Основные принципы проектирования установок пиролиза для газообразного сырья

УДК 661.715; 66.021.4; 66.011

Л. Р. Зиатдинова, Е. С. Воробьев, Ф. И. Воробьева

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТАНОВОК ПИРОЛИЗА ДЛЯ ГАЗООБРАЗНОГО СЫРЬЯ

Ключевые слова: Пиролиз, печьпиролиза, пирозмеевик, выход продуктов.

В работе представлен анализ данных по эффективности работы различных печей пиролиза, области их применения и назначению.На его основе предложеныобщие принципы выбора конструкций печей пиролиза и их проектирования. С помощью простых расчетов численными методами показаны температурные области внутри печи и тепловые воздействия на трубы змеевика в зависимости от его расположения.

Keywords: Pyrolysis, pyrolysis furnace, pyromesion, product yield.

The paper presents an analysis of data on the efficiency of various pyrolysis furnaces, their application and purpose. On its basis, general principles for the design ofpyrolysis furnace designs and their design are proposed. With the help of simple calculations, numerical methods show the temperature regions inside the furnace and the thermal effects on the pipes of the coil, depending on its location.

Введение

Этилен и пропилен являются важнейшим сырьем для промышленного органического синтеза. На основе этилена получают этанол, этилбензол, окись этилена, полиэтилена и других химических продуктов. Пропилен в больших количествах используется для получения изопропилбензола, полипропилена, изопропилового спирта, окиси пропилена, глицерина и т.д. Как видим, этилен и пропилен имеют широкий спектр использования, поэтому разработка эффективного производства этих продуктов является актуальной и необходимой задачей.

Наиболее эффективным промышленным способом получения этих продуктов является пиролиз. Однако данный процесс является энергоемким и требующим хорошей проработки при проектировании новых пиролизных установок. Анализу их работы, конструктивному оформлению и путям их оптимизации посвящена данная работа.

Постановка задачи

Основной процесс пиролиза протекает в пироз-меевике, где сырье должно быстро нагреться до заданной температуры и затем через цепочку химических реакций превратиться в целевой продукт. Основным процессом здесь следует считать химическое превращение, рассмотрим его более подробно. Процесс термического разложения углеводородов, состоящий из разных элементарных химических реакций, протекающихкакпараллельно,так и после-довательно.Их можно условно разделить на две группы,это первичные реакции термического расщепления алканов с образованием олефинов, дио-лефинов и алканов с меньшим, чем у исходных углеводородов числом атомов углерода, а также водорода. Во вторичных реакциях образовавшиеся оле-фины и диолефины подвергаются реакциям дегидрирования, дальнейшего расщепления и конденсации с образованием циклических ненасыщенных (циклополиенов) и ароматических углеводородов. В дальнейшем ходе реакций получаются всё более сложные многоядерные ароматические углеводороды. В итоге все эти соединения, выделяя водород и

частично адсорбируясь на поверхности реакторов, образуют твёрдую плёнку так называемогопиролиз-ного кокса. Отсюда следует, что выход целевых продуктов в основном должен определяться температурой змеевика и временем пребывания в нем реакционной массы. Известно, что объем продуктов реакции больше, чем объем сырья и, следовательно, процесс идет с увеличением объема или повышением давления, хотя последнее так же приводит к снижению выхода продукта.

На основании этих заключений попробуем построить оптимальный змеевик для пиролиза.

Решение задачи

Первой задачей является быстрый нагрев сырья до заданной температуры реакции. Сначала сырье проходит через предварительный нагрев во внешнем теплообменнике, потом попадает с конвективную камеру печи и затем уже в основной реактор - пирозмеевик. Рассмотрим последний этап нагрева сырья в змеевике. Приход тепла обеспечивают три фактора: тепловая радиация от стенок печи, теплопередача от газов горения и ввод в сырье перегретого пара.

Два первых фактора напрямую зависят от поверхности змеевика, через которую поступают данные тепловые потоки. Ясно, что удельная поверхность змеевика на единицу его объема увеличивается с уменьшением его диаметра, следовательно, надо стремиться к минимальным размерам его диаметра, но это ведет к нарушению его прочности.

Перегретый пар можно ввести сразу же на входе в радиантную камеру и дальше греть парогазовую смесь до нужной температуры или ввести пар после достижения сырьем определенной температуры перед началом химической реакции.Второй вариант лучше, так как нагрев двух компонентов смеси в разных змеевиках более эффективен,а пар нужен только перед началом химической реакции для снижения парциального давления. Используя пакет №етСАВ ,был выполнен расчет по дополнительному нагреву сырья паром (рис. 1), из которого видно, что можно увеличить температуры смеси не более чем на 30-40 градусов.

Ясно, что пар целесообразно вводить после

предварительного нагрева сырья в змеевик до температуры на 20-30 градусов ниже необходимой для протекания реакции, что обеспечит быстрый подъем температуры сырья и снижение парциального давления сырья в общей парогазовой смеси. Для обеспечения общего давления в реакторе в месте ввода пара надо увеличить объем реактора.

Доля пара

0,1

0,26 0,34 0,42

0,5

..................

7*.......

800 820 840 860 880 900 920 940 960 980 1000 Температура перегретого пара

90-100 80-90 70-80 60-70 50-60

40-50 30-40 20-30 10-20

Рис. 1 - Изменение температуры смеси в зависимости от доли пара и его температуры

Рассмотрим возможные компоновки змеевика в печи. Известны две схемы (рис. 2): горизонтальная и верти-кальная.Первая из них более компактна, но создает проблемы с закреплением труб змеевика и обеспечением их устойчивости при воздействии тепла. Вторая требует высокую радиантную камеру в печи, но менее подвержена температурным воздействиям, так как просто растягивается внутри печи

а б

Рис. 2 - Схемы расположения труб в пирозмееви-ках: а - горизонтальная; б - вертикальная

Для анализа поведения труб в печи и оценки их устойчивости к тепловым воздействиям были сделаны расчеты в пакете ЕЮи^ которые показали, как ведут себя трубы при высоких температурах с разными системами расположения и закрепления их торцов (рис. 3). Было установлено, что вертикальная схема обеспечивает большую устойчивость труб при более высоких температурах и меньших диаметре и толщине стенок, что гарантирует более быстрый нагрев сырья.

б

Рис. 3 - Пример расчета деформации труб под собственным весом при нагревании: а - горизонтальная; б - вертикальная

Рассмотрим теперь саму конструкцию змеевика.

Обычно это четыре (рис. 2б) или шесть плетей, расположенных в центре радиантной камеры. Длина одной плети достигает 9 метров. При таком расположении труб онипопадают в разные температурные зоны печи по вертикали.Поэтому надо решить, где ввести холодный поток, в каком месте в реактор подать перегретый пар и как расположить змеевик в печи?

Используя пакет Е1Си;, было рассчитано температурное поле радиантной камеры печи пиролиза в зависимости от различных схема расположения газовых горелок. Пример температурного поля показан на рис. 4.

а б

Рис. 4 - Температурное поле в печи пиролиза: а -поперечное, б - продольное сечения

Ясно, что тепловой поток в продольном сечении печи меньше, чем в поперечном, следовательно, змеевик целесообразно расположить вдоль радиант-ной камеры в один слой.Чтобы обеспечить максимально быстрый нагрев сырья согласно температурного поля входная ветвь змеевика должна находиться в середине печи. Нагрев до нужной температу-ры(Треак - 20-30 градусов) надо обеспечить в первой ветви змеевика. Из рис.4. видно, что максимальная температура находится в средней части печи, поэтому входные ветки змеевика должны проходить там. Для обеспечения наиболее эффективного нагрева надо обеспечить достижение заданной температуры при прохождении сырья по первой ветви. Расчет необходимых условий теплопередачи показывает, что удельная поверхность змеевика на единицу объема сырья в данном случае должны быть максимальной.

Подача пара в змеевик должна выполняться в нижней части печи и для обеспечения более высокого перегрева пара, целесообразно паровой змеевик расположить внизу печи.

Все основные реакции идут с увеличением объема реакционной массы и для их интенсификации надо обеспечить увеличение объема реактора по его длине. По данным завода объем продуктов в 2,5 раза больше объема сырья. Отсюда можно спрогнозировать параметры змеевика:

- Первая ветвь змеевика должна обеспечивать максимальный тепло подвод и, следовательно, иметь удельную поверхность максимальной возможной;

- В зоне подачи пара, объем змеевика должен

0,18

а

увеличиться до 50% пропорционально объему вводимого пара (доля пара 20-50%);

- Потом начинается реакция и объем реакционной массы растёт до 250% от первоначального объема сырья;

- Во время реакции теплообмен может быть менее эффективным и удельная поверхность труб может уменьшаться.

И на основании данного прогноза можно построить предполагаемый змеевик: первая ветвь должна иметь постоянный радиус и обеспечивать максимально возможную удельную поверхность. На перегибе змеевик должен увеличить свой объем на объем добавляемого пара. Лучше это сделать при разделении змеевика на две трубы, что обеспечить сохранение теплового потока. Далее диаметр змеевика может увеличиваться, что приведет к плавному увеличению реакционного объема и снизит приход тепла через стенки змеевика. Это уменьшитнагрева-ние реакционной смеси, компенсируя её разогрев за счет выделения тепла в реакции.

Заключение

Данный подход при разработке печи пиролиза может помочь в построении её оптимальной конструкции. Однако большинство представленных расчетов имеют достаточно приближенный подход с использованием общих данных работы печи. Это требует определенных исследований.

Литература

1. Ерандаева Ю.В., Воробьев Е.С., Воробьева Ф.И., Вестник Казанского технологического университета. 2011, т.14, в.11, с.88-91.

2. Муртазин Н.Ф., Воробьев Е.С., Воробьева Ф.И., Вестник Казанского технологического университета. 2011, т.14, в.11, с.121-124

3. Ахназарова, С. Л. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. / С. Л. Ахназарова, В. В. Ка-фаров — М.: Высшая школа, 1978. 319 с.

© Л. Р. Зиатдинова - магистр каф. общей химической технологии КНИТУ, Ziadinoval@mail.ru, Е. С. Воробьев цент той же кафедры, Vorobiev@kstu.ru, Ф. И. Воробьева - к.х.н., доцент той же кафедры, VorobievaF@gmail.com.

к.т.н., до-

© L. R. Ziatdinova, Master of the Department of General Chemical Technology, KNRTU, Ziadinoval@mail.ru, E. S. Vorobyev, Ph.D., Associate Professor, Associate Professor of the Department of General Chemical Technology, KNRTU, Vorobiev@kstu.ru, F. I. Vorobyeva, Ph.D., Associate Professor, Associate Professor of the Department of General Chemical Technology, KNRTU, VorobievaF@gmail. com.