4. Технологический расчет печи

Трубчатые печи являются ведущей группой огненных нагревателей на большинстве технологических установок нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов.

Необходимые исходные данные: производительность печи по сырью (рафинтный раствор вакуумного дистиллята) G= т/сут; начальная и конечная температура сырья соответственно T₁= К и Т₂= К; плотность рафината при К ρ=903 кг/м³; массовая доля отгона сырья при температуре К и атмосферном давлении нп выходе из печи e=0,6; плотность отгона при 293К 875 кг/м³; плотность остатка однократного испарения при 293К ρ=950 кг/м³; топливо – газ состава (в масс.%) СН₄ – 90,84; С₂Н₆ – 5,55_; С₃Н₈ – 0,54; н-С₄Н₁₀ – 0,35; СО₂ – 0,84; N₂ – 1,88.

4.1. Расчет процесса горения.

Составляем стехиометрические уравнения процесса горения компонентов топлива:

1. СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О

2. 2С₂Н₆ + 7О₂ = 4СО₂ + 2Н₂О

3. С₃Н₈ + 5О₂ = 3СО₂ + 4Н₂О

4. 2н-С₄Н₁₀ + 19О₂ = 8СО₂ + 10Н₂О

Определяем теоретическое количество воздуха L₀ (в кг), необходимое для сжигания 1 кг газа (по стехиометрическим уравнениям). В итоге получили:

Для кислорода:

m1(O₂) = 3,83 кг

m2(O₂) = 0,02 кг

m3(O₂) = 0,019 кг

m4(O₂) = 0,013 кг

Всего кислорода – 3,882 кг, а зная качественный состав воздуха, определяем что теоретическое количество воздуха – 16,6 кг.

Рассчитаем действительное количество воздуха:

L_д = L₀∙α (4.1)

L_д = 16,6∙1,05=17,46

где α – коэффициент избытка воздуха (α=1,03–1,07 для печей с излучающими стенками).

Определяем количество продуктов сгорания (в кг), образующихся при сгорании 1 кг топлива. Определяем массу компанентов дымовых газов m_i (кг/кг топлива), учитывая азот, поступающий СО₂ с топливом, а также непревращенный кислород (по стехиометрическим уравнениям):

Для диоксида углерода:

m1(СO₂) = 0,023 кг

m2(СO₂) = 0,024 кг

m3(СO₂) = 0,0253 кг

m4(СO₂) = 0,0254 кг

Для воды:

m1(Н₂О) = 2,156 кг

m2(Н₂О) = 0,009 кг

m3(Н₂О) = 0,008 кг

m4(Н₂О) = 0,005 кг

В итоге получаем, что сумма компонентов по четырем реакциям, равна:

Σ m(Н₂О) = 2,178 кг

Σ m(СO₂) = 0,096 кг

Σ m(O₂) = 3,882 кг

Σ m(N₂) = 0,188+12,7=12,91 кг

Не прореагировало кислорода:

m(O₂) = 17,46–12,91–3,882 = 0,668 кг

Рассчитываем состав дымовых газов в % масс. и получаем следующие результаты:

n(Н₂О) = 11,43 %

n(СО₂) = 0,5 %

n(N₂) = 67,7 %

n(O₂) = 20,36 %

Рассчитываем состав дымовых газов в % об., используя формулу для пересчета:

V_i = m_i∙22.4/M_i (4.2)

где V_i – объемное количество i – го компонента дымовых газов, м³/кг топлива; Mi – молярная масса i – го компонента дымовых газов, кг/кмоль.

Подставляем значения и получаем:

V(Н₂О) = 2,7 м³,

V(СО₂) = 0,048 м³

V(N₂) = 12,04 м³

V(O₂) = 2,71 м³

ΣV = 17,858 м³

Соответственно состав дымовых газов в % об. будет :

n’(Н₂О) = 15 %

n’(СО₂) = 0,2 %

n’(N₂) = 67 %

n’(O₂) = 15,17 %

Для последующих расчетов строят график зависимости q_т=f(Т) (энтальпия дымовых газов – температура). Для этого определяем энтальпию дымовых газов (в кДж/кг), образующихся при сгорании 1 кг топлива, при температурах 300, 500, 700, 1100, 1500 и 1900 К по уравнению:

q_т = (Т–273)∙Σm_i∙c_i (4.3)

где с_i – средняя массовая теплоемкость компонента дымовых газов (в кДж/кг∙К).

Таблица 1

Средняя массовая теплоемкость газов при постоянном давлении

Подставив значения в формулу, получаем следующие значения, при этом с_i берем из таблицы средней массовой теплоемкости газов при постоянном давлении:

q₃₀₀ = (300–273)∙(0,9169∙3,882+1,0308∙12,91+0,8286∙0,096+1,8632∙2,178)

q₃₀₀ = 564,5 кДж/кг

Также рассчитываем при остальных температурах, и получаем:

q₅₀₀ = 4804 кДж/кг

q₇₀₀ = 9250 кДж/кг

q₁₁₀₀ = 18450 кДж/кг

q₁₅₀₀ = 28932 кДж/кг

q₁₉₀₀ = 39601 кДж/кг

Строим график зависимости.

Определяем теплоту сгорания топлива (в кДж/кг):

Q_сг = Σx_i∙Q_i (4.4)

где x_i – массовая доля i–го компонента топлива;

Q_i – теплота сгорания i–го компонента топлива, (в кДж/кг);

Теплота сгорания расчитывается по формуле:

Q_i = 204472∙n^oi/M_i (4.5)

где ni – число моль атомарного кислорода, необходимое для полного сгорания i–го компонента топлива;

M_i – молярная масса i–го компонента топлива, кг/моль.

Подставляем значения и получаем:

Q(СН₄) = 204472∙4/16=51118 кДж/кг

Q(С₂Н₆) = 95420 кДж/кг

Q(С₃Н₈) = 46470 кДж/кг

Q(н-С₄Н₁₀) = 133964 кДж/кг

Соответственно теплота сгорания равна:

Q_cu = 51118∙0.9584+95420∙0.0055+46470∙0.0054+133964∙0.0035

Q_cu = 50236 кДж/кг.