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

Практическое занятие № 16   Тема практических занятий: Конвекционная секция План практических занятий: Расчет оснвных параметров конвекционной секции   Процесс теплопередачи в конвекционной секции (камере) склады­вается из передачи тепла от газового потока к трубам конвекцией и радиацией. Основное влияние на передачу тепла имеет конвек­ционный теплообмен. Трубы в конвекционной камере принято располагать в шахматном порядке, так как в этом случае коэф­фициент теплопередачи при прочих равных условиях наибольший. Самая трудоемкая часть расчета поверхности конвекционных труб — определение коэффициента теплопередачи. Коэффициент теплопередачи К в камере конвекции представляет собой сумму коэффициента теплоотдачи конвекцией а„ и коэффициента тепло­отдачи радиацией а_р. Численное значение а_к=11,6—29 Вт/м², а_р=6,9—21 Вт/м². Порядок расчета поверхности конвекционных труб можно предложить следующий.

1. Определяют тепловую нагрузку камеры конвекции (Q_K, Вт). Для этого из полезной тепловой нагрузки печи вычитают коли­чество тепла, воспринимаемого радиантными трубами

  Q_k = Q_пол — Q_р .                                                 (16.1)  

2. Определяют температуру сырья на выходе из камеры конвекции t_k. Для этого необходимо знать температуру сырья на вхо­де в трубы этой камеры, тепловую нагрузку камеры конвекции и массу прокачиваемого через трубы сырья. Энтальпия сырья (I_К, кДж/кг) на выходе из камеры конвекции равна [см. формулу (7.4)]

  I_k= I_t + Q_k/G_c ,                                                   (16.2)   где I_t — энтальпия сырья на входе в печь при температуре t °С, кДж/кг;       Q_K — количество тепла, передаваемого в камере конвекции сырью, кДж/ч;      G_c — коли­чество прокачиваемого сырья, кг/ч. По данному значению энтальпии находят температуру (см. Приложения 2 и 3) сырья на выходе из камеры конвекции.

3. Определяют среднюю температуру (I_cp) дымовых газов в конвекционной камере, зная их температуру над перевальной стенкой t„ и температуру дымовых газов на выходе из печи t_ух.
4. Определяют среднюю разность температур (t_сp) между ды­мовыми газами и нагреваемым продуктом по формуле 16.5

  t_п    ^{дымовые газы} t_yx   t_K ^{нагреваемый продукт}  t_н,   где t_п — температура над перевальной стенкой;      t_yx — температура газов, уходя­щих из печи;      t_н — температура поступающего в печь сырья;      t_K — температура сырья, покидающего камеру конвекции.

5. Определяют массовую скорость [U, кг/(м²·с)] движения ды­мовых газов

  U = G_c/f_K,                                                   (16.3)   где G_c — секундный расход дымовых газов, кг/с; f_к — живое сечение камеры кон­векции, м². Секундный расход дымовых газов можно определить по уравнению   ,                                                 (16.4)   где α — коэффициент избытка воздуха; L₀ — теоретически необходимый расход воздуха для сжигания 1 кг топлива, кг/кг. Для определения живого сечения камеры конвекции задаются расстоянием между осями труб по горизонтали и числом труб n в одном горизонтальном ряду. Расстояние между осями труб (S₁) обычно принимают равным 1,7—2,0 d (диаметра трубы). Ширину камеры конвекции (М_к, м) можно вычислить, используя равенство     M_k = S₁ (n — 1) + d + 0,05,                                         (16.5)   где S₁ — расстояние между осями труб, м; d — диаметр труб, м; n — число труб. Живое сечение камеры конвекции (f_к, м²)   f_k = (M_k — nd) l_пол,   где l_пол — полезная длина трубы, м.   Рисунок 16.1 —  График для определения коэффициен­та Е при шахматном расположении труб  

6. Определяют коэффициент теплоотдачи конвекции [а_к, Вт/(м²·К)] от газов к трубам. Для труб, расположенных в шах­матном порядке, рекомендуют определять коэффициент теплоот­дачи конвекцией по формуле

  а_к = 0,34EU^0,6/d^0,4 ,                                                                  (16.6)   где Е— коэффициент, зависящий от физических свойств топочных газов; опреде­ляется по графику на рисунок 8.1 в зависимости от средней температуры газов t_cр.

7. Определяют эффективную толщину газового слоя (S, м) по уравнению

  S= 3,49S₁ — 4, Id.                                         (16.7)  

8. Находят среднюю температуру наружной поверхности кон­векционных труб (t_ст, °С)

  t_ст=( t_н – t_к )/2+20,                                       (16.8)   где t_н — температура входа сырья в конвекционный змеевик, °С; t_к — темпера­тура выхода сырья из конвекционного змеевика, °С. Считают, что температура наружной поверхности трубы боль­ше средней температуры сырья на 20 °С.

9. Определяют парциальное давление трехатомных газов и во­дяных паров (р_RO2 и р_H2O, Па)

  р_RO2=N_RO2/ΣN_i;              р_H2O=N_H2O/ΣN_i  ,                                 (16.9)   где N_RO2 и N_H2O — количество трехатомных газов и водяных паров, моль; ΣN_i — суммарное количество дымовых газов, моль. Затем умножают величину р_RO2 и рн₂о на эффективную толщи­ну газового слоя, получая величины парциального давления   р_RO2= р_RO2S;             р_H2O= р_H2OS,  

10. Определяют коэффициент теплоотдачи излучением (радиа­цией), используя графики, приведенные на рисунок 16.2 и 16.3, где в зависимости от парциального давления р’, t_cр и t_cт находят коэффициенты теплоотдачи излучением для водяных паров а_р^H2O и для трехатомных газов а_р^RO2 затем суммарный ко­эффициент

  a_p= а_р^H2O+ а_р^RO2.                                                              (16.10)   Для многих технических расчетов коэффициент теплоотдачи [а_р, Вт/(м²∙К)] можно определить по эмпирическому уравнению Нельсона   a_p = 0,025t_ср — 2.                                            (16.11)  

11. Определяют коэффициент теплопередачи [K, Вт/(м²∙К)]

от дымовых газов   К=1,1(а_к + а_р).                                                (16.12)  

12. Определяют необходимую поверхность нагрева конвекци­онных труб (Н_к.тр, м²)

  Н_к.тр=Q_k/(Kτ_ср),                                               (16.13)   где Q_K — количество тепла, передаваемого в конвекционной камере сырью, Вт; К — коэффициент теплопередачи от дымовых газов (Вт/(м²· К)/; τ_ср — средняя разность температур между дымовыми газами и нагреваемым сырьем.

13. Определяют число труб n в конвекционной камере

  N= Н_к.тр/(πdl_пол).                                              (16.14)       Рисунок 16.2 — Номограмма для расчета коэффициента теплоотдачи излучением водяных паров   ВНИИнефтемашем предложен метод подбора трубчатых пе­чей, согласно которому в зависимости от общей полезной тепло- производительности печи (2пол и величины среднедопускаемого напряжения радиантных труб q_p можно подобрать по каталогу ти­поразмер печи. Теплопроизводительность печи Q_пол  рассчитывают по формуле 16.5. Для определения диаметра и числа потоков не­обходимо предварительно выбрать оптимальную скорость нагре­ваемой среды. Оптимальная скорость соответствует наименьшей удельной стоимости нагрева. На практике скорость протекания по трубопроводам капельных жидкостей (в м/с) 0,5—3, для вязких жидкостей 0,5—2,0; для паров и газов, находящихся под неболь­шим давлением, 8—15, под давлением 3—10; для водяного насы­щенного пара 20—30, для перегретого 30—50.     Рисунок 16.3 — Номограмма для расчета коэффициента теплоотдачи излучением трех­атомных газов   Оптимальная ско­рость при нагреве нефти может быть принята 1,2—2,5 м/с. В кон­векционных трубах, где теплонапряжение поверхности нагрева не­большое, могут быть приняты малые скорости нагреваемой среды. После того, как выбрана скорость протекания продукта, опре­деляют необходимое сечение труб (S, м²) по формуле   ,   где G_н.п — производительность печи, кг/ч, р^t — плотность нефтепродукта; ω — скорость протекания продукта по трубам печи, м/с.       Таблица 16.1 – Допустимые средние тепловые напряженности q_p^доп· 10³ (в Вт/м²)   Для известной площади поперечного сечения труб подбирают по Приложению 10 диаметр труб и соответствующее число потоков. По числу необходимых потоков с учетом потребной теплопроизводительности выбирают тип трубчатой печи. Средняя допускае­мая тепловая напряженность трубного экрана может быть при­нята на основании данных эксплуатации подобных установок. Для некоторых установок значения q_p^доп может быть взято из табл. 1. В этой таблице приведены средние допустимые тепловые напряженности для выбранного типа печей и соответствующей установки. По каталогу или Приложению 11, используя график за­висимости теплопроизводительности (Q_пол) от допускаемой сред­ней тепловой напряженности радиантных труб, определяют для печей выбранного типа типоразмер печи. В соответствии с катало­гом или Приложениями 7—9, и 11 принимают поверхность ра­диантных труб.   Контрольные вопросы   1 Из чего складывается процесс теплопередачи в конвекционной секции? 2 Что имеет основное влияние на передачу тепла? 3 Чему способствует оптимальная скорость нагреваемой среды?   Задачи   1 Определить поверхность камеры конвекции, если тепловая нагрузка камеры 41 900 000 ккал/ч, температура сырья на входе в камеру 160 °С, на выходе 230 °С. Расход газообразного топлива 5 = 4247 кг/ч. Теоретический расход воздуха для сжигания 1 кг топлива 15,75 кг/кг, коэффициент избытка воздуха α=1,2. Температура дымовых газов на перевале t_П = 850°С, уходящих из камеры конвекции t_ух = 300°С. При расчете принять диаметр труб  0,152 м, число труб в ряду 6, расстояние от труб до стенки 0,05 м, полезная длина трубы 17,5 м. 2 Определить поверхность и тепловую напряженность конвекционных труб печи, если ее полезная тепловая нагрузка 46367∙10³ Вт, а тепловая нагрузка радиантной камеры 36859·10³ Вт. Остальные данные для расчета взять из примера 1 — расчета по­верхности радиантной камеры. Расход воздуха насгорание 1 кг топлива равен 15,73 кг. Принять l_пол равным 14,6 м. 3 Определить поверхность и тепловую напряженность конвекционных труб печи, если ее полезная тепловая нагрузка 23378∙10³ Вт, а тепловая нагрузка радиантной камеры 18667·10³ Вт. Остальные данные для расчета взять из примера 1 — расчета по­верхности радиантной камеры. Расход воздуха насгорание 1 кг топлива равен 15,73 кг. Принять l_пол равным 14,6 м.