Исходные данные
Произвести базовый технологический расчет трубной печи для нагрева и частичного испарения нефти со следующими исходными данными:
Производительность печи, т/сутки Gc = 3100
Начальная температура сырья
на входе в печь, С t1 = 160
Конечная температура сырья, С t2 = 360
Доля отгона(массовая) е = 0,45
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%
зАДАНИЕ ВЫДАЛ РУКОВОДИТЕЛЬ: д.т.н., проф., Зиганшин Г.К.
Расчет процесса горения топлива
Рассчитаем элементарный состав газового топлива, низшую теплотворную способность топлива, количество и состав продуктов сгорания, теплосодержание продуктов сгорания.
Определим элементарный состав газового топлива:
Содержание углерода
С=12
,
Где nCi – число атомов углерода в молекулах компонентов газового топлива;
xi - концентрация компонентов в топливе, % масс;
Mi – молекулярные массы компонентов газового топлива, г/моль.
k - число компонентов в топливе;
С – содержание углерода, % масс.
С=12 (
+
+
+
)
= 76,82 % масс
Содержание водорода
H=
,
Где nHi – число атомов водорода в молекулах компонентов газового топлива;
xi - концентрация газовых компонентов топливе, % масс;
Mi – молекулярные массы компонентов топлива;
k - число компонентов в топливе;
H – содержание водорода, % масс.
H= (
+
+
+
)
= 23,18 % масс
Cделаем проверку : 76,82 + 23,18 =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=18,67=mi
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.
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
=310
°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,
,
[стр. 7, табл. 2]. [1]
С помощью интерполяции рассчитаем массовые теплоемкости продуктов сгорания при = 310 °С:
СCO2 =
(0,8286+
0,8332
;
СH2O =
+
1,8651
;
СO2 =
(0,9169+
0,9180
;
СN2 =
(1,0308+
;
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 = 0,823 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 Крэго, кДж/кг:
;
Теплосодержание жидких нефтепродуктов определяется по уравнению Крэго, кДж/кг:
,
где
- температура, при которой определяется
теплосодержание нагреваемого продукта,
°С.
кДж/кг.
кДж/кг;
кДж/кг;
кДж/ч,
(20,31* 106 ккал/ч)
Определение полной тепловой нагрузки печи, кДж/ч:
;
кДж/ч
Часовой расход топлива рассчитывается по формуле, кг/ч:
;
кг/ч.
Во втором пункте данной работы был
произведен расчет коэффициента полезного
действия трубчатой печи
23,
полезная тепловая нагрузка печи
=20,31*
106 ккал/ч и часовой расход топлива
В=2069,765 кг/ч.
Коэффициент полезного действия удовлетворяет пределу значений КПД для трубчатых печей (от 0,65 до 0,85).
Обычно температуру уходящих из печи дымовых газов рекомендуется принимать на 100-150°С выше температуры сырья, поступающего в конвекционную часть печи. В данной работе температура уходящих газов на 150°С выше и равна = 310 °С. Данная температура выше 250 °С, что обеспечивает нормальную работу печи.
Разность температуры сырья, поступающего в камеру конвекции намного больше температуры отходящих дымовых газов, -t = 310-160=150°С, это способствует более эффективной передаче тепла в камере конвекции и, следовательно, требуется меньшая поверхность конвекционных труб.