Типовые конструкции трубчатых реакционных печей. Лекция 8

Общая характеристика трубчатых реакционных печей
- Температура до 900 0С (например пиролиз углеводородов до ацетилена);
- Время пребывания реакционной массы – 0,5-10 с;
- Удельная массовая скорость по сырью – 100-200 кг/м2ч ;
- Давление на входе – до 8 атм. (пиролиз желательно проводить при низких давлениях, смещение равновесия в сторону продуктов);
- Скорость газа на выходе из печи – до 180-200 м/с (для турбулизации потока и уменьшения коксоотложения);
- Состоит из двух частей (передача тепла):
- Конвекционная часть (нагрев сырья) – 65% за счёт конвекции и 35% - за счёт излучения;
- Радиантная секция (реакционная часть) – 10% за счёт конвекции и 90% за счёт излучения.

Основные показатели работы трубчатых печей
1. Теплопроизводительность – количество тепла, передаваемого сырью в печи (2000-100000 квт).
2. Теплонапряжённость поверхности нагрева – количество тепла, передаваемого в единицу времени через единицу площади поверхности:
- Конвекционная камера – 10-20 квт/м2 ;
- Радиантная камера – 40-75 квт/м2 ;
- Среднее значение – 20-40 квт/м2 ;
3. К.п.д. – отношение количества тепла, переданного сырью к общему количеству тепла, выделенному при сгорании топлива (0,6-0,9).

Расчёт трубчатой реакционной печи
Исходные данные:
- Массовый расход перерабатываемого сырья, Gc ;
- Состав сырья и состав продуктов (предварительно рассчитывается) на выходе из печи;
- Время пребывания реакционной массы,
- Данные о химических реакциях и тепловых эффектах химических реакций;
- Физико-химические cвойства веществ;
- и т.д.
Необходимо рассчитать:
- Длину реактора L и диаметр змеевиков d;
- Расход топлива и воздуха;
- Расход дымовых газов;
- Теплонапряжённость радиантных и конвекционных труб;
- Площадь поверхности радиантных и конвекционных труб;
- Габаритные размеры печи и дымовой трубы.

Порядок расчёта:
1. Рассчитываем материальный баланс печи;
2. Определяем полезную тепловую нагрузку – Qпол, дж/сек;
Qпол = Gc (Нк – Нн) + Qp
Qp – тепло, необходимое для протекания химических реакций.
3. Принимаем среднюю теплонапряжённость радиантных труб (Qнр) и рассчитываем площадь поверхности радиантных труб – Fp :
Qнр зависит от диаметра трубы.

4. Рассчитываем длину реакционного змеевика, L (м);
d – диаметр трубы (60-200 мм) принимаем;
m – число параллельных потоков (1-2);
Длину отдельных труб принимаем конструктивно: 6-18 м;

5. Рассчитываем время контакта
- средняя скорость потока сырья

6. Сравниваем расчетное время пребывания τр с заданным временем τ. Если они не совпадают, выбираем новый диаметр трубы и повторяем расчёт с пункта 5;
7. Переходим к тепловому расчёту.
7.1 Расчёт процесса горения топлива.
- Рассчитываем теплоту сгорания топлива, дж/кг:
Qн – низшая теплота сгорания топлива (вода в паре);
Qв – высшая теплота сгорания топлива (вода в жидкости).

Можно рассчитать разными способами: взять по экспериментальным данным, по теплотам сгорания отдельных компонентов топлива, по элементарному составу топлива, по эмпирическим формулам и др.
- Рассчитываем расход воздуха, необходимого для сгорания топлива:
L = L0α; L0- теоретически необходимое количество воздуха, кг/кг топлива. Рассчитываем по реакциям сгорания отдельных компонентов топлива, по элементарному составу топлива, по эмпирическим формулам;
α- коэффициент избытка воздуха (α= 1,05-1,1 для беспламенных горелок, α= 1,2-1,4 – для факельных тарелок).
- Рассчитываем расход дымовых газов - Gдг(кг/кг топлива) и их состав:
Gдг = 1 + αL0 + Gфп, где Gфп - расход форсуночного пара.
Расчёт проводим по химическим реакциям, эмпирическим формулам и т.д.

7.2 Расчёт теплового баланса, к.п.д. печи и топки, расход топлива.
7.2.1 Тепловой баланс на 1 кг топлива:
Приход тепла:
Qн – теплота сгорания топлива;
qT – тепло, приходящее с топливом;
qB – тепло, приходящее с вoздухом;
qФ – тепло с форсуночным паром;
Qприх = Qн (примерно).
Расход тепла:
qпол – тепло, переданное сырью;
qуход – тепло, уносимое дымовыми газами (температура отходящих газов должна быть не менее 250 oC);
qпотерь – потери тепла.
qпол = qпот.рад. + qпот.ковек. (соотношение примерно 80:20);
qпотерь = (0,03-0,08) Qн .

7.2.2 Расчёт к.п.д. топки.
7.2.3 Расчёт к.п.д. печи.
7.2.3 Расход топлива В (кг/с)
Qпол = Gc (Нк – Нн) + Qp - полезная тепловая нагрузка, qпол – то же на 1 кг топлива.

3. Расчёт радиантной секции
Необходимо расчитать:
- Qрад – количество тепла, воспринимаемое радиантными трубами;
- Fp – площадь поверхности радиантных труб;
- tп – температура газов на перевале;
- Qнр – теплонапряженность радиантных труб;
- Qкон – количество тепла, переданное конвекционным трубам.
Расчёт проводим в следующей последовательности:
3.1. Выбираем конструкцию и проводим компоновку радиантной камеры.
3.2. Задаёмся температурой газов на перевале – tп :
Верхний предел – исходя из допустимой теплонапряжённости первых рядов конвекционных труб, нижний предел – tп >= температуры сырья в радиантных трубах.

3.3. Рассчитываем количество тепла qп , уносимое дымовыми газами из радиантной камеры, дж/кг.
3.4. Количество тепла, воспринимаемое радиантными трубами Qрад:
3.5. Количество тепла, переданное конвекционным трубам, Qкон :

3.6. Рассчитывают поверхность нагрева радиантных труб Fр и температуру газов на перевале tп . Для этого используют ту или иную методики, описанные в литературе.
3.7. Сравнивают tп , т.е. температуру газов на перевале, полученную на данной итерации, с той какая была на предыдущей. Если они не совпадают с заданной степенью точности, то проводят корректировку и повторяют расчёт снова (т.е. с пункта 3.2).
Оценивают теплонапряжённость радиантных труб Qнр . Если она не подходит, выбирают новое значение tп и повторяют расчёт. (Чем выше tп , тем выше Qнр и меньше Fp).
Сравнивают Qнр , принятое в начале расчёта, со значением на данной итерации. Если они не совпадают, корректируют tп и повторяют расчёт заново.

4. Расчёт конвекционной камеры
Используя методики, описанные в литературных источниках, рассчитываем длину Lк и площадь поверхности конвекционного змеевика Fк :
5. Проводят гидравлический расчёт змеевика печи
Цель расчёта – проверка принятых ранее значений перепада давлений в на входе и на выходе змеевика.
Pвх и Рвых использовались в ходе расчёта.
-
- коэффициент трения;
- плотность.