Назначение, принцип действия и классификация 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 более высоких, чем те, которых можно достичь с помощью пара, т. е. примерно свыше 230 °С. Несмотря на сравнительно большие первоначальные затраты, стоимость тепла, отданного среде при правильно спроектированной печи, дешевле, чем при всех других способах нагрева до высоких температур. В качестве топлива могут применяться продукты отходов различных процессов, в результате чего не только используется тепло, получаемое при их сжигании, но часто устраняются и затруднения, связанные с обезвре­живанием этих отходов.

Трубчатые печи получили широкое распространение в нефтехими­ческой промышленности, где их используют для высокотемпературного нагрева и реакционных превращений жидких и газообразных нефте­продуктов (пиролиза, крекинга). Нашли они применение и в химичес­кой промышленности.

Трубчатая печь относится к аппаратам непрерывного действия с на­ружным огневым обогревом.

Впервые трубчатые печи предложены русскими инженерами В. Г. Шуховым и С. П. Гавриловым.

Сначала печи использовались на промыслах для деэмульгирования нефтей.

Современная печь представляет собой синхронно работающий печной комплекс, т. е. упорядоченную совокупность, состоящую из непосредственно печи, средств обеспечения печного процесса, а также систем автоматизированного регулирования и управления печным про­цессом и средствами его обеспечения.

Несмотря на большое многообразие типов и конструкций трубча­тых печей, общими и основными элементами для них являются рабо­чая камера (радиация, конвекция), трубчатый змеевик, огнеупорная футеровка, оборудование для сжигания топлива (горелки), дымоход, дымовая труба (рис. 2.70).

Рис. 2.70. Современная трубчатая печь

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.

Тепловое воздействие на исходные материалы в рабочей камере печи, является одним из основных технологических приемов, ведущих к получению заданных целевых продуктов.

Главной частью трубчатой печи является радиационная секция, ко­торая одновременно является и камерой сгорания.

Передача тепла в радиационной секции осуществляется преиму­щественно излучением, вследствие высоких температур газов в этой части печи.

Тепло, переданное в этой секции конвекцией, является только не­большой частью от общего количества переданного тепла, т. к. скорость газов, движущихся вокруг труб, большей частью определяется только местной разностью удельных весов газов, и передача тепла естествен­ной конвекцией незначительна.

Продукты сгорания топлива являются первичным и 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, (рис. 2.71) 60...80 % всего используемого тепла в печи передается в камере радиа­ции, остальное — в конвективной секции.

Температура газов, выходящих из радиационной секции, обычно достаточно высока, и тепло этих газов можно использовать далее в конвективной части печи.

Рис. 2.71. Змеевик трубчатой печи типа ГС

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 почти на 150 °С выше, чем температура нагреваемых веществ при входе в печь. Поэтому тепловая нагрузка труб в конвективной секции меньше, чем в радиационной, что обусловлено низким коэффициентом теплоотдачи со стороны дымовых газов. С внешней стороны иногда эти трубы снабжаются добавочной поверхностью - поперечными или продольными ребрами, шипами и т. п.

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.

Рассмотрим классификацию трубчатых печей.

Классификация печей — это упорядоченное разделение их в логи­ческой последовательности и соподчинении на основе признаков со­держания на классы, виды, типы и фиксирование закономерных связей между ними с целью определения точного места в классификационной системе, которое указывает на их свойства.

Она служит средством кодирования, хранения и поиска информа­ции, содержащейся в ней, дает возможность распространенения обоб­щенного опыта, полученного теорией и промышленной практикой эксплуатации печей, в виде готовых блоков, комплексных типовых решений и рекомендаций для разработки оптимальных конструкций печей и условий осуществления в них термотехнологических и тепло­технических процессов.

Главными и естественными по степени существенности основания­ми для классификации печей в логической последовательности являю­тся следующие признаки:

— технологические;

— теплотехнические;

— конструктивные.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЗНАКИ

По технологическому назначению различают печи нагревательные и реакционно-нагревательные.

В первом случае целью является нагрев сырья до заданной темпера­туры. Это большая группа печей, применяемых в качестве нагревателей сырья, характеризуется высокой производительностью и умеренными температурами нагрева (300...500 °С) углеводородных сред (установки AT, АВТ, ГФУ).

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 (установки пиролиза, конверсии углеводородных газов и др.).

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ПРИЗНАКИ

По способу передачи тепла нагреваемому продукту печи подразде­ляются:

— на конвективные;

— радиационные;

— радиационно-конвективные.

КОНВЕКТИВНЫЕ ПЕЧИ

Конвективные печи — это один из старейших типов печей. Они яв­ляются как бы переходными от нефтеперегонных установок к печам радиационно-конвективного типа.

Практически в настоящее время эти печи не применяются, так как по сравнению с печами радиационными или радиационно-конвективными они требуют больше затрат как на их строительство, так и во время эксплуатации. Исключение составляют только специальные случаи, когда необходимо нагревать чувствительные к температуре вещества сравнительно холодными дымовыми газами.

Печь состоит из двух основных частей — камеры сгорания и труб­чатого пространства, которые отделены друг от друга стеной, так что трубы не подвергаются прямому воздействию пламени и большая часть тепла передается нагреваемому веществу путем конвекции.

Чтобы предотвратить прожог первых рядов труб, куда поступают сильно нагретые дымовые газы из камеры сгорания, и чтобы коэффици­ент теплоотдачи удерживался в пределах, приемлемых по технико-эко­номическим соображениям, при сжигании используется значительный

избыток воздуха или 1,5...4-кратная рециркуляция остывших дымовых газов, отводимых из трубчатого пространства и нагнетаемых возду­ходувкой снова в камеру сгорания. Одна из конструкций конвек­тивной печи показана на рис. 2.72. Дымовые газы проходят через трубчатое пространство сверху вниз. По мере падения температуры газов соответственно равномерно уменьшается поперечное сечение трубчатого пространства, при этом сохраняется постоянная объемная скорость продуктов сгорания.

Рис. 2.72. Конвективная печь: / — горелки; 2 — камера сгорания; 3 — канал для отвода дымовых газов; 4 — камера кон­векции

РАДИАЦИОННЫЕ ПЕЧИ

В радиационной печи все трубы, через которые проходит нагревае­мое вещество, помещены на стенах камеры сгорания. Поэтому у ради­ационных печей камера сгорания значительно больше, чем у конвек­тивных.

Все трубы подвергаются прямому воздействию газообразной среды, которая имеет высокую температуру. Этим достигается:

а) уменьшение общей площади теплоотдачи печи, так как количество тепла, отданного единице площади труб, путем радиации при одина­ковой температуре среды (особенно при высоких температурах этой среды), значительно больше, чем количество тепла, которое можно передать путем конвекции;

б) хорошая сохранность футеровки за трубчатыми змеевиками, благо­даря тому что снижается ее температура, во-первых, за счет прямого закрытия части ее трубами, во-вторых, за счет отдачи тепла излуче­нием футеровкой более холодным трубам.

Обычно нецелесообразно закрывать все стены и свод трубами, так как этим ограничивается теплоизлучение открытых поверхностей, а в результате уменьшается общее количество тепла, отдаваемого еди­ницей площади труб.

Например, у современных типов кубовых печей отношение эффек­тивной открытой поверхности к общей внутренней поверхности печи колеблется в пределах 0,2...0,5.

Чисто радиационные печи из-за простоты конструкции и большой тепловой нагрузки труб имеют самые низкие капитальные затраты на единицу переданного тепла. Однако они не дают возможности исполь­зовать тепло продуктов сгорания, как это имеет место у радиационно-конвективньгх печей. Поэтому радиационные печи работают с меньшей тепловой эффективностью.

Радиационные печи применяются при нагреве веществ до низких температур (приблизительно до 300 °С), при небольшом их количестве, при необходимости использования малоценных дешевых топлив и в тех случаях, когда особое значение придается низким затратам на сооруже-

ние печи.