CC BY
107
ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО-И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА
УДК 665.642
М. М. Андреева, И. Р. Чигвинцева
КОНТРОЛЬ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПРОФИЛЯ ЗМЕЕВИКА РАДИАНТНОЙ СЕКЦИИ ПЕЧИ ПИРОЛИЗА
Ключевые слова: пиролиз, змеевик печи, апроксимирующая функция.
В статье приведены результаты проведение эксперимента по изменению температуры змеевика печи пиролиза с помощью пирометра. Для оценки тенденции изменения температуры получена апроксимирующая функция, которая используется в математической модели для оценки количества состовляющих процесса разложения этана.
Keywords: pyrolysis furnace coil, the approximating function.
The results of the experiment by changing the temperature of the pyrolysis furnace coils with a pyrometer. To assess trends in temperature is obtained approximating function to be used in a mathematical model to estimate the amount of decomposition of ethane composes.
Одним из основных этапов современной технологии получения этилена является пиролиз углеводородного сырья. Этот процесс протекает в печах пиролиза, состоящих из двух отсеков — радиантной и конвекционной. Именно в радиантной секции находятся трубчатые реакторы пиролиза (пирозмеевики). Они обогреваются теплом сгорания топливного газа на горелках этой секции. Следует отметить, что обогрев происходит не посредством пламени горелок, а радиацией тепла от внутренней кладки радиантной секции печи, по которой распространяется пламя.
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. Для повышения селективности процесса и выходов целевых продуктов при пиролизе время пребывания сырья в реакционной зоне необходимо сокращать, а температуру повышать. Достижение поставленных задач возможно с применением аппарата математического моделирования. Построение математической модели пирозмеевика возможно при наличии основных входных и выходным параметров процесса. В настоящее время предприятия органического синтеза, где функционируют рассматриваемые установки, ведут управление процессами с использованием современных аппаратных и программных средств автоматизации; осуществляется запись основных технологических параметров, необходимых для построения математической модели. Исключение составляет только уровень температур по длине змеевика печи пиролиза. Без знания этого параметра невозможно получение адекватной математической модели. Управлением процесса осуществляется поддержание температуры смеси на входе и выходе из реактора, в связи с чем, измерение степени нагретости змеевика по всей его длине не ведется. Таким образом, перед авторами статьи поставлена цель - опытным путем получить изменение температуры змеевика печи пиролиза.
В качестве опытной установки была выбрана четырехпоточная печь пиролиза этана ОАО «Казаньоргсинтез» (рис.1).
Рис. 1 - Схематичное изображение расположения змеевиков в четырехпоточной печи пиролиза ОАО «КазаньОргсинтез»
Процесс разложения углеводородного сырья ведется параллельно для каждого потока в диапазоне уставки 850-860оС по температуре смеси на выходе. Согласно производственным журналам, давление смеси на момент проведения эксперимента составляло - 0,26 МПа на входе и - 0,1 МПа на выходе. Состав подаваемого сырья представлен в таблице 1.
Таблица 1 - Состав сырья на входе в реактор
Вещество % по массе
Этан Не менее 97
Метан Не более 3
Пропан Не более 2
Сумма углеводородов С4 и выше Не более 0,1
СО2 Не более 0,04
Н2Э не более 0.002 Не более 0,002
Измерение температуры смеси на входе и выходе из пирозмеевика ведется с использованием интеллектуальных датчиков температуры - термопар градуировки К. На других участках обследуемой установки термометры не установлены. В связи с этим в качестве измерительного средства был выбран бесконтактный инфракрасный пирометр Raynger 2 Plus (RAY 2 PHTSC) для высоких температур фирмы Raytek. Оптическая система пирометра, наведённая на выбранный для измерения объект, фокусирует излучаемую им ИК-энергию на фоточувст-вительный элемент. Детектор конвертирует ИК-энергию в электрический сигнал, который обрабатывается микропроцессором и пересчитывает в значение температуры на основе калибровочных характеристик и коэффициентов излучения датчика. Это значение температуры выводится на цифровой дисплей пирометра.
Технические характеристики пирометра излучения Raynger 2 Plus (RAY 2 PHTSC): Диапазон измерений -2G ... 3000°C
Точность ± 1% но не менее 1°С
Регулировка излучательной способности (0.1:1.0 с шагом 0.01)
Воспроизводимость +0.5%, но не меньше +1°С
Время отклика 250 мсек
Спектральный отклик 2.1 - 2.3 цш
Оптическое разрешение 167 : 1 в точке фокуса
Разрешение дисплея 0.01°С.
Специфика пиролиза такова, что из-за высоких температур, при которых ведется технологический процесс, нет прямого доступа к реактору. Тем не менее, для наблюдения за змеевиком и горелками в корпусе печи предусмотрены смотровые окна. Они расположены на равном расстоянии друг от друга по длине и высоте установки. Так как обогрев змеевика ведется одинаково для всех потоков, для измерения температур нами был выбран один - четвертый поток. Связано это и с тем, что на трубках змеевиках нет видимых идентификаторов -номеров, а из одного смотрового окна для наблюдения доступно не более 3-х труб. Из рис.1 видно, что только для крайних потоков - 1 и 4, возможно производить отсчет трубок от торцевой стены. Однако для потока №1 не просматривается большая его часть. Таким образом, для того чтобы измерить температуру змеевика печи пиролиза нами был отобран 4-й поток, где имелась возможность визуального определения номера трубки, для которой производилось измерение, а также почти каждая из них была достижима для измерительного устройства.
Каждая серия экспериментов была проведена для 7 трубок (№3 - №9) змеевика. Трубки №1 и №2 монтированы таким образом, что не возможно прямое наведение и фокусировка инфракрасного излучения в какой-либо их точке. «Прострел» печи проводился через специальные смотровые окошки, которые расположены на высоте 2400, 4700, 7400 и 9600 мм от земли в точках (А1.. .04). После 2 серий измерений получены опытные данные, представленные в таблице 2.
Таблица 2 - Результаты измерений температуры змеевика печи пиролиза этана
Высота № серии № трубки змеевика
3 4 5 6 7 8 9
9600 мм А1 В1 С1 Б1 Е1 Б1 01
1 877 872 897 891 907 927 917
2 869 868 886 891 922 920 918
7400 мм А2 В2 С2 Б2 Е2 Б2 02
1 889 888 908 922 913 925 922
2 875 885 907 918 913 934 929
4700 мм А3 В3 С3 Б3 Е3 Б3 03
1 915 925 930 930 909 924 923
2 913 919 926 930 917 926 932
2400 мм А4 В4 С4 Б4 Е4 Б4 04
1 870 867 892 892 881 877 895
2 875 878 908 907 901 897 915
о
г£
Ф
О
Рис. 2 - Схематичное изображение положения точек отбора импульса
Зная длину трубок и высоту, на которой проводилось каждое измерение, найдём общую протяжённость змеевика и расстояние от его начала до местонахождения точек отбора импульса.
Длина прямого участка трубки №1 1_пр1 = 8950 мм.
Длина прямого участка трубок №№ 2 - 8 1_пр2 = 8750 мм.
Длина изогнутой части каждой трубки 1_кр = пГ = 3,14-130 = 408 мм
Длина участка А0.. А7 составляет 1_пр1 + 1_ф + 1_пр2 = 8678 + 408 + 8618 = 18112 мм
Расстояние А ..А1 = 600 мм, А4..А// = 818 мм
Таким образом, получим расстояния до следующих точек:
А1 = 18712 мм Б4 = 46008 мм Б4 = 64060 мм
А2 = 21112 мм Б3 = 48308 мм Б3 = 66360 мм
А3 = 23612 мм Б2 = 50808 мм Б2 = 68860 мм
А4 = 25912 мм Б1 = 53208 мм Б1 = 71260 мм
В4 = 27956 мм Е1 = 54816 мм 01 = 72868 мм
В3 = 30256 мм Е2 = 57216 мм 02 = 75268 мм
В2 = 32756 мм Е3 = 59716 мм 03 = 77768 мм
В1 = 35156 мм Е4 = 62016 мм 04 = 80068 мм
С1 = 36764 мм
С2 = 39164 мм
С3 = 41664 мм
С4 = 43964 мм
Общая длина змеевика L3M =LG4 + 818 + L0TB = 80886 + 818 + 2080 = 83784 мм. Обработка данных проводилась с использованием программы CurveExpert Version 1.34. График распределения температуры по длине змеевика представлен на рис.2.
Точки - средние значения температур для указанных длин реактора.
Рис. 2 - Изменение температуры стенки реактора по длине змеевика
Для оценки тенденции изменения температуры в реакционной зоне объекта найдём аппроксимирующую функцию. В качестве последней выбрана зависимость вида
y = a + b ln x ,
где y - искомая температура стенки реактора Tw, 0С x - длина земеевика L, мм a = 606.13818 b = 27.804171
Таким образом, распределение температуры стенок ректора по длине змеевика будет описана уравнением вида:
Т w = 606,1 + 27,8 • ln L (1)
Выбор логарифмической зависимости (1) определен сравнительно небольшим значением стандартной ошибки S=16,25. Коэффициент корреляции равен r = 0,59.
Графически аппроксимирующая функция изображена на рис. 3 Точки - средние значения температур для указанных длин реактора.
Линия - аппроксимирующая кривая.
Полученная зависимость (1) используется в математической модели для оценки количества состовляющих процесса разложения этана.
10000 20000 30000 «ООО 50000 60000 70000 80000 90000
Длина змеевика, мм
Рис. 3 - График аппроксимирующей функции Литература
1. Торховский, В.Н. Пиролиз углеводородного сырья / В.Н. Торховский, А.И. Николаев, А.К.Бухаркин.
- М., 2004. - 68 с.
2. Сергеев, А.Г. Метрология и метрологическое обеспечение / А.Г. Сергеев. М.: Высшая школа, 2008.
- 576 с.
3. Крюков, В.Г. Математическое и программное обеспечение расчета высокотемпературных химических неравновесных процессов. Физико-химическая кинетика в газовой динамике / В.Г.
Крюков, А.Л. Абдуллин, Р.Л. Исхакова, М.В. Никандрова. - М.: МГУ, 2009. - 120 с.
4. Фафурин, А.В. Компьютерное моделирование процесса пиролиза этана на базе пакета МАТНЕМАТ-1С / А.В. Фафурин, И.Р. Чигвинцева // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, № 14. - 318 с.
© М. М. Андреева - канд. техн. наук доц. каф. автоматизированных систем сбора и обработки информации КНИТУ; И. Р. Чигвинцева - ст. препод. той же кафедры, [email protected].
