Профиль температур печи пиролиза этана

М. М. Андреева

ПРОФИЛЬ ТЕМПЕРАТУР ПЕЧИ ПИРОЛИЗА ЭТАНА

Даётся описание исследования профиля температуры змеевика печи пиролиза этана. Обоснован метод сбора экспериментальных данных. В качестве результата приведены графики распределения температуры по длине змеевика.

В настоящее время одной из актуальных является проблема углубления переработки и рационального применения этана. В связи с этим большое значение приобретают исследования и работы, направленные на увеличение выхода продуктов, получаемых из этого сырья. Одним из таких продуктов является этилен, на основе которого работают производства полиэтилена, синтетических волокон, новых видов каучука и пластмасс. Основным источником получения этилена является пиролиз этана, который определяют как высокотемпературный процесс глубокого термического превращения газового сырья, заключающийся в деструкции молекул исходных веществ, их изомеризации и других изменениях.

Пиролиз этана осуществляется в четырёхпоточной трубчатой печи. Вертикальные радиальные трубы змеевика расположены в нижней части печи, горизонтальные конвекционные трубы - в верхней части топки. В качестве сырья на печах пиролиза используется этановая фракция, поступающая из узла подготовки этана с давлением (0,60 - 0,69) МПа и температурой (60 - 80) 0 С и этан-рецикл.

Сначала этан четырьмя потоками поступает в змеевик предварительного нагрева сырья (ПНС), расположенный в верхней части конвекционной камеры. Здесь сырьё нагревается до (150 - 200) 0 С. Для снижения парциального давления углеводородных паров и уменьшения коксообразования этан на выходе смешивается с паром разбавления 0,7 МПа. Количество подаваемого пара составляет 30% от количества подаваемого сырья. После смешивания этано-паровая смесь проходит два змеевика нагрева. В первом змеевике нагрева смеси (НС-3) смесь нагревается с 200 до 370 0 С, во втором змеевике нагрева смеси (НС-2) смесь нагревается с 370 до 580 0 С. Далее этано-паровая смесь четырьмя потоками направляется в змеевик перегрева смеси (ПС-1), расположенный в нижней части камеры конвекции. В змеевике перегрева этано-водяная смесь нагревается с 580 до (600 - 700) 0С и направляется в радиантную камеру. В камере конвекции нагрев смеси происходит за счёт сжигания топливного газа в горелках, расположенных на боковых стенках печи. В ра-диантной камере происходит нагрев смеси до (830-850) 0 С и разложение с образованием пирогаза.

При пиролизе этана основной реакцией является дегидрирование, то есть выделение водорода:

С2Н6  С2Н4 + Н2.

Имеет место, хотя и в небольшой степени, реакция образования метана:

2 С2Н6  2 СН4 + С2Н4.

Это основные реакции, так как идут с образованием целевого продукта - этилена. Одновременно идут побочные реакции с образованием атомарного углерода (кокса, сажи), водорода и ацетилена.

С2Н6 2С +3 Н2;

С2Н6  С2Н4 + С + Н2;

2С2Н6 2СН4 + С2Н2 + Н2.

К побочным реакциям относятся реакции конденсации и полимеризации, идущие с образованием смол и кокса. Время пребывания сырья в реакционной зоне 0,6 сек. Давление газа пиролиза на выходе из печи (0.08 - 0.13) МПа. Для прекращения разложения этана после печей пирогаз поступает в трубное пространство аппаратов 1 ступени закалки пирогаза Т-101 АБ, где происходит резкое снижение температуры до (350 - 400) 0 С, за счёт испарения питательной воды межтрубном пространстве с образованием пара 0,34 МПа. На каждой печи 2 аппарата Т-101АБ, то есть по одному аппарату на 2 потока. После аппаратов Т-101 АБ пирогазовые потоки объединяются и поступают в трубное пространство подогревателя питательной воды Т-106, где охлаждаются до (180 - 230) сС за счёт подогрева питательной воды, поступающей от насосов Н-101 в барабан-паросборник Е-101. Для предохранения аппаратов Т-101 АБ от забивки коксом пирогаз проходит через коксоуловители, где улавливаются частицы кокса, содержащиеся в газе. Охлаждённый пирогаз после закалочно-испарительных аппаратов поступает в цеховой коллектор пирогаза, затем направляется в колонну К-201 для водной промывки и охлаждения.

Тепло, необходимое для проведения реакции пиролиза подводится к радиантному змеевику за счёт сжигания топливного газа на горелках АГГ -10, расположенных в боковых стенках печи. Г орелки обвязаны по топливному газу четырьмя группами, каждая из которых предназначена для обогрева 1-го потока радиантного змеевика, что позволяет раздельное регулирование температуры пирогаза на выходе из каждого потока. Всего на печи 80 горелок. Топливный газ для горелок поступает из узла подготовки топливного газа. В качестве топливного газа используется метано-водородная фракция, ориентировочный состав представлен в таблице 1.

Таблица 1 - Ориентировочный состав топливного газа

Состав %, вес. %, об.

водород 29.48 - 23.28 77.6 - 66.24

метан 66.3 - 23.48 21.4 - 14.54

этилен 3.41 - 4.43 0.94 - 1.52

этан 0.8 - 43.16 0.05 - 14.16

Состав сырья в процентах по массе:

- метан - не более 3;

- этан - не менее 95;

- пропан - не более 3;

- сумма углеводородов С4 и выше - не более 0.1;

- СО2 - не более 0.04;

- Н2Б не более 0.002;

- сернистые соединения в пересчете на серу - не более 0.002. Состав полупродуктов и вспомогательных материалов.

Пирогаз является полупродуктом для получения этилена. Ориентировочный состав представлен в таблице 2.

Таблица 2 - Ориентировочный состав пирогаза

Состав %, вес. %, об.

Водород 3.В2 32.77

Метан В.3 9.5

Ацетилен 0.32 0.23

Этилен 49.67 34.0

Этан 31.7В 21.32

пропилен 2.1 0.96

Пропан 0.5 0.21

Дивинил 1.14 0.4

Бутилен 0.31 0.1

Бутан 0.09 0.03

Сумма углеводородов С5 и выше 1.97 0.4В

Основными режимными параметрами печи пиролиза, определяющими термические превращения углеводородов и состав получаемых продуктов, являются следующие:

- температура реакционной смеси в радиантной камере;

- продолжительность пребывания смеси в реакционной зоне;

- соотношение расходов сырья и водяного пара, поступающих в печь (0.2-0.3);

- состав исходного сырья.

Если, в качестве управляющего воздействия, с помощью которого осуществляется оптимизация технологического режима выбрать изменение температуры смеси внутри змеевика, то необходимо оценить характер её поведения в объекте. C целью опытного определения профиля температуры была реализована измерительная система, построенная на бесконтактном способе сбора информации. С учётом характера атмосферы в зоне измерения и стабильности излучаемых характеристик поверхности во время процесса был выбран пирометр излучения Raynger 2 Plus (RAY 2 PHTSC) для высоких температур фирмы Ray-tek. Оптическая система пирометра, наведённая на выбранный для измерения объект, фокусирует излучаемую им ИК-энергию на фоточувствительный элемент. Детектор конвертирует ИК-энергию в электрический сигнал, который обрабатывается микропроцессором и пересчитывает в значение температуры на основе калибровочных характеристик и коэффициентов излучения датчика. Это значение температуры выводится на цифровой дисплей пирометра.

Технические характеристики пирометра излучения Raynger 2 Plus (RAY 2 PHTSC):

Диапазон измерений -20 ... 3000°С;

Точность ± 1% но не менее 1°С;

Регулировка излучательной способности (0.1:1.0 с шагом 0.01);

Воспроизводимость +0.5%, но не меньше +1°С;

Время отклика 250 мсек;

Спектральный отклик 2.1 - 2.3 цш ;

Оптическое разрешение 167 : 1 в точке фокуса;

Разрешение дисплея 0.01°С.

Каждая серия экспериментов была проведена для 7 трубок (№3 - №9) змеевика первого потока (рис. 1). Трубки №1 и №2 монтированы таким образом, что не возможно прямое наведение и фокусировка инфракрасного излучения в какой-либо их точке. «Прострел» печи проводился через специальные смотровые окошки, которые расположены на высоте 2400, 4700, 7200 и 9600 мм от земли в точках (А1.. .04). После 4 серий измерений получены следующие опытные данные (таб. 3).

Таблица 3 - Результаты измерений температуры змеевика печи пиролиза этана

Высота № серии № трубки змеевика

3 4 5 6 7 8 9

А1 В1 С1 Б1 Е1 Б1 01

9600 мм 1 838 884 883 891 897 922 932

2 831 885 883 886 887 925 926

3 842 883 881 891 891 932 922

4 840 884 881 897 894 932 923

А2 В2 С2 Б2 Е2 Б2 02

7200 мм 1 910 923 923 936 947 967 960

2 904 911 925 935 945 962 956

3 912 922 928 938 944 967 952

4 906 912 928 929 944 957 961

А3 В3 С3 Б3 Е3 Б3 03

4700 мм 1 942 950 948 941 973 965 988

2 945 949 942 946 962 962 988

3 947 955 937 942 965 967 985

4 945 948 938 948 970 962 981

А4 В4 С4 Б4 Е4 Б4 04

2400 мм 1 893 893 927 919 931 926 950

2 891 882 921 915 926 919 948

3 891 892 912 913 931 936 952

4 901 886 915 906 919 937 951

Трубка № 1 2 3 4 5 6 7 8 9

А1 * N В1 * N С1 N N Б1 < N Е1 N N Б1 * N 01 N

А2 N N В2 N N С2 і N Б2 и N Е2 N N Б2 N N 02 N

А3 N N В3 N N С3 N N Б3 * N Е3 N N Б3 N N 03 N

А4 N N В4 N N С4 N N Б4 N N Е4 N * Б4 < N 04 N

Рис. 1 - Схематичное изображение положения точек отбора импульса

Зная длину трубок и высоту на которой проводилось каждое измерение, найдём общую протяжённость змеевика и расстояние от его начала до местонахождения точек отбора импульса. Результаты приведены в таблице 4.

Таблица 4 Расстояния от начала змеевика до точек (А1...04).

Точка Расстояние от начала змеевика до точки Точка Расстояние от начала змеевика до точки

А1 21040 мм Б3 54770 мм

А2 23040 мм Б4 56770 мм

А3 25640 мм Е1 60520 мм

А4 27740 мм Е2 62520 мм

В1 30330 мм Е3 65120 мм

В2 32430 мм Е4 67220 мм

В3 35030 мм Б1 69810 мм

В4 37030 мм Б2 71910 мм

С1 40780 мм Б3 47510 мм

С2 42780 мм Б4 76510 мм

С3 45380 мм 01 80260 мм

С4 47480 мм 02 82260 мм

Б1 50070 мм 03 84860 мм

Б2 52170 мм 04 86960 мм

Длина змеевика: 86960 мм.

Обработка данных проводилась с использованием программы CurveExpert Version 1.34. График распределения температуры по длине змеевика представлен на рис. 2.

Здесь реализована линейная интерполяция.

1014,05

956,95

U

0

# 899,85

&

Н

Л

а

и 842,75 н

785,65

728,55 671,45

0 15,9 31,8 47,8 63,7 79,7 95,6

Протяжённость змеевика, м

Рис. 2 - График распределения температуры по длине змеевика

Для оценки тенденции изменения температуры в объекте найдём аппроксимирующую функцию. В качестве последней выбрана логарифмическая зависимость:

у = а + Ь 1п х, где а = 327,9553; б = 54,9896.

Она имеет наибольший коэффициент корреляции г = 0.65852335 при наименьшем среднеквадратичном отклонении Э = 24.51439057 .

Аппроксимирующая кривая изображена на рис. 3.

1003,7

972.30

С

0

940,90

,а р

£ 909,50

ар е п

Т

846,70

815.30

14,4 27,6 40,8 54,0 67,2 80,4 93,6

Протяжённость змеевика, м

Рис. 3 - Аппроксимирующая кривая

© М. М. Андреева - асп. каф. автоматизированных систем сбора и обработки информации КГТУ.