сотрудник с 01.01.2010 по настоящее время
Ангарск, Иркутская область, Россия
студент
Россия
В работе рассмотрены способы повышения КПД узла нагрева водородсодержащего газа для процесса гидродеалкилирования. Также предложены пути повышения энергоэффективности действующей печи
энергосбережение, трубчатые печи, теплопередача
Трубчатые печи широко применяются в химической промышленности для нагрева рабочих сред, а также для проведения различных химических процессов. Они применяются для тех процессов, где необходимы высокие температуры – от 300 до 1500 °С [1].
Производство бензола методом гидродеалкилирования БТК-фракции пиролиза относится к высокотемпературным процессам. Реакции деструктивного гидрирования с отщеплением алкильных групп от ароматических соединений протекают при 500-650 °С.
Технологическая схема реакционного узла процесса гидродеалкилирования представлена на рис. 1. Процесс реализуется следующим образом. БТК-фракция, очищенная от более легких (С5 и ниже) и более тяжелых (С9 и выше) соединений, поступает в испарительную колонну К-103, которая представляет собой аппарат смешения. В качестве горячего теплоносителя используется циркулирующий водородсодержащий газ (ВСГ). Поступая на установку, он разделяется на два потока. Первый поток направляется непосредственно в печь П-101, а второй – в обход печи. Выходящий из печи ВСГ, нагретый до температуры 480-560 °С, делится на две части, первая из которых подается в нижнюю часть испарительной колонны К-103, а вторая смешивается с потоком холодного водорода для коррекции температуры и направляется в верхнюю часть испарительной колонны К-103, называемую перегревателем, где смешивается с БТК-фракцией, образуя газосырьевую смесь (ГСС) [2].
Рисунок 1 – Принципиальная технологическая схема реакционного узла
процесса гидродеалкилирования: К-103 – испарительная колонна; П-101 – печь нагрева ВСГ; Р-101 – реактор предварительной гидроочистки; П-201 – печь нагрева ГСС; Р-201-203 – реакторы гидродеалкилирования; Т-201 – теплообменник
Далее полученная ГСС направляется в реактор предварительной гидроочистки Р-101, где происходит ее очистка от непредельных углеводородов (олефинов, диенов) и гидрогенолиз сернистых соединений.
Очищенная ГСС затем нагревается в печи П-201 до температуры реакции (580-610 °С). После этого она направляется в три последовательных реактора гидродеалкилирования Р-201-203, где происходит превращение алкилароматических углеводородов (в основном, толуола и ксилолов) в бензол. Для увеличения выхода бензола, а также для снятия тепла реакции перед реакторами Р-202 и Р-203 в реакционную смесь предусмотрена подача возвратного толуола.
Выходящая из реактора Р-203 газо-продуктовая смесь, называемая деалкилатом, поступает в котел-утилизатор Т-201 и далее направляется на узел выделения бензола.
Большой интерес для изучения в этом процессе представляет печь нагрева ВСГ П-101. Она относится к типу ЦС – это вертикальная цилиндрическая печь прямого пламени, т.е. с открытым факелом [3]. Особенность данной печи – в колебаниях нагрузки по сырью.
Как правило, работа печи в таких условиях негативно сказывается на ее эффективности вследствие нестационарности технологического режима. Поэтому целью исследования была оценка эффективности работы действующей печи.
В рамках исследования для данной печи были выполнены следующие расчеты [4]:
- Расчет процесса горения топлива;
- Определение КПД печи в целом и отдельных ее зон;
- Расчет камеры радиации;
- Расчет камеры конвекции.
Полученные результаты расчета далее сравнивались с проектными данными (таблица 1).
Таблица 1
Сравнение расчетных и проектных показателей работы печи П-101
|
Параметр |
Значение |
|
|
Проектное |
Расчетное |
|
|
Расход ВСГ, т/ч |
4-5 |
3,5-4 |
|
Низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг |
49023 |
55488 |
|
Максимальная тепловая нагрузка, ГДж/ч |
29,12 |
13,76 |
|
КПД печи, % |
84 |
67,7-71,3 |
|
Потери в окружающую среду, % |
2,76 |
13,8-25,2 |
|
Теплонапряженность радиантных труб, кВт/м2 |
20-25 |
23,2 |
|
Суммарный коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к трубам змеевика конвекции, Вт/(м2·К) |
10-40 |
~11 |
В ходе исследования было выявлено следующее. Для рассмотренной печи в настоящее время в качестве топлива используется газ с большей теплотворной способностью, чем это предусмотрено проектом. Следовательно, имеет место повышение максимальной температуры горения, что приводит к повышению теплонапряженности радиантных труб.
Действующая нагрузка печи по сырью – ниже проектной, однако при этом теплонапряженность радиантных труб печи близка по значению к верхней границе, допустимой для данного типа печей. Это означает, что при дальнейшем повышении нагрузки по сырью может возникнуть локальный перегрев одной или нескольких радиантных труб, приводящий впоследствии к их прогару.
Процесс теплопередачи в камере конвекции характеризуется низкими значениями коэффициента теплоотдачи со стороны дымовых газов, что свидетельствует о низкой эффективности работы конвективной секции печи.
Рассчитанное значение общего КПД печи также ниже проектного, а кроме того, имеет место наличие потерь тепла порядка 20 %, которые не относятся к потерям в окружающую среду или потерям с дымовыми газами.
На основании этого можно сделать вывод, что низкая эффективность теплопередачи может быть связана с проблемами в линии топлива. В качестве причин нами были выбраны:
- Неполнота сгорания топлива вследствие несовершенства системы подачи воздуха, а также применения неэффективных горелок открытого пламени;
- Малая поверхность теплопередачи в радиантной зоне печи, что приводит к высоким значениям теплонапряженности;
- Проблемы в работе шиберной задвижки, что приводит к снижению тяги и уменьшению скорости движения дымовых газов в камере конвекции.
Для решения выявленных проблем нами были предложены следующие варианты для повышения КПД действующей печи.
Для повышения эффективности сжигания топлива предлагается установить автоматическую систему контроля подачи воздуха, а также датчики контроля остаточного кислорода в образующихся дымовых газах.
Для улучшения процесса теплоотдачи со стороны дымовых газов в конвективной секции предлагается установить систему автоматического регулирования для шиберной заслонки, расположенной на выходе дымовых газов из камеры конвекции. Это позволит создать тягу, а, следовательно, и необходимую скорость потока дымовых газов, повышая, таким образом, коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке трубы, а также суммарный коэффициент теплопередачи в зоне конвекции.
Для снижения теплонапряженности радиантных труб печи предложено установить второй ряд змеевика, состоящий из 36 труб по 18 труб на один поток. Трубы устанавливаются в шахматном порядке по отношению к первому ряду труб змеевика по окружности диаметром 2,63 м. Это приведет к снижению теплонапряженности радиантных труб до 11,9 Вт/м2, что позволит варьировать тепловую нагрузку печи без риска разрушения змеевика.
Однако, уменьшение диаметра печи по осям труб змеевика может привести к тому, что трубы окажутся слишком близко расположены к пламени факела. В связи с этим возможно повышение температуры наружной поверхности труб, которое может также негативно сказаться не только на эффективности работы печи, но и на безопасности ее работы.
Поэтому можно сделать вывод о необходимости комплексного решения данной проблемы. Безопасность и высокую эффективность работы действующей печи нагрева ВСГ можно обеспечить путем одновременного внедрения вышеперечисленных мероприятий.
1. Ентус, Н.Р. Трубчатые печи в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности / Н. Р. Ентус, В. В. Шарихин. – М.: Химия, 1987. – 304 с.
2. Орлова, Е.С. Анализ работы печи для нагрева водородсодержащего газа / Е. С. Орлова, М. А. Черниговская // Вестник Ангарского государственного технического университета, 2023. – № 17. – С. 91-94.
3. Адельсон, С.В. Технологический расчет и конструктивное оформление нефтегазовых печей. М.: Гостоптехиздат, 1952. – 240 с.
4. Кузнецов, А.А. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. Изд. 2-е, пер. и доп. / А. А. Кузнецов, С. М. Кагерманов, Е. Н. Судаков – Л.: Химия, 1974 – 344 с.
