CC BY
20
УДК 658.26
М. А. Таймаров, М. Р. Шарипов, А. Р. Хаертдинова, П. Г. Акпарсов
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕГРЕВА ПАРОВОДЯНОЙ ГАЗОВОЙ СМЕСИ
Ключевые слова: змеевик, пиролиз, пиролизная печь.
В данной статье представлено устройство пиролизных печей нефтехимии, в которых получают пиролизный газ, являющийся первичным продуктом в непрерывной технологической линии при производстве этилена.
Keywords: the coil, pyrolysis pyrolysis oven.
This article presents the device of pyrolysis furnaces of petrochemical industry, which receive pyrolysis gas, which is the primary product of the continuous technological line for production of ethylene.
Введение
Одной из важнейших проблем современного материаловедения является разработка
конструкционных материалов для радиантных змеевиков высокотемпературных установок нефтехимического комплекса, поскольку материалы в этих установках работают в чрезвычайно жестких условий. Радиантный змеевик
высокотемпературных печей пиролиза представляет собой трубную систему, состоящую из труб, изготовляемых методом центробежного литья, и фасонных отливок (фитингов), изготовляемых методом статического литья, и соединенных между собой с помощью сварки в змеевик, расположенный в радиантной печи. По основным рабочим параметрам - интервал температур 900^1100°С, скорость газового потока 200^300 м/сек, коррозионное воздействие рабочей среды (непредельных углеводородов), давление 0,25^0,37 МПа эти установки не имеют аналогов.
Проведя анализ змеевиков были выявлены следующие недостатки:
1. Быстрое закоксовывание внутренней поверхности труб змеевика из-за недостаточно высокой скорости движения нагреваемой газовой смеси, так как вблизи внутренней стенки змеевика вследствие более высокой температуры стенки и более низкой скорости потока вдоль нее значения температуры обычно больше, чем в основном объеме, что способствует протеканию в пристенном слое вторичных процессов и образованию коксовых отложений, снижающих выход целевых продуктов.
2. Змеевик имеет дополнительные энергетические затраты, связанные с подготовкой и подачей в него дополнительного кондиционного водяного пара, осуществляемое для снижения парциального давления углеводородов и уменьшения скорости вторичных процессов, так как увеличение концентрации водяного пара в потоке в оптимальном количественном соотношении к основному пиролизному сырью приводит к увеличению выхода этилена, бутенов, бутадиена и снижению выхода ароматических углеводородов.
3. Змеевик имеет недостаточную селективность процесса и выхода конечного продукта - высоко
кондиционного пиролизного газа, так как для повышения селективности процесса и выходов продуктов при пиролизе время пребывания сырья в реакционной зоне необходимо сокращать, а температуру повышать. Из-за предельно достигнутой величины температуры нагрева для хромоникелевых сплавов, из которых изготовлены трубы змеевиков в известном устройстве температуру нагрева сырьевого потока повысить нельзя, а время пребывания в реакционной зоне также ограничено скоростью движения сырьевого потока в известном устройстве по круглым трубам.
Данная статья направлена на решение задачи снижения процессов коксования нагреваемой смеси внутри змеевиков, снижения дополнительных энергетических затрат, связанных с подготовкой и подачей в змеевик дополнительного кондиционного водяного пара уменьшения скорости вторичных процессов, снижающих качество конечного продукта, повышения селективности процесса выхода конечного продукта высоко кондиционного пиролизного газа, то есть получение конечного состава пиролизного газа с регулируемым при пиролизе расширением его номенклатуры по газовым компонентам.
Экспериментальная часть
Поставленная задача решается применением в устройстве для конечной стадии нагрева исходного пиролизного сырья профилированных литых труб змеевика, поперечное сечение которых обеспечивает спиралевидное продольное движение нагреваемого пиролизного сырья с высокой скоростью периферийной скоростью в пристенном слое и тем, самым снижается время контакта продукта с нагретыми стенками и уменьшается время пребывания продукта на конечной стадии нагрева в змеевике, так как скорость движения продукта высока, а также увеличением эффективности радиационного двухстороннего нагрева за счет применения при овальной труб овальной формы.
Конструкция устройства приведена на рис. 1 и 2, на которых показаны: на рис. 1 -фронтальный вид змеевика, нагревающего один поток исходного пиролизного сырья, на рис. 2 -поперечное сечение выходной и сборной труб змеевика и обозначены следующие элементы: 1 -
входная труба, 2 - промежуточная труба, 3 -выходная труба, 4 - сборная труба, 5 - отвод, 6 -бобышка для направляющего стержня, - кронштейн для подвески, 8 - входной поток газовой смеси для нагрева, 9 - выходной поток пиролизного газа, 10 -геликоидная поверхность, 11 - малая ось геликоидной поверхности, 12 - большая ось геликоидной поверхности, 13 - выступ на внутренней геликоидной поверхности, 14 -спиральная навивка внутреннего геликоидного выступа на выходной трубе, 15 - спиральная навивка внутреннего геликоидного выступа на сборной трубе, 16 - направление вращения периферийного вихря внутри трубы, 17 -направление вращения навивки выступа внутри трубы, 18 - вертикальные оси труб, 19 - поток теплового излучения от нагретых внутренних стенок обмуровки пиролизной печи.
Рис. 1 - Фронтальный вид змеевика А-Д
увеличено
ю 11
Рис. 2 - Поперечное сечение выходной и сборной труб змеевика
взаимодействие
элементов
Назначение и следующее.
Входная труба 1 и промежуточная труба 2 выполнены в поперечном сечении круглыми и служат для нагрева входного потока 8 пиролизного сырья на начальной стадии, при которой вторичных процессов в нагреваемом сырье очень мало.
Теплота к трубам 1 и 2, так же как и ко всем поверхностям змеевика для нагрева входного потока 8 газовой смеси пиролизного сырья, подводится за счет теплового излучения 19 от нагретых внутренних стенок обмуровки пиролизной печи, нагреваемых плоско факельными газовыми горелками (на рис. 1 и 2 стенки и горелки не показаны).
Материал труб 1 и 2, так же как и всех элементов на рис. 1 и 2 высококачественная жаропрочная хромоникелевая сталь.
Прямолинейные участки входной трубы 1, промежуточной трубы 2 и последующих выходной трубы 3 и сборной трубы 4 соединены между собой отводами 5.
Выходная труба 3 и сборная труба 4 соединены последовательно и служат для получения выходного потока 9 высоконагретого пиролизного газа, который затем поступает в закалочно испарительный аппарат для резкого охлаждения (на рис. 1 и 2 не показан) и далее идет для получения этилена.
Бобышки 6 служат для крепления в них стержней (на рис. 1 и 2 не показаны), удерживающих нижнюю часть всех труб змеевика от колебаний относительно обмуровки печи при тепловых удлинениях труб 1-4. Стержни вставляются в пустотелые гильзы пода печи (на рис. 1 и 2 не показаны) и при тепловом удлинении труб 1-4 скользят в них. В отверстия кронштейнов 7 вставлены тяги (на рис. 1,2 не показаны), прикрепленные к своду печи и удерживающие всю металлическую конструкцию змеевика в топочном пространстве печи в подвешенном состоянии.
В устройстве выходная труба 3 и сборная труба 4 в поперечном сечении выполнены профилированным с контуром внутренней поверхности в форме геликоида 10 (рис. 2), длина периметра которого эквивалентна окружности с
диаметром 1,1___1,4 от внутреннего диаметра
промежуточной трубы 2 в зависимости от состава исходного пиролизного сырья и требуемого уровня селективности процесса и с соотношение малой 11 и большой 12 осей геликоида 0,47 _ 0,79 и с внутренним плавным выступом 13 по геометрической поверхности второго порядка с узкого конца геликоида, причем внутренний плавный выступ 13 закручен вокруг вертикальной оси 18 труб 3 и 4 (рис. 1) с шагом 1,5_2,6 от длины большой оси 12 геликоида в зависимости от состава исходного пиролизного сырья и требуемого уровня селективности процесса, причем закрутка внутреннего плавного выступа выполнена в противоположную сторону закрутке вихря 16 в самих геликоидных каналах, образованных внутри труб 3 и 4 геликоидной поверхностью 10, а вертикальные оси 18 для труб 3 и 4 в плоскости их поперечного сечения, относительно которых вращается периферийный вихрь 16, совпадают с точкой пересечения малой 11 и большой 12 осей геликоидной поверхности 10.
На рис. 1 приведена первая однопоточная часть змеевика. Вторая однопоточная часть змеевика, в силу симметричности по отношению к первой однопоточной части змеевика, условно заменена на рис. 1 линией разрыва около бобышки 6 внизу сборной трубы 4. В целом сборочный узел имеет две входных трубы 1, две промежуточных трубы 2, две выходных трубы 3 и одну общую сборную трубу 4.
Литература
1. Таймаров М.А. Повышение эффективности работы энерготехнологических печей. Монография. Научное издание. Казань, КГЭУ, 2010. 108 с.
2. Таймаров М.А., Сафин Р.Г. Форсунка для сжигания обводнённого мазута. Вестник Казанского Технологического Университета Herald of Kazan Technological University, 2012, Т. 15, №16, с.144-14
3. Тимербаев Н.Ф., Сафин Р.Г., Садртдинов А.Р. Моделирование процесса очистки дымовых газов, образованных при сжигании органических отходов. Вестник КТУ, 2010, №11, с.243-246
4. Лаптев А.Г., Лаптева Е.А. Обобщение гидродинамической аналогии для различных условий обтекания поверхности. Вестник КТУ, 2013, №23, с.64-69
5. Таймаров М.А., Акпарсов П.Г., Усовершенствование форсунки для повышения эффективности сжигания топлива, Вестник КТУ, 2013, №22, с 261-264.
магистрант КГЭУ,
© М. А. Таймаров - д-р техн. наук, проф. каф. ПДМ КНИТУ; М. Р. Шарипов [email protected]; А. Р. Хаертдинова - студ. КГЭУ; П. Г. Акпарсов - магистрант КГЭУ.
