Процессы горения топлива и их расчет реферат

Обновлено: 05.07.2024

Суммируя затраты кислорода на сжигание горючих элементов, содержащихся в 1 кг топлива и вычитая кислород топлива, получим теоретически необходимый объем кислорода для сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива (м3/кг) при нормальных условиях. Коэффициент избытка воздуха в зависимости от вида топлива и способа его сжигания колеблется в пределах 1, 01 … 1,5 и выше. Чем благоприятнее условия для… Читать ещё >

Расчеты процессов горения топлив ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Все расчеты горения топлив ведутся на основе стехиометрических коэффициентов.

Расход воздуха на сжигание 1 кг топлива

Объем воздуха, необходимый для сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива, определяется на основе расчета стехиометрических уравнений реакции горения. Ниже приведены реакции полного горения топлива:

Относя эти уравнения к 1 кг топлива и выражая расход кислорода в объемных единицах, получим необходимый объем (м 3 ) кислорода на 1 кг составляющей горючей массы топлива:

12,01 кг С + 32 кг О₂ = 44,01 кг СО₂;

для дожигания 1 кг углерода до СО₂ требуется кислорода.

1 кг С + 1,866 м 3 О₂ = 1,866 м 3 СО₂.

Аналогично ведется расчет для водорода:

где С р , Н р , S p , О р — массовое содержание горючих элементов в топливе, %, которое берут на основании лабораторных анализов или из таблиц топлив; с_о2 — плотность кислорода при нормальных физических условиях, равная 1,428 кг/м 3 .

В атмосферном воздухе содержится 21% кислорода по объему, поэтому теоретический его расход на горение составляет, м 3 /кг (м 3 /м 3 ):

Объем теоретически необходимого воздуха для сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива выразится формулой, м 3 /кг:

V 0 = 0,0889 (С р + 0,3755) + 0.265Н р — 0,0333О Р

В практических условиях работы топочных устройств не удается осуществить полное горение топлива с теоретическим количеством воздуха. Причинами этого могут быть неравномерная подача воздуха, плохое перемешивание воздуха с топливом, несовершенства топочных устройств и др. Для достижения полноты горения топлива воздух в топочную камеру подают с некоторым избытком V_Д > V 0 . Отношение действительного объема воздуха V_д к теоретически необходимому V° называется коэффициентом избытка воздуха:

откуда действительный объем воздуха:

Избыток объема воздуха:

Коэффициент избытка воздуха в зависимости от вида топлива и способа его сжигания колеблется в пределах 1, 01 … 1,5 и выше. Чем благоприятнее условия для смешивания воздуха с топливом, тем избыток воздуха может быть меньшим.

Состав и объем продуктов сгорания 1 кг топлива

При полном сгорании топлива топочные газы содержат продукты полного окисления элементов горючей массы топлива, т. е. СО₂ и Н₂О. Поэтому состав сухих газов в процентах по объему может быть представлен суммой:

Обозначая объем трехатомных газов RО₂, получим выражение (3.15) в виде:

Полный объем топочного газа представляет сумму сухих газов V_С.Г и водяных паров V_В.П м 3 /кг:

Суммарный объем трехатомных газов определяется по формуле, м 3 /кг:

Теоретический объем азота топлива и воздуха в продуктах горения определяется по формуле.

где 1,251 — плотность азота при нормальных условиях, кг/м 3 .

При влагосодержании воздуха d_в = 10 г/кг или 13 г/м 3 объем водяного пара при испарении влаги воздуха составит:

Аналогично определяется объем продуктов сгорания газового топлива. Расчетные формулы в этом случае имеют следующий вид, м 3 /м 3 :

где d_г — влагосодержание газового топлива, г/м 3 .

Рис. 1.1 - Схема нагревательной печи с регенерацией теплоты уходящих газов [1]:

1 — горелка; 2 — рабочий объем печи; 3 — нагреваемые детали;

Рис. 1.2 - Схема установки для осушки компрессорного воздуха [1]:

1 — теплообменник; 2 — конденсатор или вымораживатель;

3 — холодильная машина

1.2 Установки для внешнего теплоиспользования

Тепловые ВЭР газовых потоков с высокой (> 400 °С) и средней (100—400 °С) температурой обычно используют для производства пара и горячей воды с помощью паровых или водогрейных котлов-утилизаторов. Котлы-утилизаторы очень широко применяются в промышленности. Широко распространены в настоящее время системы испарительного охлаждения элементов высокотемпературных печей. В печах многие элементы приходится делать из металла — прежде всего это несущие и поддерживающие балки, на них ложиться большая нагрузка, которую не выдержат огнеупорные материалы. Практически невозможно делать из огнеупоров и подвижные элементы, особенно те, которые должны герметично закрываться, например завалочные окна, шиберы, перекрывающие проходное сечение газоходов и т. п. Но металлы могут работать только при умеренных температурах до 400—600 °С, а температура в печи намного выше. Поэтому металлические элементы печей делают полыми и внутри них циркулирует охлаждающая вода. Для исключения образования накипи и загрязнений внутри охлаждаемых элементов вода должна быть специально подготовленной. Кроме того, эту воду нужно охлаждать или сбрасывать. И в том, и в другом случае происходит загрязнение окружающей среды.

Все эти недостатки исключаются, если в охлаждаемые элементы печи подают воду из контура циркуляции парового котла-утилизатора (рис. 1.3).

Охлаждаемые элементы печи здесь выполняют роль испарительной поверхности, в которой теплота уже не сбрасывается в окружающую среду, а идет на выработку пара. Питание котлов осуществляется химически очищенной водой, поэтому накипи и загрязнений внутри охлаждаемых элементов не образуется, и срок их службы в 1,5—3 раза больше, чем при охлаждении необработанной проточной водой.

Рис. 1.3 - Упрощенная схема котла-утилизатора с системой испарительного охлаждения [1]:

1 — питательный насос; 2 — водяной экономайзер; 3 — испарительная поверхность котла; 4— пароперегреватель; 5— барабан котла; 6 — охлаждаемые элементы печи; 7— циркуляционный насос

Система испарительного охлаждения может работать и как самостоятельный паровой котел, но мощность его будет слишком малой. При комплексном подходе к утилизации теплоты от газов и охлаждаемых элементов конструкции печи значительно сокращаются затраты на вспомогательное оборудование, коммуникации, обслуживание и т. п.

Особая сложность этой установки состоит в том, что кокс — горючий материал. Поэтому для его охлаждения используют инертный азот, а всю установку герметизируют, по возможности предотвращая утечки азота.

Раскаленный кокс в специальных вагонах быстро (поскольку на воздухе он горит) транспортируется от коксовой батареи и загружается в герметичную фор-камеру 1 (рис. 1.4), затем поступает в камеру тушения 2, в которой он снизу вверх продувается инертным газом. За счет постепенной выгрузки снизу кокс плотным слоем движется сверху вниз противотоком к охлаждающему газу. В результате кокс охлаждается с 1000—1050 °С до 200—250 °С, а газ нагревается с 180—200 °С до 750—800 °С. Через специальное отверстие 3 и пылеосадительную камеру 4 газы попадают в котел-утилизатор 5. В нем за счет охлаждения 1 т кокса получают примерно 0,5 т пара достаточно высоких параметров р = 3,9—4,0 МПа и t = 440—450 °С. После котла-утилизатора охлажденный газ еще раз очищают от пыли в циклоне 6 и вентилятором 1 вновь направляют в камеру тушения под специальный рассекатель для равномерного распределения по сечению камеры.

Аналогичные схемы утилизации теплоты других твердых веществ можно использовать только при достаточно большой производительности,иначе это будет экономически не выгодно по причинам, указанным выше. Производительность УСТК по коксу составляет 50—56 т/ч.

Рис. 1.4 - Схема установки для сухого тушения кокса [1]

1.3 Использование низкопотенциальных вторичных энергоресурсов

Наиболее сложно найти применение низкопотенциальным тепловым ВЭР ( 2 ,

где - количество тепла, переданного нефти в камере радиации, кВт;

- теплонапряжение радиантных труб, кВт/м 2 .

Количество тепла, переданное в камере радиации:

где - кпд топки;

- энтальпия дымовых газов на выходе из камеры радиации при температуре Тп, кДж/кг топлива.

Примем Тп=1100 К и по диаграмме определяем кДж/кг топлива.

Ранее было принято, что потери тепла в окружающую среду составляют 6%. Пусть 4% из них составляют потери в топке. Тогда:

и кДж/ч или 14512 кВт.

Примем теплонапряжение радиантных труб 67 кВт/м 2 .

, м 2 .

Выбираем трубы диаметром 127х8 мм с полезной длиной l_тр =9,5 м. число радиантных труб:

Принимаем печь беспламенного горения с двухрядным экраном двухстроннего облучения, с горизонтальным шахматным расположением труб и двумя нижними конвекционными секциями.

По существующим нормам принимаем шаг размещения экранных труб S=0,25 м, расстояние между вертикальными рядами радиантных труб S₁ =0,215 м. расстояние от излучающих стен до экрана принимаем α_т =1 м [2].

Высота радиантной камеры:

, м

где - число труб в одном вертикальном ряду,

- расстояние от верхней и нижней труб вертикального ряда до пола и потолка соответственно, 0,25 м.

м.

Ширина радиантной камеры:

м.

Объем камеры радиации:

м 3 .

Теплонапряжение топочного объема:

кВт/м 3 .

Для обеспечения равномерного нагрева каждой трубы экрана по окружности и по длине принимаем для проектируемой печи газовые горелки ВНИИНефтехиммаша типа ГБП2а теплопроизводительностью =69,78 кВт.

Принимаем для каждой из двух излучающих стен топки по 160 горелок: 20 горелок по длине, 8 по высоте. Размер горелки 0,5х0,5 м, поэтому площадь излучающей стены печи:

А двух стен 80 м 2 .

3. Эксергетический и тепловой баланс печи

3.1 Эксергетический баланс печи

где – эксергия исходного топлива, кДж/кг;

– эксергия атмосферного воздуха, кДж/кг;

–эксергия продуктов сгорания, кДж/кг;

где Т₀ – температура окружающего воздуха, К;

Т_к – температура горения, определяется по диаграмме температура – энтальпия, К:

кДж/кг

– потери эксергии в окружающую среду, кДж/кг:

кДж/кг

- потери эксергии вследствие необратимости процесса горения, кДж/кг, вычисляется из эксергетического баланса.

Эксергетический КПД печи:

Эксергетическая диаграмма представлена на рис. 2.3.

Рис. 2.2 – Эксергетическая диаграмма

3.2 Тепловой баланс печи

Уравнение теплового баланса для трубчатой печи выглядит так:

Расчет теплового баланса ведется на 1 кг топлива.

Статьи расхода тепла:

где q_пол ., q_ух ., q_пот . – соответственно полезно воспринятое в печи сырьем, теряемое с уходящими из печи дымовыми газами, теряемое в окружающую среду, кДж/кг.

Статьи прихода тепла:

где C_т , C_в , C_ф.п. – соответственно теплоемкости топлива, воздуха, форсуночного водяного пара, кДж/кг;

T_т , T_в , T_ф.п. – температуры топлива, воздуха, форсуночного водяного пара, К.

Явное тепло топлива, воздуха и водяного пара обычно невелико и ими часто в технических расчетах пренебрегают.

Итак, уравнение теплового баланса запишется в следующем виде:

кДж/кг.

Диаграмма тепловых потоков представлена на рис. 2.3.

Рис. 2.3 – Тепловая диаграмма

Список использованных источников

1 Латыпов Р.Ш., Шарафиев Р.Ф. Техническая термодинамика и энерготехнология химических производств. – М.: Энергоатомиздат. – 1995. – 344 с.

2 Кузнецов А.А., Кагерманов С.М., Судаков Е.Н. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. Ленинград.: Химия. – 1974. – 344 с.

Темой данного курсового проекта является расчёт процесса горения топлива, что является одной из важнейших задач современной металлургической промышленности, так как зачастую основным источником тепловой энергии для металлургических печей является топливо. Наибольшее значение для промышленности имеет углеродистое топливо, так как углерод является основным горючим элементом топлива, хотя, кроме углеродистых видов топлива, тепловую энергию можно получить также при окислении сульфидных материалов, элементарной серы, железа и других материалов.

Введение. 4
Краткие теоретические сведения по курсовому проекту. 5
Топливо и его характеристики. 5
Классификация различных видов органического топлива. 6
Теплотехническая оценка элементов, входящих в состав топлива. 6
Основные характеристики мазута как топлива. 8
Процесс горения жидкого топлива 9
Расчет процесса горения мазута. 11
Пересчёт состава топлива на рабочую массу. 12
Количество продуктов горения. 12
Определение состава и плотности продуктов сгорания. 13
Материальный баланс. 13
Определение теоретической и балансовой температуры горения. 13
Заключение. 15
Список использованной литературы. 17

Файлы: 1 файл

Kursachteplo (Mark4).docx

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

По дисциплине : Теория и практика теплогенерации

Выполнил: студент гр. ЭП-09 ________ /Плетнёв М.С./

Проверил: Доцент __________ /Зырянова О.В./ (подпись) (Ф.И.О.)

В данном курсовом проекте рассматривается одна из важнейших и обязательных составных частей расчёта металлургических печей – расчёт горения углеродистого топлива.

Целью работы является определение количества, состава, плотность и энтальпию продуктов сгорания, свободной энергии Гиббса реакции горения серы в интервале температур 298 – 2000К.

Исходными данными для расчёта являются вид топлива, коэффициент расхода воздуха и температуры подогрева топлива и воздуха.

Для наглядного отображения графических результатов использован процессор MS Excel. Отчет оформлен в Microsoft Word.

Объем курсового проекта – 20 страниц, рисунков –2.

In the given course design one of major and obligatory constituents of calculation of metallurgical furnaces - calculation of burning of carbonaceous combustible is considered.

The purpose of operation is the definition of an amount, composition, density and enthalpy of products of combustion, free energy of the Gibbs of a response of burning of silicon in an interval of temperatures 298 – 2000K.

Input datas for calculation are an aspect of combustible, orifice coefficient of air both temperature of preheating of combustible and air.

For the evident image of graphic results editor MS Excel is used. The report is presented in Microsoft Word.

Volume of the course design - 20 pages, pictures -2.

Краткие теоретические сведения по курсовому проекту. 5

Топливо и его характеристики. 5

Классификация различных видов органического топлива. 6

Теплотехническая оценка элементов, входящих в состав топлива. 6

Основные характеристики мазута как топлива. 8

Процесс горения жидкого топлива 9

Расчет процесса горения мазута. 11

Пересчёт состава топлива на рабочую массу. 12

Количество продуктов горения. 12

Определение состава и плотности продуктов сгорания. 13

Материальный баланс. 13

Определение теоретической и балансовой температуры горения. 13

Список использованной литературы. 17

Введение.

Расчёт горения углеродистого топлива – одна из важнейших и обязательных составных частей расчёта металлургических печей. В задачи расчета горения входит определение следующих показателей: количества воздуха, необходимого для процесса горения, состава и количества газообразных продуктов горения, плотностей продуктов горения, теплотворности топлива, а также энтальпий продуктов сгорания. Горение топлива, как правило, рассчитывают аналитическим и графическим методом, причем наиболее точен аналитический метод. Графический метод позволяет быстрее получить результаты расчёта, но они приближенные.

В данном проекте в качестве топлива используется мазут.

Краткие теоретические сведения по курсовому проекту.

Топливо и его характеристики.

Топливом называется вещество, которое при нагревании в присутствии кислорода активно окисляется (сгорает) с выделением значительного количества тепла. Ко всем видам топлива предъявляются следующие требования:

Значительные запасы и доступная добыча.
Продукты сгорания должны легко удаляться из зоны горения и быть экологически безвредными.
Топливо должно легко возгораться и содержать по возможности мало негорючих материалов.
Процесс горения топлива должен быть управляем.

К основным свойствам топлива относят: химический состав топлива, теплотворную способность, а также калориметрическую температуру горения. Рассмотрим эти характеристики подробнее.

Свойства топлива как горючего материала определяются его составом. По химическому составу различные виды топлива значительно различаются, но в основном топливо содержит углерод, водород, азот, кислород, серу, а также кроме перечисленных элементов, в нём присутствуют минеральный включения, образующие золу и воду. Важнейшая составляющая часть топлива – углерод. Азот, кислород и связанный с ним водород являются балластом топлива и чем их больше, тем хуже считается состав топлива и его энергетическая характеристика. Наличие влаги в топливе также снижает его качество. Чтобы установить состав топлива, проводят технический и химический (элементарный) анализ топлива. При техническом анализе определяют содержание влаги, летучих и минеральных веществ. Химический анализ топлива можно выполнить по элементарному составу ( , , , , ), а также можно определить содержание в топливе отдельных химических соединений ( и др.). Первый метод применяют для твердого к жидкого топлива, второй для газообразного топлива.

Теплотворной способностью топлива называется количество тепла, выделяемое при полном сгорании топлива, измеряется в Дж/кг, либо в Дж/м 3 . Теплотворность зависит от состава топлива, поэтому понижение содержания в нём горючих элементов – водорода и углерода – снижает теплотворную способность топлива.

Калориметрической температурой горения топлива называется та максимальная температура, до которой нагрелись бы продукты горения при условии, что сжигание велось бы с теоретическим количеством воздуха и всё полученное тепло полностью пошло только на нагрев продуктов полного горения.

Практически калориметрическая температура горения топлива недостижима, так как часть тепловой энергии всегда расходуется на диссоциацию продуктов горения, что особенно заметно при высоких температурах.

Углеродистое топливо представляет ценнейшее сырьё, позволяющее вырабатывать из него большое количество разнообразных химических продуктов. Применение в печах высококачественного топлива обеспечивает высокую производительность, экономичную работу металлургических печей, хорошее качество получаемых металлов, сплавов и полупродуктов, а также сокращение выбросов вредных веществ. Выбор того или иного вида топлива для печи определяется требованиями технологического процесса, условиями оптимального теплового режима и экономическими показателями.

Классификация различных видов органического топлива.

Органическое топливо по происхождению подразделяют на природное (естественное) и искусственное, а по агрегатному состоянию при обычных условиях - на твердое, жидкое и газообразное. К примеру: жидким природным топливом является нефть, а искусственным - продукты ее переработки: мазут, дизельное топливо, бензин и другие.

Кроме того, топливо по назначению и способу использования подразделяется на энергетическое в технологическое.

К энергетическим видам топлива относятся те виды, которые являются главным образом источником тепловой энергии.

К технологическим видам топлива относят топливо, которое является не только источником тепловой энергии, но и используются как компонент технологического процесса.

Теплотехническая оценка элементов, входящих в состав топлива.

Как уже было упомянуто выше, углерод является основным горючий элементом топлива. Его содержание на горючею массу составляет: в древесине и торфе 50-65%, в бурых углях 67-72%, в каменных углях 76-90% и в антрацитах 92-94%, то есть с увеличением геологического возраста твердого топлива содержание в нем углерода повышается. Состав жидких нефтяных видов топлива является достаточно стабильным и содержание в них углерода на горючею массу колеблется в узких пределах 86-87%.

Углерод характеризуется высокий удельным тепловыделением. При полном сгорании 1 кг углерода выделяется примерно 33600 кДж теплоты. Следовательно, можно сказать, что углерод по существу определяет тепловую ценность топлива.

Водород, как уже упоминалось ранее, является вторым важнейшим горючим элементом топлива. Его содержание на горючую массу обычно составляет: в древесине и торфе 6,0-6,5 % , в бурых углях около 5,0 %, в каменных углях 4,0-5,5 % и в антрацитах 1,5-2,5 %. В жидких нефтяных видах топлива содержание водорода значительно выше и на горючую массу составляет 10-12 %. Тепловая ценность водорода почта в четыре раза выше тепловой ценности углерода. При полном сгорании 1 кг водорода и конденсации продуктов сгорания выделяется примерно 141500 кДж тепла,
без учета конденсации водяных паров 119000 кДж.

Сера, как уже было отмечено раньше, является третьим, весьма нежелательным, горючим элементом топлива. В общем случае сера, входящая в состав топлива, состоит из серы органической ( ), находящейся в топливе в виде органических соединений, серы колчеданной ( ), входящей в состав топлива в виде колчедана ( ), а также серы сульфатной ( ), находящейся в топливе в виде, например, гипса ( ). Сера органическая и колчеданная образуют серу горючую (летучую) . Сульфатная же сера не горит, и помимо этого в элементарном составе топлива включается в золу. Содержание серы в различных видах топлива колеблется от 0 до нескольких %. При полном сгорании 1 кг серы летучей выделяется 9000 кДж тепла.

При горении серосодержащего топлива в промышленные топливосжигающйх устройствах (печах, котлах, газотурбинных установках и др.) наряду о сернистым газом ( ) образуется незначительное количество серного ангидрида ( ). Наличие последнего в газообразных продуктах сгорания при определённых условиях вызывает сернокислотную, то есть низкотемпературную, коррозию металла, из которого изготовлено оборудование. Кроме этого также следует отметить, что продукты сгорания серы вызывают загрязнение атмосферы. Исходя из всего вышеперечисленного можно сказать, что сера является нежелательной примесью, снижающей теплотехническую цепкость топлива.

Кислород и азот являются нежелательными элементами топлива, так как наличие их в составе топлива снижает содержание горючих элементов. Кислород, кроме того, связывает часть горючих элементов топлива, обесценивает его. Азот в составе топлива способствует образованию в газообразных продуктах сгорания окислов азота, обладающих высокой токсичностью, значительно превышающей токсичность окислов серы. Кислород и азот принято называть внутренним балластом топливо. В жидких нефтяных видах топлива содержание кислорода и азота, как правило, обычно незначительно и в сумме ( ) составляет 0,50-1,75 %. В различных видах твёрдого топлива содержание кислорода и азота может быть значительно больше.

Зола представляет собой смесь различных минеральных веществ, которые остаются после полного сгорания горючей часта топлива. Содержание золы обычно дается на сухую массу. Зольность жидких видов топлива нормируется ГОСТами и по своему значению обычно невелика. Например, для дизельного топлива не более 0,02 %, для
топочных мазутов не более 0,30 %. В твердых топливах содержание золы может достигать значительных величин (до 30 % и более на сухую массу). Зола является внешним балластом топлива. Она, снижает содержание горючей части топлива, вызывает дополнительные затраты на его добычу и транспортировку. Она может вызывать эрозивный износ элементов оборудования. Содержание ванадия в золе жидких нефтяных топлив может при определенных температурных условиях привести к ванадиевой, также называемой высокотемпературной коррозии металла. Наличие солей натрия, окислов железа в золе различных видов жидкого нефтяного топлива оказывает каталитическое действие на протекание сернокислой низкотемпературной коррозия металла.

Влага, как уже упоминалось, относится к внешнему балласту топлива. Наличие её (так же, как кислорода и азота) уменьшает содержание горючей части топлива. Это естественно снижает тепловую ценность топлива, а также увеличивает расходы на его транспортировку. Влага, кроме того, снижет полезное тепловидение топлива поскольку часть тепла при горении расходуется на превращение её в пар. Это ведёт также к понижению температурного уровня в зоне горения и ухудшает условия теплообмена.

Основные характеристики мазута как топлива.

Мазут - это остаток после отгона от нефти бензина, лигроина, керосина и фракций дизельного топлива. Мазут считается хорошим видом топлива, его обычно применяют для отопления тех металлургических печей, которые требуют для своей работы высококачественного топлива. К этим печам в первую очередь, относятся высокотемпературные плавильные рафинировочные печи, выдающие металлы в готовом виде: сталь, медь, никель, олово, цинк и другие.

Трубчатая печь является аппаратом, предназначенным для передачи нагреваемому продукту тепла, выделяющегося при сжигании топлива, непосредственно в этом же аппарате. Нагрев в трубчатой печи может осуществляется без изменения агрегатного состояния, с частичным или полным испарением исходного продукта. При этом не меняется его физическая природа. Однако в промышленной практике нагрев сырья часто сопровождается его химический превращением.

Трубчатые печи нашли широкое распространение в нефтеперабатывающей и нефтехимической промышленности благодаря следующим своим особенностям. Их работа основывается на принципе однократного испарения, что обеспечивает либо более глубокий отгон при данной конечной температуре нагрева сырья, либо заданный отгон при более низкой температуре нагрева. Они обладают высокой тепловой эффективностью, так как в дополнение к основной части тепла, которая передается излучением, существенная часть передается конвекцией вследствие сравнительно высокой скорости движения дымовых газов. Они являются составной частью многих промышленных установок и применяются в различных технологических процессах, таких как перегонка нефти, мазута, каталитического крекинга, пиролиза и т д.

Помимо этого, трубчатые печи являются компактными аппаратами, их коэффициент полезного действия высок, они могут обеспечивать высокую тепловую мощность. Продолжительность пребывания нагреваемого сырья в зоне высоких температур не превышает нескольких минут, что уменьшает возможность его разложения и коксоотложения в трубах, вследствие чего при необходимости сырье можно нагревать до более высокой температуры. Печи удобны в эксплуатации, позволяют осуществить автоматизацию.

В зоне нагрева трубчатых печей единовременно находится относительно небольшое количество нефтепродукта, что снижает пожарную опасность. В случае прогара труб пожар легче устранять.

В данной работе будет произведен следующий технологический расчет трубчатой печи: расчет процесса горения топлива; расчет теплового баланса, коэффициента полезного действия и расход топлива; выбор по каталогу типоразмера трубчатой печи; расчет диаметра печных труб.

Расчетная часть

Расчет процесса горения топлива

На данном этапе будет произведен расчет элементарного состава газового топлива, низшей теплотворной способности топлива, количества и состава продуктов сгорания, теплосодержания продуктов сгорания.

2.1.1 Определение элементарного состава газового топлива

Содержание углерода, водорода, серы, кислорода и азота находится по следующим формулам:

где , , , , – соответственно число атомов углерода, водорода, серы, кислорода, азота в молекулах газовых компонентов топлива;

– концентрация газовых компонентов в топливе, % масс;

– молекулярная масса компонентов топлива;

– число компонентов в топливе;

– соответственно содержание углерода, водорода, серы,

кислорода, азота, % масс.

Определение низшей теплотворной способности и теплосодержания продуктов сгорания

Низшая теплотворная способность топлива определяется по уравнению Менделеева, кДж/кг:

где – содержание влаги в топливе, % масс.

Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива, кг/кг:

Фактический расход воздуха, кг/кг:

Количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива, кг/кг:

где - расход форсуночного пара,кг/кг,

Количество газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива кг/кг:

Проверка показала, что все произведенные расчеты верны.

Объемный расход воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива, м 3 /кг:

Таким образом, в разделе был проведен расчет:

- элементарного состава газового топлива;

- низшей теплоты сгорания топлива ;

- состав продуктов сгорания;

- фактическое количество воздуха необходимого для полного сгорания топлива L= кг/кг.

- количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива.

Действия и расхода топлива

Согласно закону сохранения энергии уравнения теплового баланса для трубчатой печи выглядит так:

где , - статьи прихода и расхода тепла соответственно, 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 - теплоемкости топлива, воздуха, форсуночного водяного пара соответственно, кДж/кг;

- температуры топлива, воздуха, форсуночного водяного пара соответственно,°С. Итак, уравнение теплового баланса запишется в следующем виде:

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 4%.

Температура уходящих дымовых газов, °С:

где - температура нагреваемого продукта на входе в печь, °С

- разность температур теплоносителей на входе сырья в змеевик камеры

При естественной тяге в печи не должна быть меньше 250 °С.

Расчет продуктов сгорания на 1 кг топлива при заданной температуре производится по формуле:

где - температура продуктов сгорания, К;

- средние массовые теплоемкости продуктов сгорания,

Потери тепла в окружающую среду составляют 3-8%, примем 5%.

Статьи прихода тепла Q_прих	Статьи расхода тепла Q_расх
Q_р н	50161,905	q_пот	2508,09
q_ух
q_пол
итого:	50161,905	итого:	50161,905

.
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:

где - температура, при которой определяется теплосодержание нагреваемого

Теплосодержание жидких нефтепродуктов определяется по уравнению:

Определение полной тепловой нагрузки печи:

Часовой расход топлива рассчитывается по формуле:

Таким образом, были рассчитаны:

- коэффициент полезного действия трубчатой печи ,

- полезная тепловая нагрузка печи = кДж/ч

- часовой расход топлива В=2078.08 кг/ч необходимый для работы печи в заданном режиме, с учетом потерь тепла в окружающую среду через

неплотности и с уходящими дымовыми газами.

Расчет диаметра печных труб

На данном этапе по результатам расчета выбираются стандартные размеры труб (диаметр, толщина и шаг). При этом используется следующий алгоритм расчета.

Определяется объемный расход нагреваемого продукта, м 3 /с:

где G_с– производительность печи по сырью, т/сут;

- плотность продукта при средней температуре t_ср, кг/м 3 .

Площадь поперечного сечения трубы определяется уравнением:

где n – число потоков;

W – допустимая линейная скорость продукта, м/с,

d_вн – расчетный внутренний диаметр трубы, м.

Оптимальная скорость при нагреве нефти может быть принята [2] Принимаем скорость линейную скорость нефти

Из уравнения рассчитывается внутренний диаметр трубы:

Конструкция выбранного типоразмера печи такова, что эффективнее разделить поток сырья на кратное двум число потоков, поскольку в камере радиации установлена стена, делящая камеру на две.

Разделим поток сырья на два параллельных потока, что обусловлено не только конструкционными особенностями трубчатой печи, но и снижением общего гидравлического сопротивления.

Округляя значение расчетного диаметра трубы, учитывая толщину стенки, и выбирая в соответствие с этим остальные размеры труб, получим:

Шаг между осями труб: фитинги S₁= 0,275м, толщина стенки труб σ= 0,008м.

Тогда фактическая скорость движения потока, м/с:

При выборе диаметра печных труб, принимаем по ГОСТу большее значение. Таким образом, увеличивается поверхность теплообмена и снижается гидравлическое сопротивление потоку сырья. С другой стороны, линейная скорость потока сырья будет ниже, следовательно, турбулентность потока тоже уменьшится. Это приведет к снижению коэффициента теплопередачи, т.е. интенсивность теплообмена будет ниже.

Но поскольку в камере радиации происходит испарение сырья, то поток нефти, двигающийся по змеевику сверху вниз, будет барботироваться парами, что увеличит поверхность теплообмена (за счет поверхностей пузырьков пара).

Фактическая скорость оказалась меньше расчетной вследствие округления диаметра трубы в большую сторону.

Расчет камеры конвекции

Целью данного этапа является расчет поверхности конвекционных труб и проведение анализа эффективности работы камеры конвекции.

Поверхность конвекционных труб определяется по уравнению

где Q_к – количество тепла, воспринятое конвекционными трубами, Вт;

К – коэффициент теплопередачи от дымовых газов к нагреваемому продукту, ;

- средняя разность температур, К.

Средняя разность температур определяется по уравнению:

где , - соответственно большая и меньшая разность температур, о С;

- температура продукта на выходе из камеры конвекции, находится путем решения квадратичного уравнения, предварительно определив теплосодержание продукта при этой температуре:

Уравнение (24) запишем в виде:

где a=0,000405, b=0,403;

– соответственно коэффициенты уравнения.

Решению уравнения удовлетворяет значение только одного корня

Составим схему теплообмена:

Коэффициент теплопередачи в камере конвекции рассчитывается по уравнению

(49)
где , , - соответственно коэффициенты теплоотдачи от газов к стенке, конвекцией, излучением трехатомных газов, Вт/(м 2 К).

определяют по эмпирическому уравнению Нельсона:

где - средняя температура дымовых газов в камере конвекции (К),вычисляется по формуле:

определяется следующим образом:

где Е – коэффициент, зависящий от свойств топочных газов, значение которого находится из справочных данных;

U – массовая скорость движения газов, ;

d – наружный диаметр труб, м.

Е=21,63 при средней температуре в камере конвекции

Массовая скорость движения газов определяется по формуле

где f – свободное сечение прохода дымовых газов в камере конвекции, м 2 .

где n – число труб в одном горизонтальном ряду;

d – наружный диаметр труб, м;

S₁ – расстояние между осями труб в горизонтальном ряду [2, стр. 473] м;

- рабочая длина конвекционных труб, м;

- характерный размер для камеры конвекции, м.

Принимаем n=4, м; из технической характеристики печи =12,5 м.

Определяем число труб в камере конвекции:

Округляем до 108 штук.

Тогда фактическая поверхность нагрева будет равна:

Число труб по вертикали:

Высота пучка труб в камере конвекции, м:

где - расстояние между горизонтальными рядами труб, определяемое как

Средняя теплонапряженность камеры конвекции равна:

В разделе рассчитана средняя теплонапряженность и количество труб в камере конвекции N_к=108 и высота трубного пучка h_к=6,2 м.

Введение