Технологический расчет реакционного змеевика трубчатой печи радиантного типа

Технологическая схема установки пиролиза нефтяного сырья; проект трубчатого реактора радиантного типа. Расчет процесса горения: тепловая нагрузка печи, расход топлива; определение температуры дымовых газов; поверхность нагрева реакционного змеевика.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

• Оглавление
• 1. Описание технологической схемы установки
• 2. Описание проектируемого аппарата
• 3. Технологический расчёт аппарата и обоснование основных размеров
• 3.1 Исходные данные
• 3.2 Расчет процесса горения
• 3.3 Состав сырья и пирогаза
• 3.4 Конечная температура реакции
• 3.5 Тепловая нагрузка печи, ее к.п.д. и расход топлива
• 3.6 Определение температуры дымовых газов, покидающих радиантную камеру
• 3.7 Поверхность нагрева реакционного змеевика (экранных труб)
• 3.8 Время пребывания парогазовой смеси в реакционном змеевике
• 3.9 Потери напора в реакционном (радиантном) змеевике печи
• 3.10 Размер камеры радиации
• Список используемой литературы

1. Описание технологической схемы установки

Пиролиз нефтяного сырья - процесс деструктивного превращения углеводородов нефти при высоких температурах (обычно выше 650--700°C) в газообразные (пирогаз) и жидкие (смола пиролиза) продукты.

С 50-х гг. XX в. пиролиз - это основной промышленный процесс, обеспечивающий крупнотоннажное производство этилена, пропилена, а также других мономеров и полупродуктов для химической промышленности (бутенов, бутадиена, циклопентадиена, бензола, толуола, ксилолов и др.).

Основным промышленным сырьем для процесса пиролиза являются газы нефтепереработки, бензиновые и газойлевые фракции нефти. Сырьевая база пиролиза определяется обычно структурой потребления нефтепродуктов.

Выход целевых продуктов пиролиза существенно зависит от углеводородного состава подвергаемого деструкции сырья. При пиролизе газов нефтепереработки состава C₂-C₄ и нормальных парафинов, содержащихся в бензиновых фракциях, образуется главным образом пирогаз. Пиролиз высококипящих нефтяных фракций (например, газойля) приводит к образованию большого количества смолы пиролиза, содержащей ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилолы, нафталин и др.), а также олефины C₅ и выше, в том числе и циклические (например, циклопентадиен).

Условия проведения и химизм процесса

В промышленных условиях пиролиз углеводородов осуществляют при температурах 800--900°С и при давлениях, близких к атмосферному (на входе в пирозмеевик -- 0,3 МПа, на выходе -- 0,1 МПа избыточных). Время пребывания сырья в пирозмеевике составляет 0,1--0,5 сек. Большинство исследователей придерживаются теории цепного свободно-радикального механизма разложения при пиролизе в вышеуказанных условиях. Условно все реакции при пиролизе можно разделить на первичные и вторичные. Первичные реакции протекают с увеличением объёма реакционной массы. Это, в основном, реакции расщепления парафинов и нафтеновых углеводородов с образованием углеводородов с меньшей молекулярной массой. Вторичные реакции протекают, преимущественно, на поздних стадиях пиролиза и протекают они с уменьшением объёма реакционной массы. Это, в основном, реакции образования ароматических, полиядерных ароматических углеводородов в результате реакции конденсации/поликонденсации термически стабильных ароматических углеводородов и в результате реакций типа Дильса-Альдера. Также к вторичным реакциям можно отнести реакции образования различных твёрдых углеродистых соединений, которые в промышленности принято называть коксом. Однако, ещё раз следует подчеркнуть, что такое деление реакций на первичные и вторичные условно.

Для снижения скоростей вторичных реакций пиролиза используют разбавление сырья пиролиза водяным паром. В результате парциальное давление углеводородов снижается и, согласно принципу Ле-Шателье, снижение давления в зоне реакции будет способствовать протеканию реакций, идущих с увеличением объёма, то есть -- первичных. Для этана, бутана, прямогонного бензина соотношение пара к сырью обычно составляет 0,3:1,0; 0,4:1,0; 0,5:1,0 соответственно.

Конструкция печей

В промышленности распространение получили трубчатые реакторы пиролиза. Печи пиролиза состоят из двух отсеков -- радиантной и конвекционной. Именно в радиантной секции находятся трубчатые реакторы пиролиза (пирозмеевики), обогреваемые теплом сгорания топливного газа на горелках этой секции. Следует отметить, что обогреваются пирозмеевики не пламенем горелок, а радиацией (в смысле просто излучения, а не гамма-излучения) тепла от внутренней кладки радиантной секции печи, по которому «размазывается» пламя горелок. В конвекционной части печи происходит предварительный нагрев сырья, водяного пара разбавления до температуры начала пиролиза (600--650°С) конвективным переносом тепла с дымовыми газами из радиантной секции. Для возможности более точной регулировки температуры в обеих секциях на выходе из печи установлен вытяжной вентилятор с шибером для регулирования скорости движения дымовых газов. Кроме нагрева сырья и пара разбавления, в конвекционной части происходит нагрев котловой питательной воды, которая используется для охлаждения продуктов пиролиза на выходе из печи -- в закалочно-испарительных аппаратах. Полученный насыщенный пар используется для получения пара высокого давления, который в свою очередь используется для вращения паровой турбины компрессора пирогаза. В последних моделях печей пиролиза в конвекционную часть внесли модуль перегрева насыщенного пара до необходимой температуры (550°C). В итоге КПД использования тепла в последних моделях печей пиролиза составляет 91 -- 93%.



2. Описание проектируемого аппарата

Теперь более подробно о трубчатых реакторах пиролиза -- пирозмеевиках. Для повышения селективности процесса и выходов продуктов при пиролизе время пребывания сырья в реакционной зоне необходимо сокращать, а температуру повышать. По такому пути и развивалось изменение этих параметров на промышленных печах пиролиза. На данный момент время контакта на современных печах составляет порядка 0,2 сек., а температура пиролиза достигает 870--900°С. При этом, встает вопрос -- как так быстро нагреть (0,2 сек.) паросырьевой поток от 600°C до температуры пиролиза. Необходимо учитывать предельно допустимую температуру современных хромникелевых сплавов, из которых изготавливаются змеевики, и резкое повышение коксообразования на стенках этих сплавов при повышении температур. Не увеличивая градиент температур между стенкой пирозмеевика и паросырьевым потоком, быстрый нагрев можно обеспечить увеличив удельную поверхность пирозмеевика, то есть поверхности на единицу объёма паросырьевого потока. Большинство фирм разработчиков печей пиролиза пошли по пути конструктивного выполнения пирозмеевиков ветвящимися с переменным диаметром труб. Так, если изначально пирозмеевики представляли собой длинную трубу постоянного диаметра, согнутой на равные части (в змеевик) для уменьшения конструкционных размеров печи, то теперь пирозмеевики изготавливаются из большого количества входных труб (10--20) малого диаметра, которые объединяются, и, в итоге, на выходе змеевик состоит из 1--2 трубы значительно большого диаметра. В таких пирозмеевиках достигается высокая теплонапряженность на начальном участке и низкая -- на конце, где температура стенки играет высокую роль в процессе коксообразования.

Первоначально пирозмеевики в радиантной секции находились в горизонтальном положении, время контакта в таких печах составляло не меньше 1 сек, температура пиролиза -- не выше 800°C. Переход с горизонтальных на вертикальные свободно висящие трубы радиантного пирозмеевика позволило использовать более жаропрочные, хрупкие материалы пирозмеевиков, что и привело к появлению печей с высокотемпературным режимом и с коротким временем пребывания потока в пирозмеевиках.

Рис. 1. Схема трубчатой печи радиантного типа



3. Технологический расчёт аппарата и обоснование основных размеров

3.1 Исходные данные

Количество и состав исходного сырья (газа) и состав продуктов пиролиза (пирогаза) приведены в таблице 1.

Таблица 1

Компоненты	Состав, мол.%
	сырье - пропановая фракция	пирогаз
Н2	1,2	11,2
СН4	4,5	37,2
С2Н2	-	0,3
С2Н4	5,1	29,3
С2Н6	17,2	8,2
С3Н6	11,5	7,1
С3Н8	54,2	3,8
С4	Другие файлы: Технологический расчёт трубчатой печи Основные характеристики трубчатых печей. Тепловой баланс трубчатой печи. Расчет коэффициента полезного действия и расхода топлива. Выбор типоразмера т... Технологический расчет трубчатой печи Назначение и основные характеристики огневых нагревателей. Расчет процесса горения топлива, расчет коэффициента полезного действия и расхода топлива,... Расчет трубчатой печи пиролиза углеводородов Расчет процесса горения в трубчатой печи пиролиза углеводородов. Конструктивная схема печи. Поверочный расчет радиантной и конвективной камеры. Гидрав... Расчет трубчатой печи установки атмосферной перегонки коробковской нефти Классификация трубчатых печей и их назначение. Состав нефти и классификация. Аппаратурное оформление вертикально-цилиндрической печи. Тепловой баланс... Расчет теплоутилизационной установки вторичных энергоресурсов Подготовка исходных данных по топливному газу и водяному пару. Расчет процесса горения в печи. Тепловой баланс печи, определение КПД печи и расхода то...