加热炉计算.docx

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1、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淌的介质，使其到达工艺规定的温度， 保证生产的进展。在预加氢中需要对原料进展加热，以到达反响温度。预加氢的量较小，因此承受圆筒炉。主要的参数如下：原料：高辛烷值石脑油；4相对密度： d 20= 0.7351进料量： 62500kg / hC ；I入炉温度：t= 350C ；o出炉温度：t= 490出炉压强：15kg / cm2气化率： e=100%；过剩空气系：a ：辐射：1.35对流段：1.40燃料油组成：C = 87%, H = 11.5%, O = 0.5%,W = 1%

2、加热炉根本参数确实定4.1 加热炉的总热负荷查石油炼制工程上图-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350 C ，查热焓图得 Ii= 232kJ / kcal原料的出炉温度为490 C ，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 = meIV+(1-e)IL-Ii=1 377 - 232 62500 4.184= 37917500kJ / h4.2 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

3、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= 81 87 + 246 11.5+ 26 (0-0.5) -6 1 4.184= 41241.7kJ / (kg燃料)(2) 燃烧所需的理论空气量2.67C + 8H + S - OL=023.2= 2.67 87 + 811.5 + 0 - 0.523.2= 13.96kg空气/kg燃料(3) 热效率h设离开对流室的烟气温度Ts比原料的入炉温度高100 C ，则CT = 350 +100 = 450s由下面的式子可以得到h = 100 - q,L- q，Iq,= q

4、L = 0.051取炉墙散热损失 LQq并依据a 和Ts 查相关表，得烟气出对流室时L = 23%1带走的热量 Q，所以 h = 1- (5 + 23)% = 72%(4) 燃料的用量Q37917500B = 1277kg / h;h Q0.72 41241.71(5) 火嘴数量假定火嘴的额定喷油力量比实际燃料大 30%，选择标准火嘴的流量 200kg/h，则需要火嘴的数量为1.3B1.31277n = 8.3 200200进展取整取n = 9(6) 烟道气流量W= B(1.5 +a Lg0) = 1277 (1.5 + 1.4 13.96)= 26873kg / h4.3 加热炉相关参数计算

5、(1) 圆筒炉辐射室的热负荷依据工艺要求和阅历，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，现加热R炉的总热负荷 Q ， 现在取辐射室的热负荷 Q为全炉热负荷的 75% ， 则Q= Q 0.75RQ= 37917500 0.75 = 21438125kJ / hR(2) 辐射段管壁平均温度估算t +tTwT , = t=I- (to + 552-t ) 0.75LooI= 490 - (490 - 350) 0.75C= 385CT= 385 + 490 + 55 = 493w2(3) 辐射管外表积、管径及管心距R依据阅历选用

6、辐射外表热强度q= 24125kcal / (m2 h)(4) 辐射管的外表积QA=RRqR28438125=282m224125 4.184(5) 管径F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，阅历值为 100-150 kg / (m2 s) ,故取G = 150kg / (m2 s) ，N 增加，压降降低，但易消灭偏流，烧坏炉管；N 削减，压降增大，动力消耗增加。取管程数 N = 9 ，则炉管的内径1W30p NGFd =i114.7430=162500303.14 9 150= 0.128m依据国产炉管的规格选择炉管的尺寸为f 1528 的炉管(6) 管心距1选

7、用管心距为 S= 2d0= 2 0.152 = 0.304m(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径越大，高径比越小，取 Lef/D=2.1。选定炉子的高径比 D”子计算节圆直径C= 2.1，由下面的式A = p D” (L) = p D” (2.1D” )S A2.1p 2d1Rt0RpD” =ef2 2822.1 9.86= 5.2m辐射管的有效长度 L= 2.1D” = 2.1 5.2 = 10.92mef依据国产的炉管规格，取 L= 12m 。ef(8) 对流段长选用对流管f 152 8 标准钉头管。L= D -1.25 - 5

8、.4d = 5.2 + 2 0.152 -1.25 - 5.4 0.152c= 3.433m取对流管长 L= 4mc(9) 对流段宽由管式热炉(穆文俊主编)附表查的f 152 8 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10001000a= 1 d+ d b 2 = 1 0.152 + 0.014 0.025 2ccd ”i p16= 0.196m2g依据阅历选择烟气质量流速G= 3kg / (m2 s)c选用管心距为2dWG=g/ 3600gL S - a L nccc w3 =26873 / 3600则4S - 0.196

9、 4nwwS = 0.152 + 0.304n 代入上式得：34(0.152 + 0.304nw) - 0.784n =w268733600w取n= 5 根n= 4.35根wS = 0.152 + 0.304 5 = 1.67m(10) 确定节圆直径 D” 辐射管高度 H 和炉膛直径 D遮挡管面积= 5 4 0.152 3.14 = 9.55m2 辐射壁管面积= 282 - 9.55 = 272.45m2n =炉管根ARp d L0ef=272.45= 47.63.14 0.152 12根依据取炉管根数为 54(9 管程)选用辐射n = 9 6 = 54 管根，9 管程。实际节圆直径D” =

10、5.23mnS1p54 0.3043.14所以炉膛的直径D = D” + 2d= 2.90 + 2 0.152 = 5.534 5.6m0依据炉子构造设计辐射段高度比炉管长度长 1m。ef炉膛的高度 H = L+ 1 = 12 + 1 = 13m(11) 当量冷平面面积辐射管冷平面面积A= nS L= 54 0.0.152 212 = 197m2cp1 ef管心距为2d0 ，查图得到a = 0.88a A= 0.88197 = 173.4m2cp遮挡管冷平面：c对流管拟选用和炉管相匹配的钉头管f 1528 。管心距为 2d .对流室每排为nw = 5 根炉管，承受三角形排列钉头管。cpA= 5

11、 4 0.304 = 6.08m2及a = 1a A= 6.11 = 6.1m2CP总的当量冷面积a A= 173.4 + 6.1 = 179.5m2CPAa Aw(12) 求有效暴露砖墙面积与当量冷平面之比pcp F = p 5.6 13 + 2 15.624有效的反射面积= 277.8m2A= SA -a ARcpA= 272.45-179.5 = 93m293Rcp比值： a A= 0.518 179.5(13) 烟气的黑度辐射率已经知道过剩空气系数a = 1.35 ，由图表可以查到二氧化碳和水蒸汽的分压为PCO 2+ PH2O= 0.218atm m烟气的平均辐射长度为L = D =

12、5.6m故 PL = 0.218 5.6 = 1.22atm.mg假定辐射室的出口烟气的温度为T= 700。C ，则查得烟气的黑度为e g = 0.59(14) 总辐射交换因子Aw= 0.518依据和a Aecpg= 0.55 查图 8 得到 F = 0.59 ；(15) 辐射室热平衡AQqBQaw= 0.518eAgcp= 0.55R= (1- 0.02 -aACPg )Qa AF1CPq1其中： BQ= 1277 41241.7 = 5267 104 kJ / hQ辐射段热损失。取1R1q= 0.02Qq1。查图 4 当t= 700。C ，过剩空气系数a = 1.35 时，得 Q= 0.3

13、75RgRA5267 104w= (1- 0.02 - 0.375)= 300886kJ / m2h = 71914kcal / m2h则a A179.5 0.59cp(16) 求辐射室出口烟气温度w取图 10-b中关闭温度 t= 443。C 做吸取曲线如以下图， 当第一次假设t= 700。CgAw= 71914kcal / m2 h及cpa A时，交点 A 画于图上，位于 tw的上方。，再另设t= 900。Cgg重复上述计算过程，由图 7 查得气体辐射率e= 0.515 ， F = 0.57 ，由图 4q1 = 0.5R查得Q。则Q5267 104R= (1- 0.02 - 0.5)= 24

14、7096kJ / m2h = 59057kcal / m2ha AF179.5 0.57CP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pt= 796。C ；如以下图：图 10 辐射发球烟气出口温度4.4 校核Q(1) 辐射室热负荷 R1qg = 0.43由于辐射室出口的温度tp= 796。C ，查图 4 得； QQ= (1- 0.02 - 0.43) 5267 104 = 2897 104 kJ / hR2897 104 = 76.3%占加热炉的总热负荷的 3792 104(2) 辐射管外表热强度q R2897 104Rq= 54p 0.152 12 - 5 4p

15、 0.152 = 96653.06kJ / m2 h = 23100kcal / m2 h(3) 辐射室出口处油品的总焓值SH = 62500 1 377 4.184 = 9858104kJ / h在辐射室入口处每一千克油品的焓值9858 104 - 2897 104 = 1113.76kJ / h = 266kcal / h62500查油品的热焓图得390o C390 + 490t=+ 50 = 490o C12与估算的493oC 相近，故适宜。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Q= Q - QCR= 37917500 - 2897 104 =

16、 895 104 kJ / h4.5.2 对流室的对数平均温差烟气温度 800 450o CDt =410 -100= 220油品温度 390o C 350o C410ln4101004.5.3 内膜传热系数100油品的平均温度烟气的平均温度350 + 390t=m2= 370o CT= tfm+ Dt = 370 + 220 = 590o C管壁的平均温度T = ttm+ 50 = 370 + 50 = 420o C对流段平均粘度s查设计图表的原料油蒸汽的粘度为0.0000125Pas循环氢粘度近似依据氢的粘度计算，370。C 时，其值为0.0000150Pa依据式(1)计算氢与油混合物粘度

17、 y (M )0.5 ZZ =iiiy (M )0.5ii= (3.5 / 4.5) 3.40.5 0.000015 + (1/ 4.5)1090.5 0.0000125 (3.5 / 4.5) 3.40.5 + (1/ 4.5) 1090.5= (2.147 10-5 + 2.9 10-5 ) / (1.43+ 2.32)= 0.0134cp该粘度说明应依据低粘度公式计算。1h*1h=+ Riii1000 0.152 133h则带入数值得到 i= 0.023 ()0.8 0.372 = 750kcal / mhoC 0.0134i考虑到关内污垢热阻且无保护气，得：由表 10 查得 R= 0.

18、00081h*1750=+ 0.0008 = 0.0028ih* = 469kcal / m2 hoCi4.5.4 管外膜传热系数(1) 钉头外表传热系数DT =796 - 490 + 273 = 904Kln 796490WG=g/ 3600=26843/ 3600= 2.7kg / m2 sgL S - a L n4 1.67 - 0.196 5 4ccc w2.870.667 9040.3h = 9.44 = 61.7kcal / m2 hoCs120.3331 = 1 + 0.005 =1+ 0.005 = 0.0212h*h*61.7ss得h* = 47.2kcal / m2 hoC

19、s(2) 钉头效率tgh(mb)m.bW =s所承受的钉头为f 12 标准钉头，钉头高为 0.025m，当h= 61.7kcal / m2 hoC 时，查图 15 得W = 0.90 。(3) 光管管外对流传热系数2.70.667 9040.31520.333h= 9.44= 26.5kcal / m2hoCoc1h*1h*=+ 0.005 = 0.0377 + 0.005 = 0.0427ococ则h* = 23.4kcal / m2hoCocp4120.016(4) 钉头管外膜传热系数a= 0.152p -b 0.0122 = 0.3925m2120.016p4a =(0.012 0.02

20、5p + 0.0122 ) = 0.7913m2sa= 0.152p = 0.477m20h*W a + h*a47.2 0.9 0.7913 + 23.4 0.3925ssh=s则soaosb =0.477= 89.7kcal / m2hoC4.5.5 对流段总传热系数h*h*89.7 469K=o i= 75.3kcal / m2hoCch* + h*89.7 + 469oi4.5.6 对流管外表积及对流管排数QA =c895104 / 4.184= 129m2cK Dt75.3 220ccANc = n L p dwcc=129= 13.55 4 p 0.152排选用对流管共 14 排，

21、遮挡管在对流管下部，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H= 0.886S (Nccc+1) = 0.886 0.304 (14 +1) = 4.04m4.5.8 对流管外表热强度Qq=ccAc895104= 62507kJ / m2h = 17363W / m2 15 5 4 3.14 0.152在阅历值 9300-23260W / m2 之间，符合要求，并有肯定潜力。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350o C 进炉，在 15 kg / cm2 压力下出炉，在 167 o C 下就完全汽化， 因此汽化段压降DP 就

22、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 = 2023.5kmol / 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= 2023.5 3.4 = 6818.7kg / h 总质量流率= 62500 + 6818.7 = 69318.7kg / h=+=+=G3.5G6250062500n3.52580kmol / hMM109109加热炉平均温度为(350+490)/2=420o C ,平均压力15kg / cm2 ，混合油气平均体积流量V= nRT =

23、 (573 + 2023.5) 22.4 1 480 + 273 = 10621m3 / hmp15273混合物的密度r = 69318.7 /10621 = 6.53kg / m34.6.2 混合气体流速w=Gm900 p rm0.13620.3 d 2 N=62500= 20.3m / s900 6.53p 0.1362 94.6.3 摩擦系数0.001235 + 0.01didwiml = 0.01355 += 0.0135 + 0.001235 + 0.0136 = 0.0384.6.4 压力降对流段当量长度L = nL + ( n-1)j d= 14 5 4 +14 5(-1) 30

24、 0.136 = 58.8mcNNi99辐射管当量长度L= nL + ( nefNN-1)j di= 5412 + (54 -1) 30 0.136 = 92.4m 99则L= L + Lecef= 58.8 + 92.4 = 151.2m=emDpl L”w2ed2ir= 0.038 151.2 20.32 6.53m0.1362= 56842.3Pa = 0.568atm = 0.58kg / cm24.7 烟囱的设计计算烟囱是加热炉不行缺少的一局部，它主要的作用是产生肯定的抽力使得烟气在加热炉中不断的流淌，并将高温烟气向高空中排放，以削减对环境的污染。加热炉的烟囱可以用钢，砖或者混泥土制

25、成，可以设置在炉子旁边也可以放在炉子顶部。不过一般中小型的圆筒炉的烟囱都是用钢材制成的，并且防止在炉子的顶部。总之，在实行自然通风的加热炉中，一个设计良好的烟囱，应当保持炉子内部保持肯定的负压，使燃料燃烧所需的空气进入炉内，而且高温烟气不能够从炉内泄漏。4.7.1 烟气的阻力对流段的阻力(穿插排列钉头管) 钉头区域外部的烟气质量流速W( A)1.8d ”(g - A Gsogo)1.8 =si(Nsp )0.2d ”p=26873Wg3600= 7.46kg / s 对流段截面积： 41.67 = 6.68m2 每排炉管(光管)所占截面积：0.152 4 5 = 3.04m2 钉头所占截面积：

26、4.00.016 2 5 0.012 0.025 = 0.75m2 自由通道截面积： 6.68 - 3.04 - 0.75 = 2.89m2 对流段截面积： 41.67 = 6.68m2 每排炉管(光管)所占截面积：0.152 4 5 = 3.04m2 钉头所占截面积：4.00.016 2 5 0.012 0.025 = 0.75m2 自由通道截面积： 6.68 - 3.04 - 0.75 = 2.89m2 钉头区域外部的流通面积A= 1.67 - (0.152 + 2 0.025) 10 5 = 2.64m2SO钉头区域内部的流通面积A= 2.89 - 2.64= 0.25 m 2SI钉头与

27、钉头之间的间隙d ” = 0.077mp两相邻钉头管之间的间隙d ” = 0.016 - 0.012 = 0.004mp将相关的数值代入下面的公式进展求解得到g(m- A)1.8 =A1.8SI( d ”p )0.23600GSOgoNd “Sp将相关的数据代入得到7.460.251.80.004(- 2.64)1.8Ggogo=()0.2120.077将数值代入得到G= 2.8kg / m2 s由于烟气在对流室的平均温度为904K ，查得烟气的粘度为m= 0.55 15 = 8.25mmH Os2(2) 各局部的局部阻力对流室截面和辐射室截面之比A2.89p2 =A 5.62 14= 0.1

28、17查表得到x 1= 0.46T= 796 + 273 = 1069 KgG = 2.7kg / m2 hDH= 0.46 41069 2.72 = 0.528mmH O69402s(3) 烟气由对流段到烟囱的阻力，取烟囱直径 D= 1.7m烟囱截面积= 0.785 1.72= 0.785对流段流通面积2.892查表得x= 0.168T= 450 + 273 = 723Kg7.46Gg = 0.7851.72= 3.29kg / m2 s符合于 2.5Gg3.5 的要求DH= 0.168 723 3.292 = 0.19mmH O569402(4) 烟囱挡板阻力T= 450 - 55 + 27

29、3 = 668KgG= 3.29kg / m2 sg但自由截面为全截面的 50%时， x 3 = 4DH代入公式得：5= 4 668 3.292 = 4.17mmH O694024.7.2 烟气在烟囱中的摩擦损失及动能损失(1) 烟气在烟囱中的摩擦损失假定烟囱高度 20mT= 668Kgm= 0.013cpgD= 1.7msG= 3.29kg / m2 sgRe = 1000 1.7 3.290.013查图 17 得 f = 0.045= 430231120”DH=1T G2 f Hs = 668 3.292 0.0045= 0.221mmH O71735ggDs1735172(2) 烟气在烟

30、囱中的动能损失T G2DH=gg= 668 3.292= 1.04mmH O86940694024.7.3 烟囱的高度依据前面烟囱阻力计算结果，烟囱所需的最小抽力：DH= 8.25 + 0.528 + 0.19 + 4.17 + 0.221 +1.04 = 14.399mmH O = 144PaD2大气温度 T= 273 + 27 = 300Kab烟囱底部烟气温度 Ts查图 15 得a= 0.91= 723K烟囱内烟气平均温度T= a (Tmsb- T ) + Taa= 0.91 (723 - 300) = 685K为了能够吊装辐射管，烟囱必需有如下的最低高度。22H=L+ 2 = 8.76

31、+ 2S3ef3= 7.84m烟囱最小高度用下式计算：DH= 355H ( 1 + 1 ) = 355 ( 1-1 ) = 21.7mDs TTam300685因此，烟囱最小高度21.7m,依据实际状况，烟囱的实际高度应当高于21.7m工程表 4-1.结果汇总数据总有效热负荷Q,kJ/h37917500辐射室热负荷,QR, kJ/h28438125对流室热负荷,Q, kJ/h8950000辐射室炉管外表热强度,qR,kcal/m2h26125对流室炉管外表热强度,qc, kcal/m2h14940辐射室烟气温度,tg,796对流室烟气温度,t,450过剩空气系数1.35理论空气用量,Lokg

32、空气/kg 燃料燃料用量 B(kg/h)燃料/n(个)13.961277 及 9燃料低热值Qv(KJ/燃料)41241.7炉子热效率72%烟气流量Mg(/h)26873烟气流速Wg(/s)3对流室构造尺寸LCSHC辐射室构造尺寸 DH41.674.045.613辐射管规格 SLn15281254辐射管管心距S，管程数N0.304，9对流管管心距S，管程数N0.304，9对流室管排数14遮挡管根数5加热炉压力降atm0.568对流室规格1528300090附录符号说明反响器Cp ：平均比热容，kJ/kg o C ；R ：当量直径，m；oa ：组分的重量分数；t ：催化剂床层厚度，m；DHw：焓值

33、,kJ/kg 或 kcal/kg；床 ：床层线速，m/s；mmj ：与焓值相关的斜率；：气体粘度Pas 或 cp；bj ：与焓值相关的截距；XH2 ：氢气的纯度，%；Dp ：床层压降，kg/cm2 或 atm；H ：反响器高，m；Z ：混合气体粘度Pas 或 cp；D ：反响器直径，m；n ：扇形筒个数；x ：阻力系数；DQ ：不均匀度，%； 加热炉局部ti ：加热炉入口温度， o C ；to ：加热炉出口温度， o C ；e ：气化率，%；a ：过剩系数；F 、FQ分集 ：集、分气管面积，m2；h ：催化剂装入高度，m；l ：低发热值，kJ/kg；oL ：理论空气量；D 、dem：当量直径，

34、m；h ：热效率，%；TB ：流道面积比参数；s ：对流室烟气温度o C ；K 、K分集：分、集气管动量交换系数；q” ：散热损失；Lr：流体密度，kg/m3；j ：开孔率；WB ：燃料用量，kg/h；n ：火嘴数；Tg ：烟道气流量，kg/h；Q ：对流室热负荷，kJ/h；t ：管壁平均温度， o C ；h* ：内膜传热系数， kcal / m2 ho C ；cRQ ：辐射室热负荷kJ/h；ih*o ：外膜传热系数，kcal / m2 ho C ；Tw ：辐射段平均壁温， o C ；qR ：辐射管外表热强度，kcal / m2 h ；W ：钉头效率；h：光管外对流传热系数，kcal / m2

35、 ho C ；RA ：辐射管外表积，m2；ocsoh：钉头管外膜传热系数，kcal / m2 ho C ；di ：管内径，m；Sl ：管心距，m；LHc ：对流室高，m；qc ：对流管外外表热强度，kcal / m2h ；Vef ：辐射管有效长度，m；ac ：单位长度钉头管所占面积，m2；m ：油气平均体积流量m3/h；mW ：混合气体流速，m/s；Gg ；烟气质量流速kg/m2s；S ：对流段宽，m；D ” ：节圆直径，m； D ：炉膛直径，m；Acp ：辐射管冷平面面积，m2；eg ：烟气辐射率；L ：平均辐射长度，m；Dt ：对数平均温差， oC ；Dtm ：油品平均密度， o C ； Tg ：出口烟气温度， o C ； Tf ：烟气平均温度， oC ；l ：摩擦系数；Lc ：对流段当量长度，m；DPe ：压力降，pas 或 cp；DHi ：烟气各局部阻力(压降)，mmH2O；DHD ：烟囱最小高度，m；