ТРУБЧАТАЯ ПЕЧЬ (ВАРИАНТЫ)
TUBE FURNACE (VERSIONS)

Группа изобретений относится к нефтепереработке, в частности к трубчатым печам для нагрева нефтяных остатков в процессах висбрекинга, термокрекинга, замедленного коксования.
Известна трубчатая печь коробчатой формы, включающая камеры конвекции и радиации, в которых размещены конвективный и радиантный змеевики, и горелки, установленные в поду печи. Конвективный змеевик выполнен из горизонтальных труб, радиантный - из вертикальных (каталог «Трубчатые печи», ЦИНТИХимнефтемаш, Москва, 1998 г., стр. 8).
Недостатком известной печи является то, что с образованием в змеевике паровой фазы двухфазный поток (пар - жидкость) в восходящей вертикальной трубе расслаивается с образованием пробок, и гидродинамический режим движения потока переходит в «снарядный», сопровождаемый гидроударами, вибрацией, вызывающими разрушение элементов конструкции печи и аварийную остановку установки.
Известна трубчатая печь коробчатой формы, принятая за прототип, включающая камеры конвекции и радиации, в которых размещены конвективный и радиантный змеевики и горелки, установленные в поду печи, причем радиантный змеевик выполнен из вертикальных труб, у которых концевой участок восходящей вертикальной трубы выполнен винтообразным, при этом длина вышеупомянутого концевого участка составляет не менее одного шага винта (пат. РФ №2318861, МПК C10G 9/20, оп. 10.03.2008). Известное изобретение направлено на предотвращение разрушения элементов конструкции печи путем устранения гидроударов и вибраций труб змеевика.
Однако вышеупомянутое изобретение не устраняет основного недостатка трубчатой печи при переработке нефтяных остатков - закоксовывание внутренней поверхности радиантного змеевика.
Предлагаемые изобретения направлены на достижение технического результата, заключающегося в снижения скорости закоксовывания змеевика печи, что позволяет увеличить межремонтный пробег печи.
По первому варианту для достижения указанного технического результата в трубчатой печи, включающей 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, согласно изобретению нисходящие вертикальные трубы радиантного змеевика выполнены винтовой формы, при этом длина участка змеевика печи, включающего винтовые вертикальные нисходящие трубы составляет 30-50% от общей длины змеевика, шаг винта составляет 3-11 диаметров трубы, а диаметр - не более двух диаметров трубы.
Вертикальная труба радиантного змеевика в верхней своей части может быть закреплена на горизонтальной балке посредством хомутов.
Горизонтальная балка может быть связана тягами с пружинными амортизаторами, установленными на корпусе печи.
Горелки в поду печи могут быть установлены с возможностью одностороннего или двухстороннего облучения вертикальных труб радиантного змеевика.
Камера радиации может быть разделена вертикальными перегородками, по меньшей мере, на две секции.
Отличительные от прототипа признаки - выполнение радиантного змеевика винтовой формы на нисходящих трубах с определенной длиной, шагом и диаметром винта позволяет создать в нисходящей трубе двухфазный поток, в котором направление движения пограничной углеводородной пленки сверху вниз будет совпадать с вектором гравитационных сил, что обуславливает сокращение времени пребывания пограничной пленки в зоне высоких температур, уменьшение величины конверсии углеводородов
пограничной пленки и, как следствие, снижение скорости процесса закоксовывания внутренней поверхности радиантных труб и увеличение межремонтного пробега печи.
По второму варианту в трубчатой печи, включающей 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, согласно изобретению нисходящие трубы выполнены переменного сечения из конических переходников, соединенных между собой основаниями одинакового размера, при этом длина участка змеевика печи, включающего вертикальные нисходящие трубы переменного сечения, составляет 30 - 50% от общей длины змеевика, а трубы переменного сечения выполнены при следующем соотношении размеров:
<mrow><mn>0,35</mn><mo>≤</mo><mfrac><mrow><mi>D</mi><mo>−</mo><mi>d</mi></mrow><mi>h</mi></mfrac><mo>≤</mo><mn>0,6</mn></mrow>
и 1,2≤D≤3,0d,
где D - диаметр большего основания конуса, мм;
d - диаметр меньшего основания конуса, мм;
h - длина участка переменного сечения, мм.
Вертикальная труба радиантного змеевика в верхней своей части может быть закреплена на горизонтальной балке посредством хомутов.
Горизонтальная балка может быть связана тягами с пружинными амортизаторами, установленными на корпусе печи.
Горелки в поду печи могут быть установлены с возможностью одностороннего или двухстороннего облучения вертикальных труб радиантного змеевика.
Камера радиации может быть разделена вертикальными перегородками, по меньшей мере, на две секции.
Известно техническое решение, согласно которому реактор гидрокрекинга представляет собой трубчатую печь, включающую 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 труб постоянного и переменного сечения, изготовленных из конических переходников, соединенных между собой основаниями одинакового размера (пат. РФ №2315082, оп. 20.01.2008, БИ №2).
В известной трубчатой печи радиантный змеевик, выполненный из труб постоянного и переменного сечения, установлен горизонтально в камере радиации печи, что необходимо для увеличения степени дисперсности сырья и усиления реакций гидрогенолиза сернистых и непредельных соединений, образовавшихся в процессе крекинга нефтяного остатка в среде водорода, т.е. технический результат, достигаемый известным техническим решением, - увеличение степени дисперсности сырья.
В предлагаемой трубчатой печи радиантный змеевик, выполненный из труб постоянного и переменного сечения, установлен вертикально в камере радиации печи, причем переменное сечение выполнено на нисходящих трубах радиантного змеевика, что позволяет, как и в первом варианте трубчатой печи, создать в нисходящей трубе двухфазный поток, в котором направление движения пограничной углеводородной пленки сверху вниз будет совпадать с вектором гравитационных сил, что обуславливает сокращение времени пребывания пограничной пленки в зоне высоких температур, уменьшение величины конверсии углеводородов пограничной пленки и, как следствие, снижение скорости процесса закоксовывания внутренней поверхности радиантных вертикальных труб и увеличение межремонтного пробега печи.
Таким образом, по сравнению с трубчатой печью по пат. РФ №2315082 предлагаемое изобретение по второму варианту позволяет достигнуть новый технический результат-снижение скорости процесса закоксовывания внутренней поверхности радиантных нисходящих вертикальных труб, и, следовательно, обладает изобретательским уровнем.
На прилагаемых чертежах (фиг. 1-11) представлена предлагаемая двухкамерная трубчатая печь по первому варианту, где фиг. 1 - трубчатая печь с односторонним облучением, разрез по А-А фиг. 2; фиг. 2 - вид сбоку, вид А, фиг. 1; фиг. 3 - вид сверху, разрез Б-Б фиг. 1; фиг. 4 - участок винтовой вертикальной нисходящей трубы радиантного змеевика; фиг. 5 - вид Б фиг. 4; фиг. 6, 7 (двух- и трехсекционные печи) -вид сверху, разрез В-В фиг. 1; фиг. 8 - трубчатая печь с двухсторонним облучением, разрез по А-А фиг. 10; фиг. 9 - вид сверху, разрез Б-Б фиг. 8; фиг. 10 - вид сбоку, вид А фиг. 8; фиг. 11 (четырехсекционная печь) - вид сверху, разрез Б-Б фиг. 8.
Печь включает коробчатый корпус 1, камеру конвекции 2 с конвективным змеевиком 3, камеру радиации 4 с радиантным змеевиком 5. В поду печи установлены горелки 6. Трубы радиантного змеевика 5 закреплены хомутами 7 на горизонтальной балке 8. Горизонтальная балка 8, в свою очередь, связана тягами 9 с пружинным амортизатором 10, установленным на корпусе 1. Печь снабжена дымовой трубой 11, линией 12 для ввода сырья в змеевик 3 печи, линией 13 ввода сырья из камеры конвекции в камеру радиации и линией 14 вывода продуктов крекинга из печи в реактор или колонну (не показаны). Камера радиации имеет вертикальные перегородки 15 для ее разделения на секции, а также участок змеевика из нисходящих винтовых труб 16.
Печь с односторонним облучением и без вертикальных перегородок (фиг. 1-5) работает следующим образом. После пуска установки и разогрева печи на пусковом газойле в змеевик печи вместо пускового продукта подают сырьевую композицию (смесь гудрона с разбавителем, турбулизатором). Поток сырья 12 с температурой 280-320°С поступает по линии 13 из камеры конвекции в змеевик 5 камеры радиации, где нагревается от излучения факела горящей топливной смеси (топливо - воздух - водяной пар), выходящей из горелок 6 в камеру радиации 4. По мере прохождения змеевика 5 камеры радиации 4 температура потока повышается до величины разложения (крекинга) сырья (420-430°С), обычно на 25-30%-ном участке от его начала, при этом структура потока внутри трубы также изменяется и переходит от однородной (жидкой среды) к двухфазной (газопаровой -жидкой).
При поступлении двухфазного потока на участок змеевика с нисходящими вертикальными винтовыми трубами 16 поток закручивается вокруг собственной оси, при этом возникает центробежная сила, под действием которой жидкая фаза прижимается к горячей стенки трубы, тем самым повышается коэффициент теплопередачи и открывается возможность повышения теплонапряженности теплопередающей поверхности и сокращения длины змеевика. Закрученный поток внутри винтовой трубы расслаивается и принимает дисперсно-кольцевую структуру с паровой частью вдоль оси трубы и жидкой частью на внутренней поверхности. Параболическое распределение скоростей структурных частей потока по сечению вдоль оси трубы выявляет пограничный слой (пленку) нефтепродукта на горячей поверхности трубы, имеющей минимальную скорость, образующуюся вследствие действия сил когезии, адгезии (прилипания) и застойных гидроаэродинамических зон. Предлагаемое расположение винтовых труб на участках змеевика с нисходящими трубами создает условия, при которых направление движения потока, в частности, пограничного с поверхностью трубы слоя жидкой фазы совпадает с вектором гравитационных сил, способствующих увеличению скорости процессов тепло- и массообмена, сокращению времени пребывания и величины конверсии пленки нефтепродукта, обуславливая снижение скорости процесса закоксовывания радиантных труб и увеличение межремонтного пробега печи.
По мере прохождения оставшейся 70-75%-ной части радиантного змеевика 5 температура потока поднимается до 460-500°С, при этом исходное сырье разлагается (крекируется) с образованием низкомолекулярных, маловязких компонентов (газ, бензин, легкий и тяжелый газойль), объем потока увеличивается по экспоненциальной зависимости, соответственно, повышается скорость потока и движение потока становится более устойчивым из-за преобладания на большей части змеевика дисперсно-кольцевой структуры потока.
Печь с двухсторонним облучением (фиг. 8-11) имеет более ровную теплонапряженность по периметру трубы, отличается пониженным расходом металла на змеевик, ее работа аналогична вышеописанной. Эту печь целесообразно использовать для процесса висбрекинга, замедленного коксования и термокрекинга с повышенной интенсивностью теплопередачи.
Деление печей вертикальными перегородками на секции вызвано необходимостью более четкой регулировки заданной теплонапряженности при минимальной степени закоксовывания внутренней поверхности труб печи в зависимости от назначения печи. Двухсекционная печь (фиг. 6) предназначена для процессов висбрекинга и замедленного коксования, трех- и четырех секционные печи (фиг. 7, 11) - для процессов термокрекинга дистиллятного сырья (экстрактов маслоблока, тяжелого газойля каталитического крекинга и замедленного коксования) с целью производства сырья для получения технического углерода и игольчатого кокса. Работа этих печей аналогична вышеописанной.
На прилагаемых чертежах (12-22) представлена предлагаемая двухкамерная трубчатая печь по второму варианту, где фиг. 12 - трубчатая печь с односторонним облучением, разрез по А-А фиг. 13; фиг. 13 - вид сбоку, вид А фиг. 12; фиг. 14 - вид сверху, разрез Б-Б фиг. 12; фиг. 15 - участок трубы переменного сечения на вертикальной нисходящей трубе радиантного змеевика; фиг. 16 - вид Б фиг. 15; фиг. 17, 18 (двух- и трехсекционные печи) - вид сверху, разрез В-В фиг 1; фиг. 19 - трубчатая печь с двухсторонним облучением, разрез по А-А фиг. 21; фиг. 20, вид сверху, разрез Б-Б фиг. 19; фиг. 21-вид сбоку, вид А фиг. 19; фиг. 22 (четырехсекционная печь) - вид сверху, разрез Б-Б фиг. 19.
Печь включает коробчатый корпус 1, камеру конвекции 2 с конвективным змеевиком 3, камеру радиации 4 с радиантным змеевиком 5. В поду печи установлены горелки 6. Трубы радиантного змеевика 5 закреплены хомутами 7 на горизонтальной балке 8. Горизонтальная балка 8, в свою очередь, связана тягами 9 с пружинным амортизатором 10, установленным на корпусе 1. Печь снабжена дымовой трубой 11, линией 12 для ввода сырья в змеевик 3, линией 13 ввода сырья из камеры конвекции в камеру радиации и линией 14 вывода продуктов крекинга из печи в реактор или колонну (не показаны). Камера радиации имеет вертикальные перегородки 15 для ее разделения на секции, радиантный змеевик имеет участки с переменным сечением 16.
Печь с односторонним облучением и без вертикальных перегородок (фиг. 12-18) работает следующим образом. После пуска установки и разогрева печи на пусковом газойле в змеевик печи вместо пускового продукта подают сырьевую композицию (смесь гудрона с разбавителем, турбулизатором). Поток сырья 12 с температурой 280-320°С поступает по линии 13 из камеры конвекции в змеевик 5 камеры радиации, где нагревается от излучения факела горящей топливной смеси (топливо - воздух - водяной пар), выходящей из горелок 6 в камеру радиации 4. По мере прохождения змеевика 5 камеры радиации 4 температура потока повышается до величины разложения (крекинга) сырья (420-430°С), обычно на 25-30%-ном участке от его начала, при этом структура потока внутри трубы также изменяется и переходит от однородной (жидкой среды) к двухфазной (газопаровой - жидкой). При поступлении двухфазного потока на участок змеевика с нисходящими трубами переменного сечения 16 возникают пульсации, которые способствуют турбулизации пограничного слоя, повышению коэффициента теплопередачи, отрыву и транспорту ингредиентов (частиц кокса, окалины, солей, щелочей, мезофазы) под действием гидроаэродинамических сил потока, усиливающихся вектором гравитационных сил, обуславливая сокращение времени пребывания и величины конверсии пленки нефтепродукта, снижение скорости процесса закоксовывания нисходящих участков трубы и увеличение межремонтного пробега печи.
По мере прохождения оставшейся 70-75%-ной части радиантного змеевика 5 температура потока поднимается до 460-500°С, при этом исходное сырье разлагается (крекируется) с образованием низкомолекулярных, маловязких компонентов (газ, бензин, легкий и тяжелый газойли), объем потока увеличивается по экспоненциальной зависимости, соответственно, повышается скорость потока и его движение становится более устойчивым.
Печь с двухсторонним облучением (фиг. 19-22) имеет более ровную теплонапряженность трубы, отличается пониженным расходом металла на змеевик, ее работа аналогична вышеописанной. Эту печь целесообразно использовать для процесса висбрекинга, замедленного коксования и термокрекинга с повышенной интенсивностью теплопередачи.
Деление печей вертикальными перегородками на секции вызвано необходимостью более четкой регулировки заданной теплонапряженности при минимальной степени закоксовывания внутренней поверхности труб печи в зависимости от назначения печи. Двухсекционная печь (фиг. 17) предназначена для процессов висбрекинга и замедленного коксования, трех- и четырехсекционная печи (фиг. 18, 22) - для процессов термического крекинга дистиллятного сырья (экстрактов маслоблока, тяжелого газойля каталитического крекинга и замедленного коксования) с целью производства сырья для получения технического углерода и игольчатого кокса. Работа этих печей аналогична вышеописанной.
Таким образом, высокоинтенсивная работа змеевика печи с длительным межремонтным пробегом печи обеспечивается наличием винтовых труб, а также труб переменного сечения на участках змеевика с нисходящими вертикальными трубами.
Кроме того, в этих обстоятельствах открывается возможность регулирования теплоподвода по длине змеевика (по секциям) с помощью регулирования подачи топлива к горелкам печи, фронтальных излучающих стен, дополнительного секционирования камеры радиации вертикальными перегородками для создания более оптимальных условий нагрева и крекинга исходного сырья, в зависимости от свойств исходного сырья, заданной величины конверсии (по секциям) и степени закоксовывания внутренней поверхности труб и, тем самым, обеспечивается увеличение межремонтного пробега печи, повышение качества продуктов и снижение капитальных и эксплуатационных затрат.