ТРУБЧАТАЯ ПЕЧЬ
TUBE FURNACE

Изобретение относится к нефтепереработке, в частности к трубчатым печам для нагрева нефтяных остатков в процессах висбрекинга, термокрекинга, замедленного коксования.
Известна трубчатая печь коробчатой формы, внутри которой размещены горизонтальные трубы змеевика и горелки, обогревающие трубы змеевика факелом сгорающего топлива или посредством раскаленной фронтальной стены (каталог «Трубчатые печи», изд. ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, Москва, 1998 г., стр.8).
Недостатком известной печи является повышенное гидродинамическое сопротивление змеевика печи, обусловленное местным сопротивлением крутоизогнутых калачей, меняющих направление движения потока на противоположное, сопровождающееся повышенным износом противоположной стороны калача за счет сепарации твердых ингредиентов остатка в центробежном поле закрученного потока и уменьшения толщины защитного слоя из углеводородов сырья с повышенными адгезионными свойствами к металлу трубы, а также недостаточного экранирования камеры радиации из-за отсутствия труб на боковых стенах топочного пространства печи, вызывающее повышение теплонапряженности при увеличении тепловой нагрузки на печь, сопровождаемое повышением опасности закоксовывания теплопередающей поверхности и сокращением межремонтного пробега печи.
Известна цилиндрическая трубчатая печь, включающая корпус с камерами конвекции и радиации, в которых размещены конвективный и радиантный змеевики печи, при этом конвективный змеевик поднимается по спирали снизу вверх снаружи кольцевой перегородки, соединяется наверху печи вертикальными патрубками с радиантным змеевиком, опускается по спирали сверху вниз внутри этой же перегородки и обогревается горелкой, размещенной в поду печи. (Пат. РФ №2296926, C10G 9/20, оп. 10.04.2007)
Недостатком известной печи является то, что конвективный змеевик имеет участки с восходящими вертикальными трубами, при этом с образованием в змеевике паровой фазы двухфазный поток переходит в «снарядный», сопровождаемый гидроударами, вибрацией, вызывающими разрушение элементов конструкции печи, что приводит к частым остановкам установки. Еще одним недостатком известной печи является то, что в радиационной части змеевика печи, где скорость потока достигает 35-5 Ом/сек, спиральная кольцевая форма змеевика способствует расслоению потока за счет центробежной силы на две части: жидкую фазу, расположенную снаружи поперечного сечения кольцевого участка трубы, и паровую фазу, прилегающую к внутренней стороне того же участка трубы, освещенной излучающей поверхностью факела горелки. Это обстоятельство может сопровождаться кризисом теплопередачи второго рода (сухие пятна) и закоксовыванием теплопередающей поверхности, что часто является причиной остановки установки.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в снижении вероятности закоксовывания теплопередающей поверхности, устранении гидроударов, уменьшении скорости износа калачей.
Для достижения указанного технического результата в трубчатой печи, включающей корпус с камерами конвекции и радиации, в которых размещены конвективный и радиантный змеевик и горелки, установленные в поду печи, причем радиантный змеевик выполнен спиральным и установлен вертикально в корпусе печи, согласно изобретению корпус печи выполнен коробчатым, а радиантный спиральный змеевик выполнен из спаренных труб, в выходной части радиантного спирального змеевика размещена сокинг-секция, объем которой составляет 20-25% от общего объема труб радиантного спирального змеевика, при этом трубы радиантного спирального змеевика размещены вдоль стен коробчатого корпуса, причем трубы змеевика, размещенные вдоль длинной стенки коробчатого корпуса печи, горизонтальны, а трубы змеевика, размещенные вдоль короткой стенки коробчатого корпуса печи, имеют угол наклона, достаточный для перевода звена спирального змеевика на нижележащий уровень подсоединением более короткой трубы к горизонтальной длинной трубе.
Расстояние между звеньями радиантного спирального змеевика может составить два диаметра трубы.
Диаметр труб сокинг-секции на 35% превышает диаметр труб радиантного спирального змеевика.
Отличительные от прототипа признаки - размещение радиантного спирального змеевика вертикально в коробчатом корпусе печи с расположением звеньев змеевика в горизонтальной плоскости, опускающихся сверху вниз, формирование сокинг-секции из труб большего диаметра - позволяют устранить гидроудары, устранить участки змеевика с «сухими» пятнами, освещенными факелом горелки, увеличить теплопередающую поверхность, уменьшить среднюю теплонапряженность теплопередающей поверхности, снизить гидродинамическое сопротивление змеевика печи, повысить компактность и энергетическую мощность печи и, в конечном итоге, увеличить межремонтный пробег печи.
Поиск по отличительным признакам выявил цилиндрическую трубчатую печь для малотоннажных нефтеперерабатывающих производств по пат. РФ №2294953 (МПК C10G 9/00, оп. 10.03.2007), в которой змеевик также выполнен в виде спирали, установленной вертикально в корпусе печи. Однако известная печь не имеет камеры радиации, а у имеющейся камеры конвекции, где размещен спиральный змеевик, теплонапряженность теплопередающей поверхности в 3-4 раза меньше, чем в камере радиации. Поэтому конструкция печи и змеевика не позволяют увеличить их мощность до величин, необходимых для проведения высокотемпературных термодеструктивных процессов (висбрекинга или замедленного коксования) в крупнотоннажных нефтеперерабатывающих производствах.
Таким образом, новый технический результат предлагаемого технического решения по сравнению с известным по пат. РФ №2294953 - возможность проведения высокотемпературных термодеструктивных процессов в крупнотоннажных нефтеперерабатывающих производствах.
На чертежах представлена предлагаемая двухкамерная трубчатая печь, где фиг.1 - трубчатая печь в разрезе, вид спереди; фиг.2 - разрез А-А.
Печь включает коробчатый корпус 1 с теплоизоляцией 2, камеру конвекции 3 с конвективными змеевиками 4 и 5, камеру радиации 6 с радиантным змеевиком 7. Конвективные змеевики 4 и 5 выполнены из горизонтальных труб, из них: первый - из спаренных оребренных труб; второй - из обычных. Радиантный змеевик 7 выполнен спиральным из спаренных труб с сокинг-секцией 8, по которым протекают два параллельных потока. Сокинг-секция 8 изготовлена из труб большего диаметра, объем которых составляет 20% от общего объема труб спирального змеевика 7. Звено радиантного спирального змеевика 7 состоит из двух длинных и двух коротких труб, при этом угол наклона коротких труб составляет 7°. Расстояние между звеньями спирального змеевика 7 составляет два диаметра трубы, при этом диаметр труб сокинг-секции 8 на 35% превышает диаметр труб радиантного спирального змеевика 7.
В поду 9 печи установлены горелки 10. Печь снабжена линиями 11 для ввода сырья в змеевик печи, линиями 12 для ввода сырья из камеры конвекции в камеру радиации и линиями 13 вывода продуктов нагрева и разложения из печи в реактор или колонну (не показаны).
Печь работает следующим образом (фиг.1, 2). После пуска установки и разогрева печи на пусковом продукте (газойле) в змеевик печи вместо пускового продукта подают сырьевую смесь (композицию из гудрона с разбавителями, турбулизатором). Поток 11 с температурой 300-320°С поступает по линиям 12 из камеры конвекции в радиантный спиральный змеевик 7 и сокинг-секцию 8 камеры радиации 6, где нагревается от излучения факела сгорающей топливной смеси (топливо - воздух - водяной пар), выходящей из горелок 10 в поду 9 печи в камеру радиации 6. По мере прохождения спирального змеевика 7 и сокинг-секции 8 камеры радиации 6 температура потока повышается до величины разложения (крекинга) сырья (420-430°С), при этом структура потока внутри змеевика также изменяется и переходит от однородной (жидкой среды) к двухфазной (жидкой - газопаровой) дисперсно-кольцевой структуре. Такой гидродинамический режим течения потока характерен для горизонтальных и наклонно опускающихся сверху вниз участков змеевика, при этом поток спокойно, без гидроударов проходит также прямоугольные (90°) перетоки (калачи) и сокинг-секцию. Равномерному подъему температуры продукта в змеевике печи способствует практическое постоянство градиента тепловой энергии между теплопроизводящими и тепловоспринимающими участниками теплопередачи в топке печи, что снижает вероятность закоксовывания теплопередающей поверхности. Облучение периметра трубы факелом горелок преимущественно с ее нижней стороны, где тепловая энергия интенсивно снимается (поглощается) движущимся потоком жидкого продукта, также уменьшает опасности коксоотложений на внутренней поверхности трубы. Экранирование спиральным змеевиком всех четырех сторон печи позволяет увеличить полезную теплопередающую поверхность, уменьшить ее среднюю теплонапряженность, снизить теплопотери и повысить кпд печи. Спаренный характер змеевика обуславливает компактность и большую энергетическую мощность печи.
По мере прохождения змеевика 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 устойчивым из-за преобладания дисперсно-кольцевой структуры. Прямоугольные (90°) калачи спиралевидного змеевика не меняют характера потока, также имеют малую величину гидродинамического сопротивления. Продукты нагрева и разложения (крекинга) по линии 13 выводятся из печи и направляются в реактор или колонну (не показаны).
Предлагаемое изобретение позволяет снизить вероятность закоксовывания теплопередающей поверхности, устранить гидроудары, уменьшить скорость износа (эрозии) калачей и тем самым увеличить межремонтный пробег установки.