🗊Презентация Расчет трубчатой печи

Расчет трубчатой печи Расчет начинают с выбора типа и конструктивной схемы печи. Методика расчета зависит от назначения печи. Например, печи для получения этилена и других олефиновых углеводородов пиролизом газообразного сырья рассчитывают как аппарата для проведения газофазных процессов. Печи пиролиза жидкофазного сырья используют для получения как жидких, так и газообразных продуктов. Поэтому такие печи необходимо рассчитывать с учетом сложности образующейся газожидкостной системы. Рассмотрим для примера порядок приближенного расчета пиролиза трубчатой печи.

Расчет трубчатой печи 1. Определяется тепловая нагрузка печи Q (в Дж/ч): Q=Gq где Q - производительность печи по сырью, кг/ч; q — тепловой тепловой эффект процесса пиролиза, Дж/кг. 2. Рассчитывается необходимая поверхность нагрева F (в м2): F=Q/qуд где qуд - удельный тепловой ноток, Вт/м2. Удельный тепловой ноток является функцией диаметра труб, поэтому при выборе qуд (30 000-40 000 Вт/м2) К) подбирается и диаметр труб.

Расчет трубчатой печи 3. Находится длина L реакционного змеевика: L=F/(πdm), где d — диаметр труб (d=60-:-200 мм); т — число параллельных потоков (m=1/2). Длину отдельных труб определяют конструктивно (Lтр = 8-:-12 м). 4. Рассчитывается время контакта τ: τ =L/Wср (1.1) где Wср = (Wн+Wк)/2. Скорость потока в начале змеевика Wн известна. Скорость потока в конце змеевика Wк будет зависеть от состава продуктов. Состав продуктов зависит от времени контакта и может быть определен по графикам, полученным при пиролизе различных видов сырья. По таким графикам находят состав продуктов при различном времени контакта.

Расчет трубчатой печи По составу и температуре продуктов определяют Wк. Подбирают такое τ, чтобы оно соответствовало расчету по формуле (1.1). Скорость потока в конце змеевика Wк всегда будет больше, чем скорость потока в начале змеевика Wн, так как процесс пиролиза идет с увеличением объема и с повышением температуры реагентов.

Расчет трубчатой печи 5. Сравнивают расчетное время контакта τ с оптимальным временем τопт, которое обеспечивает получение необходимого состава продуктов реакции. Если расчетное время сильно отклоняется от оптимального, то расчет повторяется при новом значении диаметра труб. 6. Выполняют тепловой расчет. После того, как закончен расчет реакционной части змеевика (чаще всего, это часть змеевика, расположенная в радиантной камере), рассчитывают подогревательную часть змеевика (это часть змеевика, расположенная в конвекционной камере). В результате расчета находят длину подогревательной части змеевика, обеспечивающую подогрев продуктов до нужной температуры. Далее рассчитывают процесс горения, расход топлива по его теплоте сгорания, радиантную камеру. В результате определяют среднюю теплонапряженность радиантных труб, т.е. ту величину, которой задаются в начале расчета. Если совпадения не получилось, то необходимо изменить принятое значение температуры дымовых газов на перевале печи. Тепловой расчет является основным при расчете нагревательных печей. Он хорошо изложен в технической литературе.

Расчет трубчатой печи 7. Проводится гидравлический расчет печи. Перепад давления определяется по формуле: (1.2) где Ƴрс=(Ƴн + Ƴк)/2, λрс=(λн + λ к)/2, Wрс=(W2н + W2к)/2 Коэффициент трения λ определяется по формуле, применяемой для турбулентного режима движения реагентов: λ=0,316/Re0,25 Ориентировочно λ=0,02-:-0,03.Кроме потерь на трение трубчатый змеевик имеет потери на местные сопротивления (ретурбенды и калачи).

Расчет трубчатой печи Перепад давления в ретурбенде или калаче определяется по формуле (1.2), но вместо L вводится La – длина отрезка прямой трубы, обладающая таким же сопротивлением трения, как и местное сопротивление, и зависящая от вида сопротивления, диаметра труб и расстояния между трубами, т. е. от радиуса закругления. Расстояние между осями труб обычно составляет s=(1,65-:-2,0)dнар. Величину L, выражают как функцию внутреннего диаметра труб: L=Аdвн. где А=40-:-110. Формула (1.2) с учетом местных сопротивлений примет вид:

Расчет трубчатой печи Здесь n — число местных сопротивлений. Целью гидравлического расчета является проверка принятых значений давления на входе и выходе печи. На входе задаются значе­нием Рвх=0,5 МПа, на выходе Рвых=0,13-:-0,2 МПа. Перепад давления должен быть небольшим, так как процесс идет с увеличением объема. Давления Рвх и Рвых уже были использованы при расчете Wн, Wк, Ƴн, Ƴ и т.д. Сейчас в результате расчета ΔР определяется соответствие принятых значений давления на входе и выходе расчетным значениям.

Расчет трубчатой печи 8. Рассчитывается дымовая труба. Труба должна обеспечить такую тягу, чтобы в радиантной камере было небольшое разрежение, равное 20—30 Па. Тяга, создаваемая трубой, определяется по формуле: ΔР = Н (ув — Уг), где Н — высота трубы, м; у — удельный вес воздуха; уг — удельный вес дымовых газов при средней температуре по длине трубы (падение температуры на 1 м кирпичной трубы принимается равным 1,5 °С, железной трубы — 3—4 °С). С помощью этой формулы вычисляется высота трубы. Минимальная высота по санитарно-гигиеническим соображениям составляет 16 м. Она обязана быть на3 м больше высоты коньков зданий в радиусе 100 м.

Расчет трубчатой печи Тяга создаваемая трубой, должна быть равна сумме сопротивлений газоходов и трубы. Расчет проводится по обычным формулам с учетом потерь на трение, местные сопротивления и преодоление геометрического напора в трубе. Коэффициент трения λср для металлических труб принимается равным 0,015—0,03, для кирпичных труб и газоходов — 0,045—0,050. Диаметр выходного отверстия трубы определяется из условия обеспечения скорости газов на выходе из трубы 2,5—3 м/с. Такая скорость необходима для того, чтобы не было задувания газов ветром в трубу. Обычно скорость газов в трубе составляет 4-8 м/с. Если сопротивление дымового тракта превышает 200-300 Па, ставится дымосос. Скорость газов в трубе при наличии дымососа равна 8-16 м/с  

Аппараты окислительного пиролиза Окислительный пиролиз проводится в присутствии кислорода, который служит для получения получения необходимой температуры (1400—1500оС) за счет частичного сжигания углеводородов. Пиролиз при указанной температуре применяется для получения ацетиленсодержащих газов из метана. Аппарат для окислительного пиролиза изображен на рис. 1 Он имеет зону смешения, в которой происходит смешение метана с кислородом, реакционную зону и зону закалки реакционных газов. Зона смешения отделена от зоны реакции огнепреградительной решеткой толщиной 200—500 мм и с отверстиями диаметром 8—10 мм. Длина реакционной зоны составляет всего 150 мм. В конце реакционной зоны продукты встречаются с по- токами воды, разбрызгиваемой форсунками. Вследствие этого температура газов резко снижается и дальнейший процесс прекращается.

Аппараты окислительного пиролиза Рис.1 Реактор окислительного пиролиза: 1 — эжекторный смеситель; 2 — диффузоры; 3 — горелочная плита; 4 — форсунка.

Аппараты окислительного пиролиза Горение газа характеризуется следу­ющими условиями: l/W = r/и, где l — длина факела; W — скорость газов; r — радиус горящего факела. Скорость распространения пламени и составляет 15— 30 м/с. Меньшее значение относится к ламинарному режиму движения газов, большее — к турбулентному. Скорость газов должна быть выше 30 м/с, иначе пламя может переместиться в зону смешения, в результате чего произойдет взрыв. На практике скорость гаpов составляет 90—100 м/с (в среднем 50 м/с), радиус горящего факела 10—35 мм, длина факела 50 мм. При скорости газов 50 м/с и длине реакционной зоны 150 мм время реакции составит 0,003 с. Это оптимальное время контакта, так как с возрастанием т увеличивается распад ацетилена на водород и сажу. Давление в аппарате 30—40 кПа. Температура реагентов на входе в аппарат 600 °С, в зоне реакции 1500 °С. После закалки газы имеют температуру 80 °С.

Аппараты окислительного пиролиза Такой реактор прост по конструкции и дает мало кокса, но имеетограниченную производительность вследствие того, что предельный его диаметр 1500 мм. С увеличением диаметра появляется неравномерность движения газа в отверстиях огнепреградительной плиты, что может привести к проскоку пламени в зону смешения. Аппараты окислительного пиролиза могут изготовляться из углеродистых сталей с внутренней огнеупорной футеровкой. В этом процессе отсутствует вредное влияние коксообразования на теплоподвод. Недостатком процесса является необходимость использования чистого кислорода, сжигание части сырья, а также невозможность переработки тяжелых нефтепродуктов из-за чрезмерного коксообразования. Печь для получения сажи. Сажа применяется в резиновой (80 %) лакокрасочной, электротехнической, полиграфической и других областях промышленности.

Аппараты окислительного пиролиза В резиновой промышленности в среднем на 1 т каучука расходуется 0,5 т сажи. В качестве сырья для производства сажи используются масла нефтяного и коксохимического происхождения (зеленое масло, термогазойль) коксовый отгон, антраценовое масло). Конструкция печи для получения сажи из жидких углеводородов нефти приведена на рис.4.14. Температура, необходимая для проведения процесса, обеспечивается сжиганием природного газа в камере горения. Сюда же впрыскивается подогретое сырье. Распыленное сырье получает теплоту горящего газа излучением, испаряется и воспламеняется, но не сгорает полностью. Пройдя участок диффу­зионного горения, оно разлагается в реакционной камере. Диаметр реакционной камеры 0,3—1,5 м, длина 3—15 м. Процесс ведется при 1300—1500 °С и 30 кПа в течение 0,05—5 с. Закалка газов осуществ­ляется впрыскиванием воды, в результате чего температура снижа­ется до 700 °С и процесс прекращается

Аппараты окислительного пиролиза

Аппараты окислительного пиролиза Горение — диффузионный процесс, для его интенсификации необходима турбулизация потока, которая создается тангенциальным и годом газа. При подборе длины реакционной камеры расчет ведется по кинетике испарения капель сырья. Их диаметр около 50 мкм. Испарение капель — наиболее медленная стадия. Горение, термичеcкое разложение сырья и газификация сажи протекают очень быстро. Правильное определение длины реакционной камеры имеет большое течение, так как при малой длине в саже остается большое количество неиспарившихся масел, а при большой длине происходит газификация полученной сажи парами воды и двуокиси углерода с ухудшением структуры поверхности сажевых частиц.

Аппараты окислительного пиролиза Горение — диффузионный процесс, для его интенсификации необходима турбулизация потока, которая создается тангенциальным и годом газа. При подборе длины реакционной камеры расчет ведется по кинетике испарения капель сырья. Их диаметр около 50 мкм. Испарение капель — наиболее медленная стадия. Горение, термичеcкое разложение сырья и газификация сажи протекают очень быстро. Правильное определение длины реакционной камеры имеет большое течение, так как при малой длине в саже остается большое количество неиспарившихся масел, а при большой длине происходит газификация полученной сажи парами воды и двуокиси углерода с ухудшением структуры поверхности сажевых частиц.

Аппараты гомогенного пиролиза В аппаратах гомогенного пиролиза нагрев сырья осуществляется при его смешении с перегретым газом. Продолжительность нагрева определяется продолжительностью смешения, т.е. проходит очень быстро. Из-за низкой теплоемкости газообразный или паровой теплоноситель предварительно нагревается до 1700—1800 °С и смешивается с сырьем в 3—5 кратном количестве. Гомогенный пиролиз тяжелого углеводородного сырья, проводимый методом погружного горения, осуществляется путем подачи продуктов сгорания метана под слой жидких углеводородов через газовые горелки. Метан и кислород, предварительно подогретые до 200—500 °С, подводятся в диффузионную горелку, где смешиваются и сгорают.

Аппараты гомогенного пиролиза Продукты сгорания с температурой 1600—1800 °С барботируют через слой углеводородов, высота которого составляет 50—200 мм. Скорость газов в горящем факеле составляет 70—120 м/с. В начальной зоне барботажа происходит частичное крекирование сырья, в дальнейшем быстрое охлаждение (закалка). Температура сырья поддерживается на определенном уровне за счет циркуляции сырья между реактором и котлом-утилизатором. Избыток сажи из сырья удаляется путем фильтрования части циркулирующего сырья..

Аппараты гомогенного пиролиза Печь для сжигания отходов. Твердые отходы в органическом синтезе образуются в гораздо меньшем объеме, чем жидкие и газообразные продукты. Для обезвреживания твердых отходов, содержащих в основном органические вещества, используется их сжигание в специальных печах с утилизацией теплоты отходящих газов. Сжигание — дорогостоящий процесс, так как связан с необходимостью очистки образующихся токсичных и газообразных продуктов сжигания.

Аппараты гомогенного пиролиза Более эффективен пиролиз органической части твердых отходов, позволяющий получать из отходов вторичные продукты и уменьшить объем газовых выбросов. К твердым отходам в промышленности пластмасс относятся некондиционные полимерные материалы и изделия, в промышленности синтетического каучука — крошка и обрывки каучука, в резиновой промышленности — резиновые, резинотканевые, резинометаллические, текстильные отходы, в нефтеперерабатывающей промышленности — отходы битума. Количество твердых отходов, образующихся на каждом предприятии, невелико, поэтому целесообразна централизованная переработка твердых отходов нескольких предприятий, включая городские отходы.

Аппараты гомогенного пиролиза Термическое разложение без доступа свободного кислорода (пиролиз) и частичное сжигание при ограниченном подводе воздуха (газификация) смешанных твердых отходов могут осуществляться в нисходящем плотном слое в шахтных печах, во вращающихся печах, в восходящем потоке теплоносителя и другими способами. В вертикальном шахтном реакторе отходы периодически загружаются в верхнюю его часть и под действием силы тяжести опускаются вниз, последовательно проходя зоны сушки, пиролиза, первичного горения и плавления. В зоне сушки отходы превращаются в компактную массу и создают затвор, препятствующий подсосу воздуха через открытый верх реактора.

Аппараты гомогенного пиролиза В зоне пиролиза осуществляется термическое разложения органической части отходов практически без доступа свободного кислорода за счет теплоты восходящего потока горячих газов из зоны первичного горения и плавления. Сгорание углерод содержащих продуктов пиролиза и плавление неорганических компонентов происходит при 1000—1600 °С в нижней части реактора, куда подается горячий воздух. Расплавленный шлак выводится через спускной штуцер, а продуктовый газ используется в качестве газообразного топлива или применятся для выработки пара. Пиролиз является экономичным способом утилизации отходов, а также эффективным средством защиты окружающей среды.

ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ Плазма представляет собой газообразное вещество, состоящее из молекул и атомов, а также из электронов и ионов, образующихся в результате диссоциации молекул. Благодаря присутствию ионов и электронов плазма становится хорошим проводником тока, тогда как газы не являются такими проводниками. В электрическом поле возможно получение плазмы с температу­рой до 50 ООО К и выше Для проведения химических процессов ис­пользуется низкотемпературная плазма (1000—7000 К). Повышение температуры плазмы осуществляется за счет повышения напряжения и силы тока, а также путем «шнурования» плазмы. Последний прием состоит в изоляции пламенного «шнура» от среды, что уменьшает потери теплоты и способствует повышению температуры плазмы. «Шнурование» достигаете либо закрученным потоком газа, либо созданием магнитного поля, удерживающего «шнур» плазмы.

ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ Химические реакции в условиях плазмы протекают практически мгновенно. В настоящее время в плазме получают ацетилен, окислы азота, фторуглеводороды и другие соединения. Так как скорость химических реакций в плазме высока, лимитирующей стадией оказывается диффузионный перенос реагентов. По этой причине плазмохимические процессы проводят при турбулентном режиме движе­ния реагентов. Плазмохимические реакторы имеют малые размеры и требуют низких капитальных вложений. К. п. д. их составляет 75—85%, а 15—25% всей теплоту передаваемой газу в электрической дуге, отводится с охлаждающе водой Длительность работы таких реакто­ров определяется скоростью износа электродов, возникающего из-за тепловых перегрузок, и не превышает 500 ч. В качестве материала электродов используются медь, графит, молибден, вольфрам, цирко­нии, гафний.

ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ Плазмохимический реактор состоит из трех узлов: плазмотрона, реакционного объема и закалочного устройства. В плазмотроне в электрической дуге газ нагревается до высокой температуры с образованием плазмы. Реакционный объем используется для реакции в плазме. В закалочном устройстве температура резко снижается для предотвращения разложения образовавшихся продуктов. Генераторы плазмы могут быть плазменнодуговыми (электродуговыми), высокочастотными емкостными и высокочастотными индуктивными. В качестве химических реакторов наиболее распространены электродуговые плазмотроны, которые по сравнению с высокочастотными имеют высокое значение к. п д. (80%) и большой ресурс работы электродов (200—300 ч)

ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ Одним из электродов является медный стержень с закрепленным на нем тугоплавким наконечником, чаще всего из вольфрама. Эрозия электродов происходит в местах контакта опорных концов дуги с их поверхностью, где удельные тепловые потоки достигают сотен киловатт на 1 см2. Даже при движении пятна дуги по поверхности электрода не удается избежать его плавления и эрозии.

ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ Высокая реакционная способность объясняется наличием высокоактивных частиц: атомов, радикалов, ионов, электронов и молекул. Характерная продолжительность плазмохимических реакций 10-2—10-4 с. Схема реактора, используемого для крекинга метана представлена на рис.3. Ток высокого напряже­ния подводится к катоду, вихревая камера и анод для обеспечения безопасности работы заземлены. Природный газ (метан) поступает в вихревую камеру по тангенциаль­ному аноду. Вращающийся поток газа при движении в трубчатом аноде создает небольшое разрежение по оси, стабилизирующее электрическую дугу.

ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ Дуга вытягивается между катодом и анодом на рас­стояние 0,8—1,0 м. Реакционная труба имеет диаметр 0,1 м и длину 1 м. Скорость газов в реакционной трубе 1000 м/с; соответственно, продолжительность реакции 0,001 с. Хотя процесс крекинга углеводородов в электрическом разряде является взрыво- и пожароопасным, при отсутствии подсоса воздуха он проходит нормально. Давление на входе составляет 0,3—0,4 МПа, на выходе — 0,15 МПа.

ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ Для создания электрического разряда в период пуска имеется пусковой электрод, который пневматическим механизмом может подводиться близко к катоду. Целевым продуктом крекинга является ацетилен. При напряжении 700—800 В и силе тока 800—900 А мощность аппарата составляет 700 кВт. Стальные электроды из-за контакта с высокотемпературной дугой быстро выгорают. Анод приходится заменять через 500 ч работы, катод через 800—1000 ч. Для обеспечения непрерывной работ на каждой технологической линии устанавливаются два реактора, работающих попеременно.

ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ Быстрая закалка газов позволяет подавить процесс разложения метана на углерод и водород, а также прекратим процесс разложения целевого продукта — ацетилена. Например, увеличение времени реакции на 0,002 с приводит к снижению выхода ацетилена с 15% до 10%. Закалка осуществляется распыляемой водой. При этом способе скорость закалки составляет 106-108 градусов в 1 с, т.е. продолжительность закалки равна тысячным долям секунды. Закалка может осуществляться также распылом углеводородов и масел. Недостатки электрокрекинга – высокий расход электроэнергии и образование на электродах сажи и кокса, снижающих эффективность процесса.