ТРУБЧАТАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ НАГРЕВА НЕФТЯНОГО СЫРЬЯ С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ МЕХПРИМЕСЕЙ (ВАРИАНТЫ)
TUBE FURNACE FOR HEATING OF OIL RAW MATERIAL WITH INCREASED CONTENT OF SOLIDS (VERSIONS)

Изобретения относятся к нефтепереработке, в частности к трубчатым печам для нагрева нефтяного сырья с повышенным содержанием мехпримесей.
Известна трубчатая печь для нагрева нефтяных остатков коробчатой формы, внутри которой размещены горизонтальные трубы змеевика и горелки, обогревающие трубы змеевика факелом горящего топлива или посредством раскаленной фронтальной стенки (каталог «Трубчатые печи», изд. ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, Москва, 1998, с.8).
Недостатком известной печи является то, что при нагреве остатков с повышенным содержанием мехпримесей, например нефтешламов, с образованием в змеевике паровой фазы поток расслаивается и по мере прохождения змеевика объем жидкой фазы уменьшается, концентрация мехпримесей в ней повышается и в некоторый момент мехпримеси осаждаются на теплопередающую поверхность, полностью прерывая процесс нагрева сырья, и печь останавливают на ремонт.
Известна трубчатая печь, включающая коробчатый корпус с камерами конвекции и радиации, в которых размещены конвективный и радиантный змеевики и горелки, установленные в поду печи, причем радиантный змеевик выполнен из вертикальных труб при этом концевой участок восходящей трубы радиантного змеевика выполнен винтообразным (Пат. РФ №2318861, БИ №7, 10.03.2008).
Известная печь позволяет нагревать тяжелые нефтяные остатки повышенной вязкости, например гудроны в оптимальном режиме, благодаря особенности конструкции печи - выполнению концевого участка восходящей трубы радиантного змеевика винтообразным. Однако при переработке нефтяного сырья с повышенным содержанием мехпримесей (до 10%) в процессе нагрева вязкость жидкой фазы снижается, при этом удерживающая способность ее по мехпримесям уменьшается и возрастает опасность их выделения из объема жидкой фазы и отложения на внутренней поверхности труб, зависание на восходящих трубах радиантного змеевика и в конечном результате закоксовывание теплопередающей поверхности.
Задачей настоящего изобретения является предотвращение отложений мехпримесей на внутренней поверхности труб змеевика трубчатой печи при нагреве нефтяного сырья с повышенным содержанием мехпримесей.
Для решения указанной задачи в трубчатой печи для нагрева нефтяного сырья с повышенным содержанием мехпримесей, включающей коробчатый корпус с камерами конвекции и радиации, в которых размещены конвективный и радиантный змеевики и горелки, установленные в поду печи, согласно изобретению радиантный змеевик, выполненный из вертикальных труб, снабжен ловушками для мехпримесей, которые установлены на нижних переходниках между восходящими и нисходящими трубами змеевика, причем в камере радиации размещена вертикальная перегородка, разделяющая камеру радиации и вышеупомянутые трубы, а ловушки установлены на расстоянии не менее 30% от входа сырья в радиантный змеевик, при этом зона, в которой размещены ловушки, отделена от камеры радиации подом печи.
Ловушка для мехпримесей может быть выполнена в виде желобчатого элемента, прикрепленного к нижней части переходника и сообщенного с ним посредством отверстий, причем полость вышеупомянутого элемента связана с линией подачи пара и линией вывода мехпримесей.
Диаметр вышеуказанных отверстий может составить 6-8 мм, а суммарная площадь - 8-10% площади поперечного сечения трубы змеевика, при этом отверстие выполнено с фаской с внутренней стороны трубы, причем высота фаски составляет 70-80% от толщины трубы. Концевой участок восходящей трубы радиантного змеевика целесообразно выполнить винтообразным с диаметром не более двух диаметров трубы и длиной не менее одного шага винта (по пат. РФ №2318861).
По второму варианту в трубчатой печи для нагрева нефтяного сырья с повышенным содержанием мехпримесей, включающей коробчатый корпус с камерами конвекции и радиации, в которых размещены конвективный и радиантный змеевики и горелки, установленные в поду печи, согласно изобретению радиантный змеевик, выполненный из горизонтальных труб, снабжен ловушками для мехпримесей, которые установлены на выходящих концах горизонтальных участков труб на расстоянии не менее 30% от входа сырья в радиантный змеевик, при этом зоны, в которых размещены ловушки, отделены от камеры радиации вертикальными перегородками.
Ловушка для мехпримесей может быть выполнена в виде закрытого трубчатого элемента, надетого на конец горизонтальной трубы и сообщенного с ней посредством отверстий, причем полость вышеупомянутого элемента связана с линией подачи пара и линией вывода мехпримесей.
Закрытый трубчатый элемент может быть установлен на трубе со смещением его оси относительно оси трубы змеевика вниз на 25-30%.
Диаметр вышеуказанных отверстий может составить 6-8 мм, а суммарная площадь - 8-10% площади поперечного сечения трубы змеевика, при этом отверстие выполнено с фаской с внутренней стороны трубы, причем высота фаски составляет 70-80% от толщины трубы.
Закрытый трубчатый элемент может быть снабжен линзовым компенсатором.
Размещение на трубах радиантного змеевика ловушек для мехпримесей позволяет осуществить дискретное отделение мехпримесей из жидкой фазы при прохождении сырья по змеевику печи и предотвратить их осаждение на внутренней поверхности трубы.
Различное расположение ловушек в печах (на нижних переходниках вертикальных труб и на выходящих концах горизонтальных), а также выполнение ловушек двух различных модификаций учитывает специфические особенности размещения труб в печах и позволяет осуществить вышеуказанное дискретное отделение мехпримесей наиболее результативно, и, кроме того, поддерживать эффективную теплопередачу и нагрев сырьевого потока.
Отделение зоны размещения ловушек от камеры радиации подом печи для первого варианта и вертикальными перегородками - для второго позволяет выделить ловушки в отдельную необогреваемую камеру и, тем самым, устранить местные перегревы стенок труб и закоксовывание их внутренней поверхности.
Предлагаемые изобретения направлены на решение одной задачи - предотвращение отложений мехпримесей на внутренней поверхности труб змеевика трубчатой печи при нагреве нефтяного сырья с повышенным содержанием мехпримесей одним и тем же путем - дискретным отделением мехпримесей в специальных ловушках и могут быть представлены как варианты.
На прилагаемых чертежах представлены два варианта предлагаемой трубчатой печи, где: фиг.1 - трубчатая печь с вертикальными трубами вид спереди разрез А-А фиг.4; фиг.2 - вид Б фиг.4; фиг.3 - вид А фиг.4; фиг.4 - разрез по Б-Б фиг.1; фиг.5 - поперечный разрез В-В (ловушки) фиг.1; фиг.6 - трубчатая печь с горизонтальными трубами, вид спереди, разрез А-А фиг.7; фиг.7 - разрез Б-Б фиг.8; фиг.9 - ловушка с компенсатором на трубчатом элементе; фиг.10 - разрез В-В фиг.9; фиг.11 - отверстие для мехпримесей фиг.9.
Примеры приведены для печей с трубами радиантного змеевика диаметром 127 мм и толщиной 10 мм.
2
Печь с вертикальными трубами по первому варианту (фиг.1-5) включает коробчатый корпус 1, камеру конвекции 2 с конвективным змеевиком 3, камеру радиации 4 с нисходящими трубами 5 радиантного змеевика, камеру радиации 6 с восходящими трубами 7 радиантного змеевика с винтообразным участком 8, ловушки для мехпримесей 9, выполненные в виде желобчатых элементов, установленных на переходниках 10 и сообщенных с последними отверстиями 11, количество которых составляет 18. Диаметр отверстий 11 ловушки 9 составляет 8 мм, суммарная площадь отверстий - 900 мм, а глубина фаски вышеупомянутых отверстий с внутренней стороны трубы составляет 7 мм.
Ловушки для мехпримесей 9 установлены на расстоянии 30% от входа сырья в радиантный змеевик и размещены в необогреваемой камере-зоне 12 под подом печи 13, камера радиации разделена на две камеры 4 и 6 вертикальной перегородкой 14, одновременно разделяющей восходящие 7 и нисходящие 5 трубы змеевика. Радиантный змеевик имеет винтообразный участок 8 с шагом винта, равным 762 мм, и диаметром винта, равным 230 мм. В поду печи 13 установлены горелки 15. Печь снабжена дымовой трубой 16, линией 17 для ввода сырья в змеевик печи, линией 18 ввода сырья из камеры конвекции в камеру радиации, линией 19 вывода продуктов нагрева из печи через задвижку 20 в колонну (не показана), линией 21 вывода мехпримесей из ловушки 9 через задвижку 22, линией 23 ввода водяного пара (турбулизатора) в ловушку 9 через задвижку 24. Радиантные змеевики 5, 7 закреплены хомутами 25 на горизонтальных балках 26. Горизонтальные балки 26, в свою очередь, связаны тягами 27 с пружинными амортизаторами 28, установленными на корпусе 1.
2
Печь с горизонтальными трубами по второму варианту (фиг.6-11) включает коробчатый корпус 1, камеру конвекции 2 с конвективным змеевиком 3, камеру радиации 4 с горизонтальными трубами 29 радиантного змеевика, оснащенными ловушками для мехпримесей 9, выполненными в виде закрытых трубчатых элементов 30, надетых на выходящие концы 31 горизонтальных участков труб и сообщенных с ними отверстиями 32 в количестве 18 для вывода мехпримесей в кольцевую полость 33 между горизонтальной трубой 29 и трубчатым элементом 30, причем трубчатые элементы 30 снабжены компенсаторами 34. Диаметр отверстий ловушки для вывода мехпримесей, как и по первому варианту, составляет 8 мм, суммарная площадь - 900 мм, глубина фаски - 7 мм, ось трубчатого элемента смещена относительно оси трубы змеевика на 38 мм вниз. Ловушки 9 установлены на расстоянии 30% от входа сырья в радиантный змеевик, размещены в зонах 35 - необогреваемых камерах - и отделены от камеры радиации 4 вертикальными перегородками 36. В поду печи 13 установлены горелки 15, горизонтальные трубы радиантного змеевика закреплены к боковым конструкциям стен известным способом (не показан). Печь снабжена дымовой трубой 16, линией 17 для ввода сырья в змеевик печи, линией 18 ввода сырья из камеры конвекции в камеру радиации, линией 19 вывода продуктов нагрева из печи через задвижку 20 в колонну (не показана), линией 21 вывода мехпримесей из ловушки 9 через задвижку 22, линией 23 ввода водяного пара (турбулизатора) в ловушку 9 через задвижку 24.
Печь (фиг.1-5) по первому варианту с вертикальными трубами радиантного змеевика работает следующим образом. После пуска установки и разогрева печи на пусковом газойле в змеевик печи подают сырьевую композицию (смесь шлама с разбавителем, турбулизатором) по линии 17. Поток с температурой 250-300°С поступает по линии ввода сырья 18 из камеры конвекции 2 в змеевик 5 камеры радиации 4, где нагревается от излучения факела горящей топливной смеси (топливо-воздух-водяной пар), выходящей из горелок 15 в камеры радиации 4 и 6. В камере радиации 4 поток опускается сверху-вниз по нисходящей трубе 5, затем по переходнику 10 перетекает в камеру радиации 6 и по восходящей трубе 7 с винтообразным участком 8 поднимается вверх и по следующему переходнику перетекает в очередную трубу 5 с нисходящим потоком и процесс движения повторяется.
По мере прохождения змеевика из труб 5, 7 камер радиации 4, 6 температура потока повышается до величины кипения компонентов сырья (разбавителя), при этом структура потока внутри трубы также изменяется и переходит от однородной (жидкой среды) к двухфазной, с дисперсно-кольцевой структурой, характерной для горизонтального и вертикального опускающегося сверху-вниз участка змеевика. При подъеме газопарового потока снизу-вверх по восходящей трубе образуются пробки, однако при входе на верху трубы 7 в концевой винтообразный участок 8 поток закручивается вокруг собственной оси, под действием центробежной силы пробки растекаются и дисперсно-кольцевая структура потока восстанавливается.
По мере прохождения змеевика на расстоянии 30% от входа сырья в радиантный змеевик температура потока поднимается до 350-400°С, вязкость его снижается, при этом удерживающая способность жидкой фазы по мехпримесям уменьшается и возрастает опасность их выделения из объема на внутреннюю поверхность трубы, поэтому по ходу движения потока в конце прямого участка на нисходящей трубы устанавливают специальные ловушки 9 для сбора, концентрирования и вывода мехпримесей из змеевика печи на рециркуляцию или утилизацию.
Мехпримеси из переходника 10 поступают через отверстия 11 в желобчатый элемент (ловушку) 9 под действием избыточного давления в змеевике при постоянном или периодическом выводе жидкой фазы из нее по линии 21 через регулирующую задвижку 22. Проходимость системы (при необходимости) восстанавливают подачей водяного пара (турбулизатора) в ловушку 9 по линии 23 через регулирующую задвижку 24, при этом возможен вариант подачи турбулизатора обратным ходом через задвижку 22 по линии 21, через ловушку 9, переходник 10 в змеевик печи.
Для очистки прямых участков труб, включая и переходники 10, могут быть использованы известные способы с применением скреперов. Положение усложняется на восходящих трубах 7 радиантного змеевика печи, где возможно зависание мехпримесей в пограничном слое жидкая фаза-труба. В этом случае для уменьшения опасности закоксовывания печи необходимо снижение теплонапряженности греющей поверхности труб с восходящим потоком до безопасной величины, близкой для труб камеры конвекции, то есть примерно в два раза. Предлагаемая конструкции печи реализует возникшую потребность путем выделения радиантных труб с восходящим потоком 7 в отдельную камеру 6 для управления и оптимизации теплонапряженности в зависимости от вида сырья и требуемых параметров технологического режима. Этому способствует также равномерное излучение тепла во внутреннюю часть корпуса и на трубы змеевика от раскаленной стенки, на которую направлен (настилается) факел от горелок 15. Тем самым, устраняется контакт динамически неустойчивого фронта факела от горелок 15 с трубами змеевика 5 и 7 и, следовательно, предотвращаются местные перегревы стенок труб, закоксовывание их внутренней поверхности, перегрев металла трубы, прогары и простой оборудования.
Печь по второму варианту (фиг.6-11) с горизонтальными трубами радиантного змеевика работает аналогичным образом, что и печь по первому варианту, описание которой было приведено выше. При этом после пуска установки и разогрева печи на пусковом газойле в змеевик печи подают сырьевую композицию по линии 17. Поток по линии 18 с температурой 250-300°С поступает из камеры конвекции 2 в горизонтальные трубы 29 змеевика камеры радиации 4, где нагревается от излучения факела горящей топливной смеси, выходящей из горелок 15 в камеру радиации 4. В камере радиации 4 поток по мере прохождения змеевика на расстоянии 30% от входа в камеру радиации нагревается до 350-400°С, вязкость его снижается, и возрастает опасность выделения мехпримесей из объема жидкой фазы на внутреннюю поверхность трубы, поэтому по ходу движения потока в выходящих концах 31 горизонтальных труб 29 устанавливают специальные ловушки 9 для сбора, концентрирования и вывода мехпримесей из змеевика печи на рециркуляцию или утилизацию.
Мехпримеси из выходящего конца 31 горизонтальной трубы 29, составляющего внутреннюю часть ловушки 9, поступают через отверстия 32 под действием избыточного давления в змеевике при постоянном или периодическом выводе жидкой фазы из нее по линии 21 через регулирующую задвижку 22. Проходимость системы при необходимости восстанавливают подачей водяного пара (турбулизатора) в ловушку 9 по линии 23 через регулирующую задвижку 24, при этом, как и в первом варианте, возможна подача турбулизатора обратным ходом по линии 21 через регулирующую задвижку 22 и ловушку 9 в змеевик печи.
Для снижения опасности закоксовывания наиболее уязвимых участков радиантного змеевика выходящие концы 31 труб с ловушками 9 выделяют в отдельную необогреваемую зону 35 с минимальной теплонапряженностью, приближающуюся к аналогичному показателю камеры конвекции. Тем самым, устраняются местные перегревы стенок труб, закоксовывание их внутренней поверхности, перегрев металла трубы, прогары и простой оборудования.
Предлагаемые модификации трубчатых печей с вертикальными либо горизонтальными радиантными змеевиками, снабженными специальными ловушками для мехпримесей, позволяют нагревать самые различные сырьевые композиции (смесь нефтешламов с разбавителем, турбулизатором, а также фугаты после обработки битуминозного песка растворителем) с содержанием мехпримесей до 10% до заданной температуры без опасности их отложений на внутренней поверхности труб змеевика.