CC BY
143
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 661.715.332
A. P. Бикчурина, И. В. Цивунина
МОДЕРНИЗАЦИЯ БЛОКА ПИРОЛИЗА ПРОПАН-БУТАНОВОЙ ФРАКЦИИ
Ключевые слова: пиролиз, этилен, пропан-бутановая фракция, змеевик, печь пиролиза.
Рассмотрена модернизация установки пиролиза пропан-бутановой фракции, а именно печи пиролиза, путем замены радиантного змеевика постоянного диаметра сечения на змеевик с переменным диаметром по длине. Это позволит интенсифицировать процессы тепло- и массообмена, увеличить конверсию сырья и выход целевых продуктов.
Keywords: pyrolysis, ethylene, propane-butane fraction, coil, pyrolysis furnace.
Modernization of propane- butane fraction pyrolysis, fitting namely a pyrolysis furnace, is examinined by replacing the constant radiant coil section diameter to coil diameter section with a variable length. This will intensify the processes of heat and mass transfer, increase the conversion of raw materials and the yield of desired products.
Ключевым крупномасштабным процессом, обеспечивающим успешное функционирование нефтехимического синтеза, является пиролиз. На основе базовых продуктов пиролиза - этилена, пропилена, бутадиена и бензола - производят большую часть нефтехимических продуктов, пластиков, синтетических каучуков, эластомеров, синтетических волокон и т.д. [1].
В литературе описано множество различных способов пиролиза углеводородного сырья. Однако наиболее широкое распространение в промышленности получил процесс пиролиза в трубчатых печах с вертикальными змеевиками в присутствии водяного пара.
Вертикальная трубчатая система имеет следующие преимущества по сравнению с горизонтальным расположением труб [2]:
- возможность простых конструктивных решений при создании практически любого числа сырьевых потоков;
- размещение узлов трубных опор в зонах низких температур вдали от горелок;
- благодаря вертикальному расположению змеевики свободно расширяются и сжимаются с изменением температуры в печи, поэтому в отличие от печей с горизонтальным расположением реакционных труб здесь не наблюдается прогиб труб между опорами;
- печью аккумулируется сравнительно небольшое количество тепла, что позволяет легко производить зонное регулирование и устанавливать оптимальный технологический режим при максимальном выходе целевых продуктов;
- вследствие пониженных температур футеровки и тепловой изоляции уменьшаются тепловые потери, они составляют не более 2% от общего количества тепла, полученного от сжигания топлива.
Такие печи отличаются высокими теплотехническими характеристиками, надежным и экономичным материальным оформлением, компактной и совершенной конструкцией, высокой эффективностью работы.
При модернизации за аналог была взята установка пиролиза первой очереди завода «Этилен»
ПАО «Казаньоргсинтез». Процесс пиролиза осуществляется в двухпоточных трубчатых печах
градиентного типа, оснащенных панельными двухступенчатыми акустическими горелками типа АГГ-9, в качестве топливного газа используется метан-водородная фракция. Сырьем пиролиза служит пропан-бутановая фракция. Процесс ведут в присутствии пара-разбавителя в количестве 40% от подаваемого в печь сырья при температурах 800-900°С [3].
В целях увеличения конверсии пропан-бутановой фракции и выхода целевых продуктов, в частности этилена, на основе патента, разработанного ГУП «Институт
нефтехимпереработки Республики Башкортостан», было предложено заменить аналоговый радиантный змеевик печи пиролиза на змеевик с переменным диаметром сечения по длине.
Технический результат достигается за счет разности диаметров восходящей и нисходящей труб змеевика в 1,15-1,3 раза. Причем диаметры верхнего и нижнего соединительных отводов равны соответствующему диаметру нисходящей и восходящей трубы и соединены между собой коническими переходами (рис. 1) [4].
Предполагается, что такая разница диаметров вертикальных труб позволит интенсифицировать процессы тепло- и массообмена, увеличит селективность конверсии сырья и выход целевых продуктов.
Чтобы доказать преимущества предлагаемого змеевика перед аналогом был рассчитан температурный профиль змеевиков по их длине и время пребывания парогазовой смеси в зоне реакции.
На основе уравнения теплового баланса на участке змеевика х [5]
(F+Fn)Cp(x)dT(x)=Kт(x)dн.(Tcт(x)-T(x))-FdH(x),
вывели формулу расчета профиля температуры по длине змеевика:
Т(х) =Т0+(Тст - Т0 -
К1
К1 х
) ,
где То - температура реакционной смеси на участке змеевика х, 893 К; Тст - температура стенки трубы, 1153 К.
Рис. 1 - Змеевик с переменным по длине диаметром: 1 - нисходящая труба змеевика, 2 -восходящая труба змеевика, 3 - конический переход, 4 - верхний соединительный отвод, 5 — верхний соединительный отвод
Для упрощения формулы расчета температурного профиля по длине змеевика введены коэффициенты ^и К2.
где dH - наружный диаметр трубы, м; КТ -коэффициент теплопередачи от стенки змеевика к движущемуся потоку, Вт/(м2град); Кп - коэффициент линейной зависимости теплового эффекта от длины змеевика; Ср - теплоемкость парогазовой смеси, кДж/(кгград); F - расход сырья в печь кг/ч; Fn -расход водяного пара в печь, кг/ч.
Были рассчитаны диаметры предлагаемого змеевика, которые составили Dl = 0,160 м и D2 = 0,140 м.
Змеевики с постоянным и переменным диаметром были разделены на единичные участки по 2 м, для каждого из участков были рассчитаны температура и время пребывания. В результате были получены следующие значения:
- для змеевика с постоянным наружным диаметром 0,150 м конечная температура составила 1105,81 К (832,81°С) и т=1,001 сек;
- для змеевика с переменным наружным диаметром конечная температура составила 1139,65 К (866,65°С) и т=0,900 сек.
Результаты расчетов изменений температурного профиля и времени пребывания по длине змеевиков приведены в виде сравнительных графиков (рис. 2, 3).
Так как основным компонентом сырья является бутан, кинетика основной реакции процесса пиролиза
С4Н 10 ^ 2С2 Н4 +Н2,
описывается уравнением первого порядка [6]: к=(2,303/т)х 1д(а/(а-х)),
где к - константа скорости реакции, с-1; т - время пиролиза, с; а - количество исходного реагента вступившего в реакцию, %; х - степень конверсии бутана, %.
Длина змеевика, м
Рис. 2 - Сравнительный график изменения температуры по длине змеевика: 1 - змеевик с переменным диаметром сечения по длине; 2 -змеевик с постоянным диаметром сечения по длине
Длина змеевика, м
Рис. 3 - Сравнительный график изменения времени пребывания по длине змеевика: 1 -змеевик с переменным диаметром сечения по длине; 2 - змеевик с постоянным диаметром сечения по длине
В ходе расчета были получены следующие результаты:
- для змеевика с постоянным по сечению диаметром константа скорости равна 11,616; степень конверсии пропан-бутановой фракции составит 72%.
- для змеевика с переменным по сечению диаметром константа скорости равна 26,583; степень конверсии пропан- бутановой фракции составит 76%.
Анализ температурного профиля радиантного змеевика показывает, что применение труб переменного диаметра способствует сокращению времени пребывания реакционной смеси в печи и увеличению температуры в зоне реакции, что позволяет увеличить выход этилена 2,34% по отношению к аналогу. Таким образом, можно
сделать вывод, что подобное усовершенствование реакционного змеевика положительно сказывается на эффективности процесса пиролиза.
Литература
1. А.Р. Бикчурина, И.Р. Цивунина, Вестник технологического университета, , 18, 9, 137-139 (2015).
2. Н.Р.Ентус, В.В. Шарихин, Трубчатые печи в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. — М.: Химия, 1987 - 304 с.
3. А.Р. Бикчурина, И.Р. Цивунина, Вестник технологического университета, 19, 10, 44-46 (2016).
4. Пат. Россия 2483096 (2012).
5. М.Р. Тучинский, Ю.В. Родных, Математическое моделирование и оптимизация пиролизных установок. -М.:Химия, 1979.- 168 с.
6. С. П. Гутник, В. Е. Сосонко, В. Д. Гутман, Расчеты по технологии органического синтеза. - М: Химия, 1988.-272 с.
© А.Р. Бикчурина - студент-магистр гр. 414-МП1 каф. технологии основного органического и нефтехимического синтеза КНИТУ; И. В. Цивунина - к.х.н., доц. каф. технологии основного органического и нефтехимического синтеза КНИТУ, itsivunina@mail.ru.
© A. R. Bikchurina - rank, position: 2 years master student of Faculty of oil and petrochemical, KNRTU; 1 V. Tsivunina - rank, position: associate professor, Candidate of technical sciences, KNRTU, itsivunina@mail.ru.
