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

Практическое занятие № 15   Тема практических занятий: Радиантная секция План практических занятий: Расчитать основные параметры радиантной секции   При расчете радиантной секции печи устанавливают зависимость между количеством тепла, получаемым трубами этой секции, ве­личиной поверхности нагрева, температурой дымовых газов над перевальной стенкой и тепловой напряженностью радиантных труб. Существует много методов расчета радиантной секции печи [1, 2, 3, 4, 5, 6]. На основе сравнительного анализа показано, что наиболее точным методом является аналитический метод Н. И. Белоконь. Он ввел понятие об эквивалентной абсолютно чер­ной поверхности (H_s, м²), которая служит геометрической харак­теристикой топки. При расчете радиантной секции по Н. И. Белоконь должны быть известны: коэффициент избытка воздуха а, масса продуктов сгорания 1 кг топлива G, теплота сгорания топлива , темпера­тура сырья на входе и выходе из печи t₁ и t₂, коэффициент по­лезного действия печи η, количество полезно затраченного тепла , расход топлива В. Определяют: количество тепла, восприни­маемого радиантными трубами печи, Q_p, поверхность этих труб Н_р.тр, температуру дымовых газов над перевальной стенкой t_п, тепловую напряженность радиантных труб q_р.тр. Порядок расчета рекомендуется [2] следующий.

1. Задаются температурой дымовых газов над перевальной стенкой t_п и последующим расчетом проверяют правильность при­нятой величины.
2. Определяют среднюю теплоемкость [С_рт, кДж/(кг·К)] про­дуктов сгорания 1 кг топлива при t_п. Расчет ведут по уравнению

  GC_pm ⁼ mсо₂ Cсо₂ + mн₂оСн₂о +m_N2 C _N2+ mо₂ Cо₂ ,                     (15.1)   где G — масса всех продуктов сгорания, кт/кг топлива;          mсо₂ , mн₂о, m_N2, mо₂ — массы компонентов продуктов сгорания, кг/кг топлива; Ссо₂ , Сн₂о, C_{N2 ,} Со₂— теплоемкости компонентов продуктов сгорания 1 кг топлива, кДж/(кг·К). Значения теплоемкости продуктов сгорания можно найти по рис. 15.1.

3. Определяют приведенную температуру исходной системы (t₀) по уравнению

  ,                       (15.2)     где α — коэффициент избытка воздуха; L₀ — теоретическое количество воздуха, кг/кг; С_В — средняя теплоемкость воздуха, кДж/(кг-К); t_в — температура воз­духа, поступающего в топку, °С; ω_ф — расход пара для распыления топлива в форсунках,кг/кг; I_ф — энтальпия форсуночного водяного пара, кДж/кг, равная   I_ф=С_в.п t_в.п,   где G_г.п — количество газов рециркуляции, кг/кг; С_{г р}, t_г.р — теплоемкость газов ре­циркуляции, кДж/(кг·К), и их температура, °С; С_Т. t_T — теплоемкость топлива, кДж/(кг·К), и его температура, °С. В технических расчетах энтальпией форсуночного пара можно пренебречь.

4. Определяют максимальную расчетную температуру горения

(t_макс,ºС)   ,                                           (15.3)   где η_Т — к. п. д. топки — рекомендуется принимать в пределах 0,94—0,98. В случае работы печи без рециркуляции дымовых газов можно принимать температуру исходной си­стемы равной температуре поступающего воздуха, т. е. t₀≈t_s. 5.Определяют количе­ство тепла, воспринимаемо­го сырьем через радиантные трубы (Q_P, кДж/или Вт)   ,   где энтальпия дымовых газов при температуре перевала, кДж/кг

6. Определяют количество тепла, воспринимаемого сырьем че­рез конвекционные трубы (Q_К, кДж/ч или Вт)

  Q_К=  Q_пол — Q_р— Q_ух.г,   где Q_пол — полезно использованное тепло, кДж/ч или Вт;  Q_ух.г — тепло, уноси­мое уходящими дымовыми газами, кДж/ч или Вт.   Рисунок 15.1 —  График для определения средних теплоемкостей газов  

7. Определяют энтальпию (I_К, кДж/кг) и температуру сырья при входе в радиантные трубы (на выходе из конвекцион­ных труб)

  I_К =  + Q_К/G,                                            (15.4) где  — энтальпия сырья при входе, в печь, кДж/кг; G_с — масса сырья, кг/ч; Q_K — тепло, воспринимаемое конвекционными трубами, кДж/ч. На выходе из камеры конвекции в связи с высоким давлением все сырье находится в жидкой фазе; поэтому по найденным зна­чениям энтальпии и плотности можно однозначно определить тем­пературу входа сырья в радиантные трубы t_K.

8. Определяют среднюю температуру наружной поверхности радиантных труб (t_ст)

  t_ст=(t₂+t_к)/2 +t^/ ,                                              (15.5)   где t₂ — конечная температура нагрева сырья, °С; t’ — разность температур меж­ду наружной поверхностью труб и температурой сырья (t’=20—60 °С).

9. Определяют поверхность радиантных труб (H_{р тр}, м²). Для этого по графикам рис, 15.2 определяют значение параметра

  qs = Q/Hs ,                                                  (15.6)   где Q — количество тепла, вносимого в топку топливом, воздухом и форсуноч­ным паром, кДж/ч; Hs — эквивалентная абсолютно черная поверхность, м². Ве­личина qs зависит от принятой температуры дымовых газов над перевальной стенкой t_П, максимальной расчетной температуры горения t_макс и температуры наружной стенки трубы t_ст. Общее количество тепла, вносимого в топку, составляет   Q = В (+ αL₀C_Bt_B + w_cрC_В.Пt_В.П + C_Tt_T).               (15.7)   Для технических расчетов можно определить общее количест­во тепла, внесенного в топку с топливом и воздухом   Q = Q_t + Q_В = В(αL₀C_Bt_B),                            (15.8)   или одним топливом .                                                (15.9)   Определив по графику q_s, находят предварительное значение эквивалентной абсолютно черной поверхности Hs = Q/qs (м²).

10. Задаются степенью экранирования кладки

  φ=Н_л/(Н_л +F ),                                        (15.10)   где Н_л — эффективная лучевоспринимающая поверхность, м²;  F — неэкраниро- ванная поверхность кладки, м². и коэффициентом избытка воздуха а; по графику на рис. 15.2 опре­деляют величину HsIHn. Степень экранирования кладки в совре­менных печах находится в пределах 0,3—0,8, а чаще всего — в пределах 0,35—0,5. Если при данном значении φ не обеспечива­ется размещение труб, задаются другим значением и расчеты по­вторяют.

11. Определяют эффективную лучевоспринимающую поверх­ность (Н_л, м²)

  Н_л = H_s.                                                      (15.11)   а — 200 °С; б — 400 «С; в — 600 °С Рисунок 15.2 —  График для определения парамет­ра q_s  

12. Определяют размер заэкранированной плоской поверхности, заменяющей трубы (Н, м²)

  Н = Н_л/К,                                                  (15.12)   где К — фактор формы, определяемый по графику Хоттеля (рис. 15.4) в зависи­мости от расстояния между осями труб и от их числа рядов труб; он показы­вает, какая доля тепла поглощается трубами от того количества, которое в тех же условиях поглощала бы подностью заэкранированная поверхность. Так, для наиболее распространенного в печах расстояния между осями труб 2d при одно­рядном экране К=0,87, для двухрядного К=0,98.     Рисунок 15.3 —  График для         Рисунок 15.4 — График Хоттеля для определения величины Н.,/Н_л       определения фактора формы К     Количество тепла, передаваемого: 1 — двум рядам труб; 2 — одному ряду труб (всего один ряд); 3 — нижнему ряду труб (всего два ряда); 4 — верхнему ряду труб (всего два ряда); 5 — пряное излучение, передаваемое нижнему ряду труб (всего два ряда); 6 — то же верхнему ряду труб (всего один ряд)  

13. Принимая длину трубы l и вычисляя полезную длину l= 1—2а (где а — часть трубы, расположенная в кладке печи), оп­ределяют высоту экрана одной камеры (h, м)

  h = Н/(2l).                                            (15.13)  

14. Принимают конструкцию печи и рассчитывают число труб в каждой радиантной камере. Если в печи две радиантных камеры, то число труб п можно определить из равенства

  n = (h — d)/2d +1,                                              (15.14)    где d — наружный диаметр трубы, м. Затем располагают трубы в каждой камере и определяют по­верхность радиантных труб всей печи (Н_р. _тр, м²) и размеры каме­ры радиации. Между поверхностью радиантных труб Н_р. _тр и за­экранированной поверхность кладки Н существует зависимость для однорядного экрана   Н_р._тр ~ π/2 Н,                                               (15.15)   для двухрядного экрана   Н_р.тр ~ πН.                                                    (15.16)   Затем проводят поверочный расчет камеры радиации.

1. Определяют размер неэкранированной поверхности кладки (F, м²):

  F =(1/φ — 1) Н_л .                                      (15.17)  

2. Определяют более точно значение эквивалентной абсолютно черной поверхности (H_s, м²)

  H_s =^FF),                                  (15.18)   где  — степень черноты поглощающей среды; зависит от концентрации трех­атомных газов в продуктах сгорания топлива; приближенно для данного топли­ва  можно подсчитать используя коэффици­ент α   = 2/(1 +2,15α)   φ(T) принимается равной 0,8—0,85;  и ^F — соответственно степень чер­ноты экрана и кладки печи; рекомендуется =^F =0,9;β — коэффициент. Коэффициент β определяют по уравнению   β=    ,                                             (15.19)   где ρ_н —угловой коэффициент взаимного излучения поверхностей экрана а кладки, определяется в зависимости от отношения Н_л /F если Н_л /F <0,5, то ρ_н= Н_л /F; если Н_л /F≥ 0,5, то ρ_н =Н_л/(F+Н_л) =H_л/ΣF=φ; ΣF — суммарная поверхность экрана и кладки, м².

3. Определяют коэффициент теплоотдачи свободной конвекци­ей от дымовых газов к радиантным трубам [а_к, Вт/(м²-К) или кДж/ (м²·ч·К)]

.                                  (15.20)   Величину а_к можно определить по графику на рисунке 7.5.

4. Вычисляют температурную поправку теплопоредачи в топке

(Т, К)   ,              (15.21)   где Нр.тр — поверхность радиантных труб, м²; Т_max — максимальная температу­ра горения, К; Т₀ —средняя температура экрана, К; c_s— постоянная излучения абсолютно черного тела, c_s=5,67 Вт/(м²·К). Аргумент излучения х вычисляют по формуле   .                          (15.22)  

5. Пользуясь графиком на рисунку 15.6, по значению аргумента из­лучения находят характеристику излучения β_s.
6. Температуру дымовых газов (Т_п, К) над перевальной стенкой определяют из уравнения

  T_п= β_s(Т_max – T₀),                                         (15.23) или (в ºС) t_п= T_п-273.   Если полученная расчетом температура газов на перевале значительно отличается от ранее принятой, то следует произвести пе­рерасчет. Завышенная или заниженная температура свидетельст­вует о том, что выбранная поверхность радиантных труб мала или велика. Поэтому надо либо увеличить, либо уменьшить H_р. _тр.   Рисунок 15.5 — График для определения коэффи­циента теплоотдачи свободной конвекцией  

7. Определяют коэффициент прямой отдачи µ по формуле

  µ=(t_max – t_п)(t_max – t₀),                                  (15.24)   где to—приведенная температура исходной системы, ᵒС.

8. Определяют количество тепла, полученного радиантными трубами (Q_P, кДж/ч или Вт)

  .                               (15.25)  

9. Рассчитывают тепловую напряженность радиантных труб (q_р.тр, кДж/(м²·ч) или Вт/м²)

  q_р.тр = Q_р /Н_р.тр.                                   (15.26)   Если полученная в результате расчета тепловая напряженность радиантных труб допустима, то результаты расчета приемлемы. В ином случае надо изменить принятый режим.

10. Зная диаметр d труб печи и длину l одной трубы, опреде­ляют полезную поверхность одной трубы [F_тр, м²)

  F_тр = πdl .                                           (15.27)     Число труб   n=Н_р.тр/ F_тр .                                                                    (15.28)    

11. Тепловая напряженность топочного пространства (q_v, кДж/(м³-ч) или Вт/м³)

  ,                                               (15.29)   где V — объем топочного пространства, м³.   Рисунок 15.6 — Кривые зависимости характеристики излучения β_s от аргумента излу­чения х  

12. Объем топочного пространства одной камеры равен

  V = abl,                                                  (15.30)   где a —высота камеры радиации, м;      d— ширина камеры радиации, м;      l — длина трубы, м.   Контрольные вопросы   1 Какой метод расчета радиантной секции печи является наиболее точным? 2 От чего зависил степень черноты поглащающей среды? 3 Что показывает К – фактор формы?   Задачи  

• Определить количество тепла, необходимого для нагрева 344 700 кг/ч нефти (d₄²⁰ =0,870) от 180 до 340 °С. Массовая доля отгона нефти на выходе из печи ё=0,373. Плотность паровой фазы d₄²⁰=0,807, жидкой фазы d₄²⁰ = 0,967.
• В печь поступает 1500 т/сут нефти (d₁₅¹⁵=0,910) с t = 160°С. В печи нефть нагревается до 330 °С и при этом 30% ее испаряется. Плотность неиспарившейся части d₁₅¹⁵=0,95, испарившейся d₁₅¹⁵=0,85. Определить тепловую нагрузку печи.

3 Определить поверхность радиантных труб двухкамерной печи с двух­рядным экраном для нагрева 250 000 кг/ч нефти (d₄²⁰=0,870) от 160 до 350 °С. Массовая доля отгона на выходе из печи ё=0,55. Плотность паров  d₄²⁰= 0,807, жидкого остатка d₄²⁰ =0,967. Элементный состав топлива (в % масс.): 81,5 С и 18,5 Н. Принять при расчете: коэффициент избытка воздуха α=1,2; потери тепла излучением 4% от теплоты сгорания топлива; темпера­туру газов, уходящих из печи, t_ух = 350°С; температуру на перевале t_n = = 850 °С; температуру воздуха t_B = 20 °С; к. п. д. топки η_T = 0,95; диаметр труб 152 мм; полезную длину труб 17,5 м; степень экранирования φ = 0,36; фактор формы K =1,72.