Поверочный теплотехнический расчет котла-утилизатора

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Нижегородский Государственный Технический Университет

Дзержинский Политехнический Институт

 

Кафедра «Процессы и  аппараты химической и пищевой технологии»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

Тема «Поверочный теплотехнический расчет котла-утилизатора»

 

 

 

 

 

 

 

 

Преподаватель:

 

Студент:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дзержинск 2012 г.

 

Аннотация

 

Цель данной курсовой работы - проведение поверочного теплотехнического расчета котла-утилизатора для конкретного энерготехнологического процесса, а именно, производства слабой азотной кислоты, риформинга, производства серной кислоты и др. В задании к курсовой работе указывается: количество и состав технологических газов, подлежащих охлаждению в КУ и их начальная температура, а также температура и давление вырабатываемого насыщенного или перегретого водяного пара.

Первый этап работы подбор КУ с учетом характера соответствующего химического производства и задания курсового проекта. Котельный агрегат без топочного устройства представляет собой, в сущности, специфический вариант теплопередающего аппарата. В основе расчета КУ в курсовой работе лежит тепловой расчет. В основе же расчета теплопередающих поверхностей лежат два уравнения- баланса энергии (теплового баланса) и теплопередачи.

Кроме поверочного теплового расчета  КУ выполняется расчет тепловой изоляции котла и гидравлический (аэродинамический) расчет со стороны газов; эскиз КУ со спецификацией его основных элементов; подбор насоса и емкости для питательной  воды.

Поверочный тепловой расчет проводится для конкретного КУ с известными величинами поверхностей нагрева. Гидравлический расчет проводится с целью определения  гидравлического сопротивления. Результат  выполнения курсовой работы- установление возможности использования выбранного КУ без переделок и доработок в данном случае ( в соответствии с заданием курсовой работы).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

 

Аннотация	1
Введение	3
1. Исходные данные	4
2. Описание схемы КУ	5
3. Техническая характеристика КУ	6
4. Тепловой баланс	7
5. Тепловой расчет	9
расчет испарительной поверхности
6. Гидравлический расчет	13
7. Расчет толщины тепловой изоляции	15
8. Подбор вспомогательного оборудования	16
9. Подбор конструкционных материалов	17
10. Пуск и остановка КУ	18
11. Выводы	20
Паровой реформинг и конверсия  CO (принципиальная схема)	21
Принципиальная схема котла-утилизатора  типа Н-433	22
Литература	23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Химическая промышленность-одна из энергоемких отраслей народного хозяйства. На ее долю приходится 4,7 % промышленного потребления электроэнергии и 6 % всей вырабатываемой теплоты. Из общего расхода топлива в химической промышленности только 27 % используется в качестве сырья, а 73 % – на энергетические нужды. Соответственно большой роли энергетики в промышленном производстве современные промышленные предприятия имеют сложные и многообразные энергетические системы, состоящие из комплексов установок и устройств, предназначенных для сжигания топлива и производства, распределения и потребления электроэнергии и т.д.

Одно из важнейших направлений повышения энергетической эффективности процессов химической технологии заключается в наиболее рациональном использовании тепловой энергии высокотемпературных газов, получающих на различных стадиях технологического процесса и являющихся, по сути вторичными энергоресурсами (ВЭР). Простой способ использования этой энергии представляет собой применение котлов-утилизаторов (КУ), в которых за счет охлаждения технологических газов производится насыщенный или перегретый водяной пар. В дальнейшем этот пар используется на другой стадии данного технологического процесса, либо в другом процессе, либо поступает в общезаводскую сеть.

Котлы-утилизаторы химических производств  могут быть газотрубного (охлаждение технологических газов идет внутри труб) и водотрубного (внутри труб движется вода и пар) типа. Они также могут дополняться экономайзерами (для подогрева питательной воды) и пароперегревателями (для перегрева насыщенного пара) различных конструкций.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Исходные данные

 

 

 

Объем газов, м3/ч	Давление  газов, МПа	Температура газов, °С		Состав газов, %
		начальн.	конечн.	Н2	N2	СO	СO2	СН4	Н2О
12600	0.38	550	330	27.3	11.7	9.6	1.1	0.4	49.9

 

 

 

 

 

Источник газа: Конвертор СО первой ступени

 

 

 

 

Параметры пара
Давление пара, МПа	Температура, °С
1.4	194

 

 

 

 

По характеру источника газа, расходу и составу газовой  смеси,  температуре газов на входе  в котел-утилизатор, а также по давлению и температуре вырабатываемого насыщенного пара выбираем по каталогу котел-утилизатор Н-433 и включаем его в технологическую линию конвертора  СО первой ступени.

 

 

 

 

 

 

2. Описание схемы котла–утилизатора

Котел-утилизатор типа Н-433 предназначен для использования тепла конверторных газов. Разработан для установки в закрытом помещении. Котел – газотрубный, с естественной циркуляцией, вертикальный, двухкорпусной, с вынесенным барабаном-паросборником. Внутренний диаметр барабана испарительной поверхности – 1580 мм, толщина стенки обечайки – 10 мм, днищ – 20 мм.

Газ проходит по 1184 дымогарным трубам (по 592 в каждой поверхности) диаметром 38×3 мм. Подвод газов нижний. Оба барабана испарительной поверхности установлены  под углом 10° к вертикали. К  каждому барабану приварены входная и выходная газовые камеры, а также кронштейны, на которые опирается барабан-паросборник внутренним диаметром 1200 мм, толщиной стенки 16 мм. Последний изготовлен из стали 20 К. Барабан-паросборник имеет внутрибарабанное устройство в виде дырчатого листа и жалюзи.

Входная и выходная газовые камеры барабана имеют только наружную теплоизоляцию. Котел снабжен необходимой арматурой, устройством для отбора проб пара и воды, контрольно-измерительными приборами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Техническая характеристика КУ

 Н-433

 

Паропроизводительность, т/ч	9.272
Давление насыщенного пара, МПа	0.8
Температура насыщенного пара, °С	194
Температура газов на входе в  КУ, °С	550
Температура газов на выходе из КУ, °С	330
Расход газов через КУ, м3/ч	12600
Испарительная поверхность нагрева, м2	433
Число дымогарных труб, шт.	1184
Габаритные размеры, м
длина	6.2
ширина	4.0
высота	6.3
Вес металлической части котла  с арматурой, т	22.8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Тепловой баланс

Изменение энтальпии газов обусловлено только изменением температуры газовой смеси по мере движения через котел–утилизатор.

4.1 Состав газовой смеси на выходе из КУ

Компонент	Объем, м3/ч	Масса, кг/ч	Количество,  кмоль/ч	Объемная доля, ri,%(об)	Массовая доля,gi,%(мас)
Н2	3439.8	309.2	154.6	27.3	3.12
N2	1474.2	1844.2	65.86	11.7	18.61
СO	1209.6	1169.7	41.77	9.6	11.8
СO2	138.6	273.0	6.2	1.1	2.76
СН4	50.4	36.3	2.3	0.4	0.37
Н2О	6287.4	6276.1	348.7	49.9	63.3
Всего	12600	9908.5	619.43	100	100

 

 

4.2 Уравнение теплового баланса

 

  объемные теплоемкости исходной смеси газов, средние в интервале температур от 0 °С до t₂ и от 0 °С до t₁, соответственно, КДж/м^3.К

объем газов на входе в КУ при  н.у.

По данным [1], стр. 40-41 находим

Н₂:

N₂:

СO:

СO₂:

СН₄:

H₂O:

При °С

Н₂:

N₂:

СO:

СO₂:

СН₄:

H₂O:

Примем предварительно температуру  газовой смеси на выходе из КУ °С

Н₂:

N₂:

СO:

СO₂:

СН₄:

H₂O:

4.3 Расчет паропроизводительности D, т/ч

 

тепловые потери

h_нп–энтальпия насыщенного пара ( Р=1.4 МПа, Т=194°С), КДж/кг

h_пв–энтальпия питательной воды, КДж/кг

 КДж/ч

По данным [1], стр. 341 находим, что при Р=1.4 МПа и Т=194 °С

энтальпия h_нп=830 КДж/кг

КДж/кг

кг/ч=9.272 т/ч

Из технической характеристики находим D_ном=9.4 т/ч

< 2%

Принимаем рабочую паропроизводительность D=9.272 т/ч = 2.57 кг/с

5. Тепловой расчет

Расчет испарительной  поверхности.

5.1 Температура газовой смеси на входе в испарительную поверхность

Т₁=550 °С=823 К

5.2 Температура газовой смеси на выходе из испарительной поверхности (принимаем с последующим уточнением)

Т₂=330 °C=603 К

5.3 Средняя температура газовой смеси

°C =713 К

5.4 Действительный расход газов

параметры газовой смеси при  н.у.

параметры газовой смеси при  рабочих условиях

5.5 Живое сечение для прохода газов

 где

число труб испарителя; внутренний диаметр трубы, мм

5.6 Средняя скорость газовой смеси

5.7 Коэффициент конвективной теплоотдачи

 [4], стр. 206

коэффициент теплопроводности газовой  смеси, Вт/м^.К

коэффициент кинематической вязкости смеси, м²/с

диаметр трубы, м

коэффициенты, учитывающие геометрические характеристики труб; принимаем С_z=1.0, C_s= 0.9 [2], стр. 199

Pr- критерий Прандтля,

удельная теплоемкость смеси, КДж/кг^.К

мольная теплоемкость компонента смеси, КДж/кмоль^.К