ТРУБЧАТЫЙ РЕКУПЕРАТОР

Изобретение относится к рекуперативному подогреву газообразных агентов и может быть использовано в производстве сажи.
Подавляющее большинство современных отечественных и зарубежных предприятий-производителей сажи осуществляют рекуперативный подогрев воздуха высокотемпературным сажегазовым аэрозолем в вертикальных 2-х секционных трубчатых рекуператорах с последовательным расположением в одном корпусе прямоточной и противоточной секции, через которые проходит подогреваемый воздух [1].
Известен трубчатый рекуператор, включающий прямоточную и противоточную секции, причем основная масса нагреваемого агента поступает в противоточную секцию, а меньшая часть - в прямоточную для охлаждения нижней трубной решетки с последующей подачей в среднюю часть противоточной секции [2]. Каждая труба закреплена жестко в нижней трубной решетке и подвижно в верхней трубной решетке с помощью скользящего уплотнения, что исключает избыточные продольные напряжения, возникающие при неоднородном температурном расширении каждой трубы.
Недостатком данного рекуператора является наличие утечки воздуха через скользящие уплотнения в верхней трубной решетке, что приводит появлению очагов локального возгорания, так как в состав газообразных продуктов реакции образования сажи входят оксид углерода и водород, что является причиной преждевременного выхода из строя элементов уплотнения.
Другим недостатком данного рекуператора при использовании его для рекуперативного подогрева воздуха в сажевом производстве, характеризующимся высокой запыленностью газов, является занос сажей труб, что обусловлено резким снижением скорости газового потока при выходе из труб в газоход. Резкое падение скорости потока до величины свободного витания твердых частиц приводит к возникновению циркуляционных потоков у стенок газохода и осаждению слоя сажи. Постепенно нарастая, слой сажи перекрывает трубы, расположенные в пристеночной области, что приводит к
снижению теплопередачи и увеличению гидравлического сопротивления рекуператора. Удаление отложений сажи осуществляется посредством продувки чистым газом, что в свою очередь приводит к простоям оборудования.
Известен трубчатый рекуператор, включающий прямоточную и противоточную секции, размещенные в одном корпусе и разделенные общей трубной доской, причем выход прямоточной секции соединен трубопроводом с входом противоточной секции [3]. Трубы рекуператора жестко закреплены в нижней трубной доске и подвижно с помощью скользящих уплотнений в общей и верхней трубных решетках.
Недостатком данного рекуператора является утечка воздуха через уплотнения труб в общей и верхней трубных решетках. Утечка воздуха (до 1%) через уплотнения в верхней трубной доске приводят к возникновению очагов локального возгорания, что является причиной преждевременного выхода из строя элементов уплотнения труб в верхней трубной решетке, а переток воздуха через общую трубную решетку (до 15% от общего расхода) приводит к снижению теплопередачи, так как эта часть воздуха не участвует в теплосъеме со значительной части трубного пучка противоточной секции рекуператора.
Другим недостатком данного рекуператора является забивание труб в их верхней части, что приводит к существенному снижению теплопередачи и повышению гидравлического сопротивления и, как следствие, к необходимости частых продувок рекуператора.
Известен трубчатый рекуператор, выбранный в качестве прототипа, который включает прямоточную и противоточную секции, размещенные в одном корпусе и разделенные общей трубной доской, причем выход прямоточной секции соединен трубопроводом с входом противоточной секции. Часть воздуха проходит из противоточной секции в противоточную через перепускные отверстия в общей трубной доске с целью устранения застойных зон [4].
Недостатком рекуператора является пониженная эффективность теплосъема, вызванная перетоком части нагреваемого воздуха через перепускные отверстия в общей трубной решетке, минуя значительную часть трубного пучка противоточной секции рекуператора.
Другой недостаток рекуператора обусловлен отсутствием индивидуальной температурной компенсации каждой трубы вследствие их жесткого крепления во входной и выходной трубных решетках, что является причиной разрыва труб и преобладающего разрушения нижней трубной решетки.
Наконец, недостатком данного рекуператора является забивание труб в их верхней части, что приводит к существенному снижению теплопередачи и повышению гидравлического сопротивления и, как следствие, к необходимости частых продувок рекуператора.
Целью данного изобретения является повышение эффективности трубчатого рекуператора посредством снижения заноса труб и уменьшения перетока воздуха через общую трубную решетку.
Поставленная цель достигается тем, что трубчатый рекуператор для производства сажи, включающий прямоточную и противоточную секции, размещенные в одном корпусе и разделенные общей трубной решеткой, причем выход прямоточной секции соединен трубопроводом с входом противоточной секции, отличающийся тем, что выходная трубная решетка с присоединенными к ней трубами расположена по углом 90° к входной трубной решетке, а присоединенные к выходной трубной решетке наружный корпус рекуператора и трубы изогнуты по направляющим, которые совпадают с концентрическими окружностями, центры которых находятся на оси, образованной от пересечения плоскостей, одна из которых параллельна входной трубной решетке, а другая - выходной, причем средний радиус поворота равен диаметру корпуса рекуператора, а отношение диаметров отверстий в общей трубной решетке между прямоточной и противоточной секциями к диаметрам труб равно 1.012.
Разворот выходной трубной решетки на 90° с присоединенными к ней трубами, изогнутыми по концентрическим образующим, и корпусом рекуператора позволяет решить проблему индивидуальной температурной компенсации каждой трубы и уменьшить интенсивность заноса выходных участков труб рекуператора следующим образом.
Основную величину различного температурного удлинения корпуса рекуператора и труб в рабочем тепловом режиме устраняют за счет установленных на вертикальной части компенсаторов, которые при сборке рекуператора подвергаются предварительному сжатию. Опыт промышленной эксплуатации рекуператоров позволил установить, что в результате неоднородной интенсивности нагрева труб разница температурного удлинения труб длиной 6 м достигает 20 мм. Для трубы, жестко закрепленной на трубных решетках, расположенных под углом 90°, данное удлинение приведет к поперечному изгибу на 0.1°, а возникающее при поперечном изгибе усилие многократно уступает усилию сжатия при продольном удлинении.
Вторым аргументом, подтверждающим существенное преимущество предлагаемого расположения трубных решеток, является то, что выходящие из вертикально расположенной трубной решетки струи запыленного газа направлены горизонтально и сила тяжести при резком падении скорости струй до скорости витания твердых частиц способствует отложению только в нижней части газохода и трубной решетки. В прототипе отложение происходит по всему периметру газохода с постепенным перекрытием труб, расположенных в пристеночной к газоходу области, чему способствует направленная перпендикулярно к поверхности выходной трубной решетки сила тяжести.
Другим отличительным признаком, оказывающим существенное влияние на эффективность работы трубчатого рекуператора посредством обеспечения минимального перетока воздуха через общую трубную решетку, является отношение диаметра отверстий в общей трубной решетке к диаметру труб, которое должно быть равно 1.012 в прелагаемом рекуператоре.
В выше описанных рекуператорах одним из общих недостатков является переток воздуха через общую трубную решетку, расход которого достигает 15% [3], а в прототипе даже предусмотрены дополнительные перепускные отверстия [4]. Теплотехнический расчет показал, что переток такого количества менее подогретого воздуха через общую трубную решетку приводит к снижению его результирующей температуры на 40-60°С, являющимся существенным для технико-экономической эффективности процесса получения сажи. Согласно уравнению теплопередачи [5] количество передаваемого тепла пропорционально разности температур горячего и холодного агентов при постоянном коэффициенте теплопередачи и поверхности нагрева. Очевидно, что при уменьшении расхода нагреваемого в противоточной секции воздуха температура его будет расти быстрей, а с уменьшением разности температур количество передаваемого тепла будет уменьшаться, поэтому при объединении 2-х потоков их суммарное количество тепла и температура будут меньше.
Основным функциональным назначением прямоточной секции 2-х секционных рекуператоров подобной конструкции является обеспечение эффективного охлаждения нижней трубной решетки и входных участков труб, которые работают в предельном температурном режиме, а основной теплосъем осуществляется в противоточной секции, доля поверхности труб которой составляет 85-95% от общей поверхности труб рекуператора.
Повышение эффективности рекуператора за счет уменьшения перетока воздуха через общую трубную решетку достигается тем, что отношение диаметра отверстий в общей трубной решетке к диаметру труб устанавливается равным 1.012. При данном соотношении диаметров отверстий в общей трубной решетке и труб в рабочем режиме трубы разогреваются до более высокой температуры, чем общая трубная решетка и величина зазора между ними уменьшается. Например, при диаметре используемых труб 42 мм в соответствии с установленным соотношением диаметр отверстий должен составлять 42.5 мм. В рабочем режиме при температуре сажегазового аэрозоля на входе
2
2
в рекуператор 900°С средняя температура трубы в месте пересечения общей трубной решетки составляет 700°С, а ее диаметр - 42.55 мм. Температура общей трубной решетки при этом составляет 250°С, а диаметр отверстий -42.66 мм. Суммарная площадь проходного сечения для 340 труб при нормальной и рабочих температурах составляют соответственно 11180 и 2500 мм, то есть в рабочих условиях уменьшается в 4.5 раза. Например, при диаметре трубопровода, соединяющего прямоточную и противоточную секции, 600 мм и площади сечения 282600 мм относительная доля площади зазоров в общей трубной решетке не превышает 0.9%, что с учетом местных гидравлических сопротивлений переток воздуха не более 1.5% от общего расхода воздуха. С одной стороны, переток этого количества менее подогретого воздуха через общую трубную решетку не приводит к сколько-нибудь существенному снижению эффективности рекуператора, а с другой - противодействует конвективной теплопередаче от более горячего воздуха в противоточной секции, что предотвращает ее от избыточного расширения и деформации. На фиг.1 показан продольный разрез трубчатого рекуператора. Трубный пучок рекуператора, заключенный в корпус 1, жестко закреплен во входной 2 и выходной 3 трубчатых решетках, расположенных под углом 90°. Средний радиус поворота R равен диаметру корпуса dk. Общая трубная решетка 4 разделяет корпус 1 на прямоточную и противоточную секции. Отношение диаметра отверстий dotb к диаметру труб dт равно 1.012. Патрубок 5 для подачи воздуха присоединен к прямоточной секции, а выход из нее соединен трубопроводом 6 со входом противоточной секции, в нижней части которой установлен патрубок 7 для отвода подогретого воздуха. На корпусе рекуператора и на трубопроводе 6 установлены компенсаторы 8 и 9 соответственно.
Сажегазовый аэрозоль с температурой 750-1000°С поступает к нижней трубной решетке 2 вертикально установленного трубчатого рекуператора. Воздух подается через входной патрубок 7 и интенсивно обдувает входные участки труб и трубной решетки 2. Температура входных участков труб и
трубной решетки 2, выполненных из жаростойкой стали, поддерживается в допустимых для ее эксплуатации пределах, хотя исходная температура сажегазового аэрозоля существенно их превосходит. Одновременно воздух обдувает и общую трубную решетку 4, а часть его (до 1.5%) проходит через зазоры в ней. Частично подогретый в прямоточной секции воздух по трубопроводу 6 поступает в противоточную секцию, где происходит основной теплообмен между воздухом и сажегазовым аэрозолем. С помощью выходного патрубка 7 подогретый воздух отводится из трубчатого рекуператора для последующей подачи в процесс получения сажи, а охлажденный аэрозоль горизонтально направленными струями выходит из трубной решетки 3 в газоход. Компенсация различного температурного удлинения корпуса и трубного пучка осуществляется с помощью компенсаторов 8 и 9, а индивидуальная компенсация удлинения каждой трубы - за счет свободного расширения ее дуги.
В таблице приведены результаты сравнительных испытаний выбранного в качестве прототипа и предлагаемого трубчатых рекуператоров.
Таблица
Рекуператор
№ опыта
Время замера после запуска, сутки
Перепад давления,кПа
Коэффициент теплопередачи, вт/*м2*град
Доля перетока воздуха,%
Сажегазового аэрозоля
воздуха
На входе
на выходе
после противотока
на выходе
Прототип
1
1
750
577
505
464
6
24.5
12.8
2
5
750
595
454
420
15
19.8
13.1
Предлагаемый
3
1
750
506
637
631
9
28.2
1.4
4
30
750
508
632
626
9.3
27.5
1.4
5
1
900
603
764
759
9.6
28.7
1.1
6
30
900
605
760
754
9.8
28.1
1.2
Для оценки эффективности использован коэффициент теплопередачи, так как он характеризует мощность теплового потока, передаваемого через единичную поверхность при разности температур в 1 градус, что позволяет производить сравнение рекуператоров при различных условиях. Определение доли воздуха, перетекающего через общую трубную решетку, произведено на основе теплового баланса с использованием температуры воздуха на выходе из рекуператора и температуры воздуха в конце трубного пучка противоточной секции до смешения с воздухом, перетекающим из прямоточной секции.
В опытах 1, 2 показано, что при работе известного рекуператора наблюдается интенсивный занос сажей труб в течение 5 суток после пуска: снижается температура в конце противоточной секции с 505 до 454°С, на выходе рекуператора - с 464 до 420°С, увеличивается перепад давления на трубах с 6 до 15 кПа. Кроме того, увеличивается температура сажегазового аэрозоля после рекуператора с 577 до 595°С, что также свидетельствует об ухудшении теплосъема. Наконец, коэффициент теплопередачи снижается с 24.5 до 19.8 вт/м2*град. Доля воздуха, перетекающего через общую трубную решетку, находится в пределах 12.8-13.1%, что приводит к падению к падению температуры воздуха с 505 до 464°С (опыт 1) и с 454 до 420°С (опыт 2). Общее снижение температуры как за счет перетока воздуха, так и заноса сажей труб на выходе из рекуператора достигает 80°С, что приводит к существенному снижению эффективности процесса производства сажи. Необходимость продувки рекуператора каждые 3-5 суток приводит к потере рабочего времени и неблагоприятно сказывается на всем технологическом оборудовании.
В опытах 3, 4 показано, что рекуператор предлагаемой конструкции в течение 30 суток обеспечивает снижение температуры воздуха на выходе не более 5°С: с 631°С -через 1 сутки и до 626°С - через 30 суток. При этом происходит незначительное увеличение перепада давления на трубах (с 9 до 9.3 кПа) и снижение коэффициента теплопередачи (с 28.2 до 27.5 вт/м2*град), что свидетельствует об отсутствии интенсивного заноса выходной трубной решетки и труб.
Переток воздуха через общую трубную решетку не превышает 1.4%, что позволяет обеспечить снижение температуры от конца противоточной секции до выхода из рекуператора не более 632-626=6°С (опыт 4).
Наконец, конструкция подогревателя, обеспечивающая индивидуальную компенсацию теплового удлинения труб, позволяет повысить температуру сажегазового аэрозоля на входе в рекуператор до 900°С, как показано в опытах 5, 6. При увеличении общего уровня температур происходит практически без изменения коэффициента теплопередачи и доли воздуха, перетекающего через общую трубную решетку.
Таким образом, совокупность разворота выходной трубной решетки на 90° относительно входной трубной решетки и отношение диаметра отверстий в общей трубной решетке к диаметру труб 1.012 в прелагаемом рекуператоре обеспечивает высокий подогрев воздуха в течение длительного времени.
Промышленные испытания предлагаемого трубчатого рекуператора, проводимые на ОАО «Ярославский технический углерод» с октября 2004 года, позволили определить следующие его технико-экономические преимущества:
- высокая стабильность температурного и тягонапорного режимов работы рекуператора;
- повышение выхода сажи из используемого углеводородного сырья;
- повышение производительности технологического процесса производства сажи за счет более высокой степенью рекуперации тепла и существенного снижения простоев, связанных с продувкой рекуператора;
- повышение эффективности процесса выработки пара в котлах-утилизаторах за счет снижения влажности и повышения теплотворной способности газообразных продуктов процесса сажеобразования.
Литература
1. В.Ю.Орлов, А.М.Комаров, Л.А.Ляпина, Производство и использование технического углерода для резин. Ярославль, Изд. АР, 2002, с.218-222
2. Пат.GB 750317
3. Пат.US 6179048
4. Пат.SU 919461
5. Справочник химика. М., Изд. «Химия», 1966, т.5, с.539