Трубчатые печи

Федеральное государственное бюджетное общеобразовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра

 «Химическая технология

 переработки нефти и газа»

Реферат

По дисциплине «Технологическое оборудование нефтяной и газовой промышленности»

На тему:

«Трубчатые печи»

Выполнил:

Студент ДФМП-21б

Бондарев Р.С.

Научный руководитель:

Кайралиева А.Е.

Астрахань

2012

1. Назначение и основные характеристики огневых нагревателей

Трубчатая печь является аппаратом, предназначенным для передачи нагреваемому продукту тепла, выделяющегося при сжигании топлива, непосредственно в этом же аппарате.

Трубчатые печи широко распространены в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленностях, они являются составной частью многих установок и применяются в различных технологических процессах, таких как перегонка нефти, мазута, каталитический крекинг и риформинг, гидроочистка, очистка масел и др.

В начальный период развития нефтеперерабатывающей промышленности для нагрева сырья использовались кубы; однако, они имели много существенных недостатков и поэтому теперь не применяются.

Трубчатые печи получили широкое распространение благодаря следующим своим особенностям. Их работа основывается на принципе однократного испарения, что обеспечивает либо более глубокий отгон при данной конечной температуре нагрева сырья, либо заданный отгон при более низкой температуре нагрева. Они обладают высокой тепловой эффективностью, так как в дополнение к основной части тепла, которая передается излучением, существенная часть передается конвекцией вследствие сравнительно высокой скорости движения дымовых газов. Помимо этого, трубчатые печи являются компактными аппаратами, их коэффициент полезного действия высок, они могут обеспечивать высокую тепловую мощность. Продолжительность пребывания нагреваемого сырья в зоне высоких температур не превышает нескольких минут, что уменьшает возможность его разложения и коксоотложения в трубах, вследствие чего при необходимости сырье можно нагревать до более высокой температуры. Печи удобны в эксплуатации, позволяют осуществлять автоматизацию.

В зоне нагрева трубчатых печей единовременно находится относительно небольшое количество нефтепродукта, что снижает пожарную опасность. В случае прогара труб пожар легче устранять.

2.Теплообмен в трубчатой печи

Трубчатая печь имеет камеры радиации и конвекции. В камере радиации (топочная камера), где сжигается топливо, размещена радиантная поверхность (экран), поглощающая тепло в основном за счет радиации.

В камере конвекции расположены трубы, воспринимающие тепло главным образом путем конвекции – при соприкосновении дымовых газов с поверхностью нагрева.

Сырье последовательно проходит через конвекционные и радиантные трубы и поглощает тепло; обычно радиантная поверхность воспринимает большую часть тепла, выделяемого при сгорании топлива.

Тепло эффективно передается излучением при охлаждении дымовых газов до 1000-1200 К. Снижение температуры дымовых газов до более низких значений часто бывает неоправданным, так как при этом радиантная поверхность работает с пониженной теплонапряженностью поверхности нагрева.

Эффективность теплопередачи конвекцией в меньшей степени зависит от температуры дымовых газов, поэтому таким способом тепло передается, когда передача тепла излучением оказывается недостаточно эффективной. Таким образом, конвекционная поверхность использует тепло дымовых газов и обеспечивает их охлаждение до температуры, при которой величина коэффициента полезного действия аппарата будет экономически оправданной.

Если тепло дымовых газов может быть использовано для иных целей, например, для подогрева воздуха или для производства водяного пара, то либо наличие конвекционной поверхности для нагрева сырья не является обязательным, либо размеры этой поверхности могут быть существенно уменьшены. При небольшой производительности иногда применяют печи без конвекционной поверхности, более простые в конструктивном отношении, но обладающие невысоким коэффициентом полезного действия.

Рассмотрим механизм процесса передачи тепла, протекающий в печи, на примере печи, состоящей из двух камер с настильным пламенем. Характерной особенностью этой печи является наклонное расположение форсунок внизу печи, обеспечивающих соприкосновение факела с поверхностью стены, размещенной в середине камер (рис.1).

В топочную камеру этой печи при помощи форсунки вводится распыленное топливо, а также необходимый для горения нагретый или холодный воздух. Высокая степень дисперсности топлива обеспечивает его интенсивное перемешивание с воздухом и более эффективное горение.

Соприкосновение факела с поверхностью стены обуславливает повышение его температуры; излучение происходит не только от факела, но и от этой раскаленной стены. Тепло, выделенное при сгорании топлива, расходуется на повышение температуры дымовых газов и частиц горящего топлива; последние раскаляются и образуют светящийся факел.

Температура, размер и конфигурация факела зависят от многих факторов и, в частности, от температуры и количества воздуха, подаваемого для горения топлива, способа подвода воздуха, от конструкции и нагрузки форсунки, теплотворной способности топлива, расхода форсуночного пара, величины радиантной поверхности (степени экранирования топки) и др.

При повышении температуры воздуха увеличивается температура факела, повышается скорость горения и сокращаются размеры факела. Размеры факела сокращаются и при увеличении (до известного предела) количества воздуха, поступающего в топку, так как избыток воздуха ускоряет процесс горения топлива.

При недостаточном количестве воздуха факел получается растянутым, топливо полностью не сгорает, что приводит к потере тепла. Чрезмерное количество воздуха недопустимо вследствие повышенных потерь тепла с отходящими дымовыми газами и более интенсивного окисления (окалинообразования) поверхности нагрева.

Воздух, необходимый для горения, часто подводят к устью форсунки, т.е. к началу факела. В некоторых форсунках топливо распыляется воздухом, который в этом случае вводится в топку совместно с топливом.

Во внутренней полости стен печей ряда конструкций размещается канал для подачи так называемого вторичного воздуха, позволяющий подводить необходимый для горения воздух по длине факела, что повышает температуру излучающей стенки и способствует более равномерной передаче тепла радиацией.

В такой печи тепло излучением передается от факела, излучающей стенки и трехатомных газов (двуокись углерода, водяной пар, диоксид серы), обладающих избирательной способностью поглощать и излучать лучи определенной длины волны.

Часть лучей через пространство между трубами попадает на поверхность кладки, вдоль которой расположены эти трубы; эти лучи разогревают кладку, и она, в свою очередь, излучает; при этом часть энергии поглощается той частью поверхности труб, которая обращена к стенке кладки.

Средняя излучающая стена с настильным пламенем, а также прочие стены кладки, у которых расположены трубы (экранированная часть кладки) или свободные от труб (незаэкранированные), принято называть вторичными излучателями.

Радиантные трубы получают тепло не только излучением, но также и от соприкосновения дымовых газов с поверхностью труб, имеющих более низкую температуру (теплопередача свободной конвекцией). Из всего количества тепла, воспринятого радиантными трубами, значительная часть (85-90 %) передается излучением, остальное конвекцией.

Наружная поверхность труб в свою очередь излучает некоторое количество тепла, т.е. имеет место процесс взаимоизлучения, однако температура поверхности труб вследствие непрерывного отвода тепла сырьем, проходящим через трубы, значительно ниже температуры других источников излучения и поэтому в итоге взаимоизлучения через поверхность радиантных труб сырью передается необходимое количество тепла.

В результате теплопередачи, осуществляемой в топочной камере, дымовые газы охлаждаются и поступают в камеру конвекции, где происходит их прямое соприкосновение с более холодной поверхностью конвекционных труб (вынужденная конвекция).

В камере конвекции передача тепла осуществляется также и за счет радиации трехатомных дымовых газов и от излучения стенок кладки. Наибольшее количество тепла в камере конвекции передается путем конвекции; оно достигает 60-70 % общего количества тепла, воспринимаемого этими трубами. Передача тепла излучением от газов составляет 20-30 %; излучением стенок кладки конвекционной камеры передается в среднем около 10 % тепла.

Основным фактором, предопределяющим эффективность передачи тепла конвекцией, является скорость движения дымовых газов, поэтому при конструировании трубчатых печей стремятся обеспечить ее наибольшее значение. Это достигается размещением минимального числа труб в одном горизонтальном ряду и выбором минимального расстояния между осями труб. Однако, при повышении скорости дымовых газов в камере конвекции увеличивается сопротивление потоку газов, что и ограничивает выбор величины скорости. С другой стороны, сокращение числа труб в одном горизонтальном ряду приводит к увеличению высоты камеры конвекции. Это обстоятельство также предопределяет выбор допустимой скорости движения дымовых газов в камере конвекции.

Существенным фактором, влияющим на эффективность передачи тепла, является способ размещения труб в камере конвекции. При расположении труб в шахматном порядке тепло передается эффективнее, чем при расположении коридорным способом, в связи с более интенсивной турбулентностью потока дымовых газов и лучшей обтекаемостью ими труб. При одинаковой скорости движения дымовых газов шахматное расположение труб обеспечивает более эффективную (на 20-30 %) передачу тепла по сравнению с коридорным.

Уменьшение диаметра труб также способствует более интенсивной передаче как за счет лучшей обтекаемости труб, так и в связи с возможностью более компактного их расположения, позволяющего создать более высокие скорости дымовых газов. Однако при уменьшении диаметра печных труб увеличивается скорость сырья и, следовательно, повышается сопротивление перемещению нагреваемого потока.

Во избежание повышенного сопротивления при применении печных труб меньшего диаметра, а также для печей большой производительности движение сырья осуществляется двумя или несколькими параллельными потоками.

Эффективность передачи тепла может быть повышена путем оребрения наружной поверхности конвекционных труб, так как в камере конвекции передача тепла сырью, проходящему через трубы, лимитируется в основном теплообменом со стороны дымовых газов и поэтому при оребрении увеличивается поверхность соприкосновения дымовых газов с трубами и обеспечивается передача большего количества тепла.

Передача тепла конвекцией зависит и от температурного напора, т.е. от разности температур между дымовыми газами и нагреваемым сырьем. Обычно эта разность температур убывает в направлении движения дымовых газов, так как температура дымовых газов снижается на большую величину, чем при этом повышается температура сырья.

При повышении температуры сырья на один градус дымовые газы охлаждаются на пять-семь градусов. Наибольший температурный напор наблюдается при входе дымовых газов в камеру конвекции, а наименьший – при их выходе. По этой причине в направлении движения дымовых газов убывает и количество тепла, поглощаемого трубами.

Доля тепла, передаваемого излучением в камере конвекции, значительно меньше, чем в камере радиации, как вследствие более низкой температуры газов, так и из-за меньшей толщины излучаемого газового потока. В камере конвекции эффективная толщина газового слоя предопределяется расстоянием между смежными рядами труб. Снижение температуры дымовых газов в направлении их движения, естественно, вызывает также и уменьшение передачи тепла излучением от них.

Конвекционные трубы, расположенные в первых рядах по ходу дымовых газов, получают больше тепла, как за счет конвекции, так и излучения и поэтому в отдельных случаях их теплонапряженность может быть выше теплонапряженности радиантных труб.

3. Основные показатели работы трубчатых печей

Основными показателями, характеризующими работу трубчатой печи, являются полезная тепловая нагрузка, теплонапряженность поверхности нагрева и топочного пространства, коэффициент полезного действия печи.

Важнейшей характеристикой печи является полезная тепловая нагрузка, т.е. количество тепла, воспринимаемого сырьем в печи (кВт или кДж/ч). На ряде действующих нефтеперерабатывающих заводов эксплуатируются трубчатые печи с полезной тепловой нагрузкой от 10 до 20 МВт. На высокопроизводительных установках тепловая мощность печей составляет 50-80 МВт.

Важным показателем, характеризующим работу трубчатой печи, является теплонапряженность поверхности нагрева, или плотность теплового потока, т.е. количество тепла, переданного через 1 м² поверхности нагрева в единицу времени (Вт/м²).

Различают среднюю теплонапряженность труб всей печи, среднюю теплонапряженность радиантных и конвекционных труб, а также теплонапряженность отдельных участков труб (локальная). Величина тепловой напряженности поверхности нагрева характеризует, насколько эффективно передается тепло через поверхность нагрева всей печи или отдельных ее частей. Чем выше средняя теплонапряженность поверхности нагрева всей печи, тем меньше размеры печи, обеспечивающей передачу заданного количества тепла и, следовательно, тем меньше затраты на ее сооружение.

Однако чрезмерно высокая теплонапряженность поверхности нагрева может нарушить нормальную работу печи и привести к прогару труб.

Тепловая напряженность топочного пространства характеризует количество тепла, выделяемого при сгорании топлива в единицу времени в единице объема топки (Вт/м³). Эта величина, в известной мере, характеризует эффективность использования объема топки. Размеры топки трубчатых печей во многих случаях зависят не от величины допустимого удельного тепловыделения, а от конструктивных особенностей печи и допускаемой величины теплонапряженности поверхности нагрева радиантных труб. В трубчатых печах теплонапряженность топочного пространства обычно составляет 40-80 кВт/м³, тогда как в паровых котлах, где объем топочного пространства в основном предопределяется условием полного сгорания топлива, эта величина значительно больше (600-2000 кВт/м³).

Коэффициент полезного действия трубчатой печи есть величина, характеризующая полезно используемую часть тепла, выделенного при сгорании топлива. При полном сгорании топлива эта величина зависит главным образом от коэффициента избытка воздуха и температуры дымовых газов, выходящих из печи, а также от степени тепловой изоляции трубчатой печи. Снижение коэффициента избытка воздуха так же, как и понижение температуры отходящих дымовых газов, способствует повышению к.п.д. печи. При подсосе воздуха через неплотности кладки коэффициент избытка воздуха повышается, что приводит к снижению к.п.д. печи. Для трубчатых печей значение коэффициента полезного действия находится в пределах от 0,65 до 0,85.

4. Назначение, устройство и работа трубчатых печей

Нагревание горючих жидкостей до высоких температур наиболее часто производится в непрерывно действующих печах трубчатого типа, например «ПТБ-
5», «ПТБ-10» ( печь трубчатая блочная), блочных огневых нагревателях или установках с огневым подогревом, аналогичных «ПП-1,6» ( путевой подогреватель).

Трубчатые печи применяются при перегонке нефти и мазута, производстве высокооктановых бензинов, при всех видах крекинга, гидрогенизации жидких и твердых топлив, дегидрогенизации, разгонке каменноугольных смол, масел и других высококипящих жидкостей.

Теплообменная поверхность трубчатых печей имеет вид непрерывного трубчатого змеевика, по которому движется нагреваемая жидкость ( у нас- нефть).

Все трубчатые печи, где бы они ни применялись, имеют принципиально одинаковое устройство. По внешнему виду трубчатая печь представляет собой небольшой домик.

Стены печей — каркасные. Металлический каркас воспринимает нагрузку от основных элементов печи — свода, труб, арматуры, заполнения и пр.
Внутренний слой стен выкладывается из огнеупорного шамотного кирпича, средний слой —из теплоизоляционного кирпича или негорючего теплоизоляционного материала, а наружный слой — из красного кирпича. Свод печи устраивается из огнеупорного подвесного кирпича. Отдельные кирпичи свода при помощи подвесок крепятся к каркасу.

Возможны совершенно иные способы теплоизоляции, например, как в печи
«ПТБ-10»: вместо шамотного кирпича используется «сендвич», состоящий из листов жаропрочной стали и заключенного между ними слоя до 80-150мм минерало- ватного теплоизоляционного наполнителя.

Внутренний объем печи разделяется горизонтальной или вертикальной стенкой на две неравные части, из которых одна- большая- является топочным пространством и называется камерой радиации, а другая- меньшая - называется камерой конвекции. В камере радиации монтируются топливные форсунки . Количество форсунок зависит от мощности печи и может быть от 4 до 16 и более.

Некоторые виды печей могут иметь два вида форсунок- жидкостные и газовые. Обычно одна половина форсунок работает на жидком топливе, питаясь от общей топливной магистрали, а вторая половина- на газообразном топливе.
Воздух, необходимый для сжигания топлива, подается в подогретом состоянии по воздушным коробам .На месторождениях ОАО «Удмуртнефть» эксплуатируются печи на газообразном топливе.

Современные печи типа «ПТБ-5», «ПТБ-10» достаточно надежны в работе, имеют до семи степеней защиты, аппаратуру контролирующую изменение параметров по давлению (Ратм) в трубопроводе – при поступлении нефтепродукта в печь и при выходе из нее; по температуре (t(C) нефтепродукта при поступлении в печь и при выходе из нее; по температуре
(t(C) в радиантной и конвекционной камерах и пр. Обрыв пламени у форсунок контролируется датчиками с фотоэлементами по инфракрасному излучению пламени. При этом повторное зажигание погасших форсунок возможно будет только после продувки камерного пространства.

В радиантной и конвекционной камерах размещены трубы теплообменной поверхности.

Трубопроводы, расположенные в радиантной камере, называются радиант- ными секциями или экранами (например, потолочный экран , боковые экраны ).

Обогрев этих трубопроводов происходит главным образом за счет теплового излучения, т. е. радиации факелов пламени и раскаленных продуктов сгорания, а потому камера и носит название радиантной.

Трубопроводы , расположенные в конвекционной камере, называются конвекционными трубами. В обогреве этих труб существенную роль играет теплопередача от дымовых продуктов путем конвекции (отсюда и название камеры).

Основную, тепловую нагрузку в трубчатых печах воспринимают радиантные секции, конвекционные же трубы воспринимают значительно меньше тепла. Для увеличения количества тепла, воспринимаемого конвекционными трубами, их располагают очень близко друг к другу и заполняют ими весь объем камеры. Это повышает скорость движения и турбулентность дымовых продуктов.

Все трубы конвекционной и радиантной секций последовательно соединяются в один непрерывный змеевик . Диаметры применяемых труб колеблются в пределах от 76 до 159 мм, а общая длина змеевика в некоторых типах печей, например «ПТБ-10» доходит до 200-250м .

Трубы секций соединены последовательно фасонными отливками- так называемыми двойниками или ретурбендами, вынесенными в специальные короба .
Двойники позволяют не только соединять концы двух соседних труб, но и производить очистку их внутренних поверхностей, а также заменять поврежденные трубы новыми, не нарушая соседних соединений. Двойники могут иметь различное устройство.

Корпус двойника имеет четыре отверстия. В два нижних отверстия ввальцовываются концы труб змеевика. Два противоположных отверстия конической формы плотно закрываются пробками и прижимаются болтом и распорной гайкой .

Жидкое и газообразное топливо, подводимое к форсункам, сгорает в камере радиации, выделяя большое количество тепла. Из радиантной камеры дымовые продукты поступают в конвекционную камеру, а затем в боров и дымовую трубу. В зависимости от назначения печи температура в зоне сгорания топлива может доходить до 750-1400° С. Температура дымовых продуктов при выходе из радиантной камеры колеблется около 800—900° С, а при выходе из конвекционной камеры в боров она примерно на 150—200° выше температуры поступающего в печь сырья.

Очень часто тепло отходящих дымовых продуктов используют для подогрева воздуха, подаваемого в печь. Жидкость, подлежащая нагреву, специальными насосами подается в трубы конвекционной камеры и, проходя последовательно все трубы, нагревается до заданной температуры.

Температурные режимы нагрева продукта и его давление в змеевиках зависят исключительно от назначения печи и меняются в весьма широких пределах:

. при подогреве нефтей в печах типа «ПТБ-10» на УПН температура продукта при выходе из печи достигает 60- 70°С , а давление в трубах (на входе)— 15-16 атм;

. при прямой гонке нефтей температура продукта при выходе из печи достигает 330—370°С , а давление в трубах (на входе)— 15 атм;

. при крекинг-процессах температура подогрева продукта может быть более 500° С, а давление – 50- 70 атм;

. при гидрогенизации сланцевой смолы температура сырья повышается до 460° С, а давление достигает 310 атм;

Работа трубчатых печей характеризуется постоянной циркуляцией по змеевикам значительного количества горючей жидкости, нагреваемой до высокой температуры (очень часто выше температуры самовоспламенения нефти , которая находится в пределах от 250 до 320°С) и находящейся под большим внутренним давлением, а также наличием в топочном пространстве источников открытого огня.

Одновременно в змеевиках трубчатой печи (в зависимости от ее типа) может находиться до 3- 15т горючей жидкости. Так как продукт в трубах находится под большим давлением и при высокой температуре, каждая его утечка может привести к серьезному пожару, получению ожогов обслуживающим персоналом.

При выходе наружу из печи продукт сразу же воспламенится, если его температура превышает температуру самовоспламенения. В противном случае продукт может интенсивно испаряться и воспламенится после того, как пары его будут затянуты в топочное пространство. Растекаясь по площадке и попадая в траншеи и канализацию, горящий продукт приводит к распространению огня на соседние аппараты и даже на соседние установки.

Попадая из змеевиков внутрь печи, продукт вызывает интенсивное горение, которое может привести к деформации труб змеевика, обрушению стен и свода, повреждению дымовых каналов и дымовой трубы. В этом случае огонь и дым будут выбиваться из всех отверстий наружу и перегревать каркас, вызывая его деформацию. Убытки от повреждения при пожаре могут быть большими, так как сама печь является достаточно дорогостоящим сооружением.

При эксплуатации трубчатых печей, так же как и всех других печей, возможны: взрывы в топочном пространстве; пожары в топочном пространстве; пожары вне печи. Рассмотрим более подробно причины их возникновения.

Список использованной литературы:

1.   Скобло А.И., Трегубова И.А., Молоканов Ю.К., Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, М.: Химия, 2010 г., 584 с.

2.   Технологический расчет трубчатой печи на ЭВМ: Методические указания к лабораторным и практическим занятиям, курсовому и дипломному проектированию / Составитель Г.К.Зиганшин, Уфа: Изд. УГНТУ, 2010 г., 100 с.

3.   Кузнецов А.А., Кагерманов С.М., Судаков Е.Н., Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности, Л.: Химия, 2006 г., 344 с.

4.   Трубчатые печи: Каталог / Составители В.Е. Бакшалов, В.Ф. Дребенцов, Т.Г. Калинина, Н.И. Сметанкина, Е.И. Ширман, М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 2005 г., 34 с.