Гидравлический расчет змеевика трубчатой печи

 

Цель расчета: определение общего гидравлического сопротивления змеевика печи или давления сырья на входе в змеевик.

 

Давление сырья на входе в печь складывается из следующих составляющих:

 

,

 

где Р_к, DР_и, DР_н, DР_к, DР_ст. – соответственно давление сырья на выходе из змеевика печи; потери напора: на участке испарения, на участке нагрева радиантных труб, в конвекционных трубах; статический напор.

Значение Р_к известно из исходных данных:

Р_к = Р_вых. = 1,5 ата = 1,5×10⁵ Па = 0,15 МПа.

 

Остальные слагаемые необходимо рассчитать.

Расчет начинается с определения потерь напора на участке испарения:

 

,

 

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

 

,

 

где А и В – расчетные коэффициенты.

 

; ,

 

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

 

 кг/с;

l_и – длина участка испарения:

 

,

 

где , ,  – соответственно теплосодержание парожидкостной смеси на выходе из змеевика, сырья на выходе из камеры конвекции, сырья при температуре начала испарения t_н;

 

;

 кДж/кг;

l_рад. – эквивалентная длина радиантных труб:

,

где l_р – рабочая длина одной трубы; l_р = 18 м (см. табл.2);

l_э – эквивалентная длина печного двойника (ретурбента), зависящая от наружного диаметра трубы d:

 м;

n_р – число радиантных труб, приходящихся на один поток:

,

 

где n = 2 – число потоков;

N_р – общее число радиантных труб:

 

 шт.;

шт.;

 

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

 

 м.

Начинаем расчет давления в начале участка испарения Р_н методом итераций.

Предварительно задаемся значением Р_н, принимаем Р_н = 8 ата = 0,8 МПа, и по зависимости Р_н = f(t_н) (рис.5) находим температуру начала испарения продукта t_н, соответствующую этому давлению: t_н = 260 ⁰С.

Теплосодержание сырья при температуре начала испарения:

 кДж/кг.

 

Длина участка испарения:

 

 м.

 

Средняя температура продукта на участке испарения:

 

 ⁰С.

 

Его плотность при этой температуре:

 

 кг/м³.

 

Расчетные коэффициенты:

 

;

.

 

Давление в начале участка испарения:

 

 МПа.

Так как рассчитанное Р_н не совпадает со значением, принятым ранее, то расчет необходимо повторить, задавшись Р_н = 0,994 МПа = 9,94 ата. И так до тех пор, пока не будет достигнута необходимая точность.

Результаты дальнейших расчетов представим в виде таблицы.

 

Таблица 5.

№ итерации	tн, 0С	, кДж/кг	lи, м	tср.и., 0C	, кг/м3	А	В	Рн, МПа
2	276,0	625,736	599,46	313,00	712,48	163,617	2,537×106	0,974
3	274,5	621,600	607,34	312,25	712,96	163,507	2,504×106	0,980
4	275,0	622,978	604,71	312,5	712,80	163,544	2,515×106	0,978

 

Теперь можем рассчитать потери напора на участке испарения:

 

 МПа.

 

Далее рассчитываем потери напора на участке нагрева радиантных труб:

 

,

 

где l₂ – коэффициент гидравлического сопротивления для участка нагрева; принимаем l₂ = 0,033 [1, с.483];

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

 

 м;

r_ж – плотность продукта при средней температуре (t_ср.) на участке нагрева радиантных труб:

 

 ⁰С;

 кг/м³;

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

 

 кг/м²×с;

 МПа.

 

Рассчитываем потери напора в конвекционных трубах для одного потока:

 

,

 

где U_к – массовая скорость продукта в конвекционных трубах:

U_к = U = 605,924 кг/м²×с;

r_ж – плотность продукта при средней температуре в конвекционных трубах:

 

 ⁰С;

 кг/м³;

l_к – эквивалентная длина конвекционных труб:

 

,

 

где n_к – число конвекционных труб в одном потоке:

 

 шт.;

 м;

 МПа.

 

Статический напор в змеевике печи рассчитывается по формуле:

 

,

 

где h_т – высота камеры радиации:

 

;

 м;

h_к – высота камеры конвекции (рассчитана ранее): h_к = 7,616 м;

r_ж – плотность продукта при средней температуре:

 

 ⁰С;

 кг/м³;

 МПа.

Подставляя полученные данные, определяем давление сырья на входе в печь:

 МПа.

 

 

 

Рис.6. Схема к гидравлическому расчету 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 = 1,17 МПа и значительно превышает давление на выходе из змеевика (почти в 8 раз), что является характерным для печей с двухфазным режимом, и объясняется в основном большими потерями напора на участке испарения радиантных труб.