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, 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., с.14).
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, включающая коробчатый корпус с камерами конвекции и радиации, в которых размещены конвективный и радиантный змеевик и горелки, установленные в поду печи, причем радиантный змеевик выполнен из вертикальных труб, в которой согласно изобретению концевой участок восходящей вертикальной трубы радиантного змеевика выполнен винтообразный, при этом длина упомянутого концевого участка составляет не менее одного шага винта (пат. РФ №2318861, оп. 10.03.2008, БИ №7).
Недостатком известной печи является отсутствие в промышленности стандартных трубчатых винтовых конструкций и высокая сложность изготовления вышеупомянутого изделия, затрудняющего реализацию известного изобретения.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в упрощении известной конструкции и усилении положительного эффекта от применения вертикальных труб в змеевике печи.
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 диаметр нисходящей трубы в 1,15-1,3 раза больше аналогичного показателя восходящей трубы, причем диаметры верхнего и нижнего соединительных отводов (калачей) равны соответственно диаметру нисходящей и восходящей трубы и соединены между собой коническими переходниками.
Целесообразно вертикальную трубу радиантного змеевика в верхней своей части закрепить 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 и двухстороннего облучения вертикальных труб радиантного змеевика.
Камера радиации может быть разделена вертикальными перегородками, по меньшей мере, на две секции.
Отличительные от прототипа признаки - выполнение нисходящей трубы змеевика печи с диаметром, превышающим в 1,15-1,3 раза аналогичный показатель восходящей трубы, позволяет оптимизировать в них скорость потока, время пребывания паровой и жидкой фаз, повысить селективность конверсии сырья, снизить вероятность закоксовывания труб и увеличить межремонтный пробег печи, а выполнение соединительных верхних и нижних отводов с диаметром, равным соответствующим показателям нисходящей и восходящей трубы, позволяет в нижнем отводе повысить скорость потока, уменьшить размеры жидкостных пробок и их ударную силу, а в верхнем отводе, наоборот, понизить скорость потока, разрыхлить жидкостные пробки и устранить гидроудары, вибрацию змеевика и предотвратить разрушение элементов конструкции печи.
На прилагаемых чертежах представлена предлагаемая двухкамерная трубчатая печь, где фиг.1 - трубчатая печь с односторонним облучением в разрезе, вид спереди; фиг.2 - радиантный змеевик; фиг.3 - вид сбоку фиг.1; фиг.4 - разрез по А-А фиг.1 с корпусом без вертикальных перегородок; фиг.5 - разрез по А-А фиг.1 с корпусом с одной вертикальной перегородкой (две секции); фиг.6 - разрез по А-А фиг.1 с корпусом с двумя вертикальными перегородками (три секции); фиг.7 - трубчатая печь с двухсторонним облучением в разрезе, вид спереди; фиг.8 - трубчатая печь с двухсторонним облучением вид сбоку фиг.7; фиг.9 - разрез по А-А фиг.7; фиг.10 - разрез по А-А фиг.7 с тремя вертикальными перегородками (четыре секции).
Печь включает коробчатый корпус 1 с теплоизоляцией 2, камеру конвекции 3 с конвективными змеевиками 4, 5, камеру радиации 6 с радиантным змеевиком из нисходящих 7 и восходящих 8 труб, диаметром 127 и 108 мм соответственно, конический переходник 9, верхний соединительный отвод (калач) 10, соответствующий диаметру нисходящего участка трубы, нижний соединительный отвод (калач) 11, соответствующий диаметру восходящего участка трубы. В поду печи установлены горелки 12. Трубы 7, 8 радиантного змеевика закреплены хомутами 13 на горизонтальной балке 14. Горизонтальная балка 14, в свою очередь, связана тягами 15 с пружинным амортизатором 16, установленным на корпусе 1. Печь снабжена дымовой трубой 17, линией 18 для ввода сырья в змеевик печи, линией 19 ввода сырья из камеры конвекции в камеру радиации и линией 20 вывода продуктов крекинга из печи в колонну (не показана). Кроме того, камера радиации имеет вертикальные перегородки 21 для ее разделения на секции.
Печь с односторонним облучением и без вертикальных перегородок (фиг.1-6) 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 с температурой 280-320°C поступает по перетоку 19 из камеры конвекции в змеевики 7, 8 камеры радиации, где нагревается от излучения факела горящей топливной смеси (топливо - воздух - водяной пар), выходящий из горелок 12 в камеру радиации 6. По мере прохождения змеевика 7, 8 камеры радиации 6 температура потока повышается до величины разложения (крекинга) сырья (420-430°C), при этом структура потока внутри трубы также изменяется и переход от однородной (жидкой среды) к двухфазной (газо-паровой - жидкой) с дисперсно-кольцевой структурой. Такой гидродинамический режим течения характерен для горизонтального вертикального опускающегося (сверху - вниз) участка змеевика. При относительно низких скоростях двухфазного потока возможно его расслоение и зависание (торможение) паровой фазы (силы Архимеда) с увеличением времени пребывания и соответственно конверсии паровой части сырья. Селективное разложение (крекинг) паровой фазы не сопровождается закоксовыванием внутренней поверхности труб и, следовательно, приводит к снижению вероятности коксообразования и увеличению межремонтного пробега печи.
Немаловажным обстоятельством является факт совпадения направления движения потока, в частности, пограничного с поверхностью трубы слоя жидкой фазы с действием гравитационных сил, способствующий увеличению скорости процессов тепло- и массообмена и снижению закоксовывания змеевика печи.
После прохождения нижнего соединительного отвода (калача) 11 и изменения направления движения потока на противоположное по восходящему участку 8 (снизу - вверх) вертикальной трубы возможно зависание в ней жидкой фазы с образованием жидкостной пробки (снаряда, тромба). Режим течения может становиться неустойчивым и переходить в пульсирующий, снарядный. В этом случае газопаровой поток с жидкостными пробками (снарядами), имеющими меньшие размеры, но в большем количестве с пониженной ударной силой единичного «снаряда» поднимаются снизу-вверх по восходящей трубе 8 меньшего диаметра и, следовательно, с большей скоростью и попадают через конический переходник 9 в верхний соединительный отвод (калач) 10 с повышенным в 1,15-1,3 раза диаметром, где движение жидкой пробки замедляется, она увеличивается в размерах (разбухает, разрыхляется), теряет ударную силу и более спокойно, без гидроударов проходит через отвод (калач) 10, где поток меняет свое направление движения на противоположное, т.е. сверху-вниз, и далее режим движения повторяется.
По мере прохождения змеевика температура потока поднимается до 460-500°C, 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 движение потока становится более устойчивым из-за преобладания на большей части змеевика дисперсно-кольцевой структуры потока. Нормальная, безвибрационная работа змеевика печи с вертикальными трубами обеспечивается наличием концевых участков верхних соединительных отводов (калачей) с повышенным в 1,15-1,3 раза диаметром, уничтожающих жидкостные пробки, спонтанно образующиеся в нижних соединительных отводах (калачах).
Печь с двухсторонним облучением (фиг.7-10) 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 обусловлено необходимостью более четкой регулировки заданной теплонапряженности при минимальной степени закоксовывания внутренней поверхности труб печи в зависимости от назначения печи. Двухсекционная печь (фиг.5) предназначена для процессов висбрекинга и замедленного коксования, трехсекционная печь (фиг.6) - для процессов термокрекинга дистиллятного сырья (экстрактов маслоблока, тяжелого газойля каталитического крекинга и замедленного коксования, слопов) с целью производства сырья для получения технического углерода и игольчатого кокса, четырехсекционная печь (фиг.10) - при термокрекинге дистиллятного сырья для получения высокоароматизированного высокоиндексного сырья с целью производства технического углерода и игольчатого кокса. Работа этих печей аналогична вышеописанной.
Таким образом, нормальная работа печи с вертикальными трубами обеспечивается наличием концевых участков с верхними соединительными отводами (калачами) с повышенными в 1,15-1,3 раза диаметром, устраняющих жидкостные пробки, образующиеся в нижних соединительных отводах (калачах) и вызывающие гидроудары и вибрацию, что предотвращает разрушение элементов конструкции печи. Кроме того, положительная разница диаметров нисходящих и восходящих вертикальных труб позволяет интенсифицировать процессы тепло- и массообмена, селективность конверсии сырья и снизить вероятность закоксовывания змеевика печи и увеличить межремонтный пробег печи.
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 эксплуатационных затрат.