Пиролиз нефтяного сырья как термодеструктивный процесс, предназначенный для получения низших олефинов. Знакомство с особенностями и проблемами проектирования трубчатого реактора пиролиза пропановой фракции. Рассмотрение принципа действия трубчатых печей.
Аннотация к работе
Печь предназначена для нагрева углеводородного сырья теплоносителем, а также для нагрева и осуществления химических реакций за счет тепла выделенного при сжигании топлива непосредственно в этом аппарате. Трубчатые печи получили широкое распространение в нефтехимической промышленности, где их используют для высокотемпературного нагрева и реакционных превращений жидких и газообразных нефтепродуктов (пиролиз, крекинг). Современная печь представляет собой синхронно работающий печной комплекс, состоящий из печи, средств обеспечения печного процесса, а также систем автоматизированного регулирования и управления печным процессом. Продукт одним или несколькими потоками поступает в трубы конвективного змеевика, проходит трубы экранов камеры радиации и нагретый до необходимой температуры, выходит из печи. Величина конвективной секции, как правило, подбирается с таким расчетом, чтобы температура продуктов сгорания, выходящих в боров, была примерно на 150 °С выше, чем температура нагреваемых веществ при входе в печь.Массовое содержание водорода в топливе: где - число атомов водорода в данном компоненте топлива.Количество продуктов сгорания , образующихся при сжигании 1 кг топлива определяется следующим образом: Объемное количество продуктов сгорания на 1 кг топлива при нормальных условиях: Таблица 3.1.1.3 - Количество продуктов сгорания топлива Конечная температура реакции (температура пирогаза на выходе из змеевика печи) рассчитывается по формуле: где , , - конечная температура реакции пиролиза индивидуальных углеводородов С2Н6, С3Н6, С3Н8, С4Н10, К; , , , - содержание С2Н6, С3Н6, С3Н8, С4Н10 в сырье в расчете на их смесь. Расход тепла на реакцию и нагревание в реакционном змеевике (количество радиантного тепла) определяется как: где - расход тепла на реакцию пиролиза, КВТ; - расход тепла на нагревание парогазовой смеси от 873 К до 1062 К, КВТ. Средняя температура дымовых газов в конвекционной камере при температуре над перевальной стенкой Тп = 1589 К и температуре дымовых газов на выходе из печи Тух = 673 К соответствует значению = 1131 К. Потеря напора в камере конвекции: где: Eu - критерий Эйлера, ?г - плотность дымовых газов при средней температуре газов в конвекционной камере; ? - линейная скорость дымовых газов в наиболее узком сечении пучка; b - коэффициент, зависящий от угла атаки (угол между осью трубы и направлением потока газов, в нашем случае равен 90°), - принимается равным единице; z = 5 - число рядов труб в пучке в направлении потока газов; Re - критерий Рейнольдса.Результатом курсового проектирования является технологический, гидравлический, механический расчет трубчатого реактора пиролиза пропановой фракции, а также графическое представление реакторной печи на формате А1.Обоз.
План
Массовое содержание углерода в топливе:Содержание кислорода в топливе: 0,59 %
где Р - число атомов кислорода в молекуле СО2.Содержание азота в топливе:
Введение
Пиролиз нефтяного сырья - термодеструктивный процесс, предназначенный для получения низших олефинов, преимущественно этилена и пропилена, получивший в современной мировой нефтехимии исключительно широкое распространение. Продукты пиролиза являются ценным сырьем нефтехимических отрасли для производства оксида этилена, этилового спирта, полимеров (полиэтилена, полипропилена, акрилогитрила, стирола, пластмасс) и др.
Процесс пиролиза нефтяного сырья проводится в трубчатых печах, конструкции и технологические режимы которых, в зависимости от типа сырья и назначения процесса, весьма разнообразны. Поэтому проектирование трубчатых реакторов пиролиза было и остается важной и актуальной задачей нефтеперерабатывающей отрасли.
1. Теоретические основы технологии процесса и конструкции аппаратов
1.1 Назначение и принцип действия трубчатых печей
Трубчатая печь - высокотемпературное термотехнологическое устройство с рабочей камерой, огражденной от окружающей атмосферы. Печь предназначена для нагрева углеводородного сырья теплоносителем, а также для нагрева и осуществления химических реакций за счет тепла выделенного при сжигании топлива непосредственно в этом аппарате. Трубчатые печи используются при необходимости нагрева среды (углеводородов) до температур свыше 230 °С. В качестве топлива могут применяться продукты отходов различных процессов, в результате чего не только используется тепло, получаемое при их сжигании, но часто решаются проблемы, связанные с безопасной утилизацией этих отходов.
Трубчатые печи получили широкое распространение в нефтехимической промышленности, где их используют для высокотемпературного нагрева и реакционных превращений жидких и газообразных нефтепродуктов (пиролиз, крекинг). Трубчатая печь относится к аппаратам непрерывного действия с наружным огневым обогревом.
Современная печь представляет собой синхронно работающий печной комплекс, состоящий из печи, средств обеспечения печного процесса, а также систем автоматизированного регулирования и управления печным процессом. Основными элементами трубчатых печей являются: рабочая камера, трубчатый змеевик, огнеупорная футеровка, оборудование для сжигания топлива (горелки), дымоход, дымовая труба.
Печь работает следующим образом. Мазут или газ сжигается с помощью горелок, расположенных на стенах или поду камеры радиации. Газы сгорания из камеры радиации поступают в камеру конвекции, направляются в дымоход и по дымовой трубе уходят в атмосферу. Продукт одним или несколькими потоками поступает в трубы конвективного змеевика, проходит трубы экранов камеры радиации и нагретый до необходимой температуры, выходит из печи. Главной частью трубчатой печи является радиационная секция, которая одновременно является и камерой сгорания.
Продукты сгорания топлива являются главным источником тепла, поглощаемого в радиационной секции трубчатых печей. Тепло, выделившееся при горении, поглощается трубами радиационной секции, создающими так называемую поглощающую поверхность. Поверхность футеровки радиационной секции создает так называемую отражающую поверхность, которая, теоретически, не поглощает тепла, переданного ей газовой средой печи, а только излучением передает его на трубчатый змеевик. Около 70 % всего используемого тепла в печи передается в камере радиации, остальное - в конвективной секции.
Камера конвекции служит для использования физического тепла продуктов сгорания, выходящих из радиационной секции обычно с температурой 700 - 900 °С. В камере конвекции тепло к сырью передается в основном конвекцией и частично излучением трехатомных компонентов дымовых газов.
Величина конвективной секции, как правило, подбирается с таким расчетом, чтобы температура продуктов сгорания, выходящих в боров, была примерно на 150 °С выше, чем температура нагреваемых веществ при входе в печь. По этой причине тепловая нагрузка труб в конвективной секции меньше, чем в радиационной, что обусловлено низким коэффициентом теплоотдачи со стороны дымовых газов.
Нагреваемое углеводородное сырье проходит последовательно сначала по змеевикам камеры конвекции, а затем направляется в змеевики камеры радиации. При таком противоточном движении сырья и продуктов сгорания топлива наиболее полно используется тепло, полученное при его сжигании.
1.2 Классификация трубчатых печей
По технологическому назначению различают печи нагревательные и реакционно-нагревательные. В первом случае целью является нагрев сырья до заданной температуры. Такие печи характеризуются высокой производительностью и умеренными температурами нагрева углеводородных сред (300 - 500 °С). Во втором случае кроме нагрева в определенных участках трубного змеевика обеспечиваются условия для протекания направленной реакции. Эта группа печей многих нефтехимических производств одновременно с нагревом и перегревом сырья используется в качестве реакторов. Их рабочие условия отличаются параметрами высокотемпературного процесса деструкции углеводородного сырья и невысокой массовой скоростью потока.
По способу передачи тепла нагреваемому продукту печи подразделяются на конвективные, радиационные, радиационно-конвективные.
Таблица 1.2.1 - Классификация печей по конструктивному оформлению
Признак классификации Классы печи
Форма каркаса Коробчатые Цилиндрические Кольцевые Секционные
Число камер радиации Однокамерные Двухкамерные Многокамерные
Движение дымовых газов Восходящий поток Нисходящий поток Горизонтальный поток
Тип топлива печи Жидкое Газообразное Жидкое и газообразное
Способ сжигания топлива Факельное Беспламенное
Расположение трубного змеевика Горизонтальное Вертикальное
Расположение горелок Боковое Подовое
Расположение дымовой трубы Вне печи Над камерой конвекции
1.3 Показатели работы печей
Каждая трубчатая печь характеризуется тремя основными показателями: производительностью, полезной тепловой нагрузкой, коэффициентом полезного действия.
Производительность печи выражается количеством сырья, нагреваемого в трубных змеевиках в единицу времени.
Полезная тепловая нагрузка - это количество тепла, переданного в печи сырью (МВТ, Гкал/ч). Она зависит от тепловой мощности и размеров печи. Перспективными являются печи с тепловой нагрузкой 40 - 100 МВТ и более.
Коэффициент полезного действия печи характеризует экономичность ее эксплуатации и выражается отношением количества полезно используемого тепла к общему количеству тепла, которое выделяется при полном сгорании топлива. Значение коэффициента полезного действия зависит от полноты сгорания топлива, а также от потерь тепла через футеровку печи и с уходящими в дымовую трубу газами. Трубчатые печи, эксплуатируемые в настоящее время на нефтеперерабатывающих заводах, имеют КПД в пределах 0,65 - 0,87.
Эксплуатационные свойства каждой печи наряду с перечисленными показателями характеризуются: теплонапряженностью поверхности нагрева, тепловым напряжением топочного объема, гидравлическим режимом в трубном змеевике при установившейся работе.
От комплекса этих показателей зависят эффективность работы трубчатых печей и срок их службы.
1.4 Основы технологии процесса пиролиза
Назначением процессов пиролиза, получивших в современной мировой нефтехимии исключительно широкое распространение, является производство низших олефинов, преимущественно этилена, являющихся ценным сырьем для синтеза важнейших нефтехимических продуктов.
Процесс пиролиза в зависимости от целевого назначения может быть направлен на максимальный выход этилена пропилена или бутиленов. Наряду с газом, в процессе образуется некоторое количество жидкого продукта, содержащего значительные количества моноциклических и полициклических ароматических углеводородов.
Сырьем в процессах пиролиза служат газообразные и жидкие углеводороды: газы, легкие бензиновые фракции, газоконденсаты, рафинаты каталитического риформинга и реже керосино-газойлевые фракции.
От сырья и технологического режима пиролиза зависят выходы продуктов. Наибольший выход этилена получается при пиролизе этана. По мере утяжеления сырья выход этилена снижается и увеличивается выход жидких продуктов - смолы пиролиза.
Из технологических параметров на выход низших олефинов наибольшее влияние оказывают температура, время контакта и парциальное давление углеводородов в реакционной зоне. Причем для каждого индивидуального олефина имеется свой оптимальный режим пиролиза, обеспечивающий максимум его выхода.
Увеличению выхода олефинов способствует также снижение парциального давления сырья в реакционной зоне путем разбавления его водяным паром или водородом.
Пиролиз углеводородного сырья с максимальным выходом целевого олефина следует проводить при технически возможных высоких температурах и оптимальном времени контакта.
На современных установках применяют мощные пиролизные печи высокотемпературного нагрева (до 870 - 920 °С) с временем пребывания сырья в реакционных змеевиках в пределах 0,01 - 0,1 с.
Следующий по значимости аппарат пиролиза - закалочный аппарат, предназначенный для осуществления быстрого охлаждения продуктов процесса. На современных пиролизных установках применяют закалочно-испарительные аппараты (ЗИА), представляющие собой газотрубные котлы-утилизаторы. В результате высокой линейной скорости продуктов пиролиза, движущихся по трубам, предотвращается оседание твердых частиц на их стенках, увеличивается коэффициент теплопередачи и достигается быстрое охлаждение до 400 °С. За счет этого тепла из водяного конденсата, поступающего в ЗИА, генерируется пар высокого давления (11 - 13 МПА), который отделяется в паросборнике, перегревается до 450 °С в одной из секций пиролизной печи и затем используется для привода турбокомпрессоров [1].
Рисунок 1.4.1 - Принципиальная схема установки пиролиза: I - сырье; II - конденсат; III - газы пиролиза; IV - бензиновая фракция (н.к. - 150 °С); V - легкая смола; VI - тяжелая смола; VII - водяной пар
2. Технология процесса
2.1 Материальный баланс
Для составления материального баланса трубчатого реактора пиролиза были использованы данные о компонентном составе и мольном содержании компонентов сырья (табл. 2.1.1) и пирогаза (табл. 2.1.3). Производительность печи по сырью составляет 10000 кг/ч.
Плотность каждого компонента смеси при нормальных условиях рассчитывается по формуле:
где - молекулярная масса компонента.
Таблица 2.1.1 - Данные о составе сырья
Компонент сырья Мол. масса , кг/кмоль Плотность , кг/м3 Мольная доля
Н2 2 0,089 0,008
СН4 16 0,714 0,062
С2Н4 28 1,250 0,05
С2Н6 30 1,339 0,17
С3Н6 42 1,875 0,114
С3Н8 44 1,964 0,587
С4H10 58 2,589 0,009
Cymma - - 1
Массовая доля определяется как:
Массовое и мольное содержание компонентов сырья рассчитывается следующим образом:
Таблица 2.1.2 - Расчет молекулярной массы и плотности сырья
Таблица 2.1.3 - Данные о составе продуктов пиролиза
Компонент пирогаза Молекулярная масса , кг/кмоль Плотность , кг/м3 Мольная доля
Н2 2 0,089 0,138
СН4 16 0,714 0,331
С2Н2 26 1,161 0,003
С2Н4 28 1,250 0,263
С2Н6 30 1,339 0,107
С3Н6 42 1,875 0,109
С3Н8 44 1,964 0,021
С4Н10 58 2,589 0,003
С5Н12 72 3,214 0,025
Сумма - - 1
Таблица 2.1.4 - Расчет молекулярной массы и плотности пирогаза
Компонент пирогаза , кг/кмоль Массовая доля , кг/м3 Количество Продуктов пиролиза, кмоль/кмоль сырья
, кг/ч , кмоль/ч
Н2 0,276 0,0116 0,0123 116 58,23 0,2250
СН4 5,296 0,2235 0,2364 2235 139,66 0,5397
С2Н2 0,078 0,0033 0,0035 33 1,27 0,0049
С2Н4 7,364 0,3107 0,3288 3107 110,97 0,4289
С2Н6 3,21 0,1354 0,1433 1354 45,15 0,1745
С3Н6 4,578 0,1932 0,2044 1932 45,99 0,1777
С3Н8 0,924 0,0390 0,0413 390 8,86 0,0342
С4Н10 0,174 0,0073 0,0078 73 1,27 0,0049
С5Н12 1,8 0,0759 0,0804 759 10,55 0,0408
Сумма 23,7 1 1,0580 10000 421,94 1,6306
Таким образом, молекулярная масса пирогаза = 38,646 кг/кмоль; плотность пирогаза = 1,73 кг/м3.
Пиролиз сырья осуществляется с добавкой водяного пара (20 масс. % или 2000 кг/ч). В табл. 2.1.5 приведен состав парогазовой смеси на входе в змеевик печи и на выходе ее из змеевика.
Таблица 2.1.5 - Состав парогазовой смеси
На входе в печь
Компонент Количество Доли кг/ч кмоль/ч Массовая Мольная
Н2 4 2,07 0,0003 0,0056
СН4 257 16,04 0,0214 0,0434
С2Н4 362 12,94 0,0302 0,0350
С2Н6 1320 43,99 0,1100 0,1189
С3Н6 1239 29,50 0,1032 0,0798
С3Н8 6683 151,89 0,5569 0,4107
С4H10 135 2,33 0,0113 0,0063
Н2О 2000 111,11 0,1667 0,3004
Сумма 12000 369,87 1,0000 1,0000
Таблица
На выходе из печи
Компонент Количество Доли кг/ч кмоль/ч Массовая Мольная
Н2 116 58,23 0,0097 0,1092
СН4 2235 139,66 0,1862 0,2620
С2Н2 33 1,27 0,0027 0,0024
С2Н4 3107 110,97 0,2589 0,2082
С2Н6 1354 45,15 0,1129 0,0847
С3Н6 1932 45,99 0,1610 0,0863
С3Н8 390 8,86 0,0325 0,0166
С4Н10 73 1,27 0,0061 0,0024
С5Н12 759 10,55 0,0633 0,0198
Н2О 2000 111,11 0,1667 0,2084
Сумма 12000 533,05 1 1
Молекулярная масса парогазовой смеси на входе в змеевик печи: 32,4 кг/кмоль.
Молекулярная масса парогазовой смеси на выходе из змеевика печи: 22,5 кг/кмоль.
2.2 Тепловой баланс
Тепловой баланс для трубчатого реактора пиролиза пропановой фракции составляется на основании данных, рассчитанных в главе «Аппаратурный расчет».
Уравнение теплового баланса для трубчатой печи выглядит так: Qприх=Qpacx
Расчет баланса ведется на 1ч.
где Qнр - низшая теплота сгорания топлива КДЖ/кг.
где qпол, qyx, qпот - соответственно полезное тепло печи; тепло, увлекаемое уходящими дымовыми газами; тепло, теряемое в окружающую среду, КВТ/ч.
В качестве топлива для печи пиролиза используется смесь газов, состав которой представлен в табл. 3.1.1.1. Плотность топлива 0,73 кг/м3.
Таблица 3.1.1.1 - Состав топливного газа
Низшая теплота сгорания топлива определяется по формуле: (3.1.1.1);
где СН4, С2Н6 и т. д. - содержание соответствующих компонентов в топливе, об. %.
35804 КДЖ/м3. 49046 КДЖ/кг.
Далее определяется элементарный состав топлива в массовых процентах. Содержание углерода в каждом компоненте находим по соотношению:
где - число атомов углерода в данном компоненте топлива.
Вывод
Результатом курсового проектирования является технологический, гидравлический, механический расчет трубчатого реактора пиролиза пропановой фракции, а также графическое представление реакторной печи на формате А1.
Основными показателями печи являются: КПД печи ? = 0,76; расход топливного газа В = 978,8 кг/ч; перепад давления по всей длине змеевика ?РР = 361 КПА.
Список литературы
1. Ахметов С. А. Технология переработки нефти, газа и твердых горючих ископаемых. - СПБ.: Недра, 2009. - 832 с.
2. Клименко А. П. Получение этилена из нефти и газа. - М.: Гостоптехиздат, 1962. - 236 с.
3. Масальский К. Е. Пиролизные установки. - М.: Химия, 1968. - 143 с.
4. Дубровкин Н. Ф. Справочник по углеводородным топливам и их продуктам сгораня. - М.: Госэнергоиздат, 1962. - 228 с.
5. Флореа О. Расчеты по процессам и аппаратам химической технологии. - М.: Химия, 1971. - 448 с.
6. Бахшиян Ц. А. Трубчатые печи с излучающими стенами топки. - М.: ГОСИНТИ, 1960. - 192 с.
7. Сарданашвили А. Г. Примеры и задачи по технологии переработки нефти и газа. - М.: Химия, 1980. - 256 с.
8. Кузнецов А. А. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. - Л.: Химия, 1874. - 344 с.