蘇丹黑格里格原油加工管式加熱爐的工藝設(shè)計計算案例 1 2 2 21.3加熱爐總熱負(fù)荷 2 3 31.4.1燃料的低發(fā)熱值 31.4.2燃燒所需的理論空氣量 31.4.3煙氣組成 4 6 6 61.5.3爐效率7 7 7 71.5.6煙道氣流量 7 71.1.1輻射室的熱負(fù)荷 71.1.2輻射管管壁的平均溫度 71.1.3輻射管加熱表面積、管徑及管程數(shù)的確定 8 81.1.5對流室主要尺寸(圓筒爐) 9 1.7.1對流室的熱負(fù)荷 1.7.2對流室的傳熱計算 20 1.8.1確定汽化段的當(dāng)量長度 201.8.2汽化段中氣液兩相的混合流速 201.8.3汽化段的壓力降 21 23 24 加熱至所需溫度，然后進(jìn)入下一設(shè)備進(jìn)行精餾等反應(yīng)5。管式加熱爐的傳熱方式1.2.1被加熱介質(zhì)(1)冷原油(流量取原油的25%)G?=437500×0.25=109375kg/hd2?=0.8796g/cm3(2)飽和水蒸汽出爐溫度t?=200℃G?=9511.74kg/h進(jìn)口溫度t?=180℃出口溫度t2=420℃進(jìn)口壓力P?=1.0MPa(3)閃底油出口壓力P?=0.3MPaG?=403725kg/h進(jìn)口溫度tr=290℃出口溫度t?=360℃d2?=0.9188g/cm3e=23.57%(體積分?jǐn)?shù))=22.56%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))因采用雙圓筒爐并聯(lián)操作，所以初始加熱量均取(1)全爐熱負(fù)荷：Q=QF?+Qw+QF3(2)冷進(jìn)料吸熱入爐溫度ti=120℃,查圖3-1411可得：焓值I?=65kcal/kg出爐溫度t2=200℃,查圖3-1411可得：焓值I2=112kcal/kg則QF?=G?(I?-I?)=54687.5×(112-65)=2.57×10?kcal/kg(3)水蒸氣吸熱1)當(dāng)入口溫度為ti=180℃,入口壓力為1.0MPa下時，焓值Is?=677.0kcal/kg2)當(dāng)出口溫度為t2=420℃,出口壓力為0.3MPa下時，焓值Is2=792.5kcal/kg所以水蒸汽吸熱為：Qw=4755.87×(792.5-677.0)=0(4)閃底油吸熱1)閃底油進(jìn)口溫度為t1=290℃,查圖3-242可得：焓值Ii=171kcal/kg2)閃底油出口溫度為t2=360℃,查圖3-242可得：液相焓值IL=217kcal/kg,氣相焓值Iv=270kcal/kg所以QF3=201862.5×[0.2256×270+217×(1-0.2256)-171]=11.70×10?kcal/h則全爐熱負(fù)荷為：Q=QF1+Qw+QF?=2.57×10?+0.55×10?+11.70×10?=1取原油的減壓渣油為加熱燃料，根據(jù)原油評價報告上的渣油性質(zhì)，可得到其組成如下：則燃料的低發(fā)熱值為：=81×87.01+246×12.56+26×0.08=10139.65kcal/kg燃料L=0.116C%+0.348H%+0.0過剩空氣系數(shù)取α=1.2,則Lo=αL=1.2×14.47=17.36kg空氣/kg燃料(1)煙氣含量nco?=0.8701×1000/12=72.nso?=0.0008×1000/32=0.02nN?=0.768×α×L?=0.768×1.2×17.36×1000/28=571nH?o=0.1244×1000/2=62.no?=0.232×(1.2-1)×18.72×1000/32=27.14mol所以n總=72.51+0.025+571.39+62.2+27.14=733.265mol(2)各組分占煙氣含量的摩爾分?jǐn)?shù)(3)每千克燃料產(chǎn)生的煙氣質(zhì)量ma=44nco?+64nso?+28nN?+18nH?=(44×72.51+64×0.025+28×查文獻(xiàn)[15P11LY-100-表3可得到常用氣體的熱焓值，匯于表溫度℃N?77.92%以溫度為橫坐標(biāo)，以焓值為縱坐標(biāo)，繪制溫焓圖，如下圖所示：溫度(℃)帶入爐內(nèi)的顯熱。即：Qm=Q?+Q+Q?(2)燃料帶入爐內(nèi)的顯熱QQ=(0.415+0.0006×120)×120=58.44kcallkg燃料(3)空氣帶入爐內(nèi)的顯熱Q空氣入爐溫度取25℃,查LY-100-表315可得I?=6kcal/kg所以Q?=aL?I?=1.2×17.36×6=124.99kcal/kg燃料出爐熱量包括被加熱物料的有效利用能量Q,煙氣帶出熱量Q?,爐壁散熱(1)煙氣帶出的熱量對流段煙氣出口溫度取比最低進(jìn)料溫度高100℃,則tri=120+100=220℃。查(2)爐壁損失熱量取全爐熱損失為3%,則爐壁熱損失為：(3)有效利用能量假設(shè)總額定噴氣能力比實(shí)際燃料用量大30%,選取標(biāo)準(zhǔn)火嘴為300所W=B(1+W+L?),取W?=0.5,則前已計算出加熱爐全爐熱負(fù)荷為14.82×10?kcal/h,現(xiàn)輻射室熱負(fù)荷取全爐熱負(fù)荷的70%,即：QR=0.7Q=0.7×14.82×10?=10.374×10?kcal/h=12.06MWT=T?-0.8(T?-t?)=360-T?—一對流段物料的入口溫度，℃T?—一輻射段物料的出口溫度，℃查表5141,選取輻射管表面熱強(qiáng)度qR=32.56KW,則輻射段爐管表面積為：根據(jù)表5141,取冷油流速ur=1.5m/s,管程數(shù)取N=4,則輻射管管徑為：查附表一141,可選用φ127×6爐管(光管),管心距為：Sc=2.1d.=2.1×0.127=0.(1)高徑比(輻射爐管直段長度L與節(jié)圓直徑D之比)查表6141,因節(jié)圓直徑較大，所以高徑比可取小一點(diǎn)，取高徑比L/D=1.8。查附表一14國產(chǎn)爐管規(guī)格可知：可選取長度Le=12m的加熱爐管。(3)爐管數(shù)根=78根實(shí)際爐管數(shù)取：4×20=80根(管程數(shù)N=4)爐膛直徑：D=D'+3d。=6.80+3×0.127=7.181m爐膛高度：H=L+1=12+1=13m1.1.5對流室主要尺寸(圓筒爐)(1)對流室長L=D-1.25-5.4d.=7.181-1.25-5.4×0.1(2)對流室寬根據(jù)以下兩式，可聯(lián)立求得對流室寬S以及每排管子數(shù)nw取G?=2.5kg/m2●s,則L=3.61m。取L=3.7m,則a=0.6因?yàn)?<G?<4此時L、S滿足條件。管心距取對流管外徑的2.1倍，即S。=2.1d.,查圖514可得有效因數(shù)α=0.86(單排單面管),所以：2)遮蔽管當(dāng)量冷平面：Ac=n.LSc=8×5.25×0.267=11.214m23)總當(dāng)量冷平面面積：φApa=220.44+11.214=231.66m2(2)爐膛總的面積為：(3)比值：由表914可查得：煙氣平均輻射長度為：L=假設(shè)輻射段煙氣出口溫度為T?=700℃,查圖714,得煙氣的輻射率ε=0.625。由以及氣體輻射率=0.625,查圖814可得：F=0.675。過剩系數(shù)取α=1.2,輻射段煙氣出口溫度T=700℃,查圖4-716得：假設(shè)輻射室熱損失為2%,即據(jù)前計算：t=304℃=577.15K,tw=382℃=655.15K假設(shè)不同的tg,作出吸收曲線?？赏ㄟ^作圖法求輻射室出口的煙氣溫度。首先，根據(jù)吸收曲線的數(shù)據(jù)作出a當(dāng)t=700℃時，,由此可確定出A點(diǎn)(973.15,85.51)可得氣體輻射率為0.585;再根據(jù)氣體輻射率查圖8[14可得交換因數(shù)F=0.641B傳熱速率方程QR=(1-0.02-0.38)×10323.08×1647.62=10.21×10?kcal/h占加熱爐總熱負(fù)荷的百分?jǐn)?shù)：QR/Q=10.21/14.82=68.89%(2)輻射管表面熱強(qiáng)度qR(3)輻射室油品入口溫度τQ出=G?[ely+(1-e)Iz]=201862.5×[0.2256×270+217×(1-0.2256)[(46.22-10.04)×10?]/G?=(36.18×10?)/201862.5=179.23kcallkg查圖3-1411,可得溫度為304℃。Q.=Q-QR=(14.82-10.21)×10?=4(1)對流室下段(閃底油)的傳熱計算(管程數(shù)N=4)1)傳熱溫差及熱負(fù)荷閃底油吸收的熱量為：Qc=Q?-QR=(11.76-10.21)×10?=1.55×10?kcal/hH??=220.07kcal/kg假設(shè)煙氣出口溫度為t?,比焓值為H?,根據(jù)熱平衡(假設(shè)熱損失為1.1%)可得：1.72×10?=31074.11(220.07-H查圖1.1,可得t2=597.5℃,即為煙氣換熱后的溫度。2)管內(nèi)膜傳熱系數(shù)h選用φ127×6標(biāo)準(zhǔn)釘頭管，管心距S。=2.1。=0.267m,取nw=8管徑di=0.115m,則管內(nèi)介質(zhì)質(zhì)量流速為：h,=1.5G)?1d92=1.5×1349.61?8/0.115?2=738.11kc3)管外膜傳熱系數(shù)(對流段采用釘頭管)a釘頭管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h?=9.44×G8667T?31d9333=9.44×2.950667×684.5°3/120333=60.20k本設(shè)計采用的是釘頭為φ12的標(biāo)準(zhǔn)釘頭，其中，釘頭高為0.025m。當(dāng)h=46.27kcal/(m2h℃)時，查圖1514可得釘頭效率為：Ω?=0.923d釘頭管外膜傳熱系數(shù)4)總傳熱系數(shù)K/(m2h℃)5)對流管管排數(shù)及表面積6)對流管表面熱強(qiáng)度(2)對流室中段(飽和水蒸汽)的計算(管程數(shù)N=1)1)熱負(fù)荷及傳熱溫差由前計算可知：水蒸汽吸熱為：Qc?=Qw=0.55×10?kcal/h煙氣，設(shè)煙氣出該段的溫度為t?,比焓為H?,根據(jù)熱平衡可得：(假設(shè)熱損失為1.1%)Q.2=W(H??-H?)(1-1.1%),代入數(shù)據(jù)：0.55×10?=31074.11(164.1-H?)×0.989,則H?=141.20kc查圖1.1,可得t?=538.0℃,即為煙氣換熱后的溫度。水蒸汽420℃←180℃2)管內(nèi)膜傳熱系數(shù)h,為便于安裝，也選用φ127×6標(biāo)準(zhǔn)釘頭管，管徑d:=0.115m,管心距貝貝L.=3.7m因?yàn)?<G?<4此時L、S滿足條件。則：h,=5G981d?2=5×127.198/0.115?3)管外膜傳熱系數(shù)(對流段采用釘頭管)a釘頭管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)查圖1514可得釘頭效率為：Ω,=0.924c釘頭管光管部分管外的對流傳熱系數(shù)d釘頭管外膜傳熱系數(shù)4)總傳熱系數(shù)K5)對流管管排數(shù)及表面積(6)對流管表面熱強(qiáng)度(3)對流室上段(冷原油)的傳熱計算(管程數(shù)N=2)1)熱負(fù)荷及傳熱溫差由前計算可知：冷原油吸熱為：Qc3=QF1=2.57×10?kcal/h煙氣進(jìn)入該段的溫度為tr=538℃,查圖1.1可得：其焓值為H??=141.4kcal/kg煙氣，設(shè)煙氣出該段的溫度為t2,比焓為Hi?,根據(jù)熱平衡可得：(假設(shè)熱損失為1.1%)Q?=W(H??-H?)(1-1.1%),代入數(shù)據(jù)：2.57×10?=31074.11(141.4-H+1)×0.989,則H?1=62.77kcal/h查圖1.1,可得t2=231.7℃,即為煙氣換熱后的溫度。傳熱溫差：煙氣538℃→231.7℃冷原油200℃←120℃所以煙氣平均溫度2)管內(nèi)膜傳熱系數(shù)h選用φ127×6標(biāo)準(zhǔn)釘頭管，管心距S。=2.1。=0.267m,取n=8管徑d?=0.115m,則管內(nèi)介質(zhì)質(zhì)量流速為：h,=1.5G3/d?2=1.5×731.26?8/0.115?2=452.07kc3)管外膜傳熱系數(shù)(對流段采用釘頭管)a釘頭管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h,=9.44×G?7T31d9333=9.44×2.9567×366.96?3/12333=49.93k所以包含污垢熱阻在內(nèi)的釘頭表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h為：b釘頭效率采用φ12的標(biāo)準(zhǔn)釘頭，釘頭高為0.025m。當(dāng)h,=39.96kcal/(m2h℃)時，查圖1514可得釘頭效率為：Ω?=0.926d釘頭管外膜傳熱系數(shù)(4)總傳熱系數(shù)K(5)對流管管排數(shù)及表面積(6)對流管表面熱強(qiáng)度對流室管總排數(shù)為：N總=N?+Ne?+Ne3排對流室爐管總數(shù)為：18×8=144根設(shè)全爐熱損失為2%,則全爐熱效率為：閃底油的焦點(diǎn)溫度為568.8℃,焦點(diǎn)壓力為5.02MPa輻射管出口溫度為360℃,氣化率e=23.57%(體積分?jǐn)?shù))=22.56%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),輻射管出口處氣液兩相的混合焓為：I?=ely+(1-e)I=0.2256×270+(1-0.2256)×217=22I;=180kcal/kg假設(shè)Pe=0.4MPa,I;=180kcal/kg開始汽化時的溫度為357.6℃,查圖3-1411可得其液相焓值為：Ie=214kcal/kg查表6-161,取φ=60。所以輻射管的當(dāng)量長度為：汽化段平均溫度為：汽化段平均壓力為：取平均摩爾質(zhì)量為：Pv=(0.216+0.4)/2=0.308MPaMy=200kg/kmol平均條件下的氣相密度為：液相密度為：P?=P?o-γ(T-20)=0.8727-0.00064(358.5-20)=0.6561g/cm3汽化段平均氣化率為：汽化段氣液兩相的混合密度為：混合流速為：1.8.3汽化段的壓力降汽化點(diǎn)處的壓力為：P'=0.216+0.186=0.402MPa,與假設(shè)的壓力相近，但還差一點(diǎn)，需重復(fù)計算。(1)重復(fù)計算假設(shè)Pe=0.5MPa,根據(jù)圖5.1可得：汽化點(diǎn)溫度為：358.6℃輻射管入口溫度為304℃,查圖3-1411可得其液相焓值為：I;=180kcallkg開始汽化時的溫度為358.6℃,查圖3-1411可得其液相焓值為：Ie=215kcal/kg(2)汽化段中氣液兩相的混合流速M(fèi)v=200kg/kmol,/m3(3)汽化段的壓力降汽化點(diǎn)處的壓力為：P=0.216+0.155=0.371MPa,與假設(shè)不符。(4)作圖法求解汽化段壓力第一次計算結(jié)果比值：1:第二次計算結(jié)果比值：2:1、2兩點(diǎn)與橫軸交于點(diǎn)3(0.407,1.000),即汽化點(diǎn)處的壓力為0.407MPa。32當(dāng)汽化段壓力為0.407MPa時，查閃底油的P-T-e相圖可得汽化點(diǎn)溫度為357.9℃,查圖3-1411得：液相焓值為：214.5kcal/kg。則汽化段當(dāng)量長度為：所以輻射管加熱段的當(dāng)量長度為：L=LR-Le?=371.1-109.6=261.5m所以汽化點(diǎn)以前的總當(dāng)量長度為：L=L+Lcon=261.5+199.7=461.2m(1)汽化點(diǎn)以前的平均溫度為：(357.9+290)/2=323.95℃液相密度為：PL=P?-γ(Ty-20)=0.8727-0.00064(323.95-20)=0.6取平均摩爾質(zhì)量為：My=200kg/kmol,則平均條件下的氣相密度為：則氣液兩相混合密度為：(3)管內(nèi)平均流速為：(5)汽化點(diǎn)以前爐管的壓力降：所以爐管總壓力降為：△Pe=0.191+0.所以爐管入對流室的壓力為：P=0.2153+0.216=0.4313MPa1.9煙囪的設(shè)計計算1.9.1煙囪的直徑取煙氣質(zhì)量流量G?=3.0kg/(m2·s),則煙囪直徑為：1.9.2煙囪及對流室產(chǎn)生的抽力爐膛高H=13m,對流室高H.=4.16m,輻射室煙氣出口溫度為781.08℃=1059.23K,對流室煙氣的平均溫度為t均=(684.5+567.23+3