Расчет печи трубчатой установки пиролиза

На установке сырье поступает в конвекционную камеру печи, где нагревается до 550-600 °С. Затем проходит радиантный экран, где протекает реакция пиролиза. Дымовые газы покидают печь с температурой 300-350°С. Наиболее приемлемая конструкция нагреватель­ного аппарата - печь беспламенного горения с числом потоков 15-20. Диаметр труб печи - до 150 мм; изготавливают их из ста­ли марки Х23Н18 и допускают нагрев до 900 °С. Продолжитель­ность пребывания газообразного сырья в зоне реакции 0,7-1,5 с, жидкого сырья 40-50 с. Температура, при которой начинается ре­акция пиролиза, для метана 900°С, этана 600°С, пропана 500°С, бутана 450 °С и жидкого сырья 400-425 °С.

Интенсификация процесса для увеличения выхода целевых про­дуктов определяется так называемым фактором жесткости

где μ- фактор жесткости; Т- температура процесса, К;

τ – продолжитель­ность реакции, с.

Выходы продуктов пиролиза (с учетом рециркулирующих эта­на и пропана) приведены в табл. 4.

Обычно при пиролизе газов и газового бензина к сырью добав­ляют 10-20% масс, водяного пара, при пиролизе прямогонных бензинов 50-70% масс. Массовая скорость движения сырья в змеевике печи с трубами диаметром 100 мм для газооб­разных углеводородов 110-140 кг/(м²∙с), для бензиновых и более тяжелых нефтяных фракций 135-165 кг/(м²∙с). Более точные значения массовых скоростей движения сырья в трубах печи приведены ниже:

Массовая Глубина

Сырье скорость, превращения,

кг/(м²∙с) %

Этан……………………………………112-127 50-60

Пропан……………………………… 127-137 70-85

Бутан………………………………… 137-157 75-90

Лигроин……………………………… 117-127 50-58

При пиролизе этана и пропана линейная скорость движения сырья на входе в печь 10-17 м/с, на выходе из печи 150-200 м/с. При этом перепад давления в печи достигает 0,07-0,2 МПа.

Таблица 4

Выходы продуктов пиролиза

с учетом рециркулирующих этана и пропана

Показатели	Сырье
Этановая фракция	Пропановая фракция	Бутановая фракция	Газовый бензин	Бензино-лигроиновая фракция	Керосино-газойлевая фракция	Тяжелые нефтяные продукты
Температура, оС
Расход водяного пара, % масс.
Глубина превращения за один проход сырья, % масс.					-	-	-
Выход газообразных углеводородов, % масс. в том числе этилена пропилена бутилена бутадиена	1,7 -	1,8 -	5,8 -	1,6	5,5	4,8 2,7	2,2 0,8
Выход фракции С5-180 оС, % масс.			4,2	17,8

Допустимые тепловые напря­женности (в Вт/м²∙10³) труб реакционного змеевика печи пиро­лизу приведены ниже:

Сырье	Диаметр труб, мм
Этан	28,49	31,39	37,79	39,53
Пропан	17,44	18,60	23,25	23,83
Бутан и тяжелее	13,95	15,69	18,60	19,76

Продукты пиролиза из трубчатой печи поступают в закалоч­ный аппарат, где при помощи воды мгновенно снижается их тем­пература и прекращается, реакция разложения. При использовании тепла продуктов пиролиза в дальнейшем для производства водяного пара охлаждение в закалочном аппарате ведут до 700°С; если тепло продуктов пиролиза не используется, то их охлаждают в закалочном аппарате до 150-2ОО°С.

Основным аппаратом трубчатой установки пиролиза является печь. В печах с факельными горелками наибольшая конверсия получается в трубах диаметром 114Х6 мм. При этом пропускная способность каждого потока 3400-4100 кг/ч. В печах беспламенного горения рекомендуется применять трубы диаметром 140Х8 мм. Производительность печей новых конструкций достигает примерно 6000 кг/ч на один поток, а средняя тепловая напряженность при 750-820 °С кДж/(м ^. ч).

Расчет конвекционной камеры печи пиролиза не отличается от расчета обычных печей. В радиантной части печи происходит перегрев сырья и водяного пара и протекает эндотермическая реакция пиролиза.

Расчет радиантной секции печи можно начать с определения внутреннего диаметра труб (d, м) змеевика, исходя из количества передаваемого тепла (Q, кДж/ч) при заданном перепаде давления (∆Р, Па)

где q_ср - средняя тепловая напряженность поверхности радиантных труб; N₁ - число труб, необходимых для передачи тепла; f_т - коэффициент трения; γ -плотность газа, кг/м³; и -средняя линейная скорость газа, с; g-ускорение свободного падения, м/с²; N₂-число труб в змеевике; L - эквивалентная длина одиой трубы с калачом, м; l - длина прямого участка трубы, м

При правильном выборе диаметра трубы змеевика (и, м) зна­чение N₂приближается к значению N₁. Диаметр трубы реакцион­ного змеевика можно определить и по продолжительности пребы­вания (τ, с) смеси в реакционной зоне

где υ_p - объем реакционной зоны, м³; υ- объем газового потока, м³/с; ρ_см - плотность реакционной смеси, кг/м³; G_с- нагрузка реактора по сырью, кг/ч. Учитывая, что

где ∆Q₁ - удельный расход тепла в реакционной зоне змеевика, рассчитанный на единицу объема газа при нормальных условиях, кДж/м газа (тепло, идущее на подогрев смеси, не входит в величину ∆Q₁).

Диаметр труб рассчитывают по формуле

где τ - находят из равенства

откуда

При расчете по упрощенному методу змеевик радиантной час­ти печи условно делят на две зоны - зону перегрева и зону реак­ции. Условно принимают, что температура в зоне реакции постоян­на и равна заданной температуре. Определяют количество тепла (Q_пол, кДж/ч), переданного через поверхность труб радиантной секции

где Q_Р - тепло реакции; Q^п_в.п.- тепло перегрева водяного пара; Q^п_с.п - тепло пе­регрева паров сырья.

Затем рассчитывают поверхность радиантных труб, исходя из полной тепловой нагрузки (Q_пол) и средней тепловой напряжен­ности поверхности радиантных труб q_ср, кДж/(м²∙ч) и делят эту поверхность пропорционально тепловой нагрузке между зона­ми реакции и перегрева. Соответствие числа труб в зоне реакции, полученного в результате теплового расчета длительности реакции, проверяют кинетическим расчетом объема реакционной зоны. Объем этой зоны (υ_р, м³) определяют ориентировочно по формуле

где υ - объем (при нормальных условиях) паров сырья, подаваемого в реактор, м^з/ч_; К - коэффициент увеличения объема газообразной реакционной смеси в результате реакции; z -массовое отношение добавки водяного пара к сырью; М_б -масса 1 кмоль бензина (сырья), кг/кмоль; М_В - масса воды, кг/кмоль; t - температура реакции; τ - продолжительность контакта в зоне реакции по условиям режима, с; Р₁-атмосферное давление, Па; П - среднее абсолютное давление в зоне реакции, Па.

Коэффициент Кувеличения объема газообразной смеси опре­деляют по формуле

где ρ_б и ρ_см - плотности соответственно паров исходного бензина и смеси паров бензина и газов пиролиза на выходе из реактора (в кг/м³), равные

где X'- глубина превращения в конце реакционного змеевика; ρ_г и ρ_ж - плот­ность соответственно газообразных продуктов и паров жидких продуктов, кг/м³; можно принять ρ_ж= ρ_г.

Более точно объемы зон реакции и подогрева, требуемые для осуществления необходимой глубины превращения, рассчитывают по кинетическому уравнению Фроста - Динцеса

или после интегрирования

где X - средняя глубина превращения бензина в реакционном змеевике; k — константа скорости реакции, с-¹; β- коэффициент самоторможения реакции.

При пиролизе бензина в интервале 700-800 °С коэффициент самоторможения βприобретает следующие значения:

Температура, °С……….700 725 750 775 800

Коэффициент β……….1,26 1,57 1,72 1,78 1,81

В интервале 700-800 °С энергия активации разложения бензи­на первичной перегонки составляет 160∙³ Дж/моль, поэтому

Для расчета глубины превращения принимают значение привращения глубины превращения в реакционном змеевике и затем последнее проверяют по уравнению

где ∆Х- приращение глубины превращения бензина в реакционном змеевике доли единицы; W-скорость реакции; υ_р - объем зоны реакции, м³; (G_с - масса бензина (сырья), поступающего в зону реакции.

Скорость реакции (W) определяют по формуле

где υ - объем реакционной смеси, проходящей через реактор в единицу времени (в рабочих условиях).

При известной тепловой напряженности труб змеевика макси­мальная температура стенки трубы (θ_макc °С) может быть опре­делена по формуле

где t_р - температура реакционной смеси в зоне реакции для жесткого этилено­вого режима (860 °С); φ - коэффициент неравномерности обогрева труб (по окружности стенки); α -коэффициент теплоотдачи от стенки труб к потоку, со­ставляющий в условиях пиролиза 1948-2618 кДж/(м²∙ч∙К); δ - толщина стен­ки трубы (0,009 м); К- коэффициент теплопроводности стенки, равный 75 кДж/(м²∙ч∙К). Для двухрядного экрана (с шагом труб, равным двум диамет­рам) φ=0,55; для однорядного экрана двухсветного облучения φ=0,84.

Пример 1. Определить продолжительность пребывания сырья и (продуктов пиролиза в радиантных трубах течи, если известно: сырьем служит низкооктановый бензин (фракция 40-160 °С); тем­пература на выходе из печи 750 °С; производительность установки по сырью 15000 кг/ч; выходы продуктов (в % масс.): газа до С₄ 59,0; бензина с к. к. 200 °С 30,0; фракции выше 200 °С 10,0; кок­са 1,0; молекулярная масса газа 29,6; в трубы печи подают водяного пара 50% масс, на сырье; давление на входе в радиантную секцию 0,2 МПа, на выходе 0,15 МПа; число радиантных труб N=22; длина одной трубы 8 м.

Решение. Определяют число потоков в радиантной секции (при этом принимают массовую скорость подачи сырья и =120кг/(м²∙с); внутренний диаметр труб 140 мм

где f- внутреннее сечение одной трубы, м².

Определяют молекулярную массу сырья, бензина и фракции 200-260°С по формуле Воинова

где М_с, М_в,М_{фр 200-260 °С} - молекулярная масса сырья, бензина и фракции 200- 260 °С.

Находят объемы сырья и водяного пара на входе (υ₁)и на вы­ходе (V2) из радиантной секции по формуле Клайперона

Подсчитывают среднюю плотность паров, в радиантных трубах

где Gмасса паров, кг; ρ₁ и ρ₂ - плотности паров на входе и выходе из ради­антных труб, кг/м³; ρ_ср-средняя плотность паров, кг/м³.

Определяют продолжительность пребывания паров в трубах

где L- длина всех труб; d - наружный диаметр труб; l - длина одной трубы; N- число радиантных труб; и - массовая скорость подачи сырья.