Глава XX классификация и дозирование

ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ КЛАССИФИКАЦИИ ЗЕРНИСТОГО МАТЕРИАЛА

Полученный в результате измельчения твердый материал требуется разделить с выделением фракций, различающихся по размерам частиц. Такое разделение твердого зернистого материала называют класси­фикациейилисортировкой.В промышленности применяются следующие основные виды классификации (сортировки) зернистого материала.

Классификация при помощи сит, имеющих те или иные размеры от­верстий. Частицы меньшего размера проходят через отверстия сита, в то время как более крупные задерживаются на его полотне. Просеивая зерни­стый материал последовательно через ряд сит с различными размерами отверстий, можно выделить из него фракции с частицами определен­ных заданных размеров. Такой метод классификации называетсягрохоче­нием.

Гидравлический способ классификации основывается на различии скорости оседания частиц различных размеров в жидкости. Такая класси­фикация осуществляется пропусканием жидкости или газа через слой ис­ходного материала, при этом частицы, скорость осаждения которых мень­ше линейной скорости восходящего потока, выносятся из слоя, остальные частицы остаются в нем. При классификации гидравлическим способом материал разделяется не только по размерам частиц, но и по их плотнос­ти. При заданной скорости потока из слоя выносятся не только мелкие ча­стицы, но и более крупные, имеющие меньшую плотность.

Классификация гидравлическим способом может осуществляться так­же путем отстаивания суспензии, причем скорость оседания частиц зависит от размера частиц и их плотности. В первую очередь из суспензий (в оса­док) будут выпадать наиболее крупные и тяжелые частицы, в последующем размер отстаивающихся частиц постепенно убывает.

Классификация при помощи газовых (воздушных) классификатороа При таком способе классификации материал разделяется в газовом (воз­душном) потоке под действием сил тяжести, центробежных или инерцион­ных. В поле этих сил крупные и тяжелые частицы последовательно отделя­ются от более мелких.

КЛАССИФИКАТОРЫ

Сита. При грохочении применяются сита, выполненные как из металла, так и из других материалов. Отверстия в ситах обычно имеют прямоугольную или круглую форму. Сита изготовляются из листов с отвер­стиями либо из плетеных сеток.

Существуют различные системы сит. По российскому стандарту сита выпускают­ся под номерами, соответствующими номинальному размеру стороны отверстия в свету (в миллиметрах или микронах) Так, сито №5 имеет квадратное отверстие со стороной 5 мм и т.д.

За рубежом принято характеризовать сита числом отверстий на 1 линейный дюйм (25,4 мм), называемым числом «меш». Так, например, сито, имеющее 100 отверстий на 1 ли­нейный дюйм, называют ситом в 100 меш.

Важной характеристикой сита является число отверстий, приходящих­ся на единицу площади сита. Для иллюстрации ниже приводятся выбороч­ные данные по числу отверстий сит в зависимости от их размера.

Размер стороны отверстия в свету, мм 5 1 0,25 0,105 0,0042

Число отверстий на 1 см²2,3-^2,7 40^-48 540-Ц>60 2640-^-3270 169004 9300

Определение гранулометрического состава измельченного твердого ма­териала с использованием сит называют ситовым анализом.Он устанавли­вает взаимосвязь между размерами частиц, их массовым или объемным со­держанием в исходной смеси. Частицы, прошедшие через сито, называютпросевом,частицы, оставшиеся после рассева на сите, —остаткомили отсевом.

При рассеве зернистого материала не всегда удается получить в просе­ве все частицы соответствующих размеров, содержащихся в исходном ма­териале. Некоторое количество частиц данного размера может остаться на сите. Полнота (четкость разделения) рассева зависит от многих факторов, в том числе от формы и размеров отверстий сита и кусков материала, толщины полотна сита, влажности материала, скорости перемещения ма­териала на сите, продолжительности рассева, способности материала к агломерации, истиранию частиц и др.

Грохоты. При классификации с выделением зерен ряда фракций при­меняют многократное грохочение с использованием одного из следующих способов (рис. XX-1):

от мелкого к крупному. Осуществляется путем пропуска материала че­рез ряд последовательно установленных сит с увеличивающимся размером отверстий;

от крупного к мелкому. Сита с уменьшающимся размером отверстий расположены одно над другим;

комбинированный.

По основным признакам грохоты подразделяются на группы: непо­движные и подвижные; плоские и барабанные; колосниковые и решет­чатые.

Неподвижные грохоты вследствие их малой производительности при­меняются сравнительно редко. Они устанавливаются под углом наклона не­сколько большим угла естественного откоса разделяемого (классифицируе­мого) материала; подлежащий разделению материал высыпают на наклон­ную перфорированную поверхность грохота, по которой он ссыпается. При движении материала по поверхности грохота мелкие частицы про­сеиваются, т.е. происходит разделение материала на две фракции (больше или меньше размера отверстий сита).

Рис. XX-1. Способы грохочения:

а —от мелкого к крупному;б— от крупного к мелкому;в— комбинирован­ный

Подвижные грохоты чаще применяются в промышленности. Большое распространение получили барабанный, качающийся и вибрационный гро­хоты.

Барабанный грохот (рис. ХХ-2, а) состоит из наклонно установленно­го вращающегося барабана2цилиндрической или многогранной формы с перфорированными стенками, привода3и опорных роликов4.При вра­щении барабана сыпучий материал сползает вниз; на этом пути мелкая фракция частиц при движении проваливается через отверстия в стенке ба­рабана, а крупная удаляется через выходное сечение барабана. В некото­рых случаях барабанные грохоты устанавливаются горизонтально¹, их вы­полняют в виде усеченного конуса, по наклонной поверхности которого происходит перемещение разделяемого материала.

Для разделения материала на несколько фракций применяют бараба­ны, состоящие из нескольких сит с отверстиями разных размеров, причем сита располагаются последовательно (рис. ХХ-2, б)или соосно (рис

ХХ-2, в).В первом случае исходный сыпучий материал подается на сито с наименьшими отверстиями, во втором — с наибольшими. Конструкция ба-

Рис. ХХ-2. Схемы барабанных грохотов:

а —с одинарным ситом:1— лоток для подачи исходного материала,2 —барабан,3— привод,4— опорный ролик;6 —с последовательным расположением сит;в —с соосным расположением сит. Потоки:1 —исходный материал;II— крупная фракция;111, IV, V— фракции с уменьшающимся размером частиц

рабанного грохота с последовательным расположением сит приведена на рис. ХХ-3.

Достоинством барабанных грохотов является их динамическая уравно­вешенность (отсутствие качающихся и вибрирующих масс), существенным недостатком — низкая степень использования поверхности сит (2СН-30%) вследствие малого коэффициента заполнения барабана (15-5-18%).

Качающиеся грохоты представляют собой наклонные плоские сита или колосники, приводимые в колебательное движение; схема такого гро­хота показана на рис. ХХ-4.

Корпус 2с просеивающей решеткой, закрепленный на опорной стойке3,качается благодаря приводному эксцентрику1.

Качающиеся грохоты могут выполняться в виде многоярусных агрега­тов, для различных ярусов которых используются сита различных разме­ров. Размер отверстий сит убывает от верхнего яруса к нижнему. Остаток на сите данного яруса последовательно перемещается слева направо и отводится в виде отдельных фракций.

Качающийся грохот с разносторонним уклоном сит (рис. ХХ-5) со­стоит из опорной рамы 1,нижнего короба с ситом 7, верхнего короба с ситом4,установленного на опорах 6, и приводного механизма, включа­ющего эксцентриковый вал2,шатун 5, двигатель3и клиноременную пере-

Рис. XX-4. Схема качающегося грохота:

Рис. ХХ-3. Конструк­ция барабанного грохо­та с последовательным расположением сит

1 —эксцентрик;2— корпус;3— опорная стойка

дачу. Эксцентрики привода верхнего короба находятся под утлом 180° к эксцентрикам нижнего короба, благодаря чему сита движутся в разных на­правлениях при условии равновесия качающихся масс.

Разделяемая сыпучая смесь поступает на сито верхнего короба и, про­двигаясь по нему, делится на две фракции: верхнюю (крупную) и нижнюю (мелкую). Верхняя фракция в конце сита отводится по назначению, а ниж­няя из-под сита верхнего короба направляется в нижний короб. Двигаясь по ситу нижнего короба, эта фракция снова делится на две: верхнюю и нижнюю.

Качающиеся грохоты по сравнению с барабанными отличаются более высокой производительностью и эффективностью, компактны и удобны в обслуживании.

Вибрационные грохоты. Классификация материала осуществляется и на вибрационных грохотах, у которых наклонное сито совершает частые колебательные движения при помощи вибратора; схема такого грохота представлена на рис. ХХ-6.

Вибрационные грохоты по сравнению с ранее рассмотренными типа­ми имеют ряд достоинств: меньшую засоряемость поверхности благодаря высокой частоте колебаний сита; высокую производительность и четкость разделения; возможность использования для разделения разнообразных материалов, в том числе и влажных; компактность и удобство в эксплуата­ции; сравнительно невысокий расход энергии.

Гидравлические центробежные классификаторы. Классификация твердых частиц по размерам гидравлическим способом с использованием центробежной силы может осуществляться таким же образом, как это от­мечалось ранее при описании работы гидроциклонов (см. гл. XIV).

Воздушные классификаторы. На рис. ХХ-7 показан центробежный воздушный сепаратор (классификатор). В центробежном воздушном клас­сификаторе на приводном валу1жестко закреплен разбрасывающий диск 3, с которым соединен вентилятор2,при помощи которого в классифика-

Рис. ХХ-5. Конструкция качающегося грохота с разносторонним уклоном сит;

1— опорная рама;2 —эксцентриковый вал; 3 — двигатель;4 —верхний короб с ситом; 5 — шатун;6— опоры; 7 — нижний короб с ситом

Рис. XX-6. Схема вибрационного грохота:

1 —корпус;2 —сито;3— дебалансы;4— вал

kiv

I"

Рис. ХХ-8. Схема воздушно-проходного сепаратора:

I — поворотные лопатки; 2 — внутренний конус; 3 — наружный конус. Потоки: / — воздух вместе с исходным сыпучим материалом; II — крупные частицы; III — средние частицы; IV — воздух вместе с мелкими частицами

Рис. XX-7. Схема центробежного воздушного сепаратора:

I— [I ри кодIIой кал вентилятора и ра з- брасывающего диска;2 —вентилятор;3— разбрасывающий диск;4— внутренняя ка­мера;5— жалюзийное распределительное устройство. Потоки. / — несходный сыпучий материал;II— мелкие частицы;IJI— круп­ные частицы

торе обеспечивается замкнутая циркуляция воздуха. Подлежащий разделе­нию материал непрерывно подается на вращающийся разбрасывающий диск 3,с которого под действием центробежной силы отбрасывается к стенкам внутренней камеры4. При движении материала по стенкам каме­ры через его слой продувают восходящий воздушный поток, выносящий к вентилятору мелкие частицы.

Крупные частицы из внутренней камеры отводятся через наклонный патрубок, а мелкие частицы отбрасываются лопатками вентилятора к на­ружным стенкам корпуса и через нижнее коническое днище выводятся из аппарата.

В воздушно-проходном сепараторе (рис. ХХ-8) подлежащий разделе­нию материал вносится потоком воздуха в кольцевое пространство сепара­тора между внутренним 2и наружным3конусами. Вследствие снижения скорости движения потока в этом сечении происходит отделение от пото­ка наиболее крупных частиц, которые в дальнейшем выводятся из сепара­тора. Мелкие частицы, двигаясь вместе с потоком воздуха, огибают верх­ний край внутреннего конуса и через поворотные лопатки1направляются

во внутренний конус 2.Интенсивность отделения частиц во внутреннем ко­нусе зависит от расположения лопаток; при тангенциальном их расположе­нии отделение происходит под действием центробежной силы, а при ради­альном расположении - под действием инерционных сил, обусловленных изменением направления потока. Средние по размеру частицы выводятся в нижней части внутреннего конуса, а более мелкие частицы вместе с воздухом выводятся через центральный патрубок.

ДОЗИРОВАНИЕ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

Под дозированием понимают отмеривание или отвешивание определенного количества (дозы) материала и перемещение этой дозы к рабочим органам машины или аппарата, выполняющего технологические операции. В нефтегазопереработке и нефтехимии дозирование материалов осуществляют при компаундировании товарных нефтепродуктов, приготов­лении масел, смазок, присадок; подаче реагентов, деэмульгаторов, ингиби­торов; каталитическом крекинге нефти; разделении и очистке газов; сушке дисперсных продуктов; получении полимерных материалов и в других тех­нологических процессах.

Дозирование материалов осуществляют с помощью механических и автоматических устройств, которые широко применяются в периодических и непрерывных технологических процессах. Величиной, характеризующей процесс дозирования, является расход дозируемого материала (объемный или массовый).

Дозатор, используемый на установке в качестве устройства для равно­мерной подачи материалов из бункеров к транспортирующим или перера­батывающим машинам и аппаратам, обычно называютсяпитателем.В не­которых производственных процессах питатели используются как про­стые, надежные и дешевые объемные дозаторы небольшой точности, они также выполняют функциюзапорного устройства.

Рассмотрим принцип действия питателей наиболее распространенных типов.

Шнековый питатель (рис. ХХ-9) представляет собой расположенный в корпусе непрерывно вращающийся шнек. Исходный материал поступает через загрузочную воронку 2, подхватывается шнеком и перемещается вдоль корпуса до разгрузочного патрубка5.

Производительность такого типа питателей регулируется изменением числа оборотов шнека. Подобный дозатор обеспечивает не только подачу материала, но и благодаря уплотнению перемещающегося шнеком мате­риала создает в аппарате затвор, разобщающий газовое пространство зон А и Б.

Шлюзовой питатель (рис. XX-10) состоит из корпуса1и вращающе­гося в нем ротора с ячейками 2, установленного на приводном валу3.Ис­ходный материал поступает в ячейки ротора и затем перемещается в на­правлении его движения до разгрузочного патрубка. Производительность таких питателей зависит от числа оборотов ротора. Ротор имеет коничес­кую форму и оснащен винтовым устройством, обеспечивающим передви­жение ротора относительно вала, что дает возможность изменять зазор между ротором и корпусом. При небольшом зазоре между корпусом и ро­тором такой аппарат обеспечивает хороший затвор.

Рис. XX-10. Схема шлюзового питателя:

/

Рис. XX-0. Схема шнекового питателя:

1 — вал; 2 — загрузочная воронка; 3 — шнек; 4 — корпус; 5 — разгрузочный патрубок

1— корпус;2 —ротор с ячейками;3 —привод­ной вал

Шлюзовой питатель предназначен для подачи хорошо сыпучих по­рошкообразных и зернистых материалов с размером гранул не более 10 мм, насыпной плотностью не более 1800 кг/м³при температурах от 5 до 250 °С. Применяется для установки под бункерами и на вертикальных уча­стках материалопроводов в качестве подающих устройств и шлюзовых за­творов.

Тарельчатый питатель (рис.XX-11) представляет собой вращающуюся тарелку, на которую подается исходный материал, сбрасываемый с по­верхности тарелки поворотным ножом.

Производительность такого питателя регулируется перемещением ци­линдра: при перемещении цилиндра вверх производительность питателя увеличивается и наоборот.

Тарельчатые питатели предназначены для подачи хорошо сыпучих зернистых материалов насыпной плотностью не более 1800 кг/м³при температурах от 5 до 100 °С. Допустимый размер грануД для разных модификаций тарельчатых питателей изменяется от 3 до 10 мм.

Рис. xx-ii. Схема тарельчатого питателя:

1— сбрасывающий поворотный нож;2 — манжета;3— приемный бункер;4— тарелка

*

Рис. XX-J 2. Схема плунжерного питателя:

1— плунжер;2 —эксцентрик;3— тяга;S —ход плунжера

Плунжерный питатель (рис. XX-12) состоит из конусной загрузочной воронки, горизонтального конуса для перемещения дозированного материала и плунжера 1,соединенного с эксцентриком2при помощи тяги

3. При вращении эксцентрика плунжер перемещается на расстояние S, вы­тесняя порцию дозированного материала из корпуса.

НАСТЬ ТЕПЛОВЫЕ ЧЕТВЕРТАЯ ПРОЦЕССЫ

ГЛШ XXI ТРУБЧАТЫЕ ПЕЧИ

Трубчатая печь является аппаратом, предназначенным для передачи нагреваемому продукту тепла, выделяющегося при сжигании топ­лива в топочной камере печи.

Трубчатые печи широко распространены в нефтегазоперерабатываю­щей, нефтехимической, коксохимической и других отраслях промышлен­ности, являются составной частью многих установок и применяются в раз­личных технологических процессах (перегонка нефти, мазута, пиролиз, ка­талитический крекинг, риформинг, гидроочистка, очистка масел и др).

Существуют различные конструкции трубчатых печей, отличающихся способом передачи тепла, количеством и формой топочных камер, числом секций (камер) в зоне радиации, относительным расположением осей фа­кела и труб, способом сжигания топлива, типом облучения труб, числом потоков нагреваемого продукта, расположением конвекционной камеры относительно радиантной, длиной радиантных и конвекционных труб.

Основными характеристиками трубчатых печей являются производи­тельность печи, полезная тепловая нагрузка, теплонапряженность поверх­ности нагрева и коэффициент полезного действия печи.

В промышленности применяют трубчатые печи с поверхностью нагрева радиантных труб 15 — 2000 м²Теплопроизводительность трубчатых печей различных конструкций изменя­ется от 0,12 до 240 МВт, а производительность по нагреваемой среде достигает 8 10⁵кг/ч. Тем­пература нагреваемой среды на входе и выходе из печи в зависимости от технологического процесса изменяется в диапазоне от 70 до 900 °С, а давление — от 0,1 до 30 МПа. Для трубча­тых печей КПД колеблется в пределах от 0,65 до 0,85,

ТЕПЛООБМЕН В ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ

Трубчатая печь имеет камеры радиации и конвекции. В камере радиации(топочной камере), где сжигается топливо, размещена ра­диантная поверхность (экран), поглощающая лучистое тепло в основном за счет радиации.

В камере конвекциирасположены конвекционные трубы, воспри­нимающие тепло главным образом при соприкосновении дымовых газов с поверхностью нагрева путем конвекции.

Нагреваемый продукт в печи последовательно проходит через конвекционные и радиантные трубы, поглощая тепло. Обычно радиантная поверхность воспринимает большую часть тепла, выделяемого в печи при сгорании топлива.

Лучистое тепло эффективно передается при охлаждении дымовых газов до 1000—1200 К. Снижение температуры дымовых газов до более низких значений часто бывает неоправданным, так как при этом радиантная поверхность работает с пониженной тепло напряжены остью поверхности нагрева и требуется значительно увеличить поверхность радиантных труб. Эффективность теплопередачи конвекцией в меньшей степени зависит от температуры дымовых газов. Конвекционная поверх­ность использует тепло дымовых газов и может обеспечить их охлаждение до температуры, при которой значение коэффициента полезного действия аппарата будет экономически оправданным.

Если наличие конвекционной поверхности для нагрева сырья не явля­ется обязательным или размеры этой поверхности могут быть существен­но уменьшены, то тепло дымовых газов может быть использовано для иных целей, например для подогрева воздуха или производства водяного пара. При небольшой производительности иногда применяют печи без конвекционной поверхности, более простые в конструктивном отноше­нии, но обладающие невысоким коэффициентом полезного действия.

Рассмотрим механизм процесса передачи тепла в печи, состоящей из двух камер с настильным пламенем. Характерной особенностью этой печи является наклонное расположение в низу печи форсунок (горелок), обеспе­чивающих соприкосновение факела с поверхностью стены, размещенной в середине камеры радиации (рис. XXI-1).

В топочную камеру этой печи при помощи форсунки вводится распы­ленное топливо, а также необходимый для горения нагретый или холодный воздух. Высокая степень дисперсности топлива обеспечивает его интенсив­ное перемешивание с воздухом и более эффективное горение.

Соприкосновение факела с поверхностью настильной стены обуслов­ливает повышение ее температуры; излучение происходит не только от факела, но и от раскаленной стены. Тепло, выделенное при сгорании топ­лива, расходуется на повышение температуры дымовых газов и частиц горящего топлива; последние раскаляются и образуют светящийся факел.

Температура, размер и конфигурация факела зависят от многих фак­торов и, в частности, от температуры и количества воздуха, подаваемого для горения топлива, способа подвода воздуха, конструкции и нагрузки форсунки, теплотворной способности топлива, расхода форсуночного па­ра, размера радиантной поверхности (степени экранирования топки) и др.

При повышении температуры воздуха увеличивается температура фа­кела, повышается скорость горения и сокращаются размеры факела. Раз­меры факела уменьшаются и при увеличении (до известного предела) коли­чества воздуха, поступающего в топку, так как избыток воздуха ускоряет процесс горения топлива. При недостаточном количестве воздуха факел получается растянутым, топливо полностью не сгорает, что приводит к по­тере тепла. Чрезмерное количество воздуха недопустимо вследствие повы­шенных потерь тепла с отходящими дымовыми газами и более интенсивного окисления (окалинообразования) поверхности нагрева.

Воздух, необходимый для горения топлива, подводят к устью форсунки, т.е. к началу факела. В некоторых форсунках топливо распыляется воздухом, который в этом случае вводится в топку совместно с топливом. В ряде конструкций во внутренней полости стен печей

Рис. XXI-1. Схема работы трубчатой печи с объемно­настильным сжиганием топлива:

1 —форсунка;2 —настильная стенка;3 —камера радиации (топочная камера);4— камера конвекции;5 —дымовая труба; 6 — змеевик конвекционных труб;7— змеевик радиантных труб;8 —футеровка. Потоки; / — вход сырья;II —выход сырья;III — топливо и воздух;IV —дымовые газы

размещается канал для подачи так называемого вторичного воздуха, позволяющий подводить необходимый для горения воздух по длине факела, что повышает температуру излучающей стенки и способствует более равномерной передаче тепла радиацией. В такой печи тепло излуче­нием передается от факела, излучающей стенки и трехатомных газов (дву­окись углерода, водяной пар, диоксид серы), обладающих избирательной способностью поглощать и излучать лучи определенной длины волны.

Часть лучей через пространство между трубами попадает на поверх­ность кладки, вдоль которой расположены эти трубы; эти лучи разогрева­ют кладку, и она, в свою очередь, излучает; при этом часть энергии погло­щается той частью поверхности труб, которая обращена к стенке кладки.

Настильная стена, а также прочие стены кладки, у которых располо­

жены трубы (экранированная часть кладки) или свободные от труб (неза- экранированные), принято называть вторичными излучателями.

Радиантные трубы получают тепло не только излучением, но также и от соприкосновения дымовых газов с поверхностью труб, имеющих более низкую температуру (теплопередача свободной конвекцией). Из всего коли­чества тепла, воспринятого радиантными трубами, значительная часть (85 — 90 %) передается излучением, остальное конвекцией.

Наружная поверхность труб в свою очередь излучает некоторое ко­личество тепла, т.е. имеет место процесс взаимоизлучения, однако темпе­ратура поверхности труб вследствие непрерывного отвода тепла сырьем, проходящим через радиантные трубы, значительно ниже температуры дру­гих источников излучения и поэтому в итоге взаимоизлучения через по­верхность радиантных труб сырью передается небольшое количество тепла.

В результате теплопередачи, осуществляемой в топочной камере, ды­мовые газы охлаждаются и поступают в камеру конвекции, где происходит их прямое соприкосновение с более холодной поверхностью конвекцион­ных труб (вынужденная конвекция).

В камере конвекции передача тепла осуществляется также за счет ра­диации трехатомных дымовых газов и от излучения стенок кладки. Наи­большее количество тепла в камере конвекции передается путем конвек­ции; оно достигает 60 — 70 % общего количества тепла, воспринимаемого этими трубами. Передача тепла излучением от газов составляет 20 — 30 %; излучением стенок кладки конвекционной камеры передается в среднем около 10 % тепла.

Основным фактором, предопределяющим эффективность передачи тепла конвекцией, является скорость движения дымовых газов, поэтому при конструировании трубчатых печей стремятся обеспечить ее наиболь­шее значение. Это достигается размещением минимального числа труб в одном горизонтальном ряду и выбором минимального расстояния между осями труб. Однако при повышении скорости дымовых газов в камере конвекции увеличивается сопротивление потоку газов, что и ограничивает выбор величины скорости. С другой стороны, сокращение числа труб в одном горизонтальном ряду приводит к увеличению высоты камеры конвекции. Это обстоятельство также предопределяет выбор допустимой скорости движения дымовых газов в камере конвекции.

Существенным фактором, влияющим на эффективность передачи тепла, является способ размещения труб в камере конвекции. При расположении труб в шахматном порядке в связи с более интенсивной турбулентностью потока дымовых газов и лучшей обтекаемостью ими труб тепло передается эффективнее, чем при расположении коридорным способом (рис. XXI-2). При одинаковой скорости движения дымовых газов шахматное расположение труб обеспечивает по сравнению с коридорным более эффективную (на 20 — 30 %) передачу тепла.

Уменьшение диаметра труб также способствует более интенсивной пе­редаче тепла как за счет лучшей обтекаемости труб, так и в связи с воз­можностью более компактного их расположения, позволяющего создать более высокие скорости дымовых газов.

Однако необходимо иметь в виду, что при уменьшении диаметра печ­ных труб увеличивается скорость сырья и, следовательно, повышается со­противление перемещению нагреваемого потока. Для снижения сопротив-

ления при применении печных труб меньшего диаметра движение нагрева­емого продукта, как правило, осуществляется двумя или несколькими па­раллельными потоками.

а

Рис. XXI-2. Схема движения дымовых газов при коридорном (а) и шахматном [6\ распо­ложении труб

Эффективность передачи тепла в камере конвекции может быть по­вышена путем оребрения наружной поверхности конвекционных труб, так как при этом увеличивается поверхность соприкосновения дымовых газов с трубами и обеспечивается передача большого количества тепла.

Передача тепла конвекцией зависит также от температурного напора, т.е. от разности температур между дымовыми газами и нагреваемым сырь­ем. Обычно величина температурного напора убывает в направлении дви­жения дымовых газов. Так, при повышении температуры сырья на один градус дымовые газы охлаждаются на пять — семь градусов. Наибольший

температурный напор в камере конвекции наблюдается при входе дымо­вых газов в камеру, а наименьший при их выходе. Количество тепла, по­глощаемого конвективными трубами, убывает также в направлении движе­ния дымовых газов.

Доля тепла, передаваемого излучением в камере конвекции, значитель­но меньше, чем в камере радиации, как вследствие более низкой темпера­туры дымовых газов, так и из-за меньшей толщины излучаемого газового потока. Эффективная толщина газового слоя в камере конвекции предо­пределяется расстоянием между смежными рядами труб. Снижение темпе­ратуры дымовых газов в направлении их движения, естественно, вызывает также и уменьшение передачи тепла излучением от них.

Конвекционные трубы, расположенные в первых рядах по ходу ды­мовых газов, получают больше тепла как за счет конвекции, так и за счет излучения и поэтому в отдельных случаях их теплонапряженность может быть выше теплонапряженности радиантных труб.

ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ТРУБЧАТЫХ ПЕЧЕЙ

Основными показателями, характеризующими работу трубчатой печи, являются полезная тепловая нагрузка, теплонапряженность поверхности нагрева и топочного пространства, коэффициент полезного действия печи.

Важнейшей характеристикой печи является полезная тепловая нагруз­ка,т.е. количество тепла, воспринимаемого сырьем в печи. Тепловую на­грузку печи измеряют в кВт или кДж/ч. На ряде действующих нефтепере­рабатывающих заводов эксплуатируются трубчатые печи с полезной тепло­вой нагрузкой от 10 до 20 МВт. На высокопроизводительных установках тепловая мощность печей составляет 50 — 80 МВт.

Важным показателем, характеризующим работу трубчатой печи, явля­ется теплонапряженность поверхности нагрева, илиплотность теплового потока,т. е. количество тепла, переданного через 1 м²поверхности нагре­ва в единицу времени (Вт/м²).

Различают среднюю теплонапряженность труб всей печи, среднюю теплонапряженность радиантных и конвекционных труб, а также теплона­пряженность отдельных участков труб (локальная теплонапряженность). Значение тепловой напряженности поверхности нагрева характеризует, на­сколько эффективно передается тепло через поверхность нагрева всей пе­чи или отдельных ее частей. Чем выше средняя теплонапряженность по­верхности нагрева всей печи, тем меньше размеры печи, обеспечивающей передачу заданного количества тепла и, следовательно, тем меньше затраты на ее сооружение.

Однако чрезмерно высокая теплонапряженность поверхности нагрева может нарушить нормальную работу печи и привести к прогару труб. По­дробнее вопрос о значении допустимой теплонапряженности и факторах, от которых зависит это значение, будет рассмотрен в дальнейшем.

Тепловая напряженность топочного пространствахарактеризует ко­личество тепла, выделяемого при сгорании топлива в единицу времени в единице объема топки (Вт/м³). Эта величина в известной мере характери-

зует эффективность использования объема топки. Размеры топки труб­чатых печей во многих случаях зависят не от значения допустимого удель­ного тепловыделения, а от конструктивных особенностей печи и допу­стимого значения теплонапряженности поверхности нагрева радиантных труб. В трубчатых печах теплонапряженность топочного пространства обычно составляет 40 — 80 кВт/м³, тогда как в паровых котлах, где объем топочного пространства в основном предопределяется условием полного сгорания топлива, это значение намного больше (600 — 2000 кВт/м³).

Коэффициент полезного действиятрубчатой печи есть величина, ха­рактеризующая полезно используемую часть тепла, выделенного при сгора­нии топлива. При полном сгорании топлива эта величина зависит главным образом от коэффициента избытка воздуха, температуры дымовых газов, выходящих из печи, а также от степени тепловой изоляции трубчатой пе­чи. Снижение коэффициента избытка воздуха так же, как и понижение температуры отходящих дымовых газов, способствует повышению коэф­фициента полезного действия печи. При подсосе воздуха через неплотнос­ти кладки коэффициент избытка воздуха повышается, что приводит к сни­жению коэффициента полезного действия печи. Для трубчатых печей зна­чение коэффициента полезного действия находится в пределах от 0,65 до 0,85.

РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

Все вопросы, связанные с расчетом процессов горения, из­ложены в различных курсах по технологии топлив и в справочниках. По­этому здесь приведены лишь некоторые формулы и данные, необходимые для дальнейшего изложения материала.

Введем следующие обозначения:

С, Н, N, О,SиW —содержание различных элементов и влаги (W) в топливе, % (масс.);

L_qи V_q— теоретический расход воздуха соответственно в кг и м³, не­обходимый для сгорания 1 кг топлива;

а— коэффициент избытка воздуха;

14/ф — расход форсуночного пара, кг/кг;

G —количество дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива, кг/кг;

V_T —объем дымовых газов, образующихся от сгорания 1 кг топлива при теоретическом расходе воздуха при нормальных физических условиях, м³/кг;

V— объем дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива при фактическом расходе воздуха при нормальных физических условиях, м³/кг;

т_С02,^ШН20- ^/tin₂' ^т02^{и m}so2~количество соответствующих газов, об­разовавшихся при сгорании 1 кг топлива, кг/кг.

Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива,

io= 0,115С+ 0,345Н + 0,043(S- О).

Тот же расход воздуха, выраженный в м³при нормальных физичес­ких условиях,

V₀ = 0,089С + 0,267Н + 0,033 (S—О).

Фактический расход воздуха

L = L₀ а.

Количество дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива, G= 1 +LqCl+W^.

Объемы дымовых газов, образующихся при сгорании1 кг топлива в нормальных физических условиях при теоретическом и фактическом расходах воздуха, соответственно

у_т=у₀- 0,056

'н-й'

+

S)

9Н+ W + 1001Уф 80,5

v= V_T +(а - 1)Vo*

Количество газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива, Я7_Со₂ =0,0367С;

Л1н₂о = 0,09Н + 0_|0ПУ + %;

m_N2= 0,768L₀a;

m₀₂= 0,232L₀(a-1);

m_S02= 0.02S.

Объем дымовых газов при любой температуре t у ₌у 1±2ТА

^v i ^v 0

273

Плотность дымовых газов при нормальных физических условияхРо =G/V.

Плотность дымовых газов при температуре t

Р( ^_Ро

273 t + 273

Коэффициент избытка воздуха принимают равным: для газомазутных форсунок с паровым распылом 1,3—1,4, при воздушном распыле 1,2—1,3. При сжигании газообразного топлива в специальных панельных горелках полное и беспламенное горение обеспечивается при низком коэффициенте избытка воздуха, составляющем 1,02—1,10.

Вследствие неплотностей печной кладки выше зоны горения имеет ме­сто подсос воздуха, поэтому в дымовых газах, покидающих печь, коэффи­циент избытка воздуха а выше приведенных значений на 0,05 — 0,10.

Процесс горения топлива может быть рассчитан и в мольных едини­цах (кмоль/кг). Для этой цели используются следующие уравнения:

м

С0₂-ь302

+

100- 12 100- 32

^Мн₂о ~

Н

+

W

W

100 2 100-18

+

ф .

18

М

N2+ 02

У₀(ос - 0, 21) 22,4

где М_Со₂₊502■Af_N2+o₂^—соответственно число киломолей

С0₂+S0₂, Н₂0 иN₂+ 0₂, образующихся при сгорании 1 кг топлива с фактическим количеством воздуха; остальные обозначения имеют прежний смысл.

В случае газообразного топлива для расчета процесса горения могут быть использованы все приведенные выше уравнения.

Элементарный состав газообразного топлива может быть вычислен из следующих уравнений:

С=12£

Cj^Ai _ 12

М.

М

ⁿHj^Xi 1

»N,*, _ 14

Пс. X

т

S =32^

S ,-^А1 32

М. М

Sⁿs,^x'^;

О =1б£

^по,^х- _ 16

М. М„

Е^ЛоХ'п

N = 14£

М

n_N.x, ,

т

где л<~, л_н., л₅., л₀, иn_N/— соответственно число атомов углерода, водоро­да, серы, кислорода и азота -в молекулах отдельных компонентов, входя­щих в состав газообразного топлива; х, их' — содержание соответствую­щих компонентов (метан, этан и др.) в газообразном топливе, % (масс.) и % (объемн.) или % (мол.); М, — молекулярная масса компонентов топлива;М_т— средняя молекулярная масса газа.

Энтальпия продуктов сгорания. При расчете трубчатых печей часто бывает необходимо определить энтальпию продуктов сгорания, образую­щихся при сжигании одного килограмма топлива:

H_t ⁼(П7_с02С_с02+тн20^Н₂0 +^SO^SO? ^{+ Л1}о₂ Оэ₂К'

где С_со₂, С_Н2о,C_So₂,C_N2,Cq₂— средние массовые теплоемкости при по­стоянном давлении этих же газов в пределах температур, считая от 0 °С (273 К) доt,кДж/(кг • К).

Если расчет производится в мольных единицах, то энтальпия продук­тов сгорания вычисляется по уравнению

⁼(^С02+502^С02 'S0₂⁺+ ^Ы₂+О₂0^2₊О₂

где C_cc,_2+scb,С_И20,C_N+02— средние мольные теплоемкости этих газов, кДж/(кмоль - К).

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС

Тепловой баланс трубчатой печи можно составить, при­нимая в качестве начальной температуры любое значение, например О °С. Тепловой баланс составляется применительно к некоторому отрезку времени, например к 1 ч или ко времени, в течение которого сжигается 1 кг топлива.

Приход.Рассмотрим приходные статьи теплового баланса (в кДж/кг) трубчатой печи при сжигании 1 кг топлива.

1. Основным теплом, вносимым в печь, является тепло, выделяемое

при сгорании топлива (теплотворная способность топлива), О”.

2. Второй приходной статьей является явное тепло топлива, равное произведению теплоемкости топлива С_т(в кДж/кг-К) на его температуруt_T (в К), т. е.C_Tt_r.

3. Следующей статьей является тепло, вносимое в топку с воздухом, aL₀С_вС' где С_ви /_в— соответственно теплоемкость и температура воздуха.

4. Последней приходной статьей теплового баланса будет тепло форсуночного пара W^C_Bnt_Bn,где С_впиt_Bll —соответственно теплоемкость и температура водяного пара.

Суммируя все статьи теплового баланса, получаем

О_прих= О" +C_Tt_T+aL₀C_Bt_B+ И/фС_{в n}t_{B п}.

Явное тепло топлива, воздуха и водяного пара обычно невелико и им часто пренебрегают, за исключением тех случаев, когда воздух, поступаю­щий на горение, подогрет и вносит в печь сравнительно большое количест­во тепла.

Если воздухоподогреватель отсутствует, то О «О^н.

^прих ^ р

Расход.Расходные статьи теплового баланса (в кДж/кг) следующие:

1. Тепло, полезно воспринятое в печи сырьем, а при наличии паропе­регревателя и водяным паром, д_пол.

2. Тепло, теряемое с уходящими из печи дымовыми газами, q_ух.

3. Тепло, теряемое в окружающую среду, д_пот.

4. Тепло, теряемое вследствие механического и химического недожога топлива, q_H. В случае жидкого и газообразного топлива эти потери обычно незначительны и при расчете их можно не учитывать.

Суммируя все расходные статьи теплового баланса, имеем

^расх ^пол Ту* ^"Тпот*

Расход тепла равен приходу, т.е.

откуда

прих

я

Разделив левую и правую части уравнения (XXL1) на теплотворную способность топлива с учетом О_прих~ О” получим

(XXI.2)

Так как отношение количества полезно воспринятого тепла д_полко всему теплу О_рестькоэффициент полезного действияпечиг\,то уравнение (XXI.2) может быть записано:

(XXI.3)

пот

или

О,

= Ч_пм+Яу_Х+Я

пот'

Следовательно, для определения значения г\надо знать потери тепла с отходящими дымовыми газами д_ухи в окружающую среду д_пот.

Потери тепла в окружающую среду зависят от поверхности кладки печи, степени тепловой изоляции кладки, температуры окружающего воздуха и других факторов.

Значение потерь можно вычислить после выбора конструкции и основных размеров печи. Потери тепла в трубчатых печах составляют 3 — 5 %. Нижний предел соответствует печам большой тепловой мощности, верхний — печам малой мощности.

Температура отходящих дымовых газов tвыбирается на основании следующих соображений. Эта температура должна быть выше температу­рыf, сырья, поступающего в камеру конвекции. Необходимо учитывать, что чем выше разность температур— t_uтем более эффективно в каме­ре конвекции передается тепло и, следовательно, тем меньшая потребуется поверхность конвекционных труб. Однако при увеличении температуры отходящих дымовых газов возрастают потери тепла и снижается коэффи­циент полезного действия печи, т.е. повышается расход топлива.

Для правильного выбора температуры отходящих дымовых газов необходим технико­экономический расчет Следует сопоставить экономию затрат, связанную с уменьшением расхода топлива при понижении температуры отходящих газов, с дополнительными затрата­ми, связанными с увеличением стоимости печи вследствие роста поверхности конвекцион­ных труб при понижении температуры дымовых газов.

Подобные технико-экономические расчеты сравнительно сложно выполнить, поэтому температуру отходящих дымовых газов часто принимают, руководствуясь накопленным опы­том эксплуатации трубчатых печей. Обычно рекомендуется принимать температуру уходящих из печи дымовых газов на 100— 150 °С выше температуры сырья, поступающего в конвекци­онную часть печи.

При естественной тяге температура отходящих дымовых газов влияет на работу дымо­вой трубы. При снижении температуры дымовых газов тяга ухудшается, т.е. требуется боль­шей высоты дымовая труба.

Опыт работы показывает, что при естественной тяге температура отходящих дымовых

газов не должна быть ниже 250 °С. При более низкой температуре газов трудно обеспе­чить нормальную работу печи и требуется создание искусственной тяги, т.е. применение ды­мососов.

Если начальная температура сырья сравнительно высокая, то для уменьшения потерь тепла с отходящими дымовыми газами и повышения КПД печи тепло отходящих дымовых га­зов используют, например, для получения водяного пара (путем установки котла-утилизато­ра) или подогрева воздуха. Таким образом, выбрав температуру газов, поступающих в дымо­вую трубу, определяют количество тепла qи, задавшись значением потерь тепла в окружа­ющую средуq_lun,определяют по уравнению (XXI.3) коэффициент полезного действия печи.

ПОЛЕЗНАЯ ТЕПЛОВАЯ НАГРУЗКА ПЕЧИ И РАСХОД ТОПЛИВА

В общем случае тепло, сообщаемое в печи, идет на нагрев сырья, частичное или полное его испарение и на компенсацию эндотерми­ческого эффекта реакции, если в трубах печи происходит химическое пре­вращение.

Кроме того, в некоторых печах в камере конвекции устанавливают пароперегреватель, тогда в полезную тепловую нагрузку входит и количество тепла, идущее на нагрев и подсушку водяного пара.

Количество тепла, воспринимаемое в печи сырьем,

^еН<г ⁺ 0 “ ^е)^Л'2 ⁺ “ ^Л».

I

где G_c— количество сырья, проходящего через печь, кг;t_xиt₂ — температуры сырья соответственно на входе и выходе из печи, К; е — массовая доля отгона на выходе сырья из печи; Р — количество продуктов реакции в долях от исходного сырья;q_p —тепловой эффект реакции на 1 кг продуктов реакции, кДж/кг; /^₍,!ц₂, иН,₂ —соответственно энталь­пия сырья на входе в печь, неиспарившейся жидкости и паров при выходе из печи, кДж/кг.

Зная количество тепла Q_c, сообщаемого в печи, и коэффициент полез­ного действияг],можно определить расход топлива:

ОрП

где О” — рабочая теплотворная способность топлива.

ПОГЛОЩЕНИЕ ТЕПЛА ПУЧКОМ РАДИАНТНЫХ ТРУБ

Поглощение поверхностью радиантных труб тепла излуче­ния происходит неравномерно. Причину и характер неравномерности рас­смотрим на примере двухрядного экрана при размещении труб в шахмат­ном порядке (рис. XXI-3).

При большом отношении длины трубы к ее диаметру угол видимости топочного пространства для любой точки трубы примерно соответствует значению плоского угла, ограниченного крайними лучами и расположенно­го в плоскости, перпендикулярной к оси трубы. Так, для точки Аугол ви-

Рис. XXI-3. Схема, иллюстри­рующая поглощение тепла пуч­ком радиантных труб

димости топочного пространства ограничен с одной стороны касательной АВ, а с другой стороны лучомАС,т. е. угломВАС.

В соответствии с законом Ламберта интенсивность лучей, попадающих в точку А,будет различной: максимальную интенсивность /₀имеет луч, пер­пендикулярный к касательной в токеА.ЛучАС,падающий под углом а, обладает меньшей интенсивностью, равнойz₀cosa.

Путем элементарных преобразований можно показать, что для точки Аугловой коэффициент

ф_А= (l+sina)/2.

Коэффициент ф может быть подсчитан как отношение ф_л=ВК/ВЕ. ТочкаM_tлежащая на нижней образующей, имеет угол видимости равный 180° и, следовательно, для нее ф = 1.

Точка Рповерхности трубы (см. рис.XXI-3) невидима со стороны топочного пространства и, следовательно, не будет поглощать тепло излу­чением непосредственно из топки; для этой точки угловой коэффициентФ = 0. Подобным способом может быть определена интенсивность погло­щения тепла любой точкой, лежащей на наружной поверхности трубы.

Если в прямоугольных координатах на оси абсцисс отложить значение периметра трубы, а на оси ординат значение углового коэффициента ф для некоторых произвольных точек поверхности трубы, то получим кривую, представленную на рис. XXI-4.

Согласно этому графику, количество тепла, поглощенного нижним рядом радиантных труб, различно для различных участков этих труб. Наибольшее количество тепла поглощается в точке М, а затем эта величина уменьшается влево и вправо от точкиМ.

Если взять прямоугольник площадью равновеликой площади заштрихованной фигуры (см. рис. XXI-4), то высота этого прямоугольника равна среднему значению коэффициента ф_срдля всей трубы.

Значение среднего углового коэффициента ф_српозволяет определить размер плоской поверхности, эквивалентной данной трубе по количеству поглощенного тепла. Так, в нашем случае размер плоской поверхности, эквивалентной трубе по количеству тепла, поглощенного из топочного пространства,

Рис. XXI-4. Кривая изменения углового коэффициента по длине окружности трубы

Л_д= ф_срndl,

где d,1—соответственно диаметр и длина трубы.

Итак, труба, имеющая фактическую поверхность / = nd}_tв данных условиях воспринимает столько же тепла, сколько и плоская поверхность

к

Из аналогичных графических построений (см. рис. XXI-3) следует, что радиантные трубы, расположенные во втором ряду и менее освещенные, получают из топки меньше тепла, чем нижний ряд радиантных труб. Так, для точкиN,расположенной аналогично точкеМнижней трубы, значение утла видимости, ограниченного лучамиFNиHN,намного меньше угла видимости для точкиМ,равного 180°.

Подобная графическая интерпретация наглядно показывает нерав­номерность поглощения тепла из топки не только в пределах поверхности одной трубы, но и для разных труб, принадлежащих верхнему и нижнему рядам.

Из построения (см. рис. XXI-3) следует также, что некоторые лучи, исходящие из топочного пространства, пройдут между трубами и поглотятся непосредственно сводом печи (луч RS).Свод, обладающий высокой степенью черноты, поглощает тепло и вследствие значительной толщины свода и хорошей его изоляции нагреется и начнет в свою очередь излучать тепло.

Энергия, излучаемая сводом, частично поглощается верхними и нижними рядами труб; поток лучей от свода обратен по направлению потоку лучей из топки. При этом точка Dверхнего ряда труб по отношению к потоку лучей, отходящих от свода, находится в тех же условиях, что и точкаМнижнего ряда по отношению к потоку лучей из топки.

Это, .так называемое обратное излучение свода в некоторой степени выравнивает тепловую нагрузку радиантных труб, однако неравномерность поглощения тепла различными участками верхнего и нижнего рядов радиантных труб по-прежнему сохраняется, так как вследствие более высокой температуры в топке интенсивность потока лучей из топки значительно выше интенсивности потока лучей от свода.

Из схемы (см. рис. XXI-3) видно, что распределение поглощенного тепла между верхним и нижним рядами труб, а также неравномерность поглощения тепла для каждой данной трубы зависят от расстояния между трубами. Чем меньше эта величина, тем меньше тепла поглотят верхние радиантные трубы и тем меньше роль обратного излучения от свода.

Для определения размера плоской поверхности Н_л,эквивалентной по количеству поглощенного тепла пучку радиантных труб, а также для нахождения степени неравномерности тепла, поглощаемого различными

участками труб, удобно пользоваться графиком, составленным Хоттелем (рис. XXI-5), где по оси абсцисс отложено отношениетрасстояния между центрами труб к диаметру трубы, т.е. расстояние между осями двух смеж­ных труб, выраженное числом диаметров труб. По оси ординат отложенфактор формы К,показывающий отношение количества тепла, поглощен­ного пучком радиантных труб, к количеству тепла, поглощенного при прочих равных условиях плоской поверхностью, который по значению равен заэкранированной поверхности кладки. Так, если фактор формыК= 0,88, то данный пучок радиантных труб поглощает 88 % количества тепла, которое при тех же условиях поглотила бы заэкранированная по­верхность кладки.

Каждая из шести кривых (см. рис. XXI-5) представляет зависимость фактора формыКот расстояния между центрами труб и числа рядов труб при прямом излучении топки, обратном излучении свода и суммарном излучении.

В табл. XXL1 приведены значения фактора формыК, определенные по графику Хоттеля при расстоянии между осями труб, равном 2d.

Данные этой таблицы позволяют сделать следующие выводы:

1. Двухрядный экран поглощает тепла в 0,98:0,88 = 1,11 раза больше, чем однорядный экран, при этом поверхность радиантных труб увеличивается почти в 2 раза.

Вследствие высокой стоимости труб в общей стоимости печи размещение радиантных труб в два ряда при одностороннем облучении нецелесообразно. Такое расположение радиантных труб оправдывается только в отдельных случаях.

2. При размещении радиантных труб в два ряда поглощенное тепло неравномерно распределяется между верхним и нижним рядами труб. Доля тепла, поглощенного верхним и нижним рядами труб в отдельности, по от­ношению к количеству тепла, поглощенного обоими рядами, соответствен­но составит:

Рис. XXI-5. График Хоттеля для определения фактора формыК:

\— общее количество тепла, переда­ваемого двум рядам;2 —то же, од­ному ряду (всего один ряд);3—

количество тепла, передаваемое ниж­нему ряду (всего два ряда); 4— пря­мое и злучение, передаваемое нижне­му ряду; 5 — общее количество

тепла, передаваемого верхнему ряду (всего два ряда); 6 —прямое излу­чение, передаваемое верхнему ряду (всего два ряда)

Значение фактора формы К

для нижнего ряда • 100 = 69,4 %;

0,98

для верхнего ряда • 100 = 30,6 %.

0,98

Таким образом, нижний ряд труб поглощает тепла в 0,68:0,30 = 2,27 раза больше, чем верхний. Эту неравномерность поглощения тепла необ­ходимо учитывать при размещении труб в два ряда.

Располагая значением фактора формы К,можно определить эквива­лентную плоскую поверхность Я_л. Выше было отмечено, что фактор фор­мыКравен отношению количества тепла, поглощенного пучком радиант­ных труб, к количеству тепла, поглощенному заэкранированной поверхно­стью кладки при тех же условиях. Отношение количеств тепла может быть заменено отношением поверхностей, т, е.

К= Я_л/Я,

где Я_л— эквивалентная плоская поверхность; Я — заэкранированная поверхность кладки.

Отсюда следует, что

Яд = кя

При двустороннем облучении радиантных труб значение фактора формы Ктакже может быть оценено с помощью графика Хоттеля. Так, при двухрядном экране для ближайшего к форсунке рядаК_{ =0,66, для второго рядаК₇ —0,22, а с учетом освещенности с двух сторонК= = 2(0,66 + 0,22) = 1,76.

Таким образом, при сравнении двустороннего освещения с односторонним (размещение труб у стен) двухрядный экран обеспечивает в 1,76 : 0,98 = 1,8 раза большую передачу тепла.

Двустороннее облучение однорядного экрана дает фактор формы К= = 2 • 0,66 = 1,32.

При двустороннем облучении двухрядное расположение труб дает уве­личение количества поглощенного тепла в 1,76:1,32 = 1,33 раза по сравне­нию с однорядным, хотя число труб различается в 2 раза.

Еще раз отметим, что приведенные выше цифры справедливы, когда расстояние между осями труб равно 2d,при другом размещении труб чис­ленные значения фактора формы несколько изменяются (см. рис.XXI-5).

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПЕЧЕЙ

В промышленности применяется большое число различных конструкций и типоразмеров трубчатых печей. При выборе печи в основ­ном следует учитывать вид топлива (газовое или комбинированное); требо­вание технологического процесса к расположению труб камеры радиации (горизонтальное или вертикальное); необходимость дифференциального подвода тепла к трубам камеры радиации; количество регулируемых пото­ков; время пребывания продукта в печи или камере радиации. В настоя­щем кратком обзоре нет необходимости характеризовать печи всех изве­стных типов. Рассмотрим только печи основных типов, имеющих широ­кое распространение.

На действующих установках нефтегазопереработки широко распрост­ранены шатровые печи и печи беспламенного горения, которые в настоя­щее время отнесены к печам устаревшей конструкции.

Шатровые печи (рис. XXI-6), имеющие две камеры радиации с на­клонным сводом и одну камеру конвекции, расположенную в центре печи, применяются на установках АВТ производительностью 1,5 —3,0 млн. т/год. Нагреваемое сырье поступает в конвекционную камеру и двумя потоками проходит через трубы. В печи имеются муфели, в которых размещаются форсунки. Горение топлива практически завершается в муфельном канале, и в топку поступают раскаленные продукты сгорания. Двухскатные печи шатрового типа имеют серьезные недостатки: они громоздки, металлоем­ки, КПД их не превышает 0,74, теплонапряженность камер низкая, дымо­вые газы покидают конвекционную камеру при сравнительно высокой температуре (450 —500 °С).

В 60-е годы на АВТ и других технологических установках начали ши­роко применяться печи беспламенного горения с излучающими стенками (рис. XXI-7). Беспламенные панельные горелки1расположены пятью ряда­ми в каждой фронтальной стене камеры радиации. Каждый горизонталь­ный ряд имеет индивидуальный газовый коллектор, что создает возмож­ность независимого регулирования теплопроизводительности горелок одно­го ряда и теплопередачи к соответствующему участку радиантного экрана2.Существует пять типов печей с излучающими стенками, тепловая мощность которых изменяется от 8,9 до 26,7 МВт. Конструктивно печи отличаются между собой в основном длиной труб, которая в зависимости от тепловой мощности изменяется от 6 до 18 м. Дымовые трубы печей расположены в верхней части, дымовые газы направляются снизу вверх. Печи работают на газообразном топливе, причем газы должны иметь постоянный углеводородный соотав, что является серьезным недостатком печей.

В печи предусмотрена возможность работы на резервном жидком и газовом (газ, содержащий конденсат) топливе. Для этого в поду камеры

5 4

3

2

1

Рис. XXI-6. Схема двухкамерной печи с наклонным сводом:

4 — муфели

) — конвекционная камера; 2 — подовый экран радиантной камеры форсунки

Рис. XXI-7. Трубчатая печь бес­пламенного горения с излучаю­щими стенками:

1— беспламенные панельные

горелки; 2— змеевик радиант­ных труб;3 —змеевик кон­векционных труб;4— футеров­ка; 5 — каркас;6—выхлопное окно; 7 — смотровое окно;8— люк-лаз;9 —резервные

горелки

9

8

радиации вдоль излучающих стен установлены резервные газомазутные горелки 9.Факелы этих горелок настилаются на поверхность панельных горелок и образуют сплошное зеркало излучения. При этом первичный воздух подается к горелкам в поду через регистры с шиберами, а вторичный — по высоте настила факела через смесители отключенных панельных горелок. Печи беспламенного горения компактны, мало­габаритны.

В совершенствование и конструирование трубчатых печей нового типа, повышение их эффективности, типизацию и стандартизацию печного оборудования большой вклад сделан ВНИИнефтемашем, который создал и осуществил внедрение в промышленность трубчатых печей ряда типов, по которым издан каталог, позволяющий выбрать конструкцию и размеры типовой трубчатой печи для соответствующего технологического процесса.

При составлении каталога были приняты следующие условные обозначения: первая буква— конструктивное исполнение (Г — трубчатые печи с верхним отводом дымовых газов и горизонтальными радиантными трубами;В — трубчатые печи с верхним отводом дымовых газов и вертикальными радиантными трубами;Ц — цилиндрические трубчатые печи с верхней камерой конвекции; К — цилиндрические трубчатые печи с кольцевой камерой конвекции; С — секционные трубчатые печи);вторая буква— способ сжигания топлива (С — свободный факел; Н - настильный факел; Д — настильный факел с дифференциальным подводом воздуха по высоте факела). Цифра, стоящая после буквенного обозначения, означает число радиантных камер или секций, при отсутствии цифры печь однокамерная или односекционная.

Печи типа ГС — коробчатые с верхним отводом дымовых газов, горизонтальным расположением труб в радиантной и конвекционной камерах и свободного вертикального сжигания комбинированного топлива (рис.XXI-8). Горелки расположены в один ряд в поду печи. Обслуживание горелок производится с одной стороны печи, что позволяет устанавливать рядом две камеры радиации (рис.XXI-9, печи типа ГС2 ).

Печи типа ГС применяются на установках атмосферной и вакуумной перегонки нефти, вторичных процессов.

Печи типа ГС2 предпочтительны на установках замедленного коксования, крекинг-процессов, где требуется нагрев нефтепродуктов с низкими значениями теплонапряженности поверхности нагрева (29 кВт/м²)

Печи типа ГН — коробчатые с верхним отводом дымовых газов, горизонтальным настенным или центральным трубным экраном и объемно-настильного сжигания комбинированного топлива (вариант I) или настильного сжигания газового топлива на фронтальные стены (вариант II).

При исполнении печи по варианту I горелки расположены в два ряда на фронтальных стенах под углом 45° (рис. XXI-10). По оси печи расположена настильная стена, на которую направлены горящие факелы. Печь ГН2 имеет две камеры радиации и применяется для процессов, требующих "мягкий" режим нагрева (установки замедленного коксования, крекинг-процессы).

По варианту II горелки расположены ярусами на фронтальных стенах, а двухрядный горизонтальный экран — по оси печи. Тепло к экранам передается от фронтальных стен, на которые настилаются факелы веерных горелок. Данный тип печи предназначен для реконструкции существующих печей беспламенного горения, а также в процессах средней производительности, обеспеченных газовым топливом, в том числе с большим процентом водорода.

Печи типа ВС — узкокамерные секционные с верхним отводом

Рис. XXI-8. Схема трубчатой печи типа ГС:

/ — горелка; 2 — змеевик радиантных труб; 3 — змеевик конвекционных труб; 4 — воз­духоподогреватель; 5 — дымовая труба; 6 — лестничная площадка; 7 — футеровка; 8 — каркас

Рис. XXI-9. Конструкция трубчатой печи типа ГС2:

1— горелка; 2 — змеевик радиантных труб;3 —каркас;4— футеровка;5— змеевик конвекционных труб; 6 —

1

лестничная площадка; 7 — дымовая труба

5

4

3

2

7

I

Рис. ХХЫО. Схема трубчатой печи типа ГН:

5

-В

в-

1— горелка;2 —змеевик радиантных труб;3— настильная стенка;4— змеевик конвекционных труб; 5 — дымовая труба; 6 — лестничная площадка; 7 — футеровка;8— каркас

6

7

8

Рис. XXI-11. Конструкция трубча­той печи типа ВС:

1 —камера конвекции;2— змее­вик радиантных труб;3— взрыв­ное окно;4, 7— гляделка;5 — футеровка;6— каркас;8 —горел­ка;9 —лестничная площадка;10 — дымовая

Рис. XXI-12. Конструкция труб­чатой печи типа ЦС:

1— горелка;2— змеевик ра­диантных труб;3— каркас;4— футеровка; 5 — змеевик кон­векционных труб. Потоки: / — продукт на входе;II— продукт ма выходе

t t-///

Рис. XXI-13. Конструкция печи типа ЦД4:

1— камера конвекции;2 — выхлопное окно; 3 — смот­ровое окно;4 —змеевик

радиантных труб; 5 — футе­ровка; 6 —каркас; 7 — ка­мера для подвода вторичного воздуха;8 —футеровка

рассекателя-распределителя;

9 —воздуховод;10— рассе­катель -распределитель;11 — горелка;12 -воздуходувка. Потоки:1— продукт на

входе; 11- продукт на

выходе; III— дымовые газы

А-Л

7

Рис. XXI-14. Конструкция печи типа КС:

1 —горелка;2 —змеевик радиантных труб;3 —змеевик конвекционных труб;4 —каркас; 5 — футеровка;в— воздухоподогреватель; 7 - шибер. Потоки:I —продукт на входе; 77 — продукт на выходе; 777 — дымовые газы

дымовых газов и вертикальными трубами змеевика (рис. XXI-11). Производительность каждой секции10—17МВт. Вертикальные трубы радиантного змеевика расположены у всех четырех стен камеры. Газомазутные горелки расположены в поду камеры, обслуживание горелок с двух сторон. Предусмотрены четыре типоразмера этих печей, каждый типоразмер отличается количеством одинаковых камер радиации.

Над камерой радиации расположена камера конвекции прямо­угольного сечения с горизонтальными гладкими трубами. У многосекцион­ных трубчатых печей камеры радиации отдельных секций объединены в общем корпусе. Смежные секции отделены одна от другой двумя рядами труб радиантного змеевика двустороннего облучения. В крайних секциях у стен радиантные трубы размещены в один ряд.

Печи типа ВС установлены на установках ЛК-б-У, применяют на установках АТ, вторичной переработки и т.д.

Печи типа СС — секционные с горизонтально расположенным змеевиком, отдельно стоящей конвекционной камерой, встроенным воздухоподогревателем и свободного вертикально-факельного сжигания топлива. Трубный змеевик каждой секции состоит из двух или трех транспортабельных пакетов заводского изготовления. Змеевик каждой секции самонесущий и устанавливается непосредственно на поду печи.

Печи типа ЦС — цилиндрические с пристенным расположением труб змеевика в одной камере радиации и свободного вертикально-факельного сжигания комбинированного топлива. Печи выполняются в двух вариантах: без камеры конвекции и с камерой конвекции (рис.XXI-12).

Цилиндрическая камера радиации установлена на столбчатом фундаменте для удобства обслуживания газовых горелок, размещенных в поду печи. Радиантный змеевик собран из вертикальных труб на приваренных калачах; в центре пода печи установлена газомазутная горелка. Змеевики упираются на под печи, вход и выход продукта осуществляется сверху.

Печь типа ЦД4, продольный разрез которой показан на рис.XXI-13, является радиантно-конвекционной, у которой по оси камеры радиации имеется рассекатель-распределитель в виде пирамиды с вогнутыми гранями, представляющими собой настильные стены для факелов горелок, установленных в поду печи.

Рассекатель-распределитель разбивает камеру радиации на несколько независимых зон теплообмена (см. рис. XXI-13, их четыре) с целью возможной регулировки теплонапряженности по длине радиантного змеевика. Внутренняя полость каркаса рассекателя разбита на отдельные воздуховоды; в кладке грани рассекателя по высоте грани есть каналы прямоугольного сечения для подвода вторичного воздуха к настильному факелу каждой грани. Каждый воздуховод оснащен поворотным шибером, управляемым с площадки обслуживания.

В кладке граней рассекателя на двух ярусах по высоте граней расположены каналы прямоугольного сечения для подвода вторичного воздуха из воздуховодов к настильному факелу каждой грани. Изменяя подачу воздуха через каналы, можно регулировать степень выгорания топлива в настильном факеле, что позволяет выравнивать теплонап- ряженность по высоте труб в камере радиации.

Радиантный подвесной змеевик состоит из труб, расположенных у стен цилиндрической камеры. Настенные радиантные трубы размещены в один ряд и имеют одностороннее облучение, а радиальные с двусторонним облучением размещены в два ряда.

Печи типа КС — цилиндрические с кольцевой камерой конвекции, встроенным воздухоподогревателем, вертикальными трубными змеевиками в камерах радиации и конвекции и свободного вертикально-факельного сжигания топлива (рис.XXI-14). Комбинированные горелки расположены в поду печи. На стенах камеры радиации установлен одно- или двухрядный настенный трубный экран. Конвективный змеевик так же, как и воздухоподогреватель, набирают секциями и располагают в кольцевой камере конвекции, установленной соосно с цилиндрической радиантной камерой.

Печи типа КД4 — цилиндрические четырехсекционные с кольцевой камерой конвекции, встроенным воздухоподогревателем, дифференциаль­ным подводом воздуха по высоте факела, вертикальным расположением

/

\А

It™

Вид А

Рис. XXI-15. Конструкция печи типа КД4:1— змеевик кон­

векционных труб; 2— змеевик радиантных труб;3 —рассе­

катель-распределитель; 4— футе­ровка; 5 — воздуходувка;6 —

каркас ; 7— дымовая труба;8 — воздухоподогреватель. Потоки:I —продукт на входе;Н — продукт на выходе;W — дымовые газы

змеевика радиантных и конвекционных труб, настильным сжиганием комбинированного топлива.

Печи выполняются в двух конструктивных исполнениях: с дымовой трубой, установленной на печи (рис. XXI-15) или стоящей отдельно.

Дутьевые комбинированные горелки расположены в поду печи. Оси горелок наклонены в сторону рассекателя-распределителя, установленного в центре печи.

Рассекатель изготовлен в виде пирамиды с вогнутыми гранями, представляющими собой настильные стены для факелов горелок каждой камеры радиации. Рассекатель выполняет следующие функции: делит объем радиантной камеры на четыре автономные зоны теплообмена, что позволяет осуществлять дифференцированный подвод тепла по длине радиантного змеевика; является поверхностью настила факелов горелок, которые имеют стабильную толщину, что позволяет приблизить трубные экраны к горелкам и сократить объем камеры.

В печи осуществляется двухстадийное сжигание топлива. Первичный воздух (около 70 % объема) подается принудительно к горелкам, а остальное количество — по высоте настила, для чего в кладке граней расположены каналы прямоугольного сечения, а в каркасе рассекателя — отдельные воздуховоды, количество которых вдвое превышает количество граней. Каждый воздуховод оснащен поворотным шибером. Двухста­дийное сжигание топлива дает возможность растянуть факелы по высоте граней и повысить равномерность излучения по высоте радиантных труб.

Конвективный змеевик, как и воздухоподогреватель, набирают секциями и размещают в кольцевой камере конвекции, расположенной соосно с цилиндрической радиантной камерой.

РАСЧЕТ РАДИАНТНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Важнейшей частью расчета трубчатой печи является опреде­ление размеров радиантной поверхности и количества поглощаемого ею тепла, а для типовых печей с известной поверхностью радиантных труб — определение количества поглощаемого тепла и важнейших тепловых пока­зателей: теплонапряженности поверхности нагрева, температуры газов, по­кидающих топку и др.

Радиантные трубы поглощают тепло, излучаемое факелом, стенками кладки и потоком трехатомных дымовых газов, и воспринимают некото­рое количество тепла путем свободной конвекции.

Теплообмен, происходящий в топочной камере, сложен, что обуслов­ливает и сложность расчета.

В соответствии с законом Стефана — Больцмана количество тепла, переданного излучением, в общем виде может быть выражено уравнением:

О_рл=СуН

woo;

иоо;

где С — коэффициент взаимного излучения; ф — угловой коэффициент, зависящий от размеров топки и взаимного расположения излучающей и поглощающей поверхностей; Н —поверхность теплообмена, м²;Т —

температура излучающей поверхности, К; 0 — температура

лучепоглощающей поверхности, К.

Коэффициент <р показывает, какая часть излучаемого тепла поглощается данной лучепоглощающей поверхностью. Этот коэффициент учитывает не только взаимное расположение излучающей и поглощающей поверхностей, но и интенсивность лучей, значение которой в соответствии с законом Ламберта меняется в зависимости от угла падения лучей на поглощающую поверхность. Использование этого уравнения связано с большими трудностями вследствие того, что температура различных участков источника излучения (факел, части стенок кладки) и потока дымовых газов меняется в широких пределах.

В этом уравнении следует принимать такое среднее значение температуры излучающей поверхности Т,которое будет соответствовать количеству тепла, передаваемого в реальных условиях. Причем даже небольшая неточность и определении среднего значения величиныТ приводит к значительным погрешностям в определении количества переданного тепла, так как величинаТвходит в уравнение в четвертой степени.

Для трубчатых печей температура лучепоглощающей поверхности 0 также является переменной. Однако температура различных участков по длине радиантных труб изменяется сравнительно мало (100—150 °С); кроме того, величина (0/1ОО)⁴значительно меньше величины (7V100)⁴, поэтому неточность в определении среднего значения 0 меньше сказывается на результатах расчета.

Не меньшую сложность представляет определение коэффициента ф, так как его значение для различных точек излучающей поверхности различно и, следовательно, требуется определить среднее значение коэффициента ф для всех элементов излучающей поверхности.

Процессы теплообмена в промышленных топках очень сложны, поэтому нет единого общепринятого метода теплового расчета трубчатых печей.

Существующие методы расчета можно разбить на эмпирические и аналитические.

Эмпирические методы, основанные на обобщении эксперимен­тальных данных, имели широкое распространение вследствие простоты расчета и удовлетворительной сходимости с данными практики. Однако они применимы только для строго определенных условий.

Аналитические методы расчета отличаются сложностью, но поскольку базируются на основных законах теплообмена, то их можно применять в более широких пределах. Они обеспечивают вполне удовлетворительную сходимость с данными практики.

При расчете теплопередачи в камере радиации определяются следующие величины: 1) количество тепла, переданного радиантным

трубам, О_р; 2) поверхность радиантных труб Н_р, обеспечивающая поглощение такого количества тепла; 3) температура дымовых газов Г_п, покидающих камеру радиации, и теплонапряженность радиантных трубq_p. Все эти величины взаимосвязаны, поэтому выбор одной или двух величин при данных условиях определяет остальные.

При расчете теплопередачи радиантной поверхности пользуются понятием коэффициента прямой отдачи р. Под этой величиной подразумевают отношение количества тепла, воспринимаемого радиант-

ными трубами, к количеству тепла, полезно выделенному в топочном пространстве при сгорании топлива:

где Г|_т— коэффициент полезного действия топки, учитывающий потери тепла в окружающую среду стенками топочной камеры, а также потери тепла от химического и механического недожога топлива.

Значение коэффициента прямой отдачи трубчатых печей находится в пределах 0,4 —0,6, т.е. 40 — 60 % всего тепла, полезно выделенного при сгорании топлива, поглощается радиантными трубами.

С увеличением температуры дымовых газов Т_п,покидающих топоч­ную камеру, уменьшаются количество тепла, передаваемого радиантным трубам, коэффициент прямой отдачи и увеличивается теплонапряженность поверхности нагрева, что связано с более эффективной передачей тепла излучением.

Графическая зависимость, показывающая (для некоторого частного случая) степень изменения теплонапряженности поверхности нагрева при изменении температуры дымовых газов, покидающих топку, в пределах 1000— 1200 К, приведена на рис. XXI-16.

Из графика следует, что если при температуре Т_п= 1000 К

теплонапряженность составляет 21,6 кВт/м², то при повышении этой температуры до 1100 К теплонапряженность возрастает до 31,3 кВт/м², т.е. в 1,45 раза, а повышение температуры дымовых газов до 1200 К приводит к повышению теплонапряженности до 45,5 кВт/м².

Приведенные цифры иллюстрируют некоторый частный случай, но закономерность взаимосвязи между этими величинами является общей и характерной, поэтому обоснованный выбор подобных тепловых

параметров режима печи является важной составной частью расчета.

Анализ известных аналитических методов расчета, а также накопленный опыт проектирования трубчатых печей и сопоставление данных расчета с показателями работы ряда действующих трубчатых печей свидетельствуют о том, что аналитический метод расчета, разработанный проф. Н. И. Белоконем, дает хорошую сходимость с данными практики. Перейдем к изложению этого метода расчета.

Рассматриваемый метод основан на совместном решении уравнений теплового баланса и теплопередачи в топке печи. В соответствии с

60

0

1000

1100

Рис. XXI-16. Зависимость теплонапряжен­ности поверхности нагрева от температу-

Т_п, К ры газов, покидающих топку

законом сохранения энергии тепловой баланс топки может быть представлен следующим уравнением:

BOX=BGC_pJT_n-T₀) + O_p, (XXI.4)

где G— количество продуктов сгорания 1 кг топлива, кг/кг; С_рт— средняя теплоемкость продуктов сгорания в пределах температур Г₀и Г_п, кДж/(кг-К); Г₀— приведенная температура исходной системы, К.

Величина Г₀определяется по уравнению

Y' ^Lq^b^b + 2*73