Практическая работа по дисциплине «Машины и аппараты нефтегазопереработки» для СибГУ

Практическое занятие № 14   Тема практических занятий: Расчет трубчатых печей План практических занятий: Расчет основных параметров трубчатых печей   Трубчатые печи предназначены для огневого, высокотемператур­ного нагрева нефти, продуктов ее переработки, газов и являются одними из основных аппаратов установок нефтеперерабатываю­щих заводов. Проектными организациями СССР разработана практическая классификация трубчатых печей, по которой они де­лятся на следующие типы.

1. Узкокамерные трубчатые печи с верхним отводом дымовых газов с горизонтальным расположением труб — тип Г:

а)       с вертикальным свободным факелом и подовыми горел­ками; б) однокамерные с настильным факелом — ГН1; в) двухкамерные с настильным факелом — ГН2; г) беспламенного горения двухкамерные — ГБ2; д)      беспламенного горения с резервным жидким топливом — ГР2; е)       с дифференциальным подводом воздуха по высоте факела — ГД2.

2. Узкокамерные трубчатые печи с нижним отводом дымовых газов и горизонтальным расположением труб — тип Б:

а)       беспламенного горения (одно- и двухкамерные)—ББ1, ББ2; б)      беспламенного горения с резервным жидким топливом (од­но- и двухкамерные) — БР1, БР2; в)      с вертикальным свободным пламенем и подовыми горелка­ми—БС1.БС2; г)       с настильным пламенем (одно- и двухкамерные)—БН1, БН2.

3. Цилиндрические трубчатые печи с вертикальным и горизон­тальным расположением труб — тип Ц:

а) с вертикальным свободным факелом, однокамерные — ЦС1; б) с вертикальным настильным факелом и дифференцирован­ным подводом воздуха (трех- и четырехкамерные) — ЦДЗ, ЦД4; в) с горизонтальными трубами — ЦГ1.

4. Секционные и многокамерные трубчатые печи — тип Б, В, Р;

а) с вертикальными трубами со свободным факелом, подовы­ми горелками, верхним отводом дымовых газов, трехкамерные — ВСЗ; б) с горизонтальным расположением факела, нижним отводом дымовых газов, трехкамерные — БГЗ; в) с вертикальными трубами и горизонтальным факелом, об­щей конвекцией на все секции, трехкамерные — РСЗ. На рис. 14.1 даны схемы трубчатых печей ряда типов. При про­ектировании технологической установки НПЗ обычно осуществля­ется привязка типовой трубчатой печи, выбор которой определя­ется тепловой мощностью, назначением и технологическими пара­метрами. Для установок атмосферной перегонки нефти (AT) приемлемы­ми могут быть вертикально-факельные трубчатые печи как наи­более простые по конструкции. Для технологических установок, в которых к режиму нагрева сырья предъявляют особые требо­вания, как, например, установка ВТ вакуумной перегонки мазута, где не допускается перегрев сырья выше 415—420 °С, наиболее приемлемы цилиндрические трубчатые печи с дифференцирован­ным подводом воздуха типа ЦД. Однако с целью использования на установках АВТ однотипных печей как для AT, так и для ВТ применяют вертикально-факельные печи. Основные показатели работы трубчатой печи: полезная тепло­вая нагрузка печи, теплонапряженность поверхности нагрева, про­изводительность по сырью, коэффициент полезного действия, тем­пература газов на перевале, в топке, на выходе из печи и др. Полезная тепловая нагрузка печи (Q_nол<M, Вт или кДж/ч), или тепловая мощность установки прямой перегонки нефти складыва­ется из тепла, затраченного на нагрев и испарение нефти и на пе­регрев водяного пара (при наличии в печи пароперегревателя)   .               (14.1)   Тепло, необходимое для нагрева нефти (Q_нагр)   .                               (14.2)   Тепло, необходимое для испарения нефти (Q_исп)   .                                       (14.3)   Тепло, необходимое для перегрева водяного пара (Q_пер.в.п)   .                                (14.4)   где G — производительность печи (по сырью), кг/ч;  — массовая доля отгонки сырья, доли единицы; — энтальпия жидкости при температурах входа и выхода ее из печи, кДж/кг; — энтальпия паров при температуре выхода из их печи, кДж/кг; G_в.п — масса перегреваемого водяного пара, кг/ч; х — влаж­ность насыщенного водяного пара, доли единицы; l — теплота испарения воды, кДж/кг;  С — теплоемкость кДж/(кг·К);             t₃ — температура перегретого водяного пара, °С;  t₄ —температура насыщенного водяного пара, °С.   1 — трубчатые печи типа Г: а — с вертикальным свободным факелом и подовыми горелка­ми—ГС1; б — однокамерная с настильным пламенем — ГН1; в — двухкамерная с настиль­ный факелом — ГН2; г — беспламенного горения двухкамерные — ГБ2; д — беспламенного горения с резервным жидким топливом — ГР2; е — с дифференцированным подводом возду­ха по высоте факела — ГД2; 1 — горелки; 2 — трубы радиантной камеры; 3 — трубы кон­векционной камеры, 4— горелки резервного жидкого топлива; 5 — штуцер для подачи воз­духа. U — трубчатые печи типа Б- а, б — беспламенного горения (однокамерная и двухка­мерная)— ББ1, ББ2; в, г — беспламенного горения с резервным жидким топливом — БР!, БР2; д, е — с вертикальным свободным пламенем и подовыми горелками — БС1, БС2; ж, я — с настильным пламенем — БН1, БН2; 111— трубчатые печи типа Ц: а —с вертикаль­ным свободным факелом; однокамерная — ЦС1 (план); б, в —с вертикальным настильным факелом и дифференцированным подводом воздуха — ЦДЗ, ЦД4 (план); г —с горизонталь­ными трубами ЦГ1; IV — трубчатые печи типа В, Б, Р (секционные и многокамерные): а — с вертикальными трубами со свободным факелом, подовыми горелками, верхним от­водом дымовых газов, трехкамерные — BC3 (план); б —с горизонтальным расположением факела, нижним отводом дымовых газов — БГЗ; в — с вертикальными трубами и горизон­тальным факелом, общей конвекцией на все секции — РСЗ (план); 1 — горелки; 2 — трубы радиантной камеры; 3 — трубы конвекционной камеры; 4 — боров-газоход; 5 — дымовая труба. Рисунок 14.1 —  Типы трубчатых печей   Коэффициент полезного действия трубчатой печи — доля тепла, полезно использованного в печи на нагрев нефтепродукта. При полном сгорании топлива к. п. д. печи зависит от ее конструкции, от потерь тепла с уходящими дымовыми газами и через кладку печи, от коэффициента избытка воздуха. Коэффициент полезного действия трубчатых печей обычно колеблется в пределах 0,60— 0,80 и определяется по формуле   (14.5)   где η—к. п. д. печи; —теплота сгорания топлива, кДж/кг; q_пот — потери теп­ла в окружающую среду через кладку печи, кДж/кг топлива; q_ух.— потери тепла с уходящими дымовыми газами, кДж/кг топлива; q_с — потери тепла от неполноты сгорания топлива, кДж/кг (практически 0,5—1 %). Тепловые потери в окружающую среду через кладку печи со­ставляют 4—8 % от рабочей теплоты сгорания топлива. Потери тепла с дымовыми газами, уходящими из печи в дымовую трубу, зависят от коэффициента избытка воздуха и температуры этих газов. Желательно иметь минимальную температуру уходящих дымовых газов, однако это вызывает увеличение конвекционной поверхности и потерю напора в трубах печи. Обычно температуру уходящих дымовых газов принимают на 150—200 °С выше темпе­ратуры поступающего в печь сырья, т. е.   t_ух= t_с (150 — 200)                                         (14.6)   где t_ух — температура уходящих дымовых газов, °С;  t_c — температура посту­пающего в печь сырья, °С. Теплота сгорания топлива — количество тепла, выделяющегося при сгорании 1 кг топлива (или 1 м³ газа). Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива. Высшая теплота сгорания — количество тепла, выделяемое при полном сгорании топлива, ох­лаждении продуктов сгорания до температуры топлива и конден­сации водяного пара, образующегося при сгорании. Низшая (ра­бочая) теплота сгорания топлива — количество тепла, выделяемое при полном сгорании топлива, охлаждении продуктов сгорания до температуры топлива без конденсации водяного пара. Теплоту сгорания топлива можно определить по формулам Средне-объемная температура кипения   ,   Средне-молекулярная температура кипения       Часто приходится пересчитывать d₁₅¹⁵ на d₄²⁰, а также d₂₀²⁰ на d₄²⁰ и наоборот. С этой целью пользуются уравнением   d₄²⁰= d₁₅¹⁵ – 5а,   где а – средняя температурная поправка.   d₄²⁰= d₂₀²⁰·0,9982.   Для определения низшей теплоты сгорания любого топлива (в кДж/кг) можно использовать формулу Д. И. Менделеева   = 339,1С + 1256Н — 108,9 (О—S) — 16,75 (9Н + W) = = 339,1С — 1030Н — 108,9(0—S) — 16,75W,   где С, Н, S, О, W — содержание в топливе (в % масс.) углерода, водорода, ле­тучей серы, кислорода и воды. Значения низшей теплоты сгорания (в кДж/кг) некоторых углеводородов и топлив приведены ниже:   Древесина……………………….11 720—12 474 Торф……………………………..8100-15 739 Бурый уголь (подмосковный)…11 469—14 400 Каменный уголь…………………22 813—29 092 Антрацит…………………………30 767 Мазут топочный…………………. 41 106—44 953 Природный газ (98% СН₄)……… 48 557   Энтальпия продуктов сгорания. Для определения энтальпии продуктов сгорания (дымовых газов) удобно пользоваться гра­фиком зависимости между температурой и энтальпией дымовых газов, отнесенной к 1 кг топлива (см. Приложение 6). Энтальпию дымовых газов можно определить на основе правила аддитив­ности   I_t=ΣN_i I_i,                                                                                 (14.7)   где  I_t — энтальпия дымовых газов при температуре;       N_i— число молей отдельных компонентов дымовых газов на 1 кг топлива; I_i —энтальпия отдельных компонентов дымовых газов при t, ºС   I_i = M_i C_i t,                                                 (14.8)   где M_i — масса 1 моль отдельных компонентов;       C_i — средняя теплоемкость ком­понентов газа при постоянном давлении Определив по уравнению (14.7) величину I_t при разных темпе­ратурах, строят кривую зависимости I от t и по этой кривой опре­деляют для данного топлива значение I_t при любой заданной тем­пературе. Расход топлива (В, кг/ч) в печи вычисляют по формуле   .                                                           (14.9)   Тепловая напряженность поверхности нагрева радиантных и конвекционных труб определяет количество тепла, передаваемое 1 м² данной поверхности в единицу времени. Однако тепловые напряженности поверхности нагрева радиантных труб в разных точках печи отличаются друг от друга иногда зна­чительно. Наибольшую тепловую напряженность имеют участки змеевика трубного экрана, близко расположенные к зеркалу го­рения; сторона труб, расположенная к факелу; трубы, располо­женные над перевальной стенкой; первый ряд двухрядного экра­на. Применяют различные методы выравнивания тепловых напря- женностей радиантных труб: создание наклонных сводов печи, радиирующего конуса, двухстороннее облучение, получение настиль­ного пламени и др. Температура дымовых газов над перевальной стенкой характе­ризует распределение полезной тепловой нагрузки печи между радиантными и конвекционными трубами. Обычно температуру ды­мовых газов над перевальной стенкой поддерживают в пределах 700—900 °С.   Контрольные вопросы   1 Для чего предназначены трубчатые печи? 2 Классификация трубчатых печей? 3 Назовите основные показатели трубчатых печей? 4 Из чего складывается полезная тепловая нагрузка печи? 5 Что такое коэффициент полезного действия трубчатой печи? 6 Что такое теплота согревания топлива?   Задачи   1 Определить элементный состав газообразного топлива, содержащего (в % объемн.): 94,1 СН₄; 2,75 С₂Н₆; 1,05 С₃Н₈ и выше; 2,05 С0₂; 0,05 H₂S. 2 Определить количество продуктов сгорания топлива следующего эле­ментного состава (в % масс.): 85,5 С; 11,5 Н; 3 S. В форсунки подают во­дяной пар G_B._n = 0,300 кг на 1 кг топлива. Теоретическое количество воздуха L₀= 13,89 кг/кг, коэффициент избытка воздуха а=1,3.

• Определить количество продуктов сгорания при сжигании 1 кг топ­лива следующего состава (в % объемн.): 4,6 Н₂; 70,4 СН₄; 16,6 С₂Н₆, 2,4 С₃Н₈; 6 С₄Н₁₀; коэффициент избытка воздуха в топке α=1,3.

4 Подсчитать действительный расход воздуха для сжигания 1 кг сухо­го газа состава (в % масс.): 81,5 С; 18,5 Н₂. Коэффициент избытка воздуха а= 1,2. 5 Определить теплоту сгорания топлива и теоретически необходимый объем воздуха для сжигания 1 кг топлива состава (в % объемн.): 4,6 Н₂; 70,4 СН₄; 16,6 С₂Н₆; 2,4 С₃Н₈; 6 С₄Н₁₀. Плотность газа 0,730 кг/м³. 6 Определить теплоту сгорания мазута элементного состава: 10,75% масс. Н и 87,61 % масс. С.