完整版加热炉计算doc.docx
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4.加热炉的计算
管式加热炉是一种火力加热设备,它利用燃料在炉膛内燃烧时产生的高温火
焰和烟气作为热源,加热在管道中高速流动的介质,使其达到工艺规定的温度,
保证生产的进行。
在预加氢中需要对原料进行加热,以达到反应温度。
预加氢的
量较小,因此采用圆筒炉。
主要的参数如下:
原料:
高辛烷值石脑油;
20
相对密度:
d40.7351
进料量:
62500kg/h
入炉温度:
I=350oC;
出炉温度:
o=490oC;
出炉压强:
15kg/cm2
气化率:
e=100%;
过剩空气系:
:
辐射:
1.35
对流段:
1.40
燃料油组成:
C87%,H11.5%,O0.5%,W1%
加热炉基本参数的确定
4.1加热炉的总热负荷
查《石油炼制工程(上)》图Ⅰ-2-34可知,在入炉温度t1=350℃,进炉压力
约15.0㎏/㎝2条件下,油料已完全汽化,混合油气完全汽化温度是167℃。
原料在入炉温度350oC,查热焓图得Ii
232kJ/kcal
原料的出炉温度为490oC,查热焓图得Iv
377kcal/kg。
将上述的数值代入得到加热炉的总热负荷
Q=m[eIV+(1-e)IL-Ii]
=[1377232]625004.184
37917500kJ/h
4.2燃料燃烧的计算
燃料完全燃烧所生成的水为气态时计算出的热值称为低热值,以Ql表示。
在加热炉正常操作中,水都是以气相存在,所以多用低热值计算。
(1)燃料的低发热值
Q1=[81C+246H+26(S-O)-6W]4.184
=[8187+24611.5+26(0-0.5)-61]4.18441241.7kJ/(kg燃料)
(2)燃烧所需的理论空气量
2.67C
8H
S
O
L0
23.2
2.67
87
8
11.5
0
0.5
23.2
13.96kg空气/kg燃料
(3)热效率
设离开对流室的烟气温度Ts比原料的入炉温度高100oC,则
Ts350100450oC
由下面的式子可以得到
100q,Lq,I
qL
qL
0.05
和Ts查相关表,得烟气出对流室时
取炉墙散热损失
Q1
并根据
qL
23%
带走的热量Q1
,
所以
1(523)%72%
(4)燃料的用量
Q
37917500
1277kg/h
B
0.7241241.7
Q1
;
(5)火嘴数量
假定火嘴的额定喷油能力比实际燃料大30%,选择标准火嘴的流量200kg/h,
则需要火嘴的数量为
1.3B1.31277
n8.3
200200
进行取整取n9
(6)烟道气流量
WgB(1.5L0)1277(1.51.413.96)
26873kg/h
4.3加热炉相关参数计算
(1)圆筒炉辐射室的热负荷
根据工艺要求和经验,参照表4-1,选取四反加热炉为圆筒炉。
圆筒炉对流
室较小,炉管较少,当用光管时,对流室热负荷QC所占比例较小,现已知加热
炉的总热负荷Q,现在取辐射室的热负荷QR为全炉热负荷的75%,则
QRQ0.75
QR379175000.7521438125kJ/h
(2)辐射段管壁平均温度估算
Tw
I
o
55
2
TL,
o(
o
I)
0.75
490
(490
350)
0.75
385oC
Tw
385
490
55493oC
2
(3)辐射管表面积、管径及管心距
根据经验选用辐射表面热强度qR24125kcal/(m2h)
(4)辐射管的表面积
ARQR
28438125
282m2
qR
241254.184
(5)管径
同时选管道内油料质量流量,由《管式热炉》
(穆文俊主编)表4-1知,经验
值为100-150kg/(m2s)故取GF
150kg/(m2s),N增加,压降降低,但易出现偏
流,烧坏炉管;N减少,压降增大,动力消耗增加。
取管程数N9,则炉管的内径
di
1W162500
30NGF303.149150
1
0.128m
14.74
30
根据国产炉管的规格选择炉管的尺寸为
1528的炉管
(6)管心距
选用管心距为S12d020.1520.304m
(7)高径比
国内多为空心圆筒炉,管长受热不均,所以高径比Lef/D′=1.72—.5。
节圆直
Lef
2.1
Lef/D′=2。
.1选定炉子的高径比D'
径越大,高径比越小,取
,由下面的式
子计算节圆直径
AR
C
D'(Lef)
D'(2.1D')
D
'
S1ARt
2
282
2.12d0
2.1
5.2m
9.86
辐射管的有效长度Lef2.1D'2.15.210.92m
根据国产的炉管规格,取Lef12m。
(8)对流段长
选用对流管1528标准钉头管。
LcD1.255.4d5.220.1521.255.40.152
3.433m
取对流管长Lc4m
(9)对流段宽
由《管式热炉》(穆文俊主编)附表查的1528标准钉头管,管周边钉头数
14,钉头直径12m钉头纵向间距16mm,钉头高25mm。
每米钉头管所占面积
ac1dc
1000
dib21
1000
0.0140.0252
dp'''
0.152
16
0.196m2
根据经验选择烟气质量流速
Gg
3kg/(m2s)
选用管心距为2dc
Gg
Wg/3600
LcSacLcnw
26873/3600
3
则4S0.1964nw
S0.1520.304nw代入上式得:
26873
3[4(0.1520.304nw)0.784nw]
3600
nw4.35根
取nw
5根
S0.1520.30451.67m
(10)确定节圆直径D'辐射管高度H和炉膛直径D
遮蔽管面积=540.1523.149.55m2
辐射壁管面积2829.55272.45m2
AR
272.45
47.6
n
3.140.15212
炉管根
d0Lef
根
根据取炉管根数为
54(9管程)
选用辐射n96
54管根,9管程。
实际节圆直径
D
'
nS1
540.304
5.23m
3.14
所以炉膛的直径
DD'
2d02.90
2
0.152
5.5345.6m
根据炉子结构设计辐射段高度比炉管长度长1m。
炉膛的高度HLef112113m
(11)当量冷平面面积
辐射管冷平面面积
A
nSL
54
0.0.1522
12197m2
cp
1ef
管心距为2d0,查图得到
0.88
Acp
0.88
197
173.4m2
遮蔽管冷平面:
对流管拟选用和炉管相匹配的钉头管
152
8
。
管心距为
2dc
.对流室每排为
n5根炉管,采用三角形排列钉头管。
Acp
54
0.3046.08m2
及
1
ACP
6.1
16.1m2
总的当量冷面积
ACP173.46.1179.5m2
(12)
求有效暴露砖墙面积与当量冷平面
Aw
之比
Acp
F
5.6
13
2
15.62
277.8m2
4
有效的反射面积
A
AA
272.45
179.5
93m2
R
cp
AR930.518
比值:
Acp179.5
(13)烟气的黑度(辐射率)
已经知道过剩空气系数1.35,由图表可以查到二氧化碳和水蒸汽的分压
为
PCO2PH2O0.218atm?
m
烟气的平均辐射长度为
LD
5.6m
故PL
0.2185.61.22atmm.
假定辐射室的出口烟气的温度为
Tg
700。
C,则查得烟气的黑度为
g0.59
(14)总辐射交换因子
Aw
0.518
Acp
0.55查图8得到F
0.59;
根据
和g
(15)辐射室热平衡
Aw
QR
(1
0.02
qg
)
BQ
Acp
0.518g0.55
Q1
ACPF
ACP
5267104kJ/h
q1
其中:
BQ1
1277
41241.7
QR
—辐射段热损失。
取
q1
0.02
700。
C,过剩空气系数
q1
0.375
QR
。
查图4当tg
1.35时,得QR
Aw
(1
0.02
0.375)5267
104
300886kJ/m2h71914kcal/m2h
则
Acp
179.5
0.59
(16)求辐射室出口烟气温度
取图
10-b中关闭温度tw
443。
C做吸收曲线如下图,当第一次假设
tg
700。
C
Aw
71914kcal/m2h
时,交点A画于图上,位于tw的上方。
,再另设
及
Acp
tg
900。
C
重复上述计算过程,由图
7查得气体辐射率
g0.515,F
0.57,由图4
q1
0.5
QR
查
得
。
则
QR
(10.020.5)
5267104
2
2
h
ACPF
179.50.57
247096kJ/mh
59057kcal/m
作于图上得到B点,连接两点,该直线与曲线的交点,就是辐射室的出口
温度
tp796。
C;如下图:
图10辐射发球烟气出口温度
4.4校核
(1)辐射室热负荷QR
qg
0.43
由于辐射室出口的温度
tp
796。
C
,查图4
得;
Q1
QR(10.020.43)5267
104
2897104kJ/h
2897
10
4
76.3%
占加热炉的总热负荷的3792
104
(2)辐射管表面热强度qR
qR289710496653.06kJ/m2h23100kcal/m2h
540.15212540.152
(3)辐射室出口处油品的总焓值
H6250013774.1849858104kJ/h
在辐射室入口处每一千克油品的焓值
9858
104
2897
104
62500
1113.76kJ/h266kcal/h
查油品的热焓图得390oC
390
490
50490oC
1
2
与估算的493oC相近,故合适。
4.5对流室的传热计算
4.5.1对流室热负荷
由下面的式子可以得到对流室的热负荷
QCQQR379175002897104895104kJ/h
4.5.2对流室的对数平均温差
烟气温度
800
450oC
410
100
油品温度
o
o
t
220
390C
350C
ln
410
410
100
100
4.5.3内膜传热系数
tm350390370oC
油品的平均温度2
烟气的平均温度
Tftmt370220590oC
管壁的平均温度
Tttm5037050420oC
对流段平均粘度
查设计图表的原料油蒸汽的粘度为0.0000125Pags
循环氢粘度近似按照氢的粘度计算,
370。
C时,其值为0.0000150Pags
按照式
(1)计算氢与油混合物粘度
yi(Mi)0.5Zi
(3.5/4.5)3.40.5
0.000015
(1/4.5)
1090.50.0000125
Z
(3.5/4.5)3.40.5
(1/4.5)
1090.5
yi(Mi)0.5
(2.1471052.9105)/(1.432.32)
0.0134cp
该粘度说明应按照低粘度公式计算。
1
1
hi*
Ri
hi
h0.023(10000.152133)0.80.372750kcal/mhoC
i
0.0134
则带入数值得到
考虑到关内污垢热阻且无保护气,得:
由表10查得Ri0.0008
11
0.00080.0028
hi*750
hi*469kcal/m2hoC
4.5.4管外膜传热系数
(1)钉头表面传热系数
T796490273904Kln796
490
Gg
Wg
/3600
26843/
3600
2
s
LcS
acLcnw
2.7kg/m
41.670.19654
hs
9.44
2.870.667
9040.3
61.7kcal/m2hoC
120.333
1
1
0.005
1
0.0212
hs*
hs*
0.005
61.7
得hs*
47.2kcal/m2hoC
(2)钉头效率
tgh(mb)
mb.
所采用的钉头为
12标准钉头,钉头高为0.025m,当hs
61.7kcal/m2hoC时,
查图15得0.90。
(3)光管管外对流传热系数
h
9.44
2.70.667
9040.3
26.5kcal/m2hoC
oc
152
0.333
1
1
0.005
0.0377
0.005
0.0427
hoc*
hoc*
则
h*
23.4kcal/m2hoC
oc
(4)钉头管外膜传热系数
b
0.152
0.0122
12
0.3925m2
4
0.016
s
12
(0.012
0.025
0.0122)
0.7913m2
0.016
4
0
0.152
0.477m2
hs*
sshs*
b47.20.9
0.7913
23.40.3925
2o
hso
0.477
89.7kcal/mhC
则
o
4.5.5对流段总传热系数
Kc
ho*hi*
89.7
469
75.3kcal/m2hoC
ho*
hi*
89.7
469
4.5.6对流管表面积及对流管排数
A
Qc
895104/4.184129m2
c
Kct
75.3
220
Nc
Ac
129
nwLc
dc54
13.5
0.152
排
选用对流管共14排,遮蔽管在对流管下部,所以对流管的总派数为
15排,
每排5根。
4.5.7对流室高度
由式(5-31)得
Hc0.886Sc(Nc1)0.8860.304(141)4.04m
4.5.8对流管表面热强度
qc
Qc
895104
2
h
17363W/m
2
Ac
15543.14
62507kJ/m
0.152
W/m2
在经验值9300-23260
之间,符合要求,并有一定潜力。
4.6炉管压力降计算
4.6.1计算混合油气密度
由于原料以350oC进炉,在15kg/cm2
压力下出炉,在167
oC下就完全汽化,
因此汽化段压降
P就是全炉的压降。
又知一段混氢的氢油比为
3.5:
1,混合油
气的摩尔流率
原料油流量=62500/109
573kmol/h
循环氢摩尔流量=573
3.5
2005.5kmol/h
由前面算的循环氢平均相对分子质量为
3.4
则,循环氢质量流率=2005.5
3.4
6818.7kg/h
总质量流率=625006818.7
69318.7kg/h
n
G
3.5G
62500
3.5
62500
2580kmol/h
M
M
109
109
加热炉平均温度为(350+490)/2=420
oC,平均压力15kg/cm2
,混合油气平均
体积流量
nRT
1
480273
3
Vm
p
(5732005.5)
22.4
15
273
10621m/h
混合物的密度
69318.7/10621
6.53kg/m3
4.6.2混合气体流速
m
G
62500
20.3m/s
900
md2
N
900
6.53
0.1362
9
4.6.3摩擦系数
0.01355
0.0012350.01di
0.001235
0.0136
0.038
di
0.0135
20.3
m
0.136
4.6.4压力降
对流段当量长度
Lc
nL
(n
1)di
1454
(1451)300.13658.8m
N
N
9
9
辐射管当量长度
Lef
nL
(n
1)di
5412
(54
1)300.13692.4m
N
N
9
9
则Le
LcLef
58.8
92.4
151.2m
pe
L'e
2
m
0.038
151.220.32
di
2
m
0.136
6.53
2
56842.3Pa
0.568atm0.58kg/cm2
4.7烟囱的设计计算
烟囱是加热炉不可缺少的一部分,它主要的作用是产生一定的抽力使得烟气
在加热炉中不断的流动,并将高温烟气向高空中排放,以减少对环境的污染。
加
热炉的烟囱可以用钢,砖或者混泥土制成,
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