2.8 Гидравлический расчет змеевика трубчатой печи

Целью гидравлического расчета является определение общего гидравлического сопротивления змеевика печи или давление сырья на входе в змеевик, которое, в свою очередь, необходимо для выбора сырьевого насоса.

Давление сырья на входе в печь складывается из следующих составляющих:

P₀ = P_k + ΔP_и + ΔР_н + ΔР_к – Р_ст., (58)

где P_k, ΔP_и, ΔР_н, ΔР_к, Р_ст. – соответственно давление сырья на выходе из змеевика печи, значение которого приводится в исходных данных; потери напора: на участке испарения, на участке нагрева радиантных труб, в конвекционных трубах; статический напор.

Расчет необходимо начинать с определения потерь напора на участке испарения:

ΔP_и = Р_н - Р_к., (59)

где Р_н – давление в начале участка испарения, которое, в свою очередь, рассчитывается методом последовательного приближения, используя уравнение Бакланова:

, (60)

где А и В – расчетные коэффициенты:

; (61)

(62)

где λ, L₁, , d_вн, e, ρ_п – соответственно коэффициент гидравлического сопротивления (для атмосферных печей λ = 0,02 – 0,024) [2, с.56], секундный расход сырья по одному потоку, плотность сырья при средней температуре на участке испарения (определяется по уравнению (29)), внутренний диаметр труб, доля отгона сырья на выходе из змеевика, средняя плотность паров при давлении 9,1 Па (при нагреве нефти 1/ρ_п = 3500);

l_и – длина участка испарения.

, (63)

где , , - соответственно теплосодержание паро-жидкостной смеси на выходе из змеевика, сырья на выходе из камеры конвекции, сырья при температуре начала испарения.

(64)

t_ср.и – средняя температура на участке испарения.

; (65)

l_рад. – эквивалентная длина радиантных труб

, (66)

n_p – число радиантных труб, приходящихся на один поток.

(67)

n – число потоков, N_p – общее число радиантных труб.

(68)

l_э – эквивалентная длина печного двойника (ретурбента);

d – наружный диаметр трубы;

l_p – рабочая длина одной трубы.

l_э = 50∙d.

l_э = 50

Принимаем N_p =

Тогда:

=

Рисунок 5 –График зависимости Р_н = f(t_н), построенный на основании данных по однократному испарению продукта.

Начинаем расчет давления в начале участка испарения Р_н методом итераций.

Предварительно задаемся значением Р_н, принимаем Р_н = ата = МПа, и по зависимости Р_н = f(t_н) (рис.5) находим температуру начала испарения продукта t_н, соответствующую этому давлению: t_н = ⁰С.

Средняя температура на участке испарения:

Плотность сырья при средней температуре на участке испарения:

Коэффициент А:

Теплосодержание сырья при температуре начала испарения:

Длина участка испарения:

Коэффициент В:

Расчетное значение Р_н:

Так как рассчитанное Р_н не совпадает со значением, принятым ранее, то расчет необходимо повторить, задавшись Р_н = МПа = И так до тех пор, пока не будет достигнута необходимая точность.

Результаты дальнейших расчетов представим в виде таблицы.

Таблица 6 – Результаты расчет Р_н методом итераций

Рн, задан. Па	tи, оС	qtн, кДж/кг	lи, м	tср.и, оС	,кг/м3	А	В	Рн, расч. Па
800000,00	260,0	582,04	359,67	295,00	724,00	268,10	6670730,81	960317,03
960317,03	272,8	616,99	317,05	301,41	719,90	269,63	7567297,55	904313,22
904313,22	268,3	604,72	332,02	299,17	721,33	269,09	7226166,92	924372,29
924372,29	269,9	609,11	326,67	299,97	720,82	269,28	7344531,96	917251,70
917251,70	269,4	607,55	328,57	299,69	721,00	269,21	7302044,77	919787,42
919787,42	269,6	608,10	327,89	299,79	720,93	269,24	7317114,83	918885,44
918885,44	269,5	607,90	328,13	299,76	720,96	269,23	7311746,71	919206,41
919206,41	269,5	607,97	328,05	299,77	720,95	269,23	7313656,00	919092,21
919092,21	269,5	607,95	328,08	299,76	720,95	269,23	7312976,55	919132,85
919132,85	269,5	607,96	328,07	299,77	720,95	269,23	7313218,30	919118,39
919118,39	269,5	607,96	328,07	299,76	720,95	269,23	7313132,28	919123,53
919123,53	269,5	607,96	328,07	299,76	720,95	269,23	7313162,88	919121,70
919121,70	269,5	607,96	328,07	299,76	720,95	269,23	7313151,99	919122,35
919122,35	269,5	607,96	328,07	299,76	720,95	269,23	7313155,87	919122,12
919122,12	269,5	607,96	328,07	299,76	720,95	269,23	7313154,49	919122,20
919122,20	269,5	607,96	328,07	299,76	720,95	269,23	7313154,98	919122,17
919122,17	269,5	607,96	328,07	299,76	720,95	269,23	7313154,81	919122,18
919122,18	269,5	607,96	328,07	299,76	720,95	269,23	7313154,87	919122,18

При полученном значении Р_н= определяем потери напора на участке испарения:

Потери напора на участке нагрева радиантных труб:

(69)

где λ₂ – коэффициент гидравлического сопротивления.

l_н – эквивалентная длина участка нагрева радиантных труб по одному потоку:

(70)

ρ_ж – плотность продукта при средней температуре на участке нагрева радиантных труб:

(71)

U – массовая скорость продукта в радиантных трубах (в случае одинакового размера труб) на один поток:

(72)

Следовательно:

Потери напора в конвекционных трубах для одного потока:

(73)

где l_к – эквивалентная длина конвекционных труб.

(74)

.

ρ_ж – плотность продукта при средней температуре в конвекционных трубах:

Тогда:

Определение статического напора в змеевике печи:

, (75)

где h_T, h_K, _g – соответственно высота камеры радиации, высота камеры конвекции, плотность продукта при средней температуре:

h_T = (n_p – 1)∙S₁ + 0,5∙S₁ + 2∙0,25 (76)

h_T =

Тогда:

Давление сырья на входе в печь:

Рисунок 6 – схема, поясняющая расчет змеевика трубчатой печи.

Выводы: 1) на данном этапе рассчитали давление сырья на входе в змеевик печи путем прибавления к давлению на выходе потерь напора, определяемых отдельно для каждого из трех участков змеевика (конвекционные трубы, участок нагрева и участок испарения радиантных труб), а также статического напора;

2) по результатам расчетов значение его составляет Р₀ = МПа и значительно превышает давление на выходе из змеевика , что является характерным для печей с двухфазным режимом, и объясняется в основном большими потерями напора на участке испарения радиантных труб.