Моделирование режима работы трубчатой печи пиролиза Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 665.642

Р. Р. Салимгареев, С. В. Рачковский

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ ПИРОЛИЗА

Ключевыеслова: этан, этилен, углеводороды, пиролиз, печь.

В данной работе построена модель пиролиза этанадля статического режима работы печи в программе CHEMCAD. С помощью модулей программы составлена схема работы основного блока печи, и некоторых вспомогательных узлов производства этилена. Известные параметры для каждого модуля взяты изрегламенты завода «Этилен» предприятия ПАО «Казаньоргсинтез», а неизвестные подбираются с помощью контроллеров.

Keywords: ethane, ethylene, hydrocarbons, pyrolysis, furnace.

In this work the model of pyrolysis of ethane for a static operating mode of the furnace in the CHEMCAD program is constructed. By means of modules of the program the scheme of operation of the main unit of the furnace, and some auxiliary knots ofproduction of ethylene is made. The known parameters for each module are taken from regulations of «Etilen» plant of the enterprise of PAO "Kazanorgsintez", but unknown are selected by means of controllers.

Процесс пиролиза этановой фракции [1] осуществляется в 4-х поточных трубчатых печах, состоящих из радиантной части с вертикальным трубчатым экраном и конвективной части с горизонтально-расположенным трубным пучком. Отсос дымовых газов осуществляется сверху печи по газоходу.

Тепло, необходимое для проведения реакции пиролиза, подводится к радиантному змеевику за счет сжигания топливного газа в горелках, расположенных на боковых стенках печи.

В качестве горелок используетсяакустические газовые горелки.

На рис. 1 представлена моделирующая схема работы печи пиролиза, составленная в оболочке CHEMCAD.

Узел сжигания топлива представлен блоками 8 и 6. Модуль 8 отображает процесс смешения топлива и воздуха, подаваемого в качестве окислителя на вход горелок. Модуль 6 (равновесный реактор) моделирует процесс сжигания топлива в горелках.

В качестве топлива используется углеводородный газ следующего состава (табл. 1) [2].

Таблица 1 -топливного газа

Ориентировачный состав

Состав Массовые доли, Объемные доли,

% %

Водород 23,28 - 29,48 66,24 - 77,6

Метан 23,48 - 66,3 14,54 - 21,4

Этан 0,8 - 43,16 0,05 - 14,16

Этилен 3,41 - 4,43 0,94 - 1,52

Общий расход газа подбирается с помощью контроллера 5, работающего по принципу обратной связи.

В нашем случае необходимо подобрать такое количество топливного газа, при сгорании которого, выделившееся тепло было бы достаточно для поддержания температуры пиролиза в радиантной камере печи (поток 6, рис. 1).

Рис. 1 Схема работы печи пиролиза: 1,8 -смесители потоков сырья, пара, топливного газа и воздуха; 2, 5, 7- контроллеры для подбора расхода воздуха, топлива и воды; 3, 6 - реакторы пиролиза и сжигания газа;4, 7, 9 -теплообменники; 10 - сепаратор

Одновременно с подбором топлива необходимо подобрать такой расход воздуха, при котором содержаниеметана в дымовых газах было бы минимальным (рис. 2).

По результатам расчета контроллеров было выяснено, что для поддержания температуры 845 :С в потоке 6 (рис. 1) необходимо 2826 кг/ч топливного газа и 61 956 кг/ч воздуха. Информацию для остальных параметров топливного газа берем из регламента и приводим в таб. 2.

Рис. 2 - Параметры контроллера для топливного газа и воздуха

Сгорание топлива моделируется блоком 6, в качестве которого выбран Eqшlibriumreactor (БКБЛ) (рис. 3). Известно, что при полном сгорании любых углеводородов образуется углекислый газ и вода, а при сгорании водорода - вода; основные реакции представлены ниже [3].

СН4 + 2С>2 ^ СС>2 + 2Н2О С2Н2 + 3.5О2 ^ 2СО2 + ЗН2О С2Н4 + ЗО2 ^ 2СО2 + 2Н2О Н2 + 0.5О2 ^ Н2О

Результаты расчета процесса горения топлива представлены в табл. 2.

Образующиеся топочные газы используются для подогрева сырья в трубном змеевике печи (модуль 9).

Сырье, нагретое до температуры (845 :С) начала реакции пиролиза поступает в радиантную часть печи (модуль 3). Его параметры приведены на рис. 4. Процесс пиролиза был подробно рассмотрен в работе [4].

Таблица 2 - Параметры топливного газа и воздуха для пиролиза

Свойство входного потока Входной поток

Температура, : I 25

Давление, МПа 0.3

Расход топливного газа . ■!, кг/ч 2826

Расход воздуха 1 ■ -, кг/ч 61 956

Массовые доли компонентов ю, %:

С2Н6 С2Н4 Н2 СН4

4,5 3,5 27,5 64,5

N2 O2 Ar CO2

75 23 1,5 0,5

Задание основных параметров

Е-

Число реакций П ерепад давления f

-Модель реактора-

Задание типа реактора:

Задание дополнительных параметров Ю: 6

МРа

С Только жидкость (* Только пар

| Равновес.реактор|Ъ<юбщ.модель) Г Смешанная Фаза, реакция в жидкой < С Смешанная Фаза, реакция в газовой

Фазе Фазе

ГТ

епловои режим: -

(* Адиабатический (без теплообмена) С Изотермический (задается температура) Г" Задается тепловая нагрузка

|2130.67

_ С

MJ/h

-Задание режима расчета —

Степень конверсии С Приближение delta Т Г" Степень приближ. к равновесию Номер реакции: 1

Разность температур Г" (delta Т) I

Keq=exp(A+B/T)

Базовый компонент | Коэффициент А Коэффициент В Теплота реакции

] ▼ J Приближение delta Т

Степень приближения г

к равновесию Степень превращения П~~ базового компонента I

Компонент коэффициент

.1 Meihane li I1

1A Ojiygen li

13 Carbon Dioxide т lT

12 Water J

Стениомегрический 3 кспоненциальный множитель

' Г

Рис. 3 - Параметры реактора для сгорания топлива

Образовавшийся пирогаз поступает в закалочный аппарат Т-101 (модуль 4) для торможения реакции пиролиза. Модуль 7 отображает процесс утилизации тепла отходящего пирогаза в подогревателе питающей воды (Т-106).

Задание основных параметров

Дополнительные компоненты

Ю: 3

Задание теплового режима:

С И-Адиабатический!

2. Изотермический |845 С

Г" 3. Т епловая нагрузка J137174 MJ/h

Ключевой компонент I 3 Ethane J

Степень превращения | O.G

Теплота реакции I Й'/kmol

Давление в реакторе ) MPa

Расчетная теплота реакции ¡135521 KJ/kmol

коэффициенты:

Л а основе мольным единиц

3

Hydrogen Methane Ethane

]0.Э

|0.0167

jci.11

Propane |-0.05 Propylene

N-Butane ШЙ| %3-Butadiene ¡0.0146 Ethylene Benzene |(Ш5

Рис. 4 - Параметры основного реактора пиролиза

С выхода Т-106 пирогаз направляется на стадию водной промывки и охлаждения (модуль 10 - К-201). В качестве промывной жидкости используется прямая промышленная вода, смешиваемая с потоком пирогаза, котоый охлаждается до 45 "С

Для моделирования К-201 выбран блок МиШригро8еР1а8И (сепаратор); поскольку у нас происходит процесс смешения воды и пирогаза с последующим разделением газовой и жидкой фаз.

Для подбора необходимого количества промывной воды установлен контроллер 11, работающий по тем же принципам что и описанные выше контроллеры 2 и 5.

Отделенный от воды и охлажденный пирогаз после К-201 направляется на компрессию и далее в цех газоразделения.

В работе рассмотрен статический режим работы блока, то есть фиксируются расходы и состав сырья, температура и давление процесса пиролиза.

Полученные результаты могут быть использованы при рассмотрении процесса, происходящего в печи пиролиза в условиях динамического режима ее работы, что более близко к реальным условиям.

Литература

1. Постоянный технологический регламент производства этилена IV очереди. Цех пиролиза и очистки газа № 1371-06. Том 1.

2. Андреева М.М. Профиль температур печи пиролиза этана./ Вестник Казанского технологического университета, 2006, №4, С. 80-86.

3. МФримантл М. Химия в действии. В 2-х ч. Ч. 2: Пер. с англ. - М.: Мир 1998 - 620., ил.

4. Салимгареев Р. Р., Рачковский С. В.Моделирование процесса пиролиза в CHEMCAD / Вестник Казанского технологического университета, 2016, Т 19. № 12.

© Р. Р. Салимгареев - магистрант каф. машин и аппаратов С. В. Рачковский - канд.техн. наук, доц. той же кафедры.

химических производств КНИТУ, moto2733@mail.ru,

© R. R. Salimgareev - graduate student cafes. machines and apparatuses of chemical manufactures KNRTU, moto2733@mail.ru, S. V. Raczkowski - candidate. tehn. Sciences, Assoc. the same department.