НЕФТЕПЕРЕРАБОТКА

Назначение и принцип действия технологических печей

Трубчатая печь - высокотемпературное термотехнологическое оборудование с рабочей камерой, которая ограждена от внешней атмосферы.

Назначение технологической печи - нагрев сырьевого потока теплоносителем, нагрева и прохождение химических реакций благодаря выделенному при сжигании топливной смеси непосредственно в данном аппарате теплу. Трубчатые печи применяются при потребности в нагреве среды (смеси углеводородов) до температур, превышающих значения достижимые при использовании водяного пара, т. е. примерно более 230 °С. Невзирая на достаточно высокие первоначальные вложения, стоимость тепла, которое передается окружающей среде при правильно выполненном проектировании печи, ниже, чем при альтернативных способах подогрева до высоких значений температур. Как топливо могут использоваться побочные (хвостовые) продукты различных процессов, благодаря чему не только востребовано тепло, получаемое при их сгорании, но часто рашаются вопросы утилизации и обезвреживания отходов.

Трубчатые печи широко распространены в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленностях, где они востребованы для высокотемпературного нагрева и реакционных конверсий жидкофазных и газообразных нефтепродуктов (крекинга, пиролиза). В химической промышленности технологические печи также востребованы.

Трубчатая печь представляет собой аппарат постоянного действия с внешним огневым обогревом.

Впервые трубчатые печи были внедрены отечественными инженерами В. Г. Шуховым и С. П. Гавриловым.

Первоначально печи применялись на промысловых разработках в процессе деэмульгирования нефтей.

Современная печь является синхронно работающим печным комплексом, т. е. структурированной совокупностью, которая состоит из собственно печи, средств реализации печного процесса, а также систем контроля и автоматического регулирования процессом горения и работы средств его обеспечения.

При большом многообразии типов и конструктивных исполнений трубчатых печей, общими и основными составляющими для них являются рабочая камера (радиантная, конвекционная), трубчатый змеевик, огнестойкая футеровка, гореочное оборудование для сжигания топлива (форсунки), газоход (дымоход), дымовая труба.

Принцип действия

Принцип работы печи следующий:

1. Жидкое или газообразное топливо сжигается на форсунках, котоыре могут располагаться на стенах или в поду радиантной камеры.
2. Продукты сгорания из радиантной камеры попадают в конвективную камеру, оттуда - в дымоход и по дымовой трубе сбрасываются в атмосферу.
3. Нагреваемая среда одним или несколькими потоками подается в трубный змеевик в конвекционной зоне печи, откуда поступает в трубные экраны радиантной камеры и нагретая до требуемой температуры, покидает печь.

Нагрев исходных смесей в рабочей камере печи - одна из ключевых технологических операций, позволяющих получить заданные целевые продукты.

Ключевая часть трубчатой печи - радиантная секция, являющаюся одновременно и камерой сгорания.

Теплопередачи в радиационной секции реализована в основном за счёт излучения, как кследствие повышенных температур дымовых газов в этой зоне печи.

Тепло, которое передается в этой секции конвекцией - это лишь небольшая часть от суммарного количества переданного тепла, т.к. скорость газового потока, движущегося вокруг труб печных змеевиков, большей частью зависит от локальной разности удельных весов газов, и теплопередачи естественной конвекцией ничтожно мала.

Продукты сжигания топлива - это первичнй и основной источник тепла, который поглощается в радиантной камере трубчатых печей. Тепло, которое выделилось при горении топлива, поглощается трубными змеевиками радиантной камеры, создающими поверхность называемую поглощающей. Поверхность футеровки радиантной камеры формирует поверхность называемую отражающей, которая (теоретически) не способна поглощать тепло, переданное ей от газовой среды в объёме печи, а только передает его на трубный экран за счет излучения. От 60 до 80 % всего получаемого в печи тепла передается в радиантной камере, остальное - в секции конвекции. Температура дымовых газов, которые выходят из радиантной камеры, обычно имеет достаточно высокое значение, и эту теплоту возможно использовать в конвекционной секции печи. Конвекционная камера служит для рекуперации физического тепла дымовых газов, которые поступают из радиантной камеры обычно в диапазоне темепаратур 700...900 °С. В конвекционной секции тепло к нагреваемой смеси передается преимущественно конвекцией и немного за счёт излучения трехатомных продуктов сгорания топлива.

Змеевик трубчатой печи типа ГС

Параметры секции конвекции, обычно проектируются таким образом, чтобы температура дымовых газов, котоыре выходят на дымовую трубу, была примерно на 150 °С выше температуры нагреваемый сырьевой смеси на входе в печь. Поэтому тепловая нагрузка на трубы в секции конвекции меньше, чем в радиациантной камере, по причине низкого коэффициента теплоотдачи продуктов сжигания топлива. С наружной стороны трубы змеевиков могут быть снабжены добавочной поверхностью теплообмена - продольными или поперечными ребрами, шипами и т. п.

Нагреваемая сырьевая смесь ппоследовательно проходит сначала по трубным змеевикам конвекционной секции, а затем направляется в трубные змеевики радиантной камеры. При подобной противоточной организации движения сырья и дымовых газов максимальна рекуперация тепла, полученного в процессе сжигания топливной смеси.

Широкое распространение трубных печей в нефтепереработке по сравнению с используемыми ранее для этого перегонными кубами обусловлено их явными преимуществами, в частности:

• Принцип работы основывается на принципе однократного испарения сырьевой смеси. Это даёт большую глубину испарения при определенной конечной температуре подогрева сырьевого потока, либо фиксированную степень испарения, но при менее высокой температуре.
• Обладают высоким значением тепловой эффективности, за счет одновременной передачи тепла посредством излучения и конвекции.
• Компактность, сочетающаяся с высоким КПД и обеспечением высокой тепловой мощности.
• Время нахождения нагреваемой смеси в объёме печи не более нескольких минут, за счёт чего возможность её разложения и коксообразования на внутренней поверхности труб уменьшаяется.
• В зоне нагрева в момент времени находится малое количество углеводородной смеси, что сокращает пожарную опасность при разгерметизации трубных змеевиков.

Конструкция трубчатой печи

Рассмотрим конструкцию трубной печи на примере 2-ухкамерной печи с наклонным сводом.

Печь состоит из радиантной секции (топочной камеры) и конвекционной секции. В топочной камере происходит сжигание топливнйо смеси и в ней в форме экрана н радиантные трубы, поглощающие тепло, преимущественно за счет радиации (85 – 90 %), а оставшиеся 10 - 15% за счет конвекции. В камере конвекции установлены трубы, которые воспринимают тепло, преимущественно за счет конвекции (60 – 70 %), то есть при прямом соприкосновении продуктов сжигания топливной смеси с поверхностью трубных змеевиков, и только остальное – от излучения дымовых газов (20 – 30 %) и лучистой радиации стенок камеры конвекции (около 10 %). Базовое уравнением, описывающее эффективность лучистого теплообмена - закон Стефана-Больцмана:

Согласно приведенному уравнению основные факторы, которые влияют на интенсивность лучеиспускания - температура и степень черноты топочных газов.

Лучистое тепло передается эффективно, если охладить дымовые газы до 1000 – 1200 К. Более сильное охлаждение неоправданно, в силу пониженной теплонапряженности радиантной поверхности. Степень черноты дымовых газов пропорциональна содержанию в них молекул многоатомных компонентов (СО₂, Н₂О, SО₂). В отличие от них 2-ухатомные молекулы диатермичны, то есть тепло практически не излучают. Дымовые газы поверхности не имеют, поэтому тепло излучают собственным объемом, что обуславливает использование большого количества форсунок в радиантной камере.

Эффективность конвективного теплообмена меньше всего определяется температурой дымовых газов, но увеличивается при повышении скорости их перемещения, из-за чего камера конвекции делается максимально узкой. Этому же благоприятствует расположение труб в шахматном порядке, повышающем коэффициент теплоотдачи на 20 – 30 % в сравнении с коридорным позиционированием. Иногда в когнвекционной секции для повышения теплоотдачи со стороны топочных газов применяются оребренные трубы, используемые только при сжигании газового топлива по причине своей склонности к закоксовыванию внешней поверхности.

Отработанные дымовые газы покидают камеру конвекции через специальный газоход, котоырй расположен под печью («боров» печи) и направляются в окружающую среду за счет самотяги, создаваемой в дымовой трубе (на рисунках выше условно не показана). Для улучшения энергоэффективности в «борове» могут быть установлены рекуператоры для генерации водяного пара и подогрева воздуха, который подается на форсунки для сжигания топлива.

Топливо подается в топочное пространство в тонко диспергированном состоянии при помощи форсунок совместно с необходимым для горения объёмом воздуха. Высокая степень распыления топливной смеси благоприятствует его интенсивному перемешиванию с воздухом и более оптимальному горению. Теплота сгорания направляется на повышение температуры топочных газов и частиц горящего топлива, раскаляющихся и образующих светящийся факел. Воздух, который требуется для горения, подводится непосрдественно к устью форсунки, тем самым интенсифицируя горение и уменьшая длину факела.

Стандартное значение температуры факела в трубчатых печах - 1550 – 1750 К, поэтому происходит активное излучение факелом тепла. В состав продуктов горения, как уже упоминалось, входят молекулы трехатомных веществ, излучающих и поглощающих тепло определенной длины волны.