Расчёт КПД и расхода топлива

Определяем потери тепла печью в окружающую среду:

q1 = 0,04 * Qр = 0,04 * 51173,6 = 2046,944 кДж (7.1)

Принимаем потери тепла уходящих дымовых газов:

q2 = 5900 кДж (7.2)

Определяем КПД печи:

? = 1 - (q1 / Qр + q2 / Qр) = 1 - (2046,944 / 51173,6 + 5900 / 51173,6) = 0,84; (7.3)

Определяем полезное тепло печи:

Qполезн = Qс + Qп = 7393840 + 604300 = 7998 кДж/ч (7.4)

Определяем часовой расход топлива:

B = Qполезн / Qр * ? = 7998 / 51173,6 * 0,84 = 131,3 кг/ч (7.5)

7.2 Расчёт лучистого теплообмена в топке

Определяем цилиндрическую поверхность, на которой расположены трубы:

Нпл = ? * (D0 + dн) * Lтр = 3,14 * (0,387 + 0,102) * 9 = 13,82 м2(7.6)

Где: D0 - диаметр печи по осям трубы, dн - диаметр трубы, Lтр - длина трубы;

Определяем лучевоспринимающую поверхность экрана:

Нл = к * Нпл = 0,88 * 13,82 = 12,16 м2 (7.7)

Где: к - фактор формы для экрана одностороннего облучения, равный 0,88;

Определяем площадь неэкранированной поверхности камеры радиации:

F = ?F - Нл = 20 - 12,16 = 7,84 м2 (7.8)

Определяем эквивалентную абсолютно чёрную поверхность:

Hs = Ev / ?(T) * (Eн * Hл + Ef * F) (7.9)

Где: Ev - степень черноты поглощения среды, ?(T) - функция распределения температур в топке, Eн - степень черноты поверхности экрана;

Hs = 0,52 * (12,16 + 0,273 * 7,84) = 7,436 м2 (7.10)

Определяем температуру наружной поверхности экранных труб:

Т = 408 + 468 / 2 + 35 = 473 К (7.11)

Определяем температурную поправку:

?Т = (ак * Нр * (Тмакс - ?) - 10-8 * Т 4 * Hs * сs) / (B * Єmcp + ак * Нр) = (9 * 17,85 * (2000 - 473) - 10-8 * 4734 * 7,436 * 5,77) / (31,2 * 29,4 / 3,6 + 9 * 17,85) = 542 К (7.12)

Где: ак - излучение внутри потки, Тмакс - максимальная температура горения, сs - излучение абсолютно чёрного тела, Єmcp - суммарная теплоёмкость дымовых газов;

Определяем температуру дымовых газов на выходе из камеры радиации:

Тн = 0,628 * (2000 - 542) = 915 К (7.13)

7.3 Проверка скорости сырья на входе в змеевик печи

Определяем секундный объём сырья при температуре входа в змеевик:

Vc = 10000 / 8000 * 510 = 0,0027 м3/с (7.14)

Определяем линейную скорость сырья:

Wс = 4 * Vc / ? * d2в = 4 * 0,0027 / 3,14 * 0,092 = 0,4 м/с (7.15)

Где: dв - внутренний диаметр трубы;

8. Конструктивный расчет

8.1 Расчёт камеры радиации

Определяем поверхность нагрева радиантных труб:

Hp = Qр / qp = 250 / 14 = 17,85 м2 (8.1)

Где: Qр - количество тепла, передаваемого сырью в радиантных трубах, qp - теплонапряжённость радиантных труб;

Определяем число труб:

Np = Hp / ? * dн * Lтр = 17,85 / 3,14 * 0,102 * 9 = 6,2 ? 6 (8.2)

Определяем диаметр печи по осям труб:

Do = Np * S / ? = 6 * 0,203 / 3,14 = 0,388 м (8.3)

Где: S - шаг трубы равный 203мм;

Определяем диаметр от оси трубы до стенки печи:

Dн = Do + 2 * а = 0,388 + 2 * 0,153 = 0,694 м (8.4)

Где: а - расстояние от сои трубы до стенки;

Определяем площадь поверхностей, ограничивающих топку - площади пода и боковой поверхности печи:

Fн = 0,785 * D2н = 0,785 * 0,6942 = 0,378 м2 (8.5)

Fо = ? * Dн * Lтр = 3,14 * 0,694 * 9 = 19,6 м2 (8.6)

?F = Fн + Fо = 0,378 + 19,6 = 19,978 м2 (8.7)

8.2 Расчёт камеры конвекции

Определяем диаметр камеры:

bт = (n1 - 1) * S1 = (21 - 1) * 153 = 3060 мм = 3,06 м (8.8)

Где: n1 - принятое количество труб, S1 - шаг труб по ширине пучка равный 153мм;

Определяем наименьшую площадь свободного сечения для прохода дымовых газов:

fг = ((n1 - 1) * S1 + 3 * dн - n1 * dн) * Lтр = ((21 - 1) * 153 + 3 * 0,153 - 21* 0,153) * 9 = 2,214 м2 (8.9)

Определяем линейную скорость дымовых газов:

W = 31,2 * 15,358 * 544 / 3600 * 2,214 * 273 = 0,12 м/с (8.10)

Определяем плотность дымовых газов:

pг = 8,86 * 273 / 22,4 * 173,6 = 0,622 кг/м3 (8.11)

Определяем вязкость дымовых газов:

?г = ?г / pг = 31,09 * 10-6 / 0,622 = 51,28 * 10-6 м2/с (8.12)

Определяем режим циркуляции дымовых газов:

Re = W * dн / ?г = 0,12 * 0,153 / 51,28 * 10-6 = 358 (8.13)

Определяем линейную скорость водяного пара:

W = 4 * Vс / ? * d2в * n1 = 4 * 0,262 / 3,14 * 0,052 * 21 = 6,35 м/с; (8.14)

Определяем средний температурный напор:

?Тср = ?Тмакс - ?Тмин / ln * (?Тмакс / ?Тмин) = 241 - 120 / ln * 2,0083 =173,6 K (8.15)

Определяем поверхность нагрева пароперегревателя:

Fп = Qп / Кп * ?Тср = 604300 / 17,67 * 173,6 = 98 м2 (8.16)

Где: Кп - коэффициент теплопередачи равный 17,67 Вт/м2 * К;

Определяем число труб пароперегревателя:

Nп = Fп / ? * dн * Lтр = 98/ 3,14 * 0,102 * 9 = 29 (8.17)

Определяем число горизонтальных рядов:

M = Nп / n1 = 29 / 21 = 1,4 ? 1 (8.18)

9. Гидравлический расчет

9.1 Расчёт потерь давления и напора

Определяем эквивалентный диаметр:

dэ = 4 * S / П = 4 * 19,978 / 14,4 = 5,55 м (9.1)

Где: S - площадь боковой поверхности конвекционной камеры, П - периметр боковой поверхности конвекционной камеры;

Определяем коэффициент трения:

? = А / Re = 64 / 358 = 0,178 (9.2)

Где: А - коэффициент сечения трубопровода равный 64;

Принимаем местное сопротивление:

?§ = 6,6 (9.3)

Определяем давление:

?Р = (? * Lтр / dэ + ?§) * W2 * p / 2 = (0,178 * 9 / 5,55 + 6,6) * 0,42 * 0,76 / 2 = 0,4 кПа (9.4)

Определяем потери давления:

P = 0,4 * 1000 * 100 / 300000 = 0,13 % (9.5)

Определяем напор:

?Н = (? * Lтр / dэ + Є§) * W2 / 2 * g = (0,178 * 9 / 5,55 + 6,6) * 0,42 / 2 * 9,81= 0,05 м/с (9.6)

Определяем потери напора:

H = 0,05 *100 / 0,4 = 12,5 % (9.7)

Заключение

В данном курсовом проекте я спроектировал вертикальную цилиндрическую трубчатую печь для пиролиза пропановой фракции производительностью 8000 кг/ч. Диаметр печи равен 3 м, а высота 13,5 м.

В процессе проектирования проведен анализ литературных источников. В результате можно сделать вывод, что вертикальная цилиндрическая печь более простая по конструкции, чем секционная и более производительная. Исходя из этого выбранная конструкция печи пиролиза обладает большим количеством достоинств по сравнению с другими существующими в мире конструкциями аппаратов.

На основании изученной литературы произвел технологический расчет, где определил КПД и расхода топлива, лучистый теплообмен в топке, а также проверил скорость сырья на входе в змеевик печи. В конструктивном расчете определил основные размеры печи: диаметр и высоту. В гидравлическом расчете определил потери давления и напора на выходе из печного змеевика. Составил тепловой и материальный баланс. Разработаны мероприятия по обеспечению безопасности эксплуатации печи пиролиза и мероприятия по охране окружающей среды.

Данная печь позволит увеличить качество и выход сырья на нефтеперерабатывающих заводах. Тем самым увеличится количество выпускаемой продукции.

Литература

Кузнецов А.А. Кагерманов С.М. Судаков Е.Н. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности М: Химия, 1966. - 168 с.

Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М: Химия, 1973 - 365 с.

Павлов К.Ф., Романное П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу Процессов и аппаратов химической технологии. Л: Химия, 1987- 576 с.

Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. Под ред. докт. техн. наук проф. Ю.И. Дытнерского. М.; Химия. 1991-272 с.

Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. Учебник для техникумов. Л.: Химия, 1991 - 27 с.

Гельперин И.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. М. Химия, 1981. т. 1,2 - 812 с.

Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. 2-ое изд.. Л : Машиностроение. 1970 - 752 с.

Медведева В.С. Билинкис Л.И. Охрана труда и противопожарная зашита в химической промышленности. М; Химия 1982-328 с.

Мановян А.В., Технология первичной переработки нефти и природного газа, 2001 - 527с.

Романков П.Г., Курочкина М.И., Расчетные диаграммы и номограммы по курсу «Процессы и аппараты химической промышленности». Химия, 1985 - 56 с.

Воробьева Я.Г., Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. М.; Химия, 1975 - 816 с.

Размещено на Allbest.ur