НЕФТЕПЕРЕРАБОТКА

Классификация печей

Классификация печей - это структурированное их распределение в логической иерархии и соподчинении, основанное на признаках их содержания, на классы, виды, типы и закрепление логических взаимосвязей с целью установления точного места в классификационной иерархии, которое определяет их свойства.

Классификация выступает средством кодирования, хранения и поиска данных, содержащихсяся в ней, предоставляя возможность проецирования обобщенного опыта, который был получен при теоретических исследованиях и в промышленной практике эксплуатации трубчатых печей, в виде комплектных блоков, комплексных шаблонных решений и рекомендаций для проектирования оптимальных конструкций печей и параметров проведения в них теплотехнических и термотехнологических процессов.

Ключевыми и обоснованными по степени значимости основаниями для классифицирования печей в логической структуре являются следующие признаки:

• технологические;
• теплотехнические;
• конструктивные.

Технологические признаки

По технологическому назначению печи подразделяются на нагревательные и реакционно-нагревательные.

Целью процесса в нагревательных печах является нагрев исходной смеси до требуемой температуры. Это обширная группа печей, используемых в качестве подогревателей сырья, отличается высокой производительностью и средними значениями температуры нагрева (300..500 °С) углеводородных сред (установки АВТ, АТ, ГФУ).

Целью процесса в реакционно-нагревательных печах помимо нагрева в фиксированных участках трубного змеевика создаются условия для осуществления направленной реакции. Эта группа печей большого числа нефтехимических производств совместно с подогревом и перегревом исходной смеси применяется в качестве реакторов. Их условия эксплуатации отличаются параметрами процесса высокотемпературной деструкции углеводородной смеси и малой массовой скоростью (установки пиролиза, конверсии углеводородных газов и др.).

Теплотехнические признаки

По способу, которым тепло передается нагреваемому продукту печи бывают:

• конвективными;
• радиационными;
• радиационно-конвективными.

Конвективные печи - это один из наиболее старых типов трубчатых печей. Они представляют собой переход от нефтеперегонных установок к радиационно-конвективным трубчатым печам.

В промышленности в настоящее время такие трубчатые печи не эксплуатируются, так как, если сравнивать их с радиационными или радиационно-конвективными печами они нуждаются в больших капитальных и эксплуатационных затратах. Исключением являются только отдельно взятые случаи, когда требуется выполнять нагрев чувствительных к температуре веществ достаточно холодными топочными газами.

Печь состоит из 2-ух составных частей - камеры сгорания и пространства с трубами, отделенных друг от друга капитальной стеной, так что поверхность труб защищена от прямого огневого воздействия и основную часть тепла нагреваемый поток получает посредством конвекции. Чтобы не допустить прожога первых рядов труб, на которые воздействуют сильно нагретые топочные газы из камеры сгорания, и для поддержания коэффициента теплоотдачи в пределах, оптимальных по технико-экономическим соображениям, горение топливной смеси осуществляется при значительном избытке кислорода или 1,5...4-кратная рециркуляция охлажденных топточных газов, отводимых из трубного пространства и подавемых обратно в камеру сгорания посредством воздуходувки. Возможная конструкция конвективной печи показана на рисунке справа. Топочные газы перемещаются сквозь трубчатое пространство по направлению сверху вниз. По мере снижения температуры дымовых газов пропорционально равномерно уменьшается площадь поперечного сечения трубчатого пространства, с сохранением объемной скорости продуктов сгорания неизменной.

Схема конвективной трубчатой печи: 1 - горелки; 2 - камера сгорания; 3 - канал для отвода дымовых газов; 4 - камера конвекции

В радиационной печи все трубы, транспортирующие нагреваемый поток, размещены на стенах камеры сгорания, чем объясняется её значительно больший, чем у конвективных печей, объём.

На все трубы оказывается прямое воздействие газообразной среды, имеющей высокую температуру, что позволяет достичь:

• уменьшения суммарной площади теплоотдачи печи, потому что количество тепла, переданное единице площади труб, посредством радиации при неизменной температуре среды (в частности при высоком нагреве этой среды), существенно превышает количество тепла, которое возможно передать за счёт конвекции;
• хорошей сохранности огнеупорной футеровки за трубными экранами, за счет снижения её температуры, во-первых, благодаря прямого перекрытия её части трубами, во-вторых, вследствие отдачи футеровкой тепла излучением к более холодным трубам.

В стандартном случае закрывать все стены и свод трубопроводами нецелесообразно, потому что тем самым ограничивается излучение тепла открытыми поверхностями, а в итоге сокращается общее количество тепла, отдаваемого единице площади труб.

К примеру, современные типы кубовых печей имеют отношение эффективной свободной поверхности к суммарной внутренней поверхности трубчатой печи печи в диапазоне 0,2...0,5.

Полностью радиационные печи благодаря простой конструкции и высокой тепловой нагрузке трубных змеевиков имеют наименьшие инвестиции на единицу переданного тепла. Однако они не позволяют использовать тепло дымовых газов, в отличие от радиационно-конвективных трубчатых печей. То есть радиационные печи работают с более низкой тепловой эффективностью.

Радиационные печи используются:

• при нагреве потоков до невысоких температур (порядка 300 °С);
• при небольшом объёме нагреваемой среды;
• при необходимости применения малоценных дешевых топливных смесей;
• в тех случаях, когда ключевое значение отдается низким издержкам на строительство печи.

Радиационно-конвективная трубчатая печь (на рисунке слева) имеет 2 секции: радиационную и конвективную, которые отделены друг от друга. Большая часть полезного тепла отдается в радиационной камере (обычно от 60 до 80 % всего сгенерированного тепла), остальное - в конвективной камере. Секция конвекции служит для рекуперации физического тепла дымовых газов, котоыре выходят из радиантной камеры обычно в интервале температур от 700 до 900 °С, при экономически рациональной температуре нагрева от 350 до 500 °С (в соовтетствии с температурой фракционирования). Размеры конвективной секции, обычно, определяются из расчета, что температура дымовых газов, которые выходят в боров, будет примерно на 150 °С выше температуры исходной сырьевой смеси на входе в трубчатую печь. Поэтому тепловая нагрузка трубопроводов в камере конвекции меньше, чем в радиантной камере, благодаря низкому коэффициенту теплоотдачи от продуктов сгорания топливной смеси.

Радиационно-конвективная печь: 1 - камера радиации; 2 - камера конвекции; 6 - дымоход; 4 - змеевик; 5 - футеровка;6 - горелочные устройства

С наружной стороны иногда эти трубы дополняются увеличенной поверхностью - продольными или поперечными ребрами, шипами и т. п.

Почти все трубчатые печи, которые на момент времени эксплуатируются на НПЗ, являются радиационно-конвекционными. В печах подобного типа трубные змеевики устанавливаются и в конвективной и в радиационной секциях.

Конструктивное оформление

По конструктивному оформлению трубчатые печи имеют классификационные признаки по:

1. Форме каркаса:
   • коробчатые:
     • ширококамерные;
     • узкокамерные;
   • цилиндрические;
   • кольцевые;
   • секционные
2. Числу камер:
   • однокамерные;
   • двухкамерные;
   • многокамерные;
3. Расположению трубного змеевика:
   • горизонтальное;
   • вертикальное;
4. Расположению горелок:
   • боковое;
   • подовое;
5. Топливной системе:
   • на жидком топливе (Ж);
   • на газообразном топливе (Г);
   • на жидком и газообразном топливе (Ж+Г);
6. Способу сжигания топлива:
   • факельное;
   • беспламенное сжигание;
7. Расположению дымовой трубы:
   • вне трубчатой печи;
   • над камерой конвекции;
8. Направлению движения дымовых газов:
   • с восходящим потоком газов;
   • с нисходящим потоком газов;
   • с горизонтальным потоком газов.