Трубчатые печи. Основными показателями работы трубчатой печи являются производительность, полезная тепловая нагрузка

Основными показателями работы трубчатой печи являются производительность, полезная тепловая нагрузка, теплонапряжен-ность поверхности нагрева и топочного объема (расчетные и допус­каемые), площадь поверхности нагрева, КПД.

Производительность печи по сырью находят при расчете тепловых и материальных балансов установки. Она колеблется от 30—50 до 10—15 тыс. т/сут. Полезная тепловая нагрузка, или тепло­вая мощность, печи Q_mn складывается из теплот, затраченных на нагрев и испарение продукта и на перегрев водяного пара (при на­личии в печи пароперегревателя):

Здесь Q_H, Q_B — теплота, сообщаемая в печи продукту и водяному пару соответ­ственно, Вт (кДж/ч); L„, L_a — расход продукта и водяного пара, кг/ч; /,, /, — энтальпия продукта на входе и выходе из печи соответственно, кДж/кг (при наличии на выходе из печи паровой фазы /₂ определяют с учетом доли отгона); J_u J₂ — энтальпия водяного пара на входе и выходе из печи, кДж/кг.

Теплонапряженность площади поверхности нагрева определя­ется количеством теплоты, передаваемой через 1 м² площади поверх­ности труб; она зависит от конструкции печи, вида нагреваемого сырья, необходимой температуры его нагрева и скорости в трубах. Допускаемая теплонапряженность радиантных трубчатых змееви­ков колеблется от 10 до 60 кВт/м², а для конвекционных змеевиков составляет 10—18 кВт/м².

Различают два коэффициента полезного действия печи:

КПД топливный — отношение общего количества поглощенно­го тепла к количеству тепла, полученному только от горения топли­ва, без учета физического тепла, вносимого с воздухом, водяным паром и топливом (рассчитывается по низшей теплотворной спо­собности топлива);

КПД термический — отношение общего количества поглощен­ного тепла к общему количеству тепла, выделившемуся при горе­нии топлива, с учетом теплоемкости воздуха, топлива и распыливающей среды (рассчитывается по располагаемому теплу топлива QE).

Топливный КПД современной печи должен быть не ниже 90 %; его величина зависит от полноты сгорания топлива, а также от по­терь тепла с уходящими продуктами сгорания и через обшивку кор­пуса печи:

где Q — низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг (кДж/нм³); q_n, q_yr, q_HC — удельные (на единицу массы или объема топлива) потери тепла в окружа­ющую среду через обшивку корпуса печи, с уходящими продуктами сгорания и от неполноты сгорания топлива соответственно, кДж/кг (кДж/нм³).

В современной трубчатой печи относительные потери тепла через обшивку ее корпуса должны составлять не более:

1,5 % — для печи без воздухоподогревателя;

2,5 % — для печи с воздухоподогревателем.

Суммарные допускаемые подсосы через неплотности корпуса печи (сальники входных и выходных труб, гляделки, взрывные окна и др.) регламентированы в зависимости от вида используемого топ­лива и типа тяги.

Потери тепла с продуктами сгорания, покидающими печь, зави­сят от их температуры и избытка воздуха в них. Коэффициент из­бытка воздуха «а» в продуктах сгорания, покидающих печь, при оцен­ке потерь тепла с ними, принимается:

для печей, работающих на естественной тяге и на:

топливном газе а = 1,20,

жидком топливе а = 1,25;

для печей, работающих на принудительной тяге и на:

топливном газе а = 1,15,

жидком топливе а = 1,20.

Температура продуктов сгорания перед дымовой трубой прини­мается, в зависимости от вида топлива и содержания серы в нем (т. е. в зависимости от точки росы продуктов сгорания), на уровне примерно 120-170 °С.

Для охлаждения продуктов сгорания до 120—170 °С, как прави­ло, предуематриваются воздухоподогреватели, нагретый воздух из которых поступает в горелки печи.

Выбрав тип печи, находят диаметр труб и число потоков в печи. На российских НПЗ и НХЗ построены трубчатые печи различных типов: узкокамерные печи с верхним отводом дымовых газов и го­ризонтальным расположением труб; узкокамерные печи с нижним отводом дымовых газов и горизонтальным расположением труб; цилиндрические_! трубчатые печи с вертикальным или винтовым (витым) змеевиком в топке, секционные и многокамерные трубча­тые печи.

Капитальные затраты на сооружение трубчатых печей с верти­кальным: расположением труб радиантного змеевика, как правило, ниже затрат на сооружение печей той же мощности, но с горизон­тальным расположением труб в камере радиации. При вертикаль­ном расположении труб суммарный расход высоколегированных жаропрочных сплавов для изготовления вертикальных подвесок (одной на каждые две соседние трубы), а также направляющих (в нижней и средней частях труб змеевика), как правило, ниже, чем для изготовления промежуточных опор горизонтальных труб. В последние годы проявилась устойчивая тенденция на использова­ние трубчатых печей с вертикальными змеевиками даже там, где нагреваемая среда склонна к коксованию (атмосферные и вакуум­ные печи установок АВТ, печи висбрекинга и,др.). В связи с осво­ением технологии паровоздушного выжига кокса змеевики трубча­тых печей выполняются безретурбендными, с применением круто­изогнутых отводов.

В современных трубчатых печах исключено использование го­релок беспламенного сжигания топлива в связи с:

невозможностью устойчивой работы на топливном газе пере­менного состава, поскольку индивидуальная настройка горелок на сжигание топливного газа по соотношению топливо : воздух осуще­ствляется только в период пусконаладочных работ на печи, после чего в регламент эксплуатации печи записывается давление по рядам горелок. Это означает, что установленное один раз соотноше­ние воздух : топливо остается неизменным в процессе эксплуатации печи, в том числе при изменении состава топлива, когда это соотно­шение должно быть изменено;

невозможностью работы в требуемом диапазоне рабочего регу­лирования горелок на нефтезаводском газе, содержащем водород. При снижении нагрузки имеет место обратный "проскок" пламени в распределительную камеру, сопровождающийся "хлопком" — ло­кальным взрывом газовоздушной смеси с "отстрелом" керамики с ниппелей горелки;

невозможностью герметизации временно отключаемых горелок;

чрезмерно большой зоной обслуживания;

На современных установках, включая установки пиролиза, вис-брекинга и др., используются вертикально-факельные трубчатые печи с подовым расположением горелок. В некоторых случаях, по требованию лицензиара, в трубчатых печах могут применяться настенные плоскопламенные горелки, обеспечивающие получение веерообразного или кругового настильного факела, располагающе­гося на предельно малом расстоянии от труб змеевика.

Тип печи выбирается по указанию лицензиара процесса; ката­логу производителей печей; опыту проектирования аналогичных установок; опыту эксплуатации ранее спроектированных печей.

При выборе типа печи следует иметь в виду, что каждому типу соответствует оптимальное число симметричных потоков. Если печь приспособлена для двух потоков (в случае, например, двух симметричных настенных экранов), применять однопоточный змеевик нежелательно.

Выбрав тип печи, приступают к определению диаметра труб и числа потоков. С этой целью рассчитывают необходимую пло­щадь поперечного сечения труб S (м²):

где р'_с — плотность сырья при температуре входа в печь, кг/м³; w — оптимальная скорость движения нагреваемой среды (при движении маловязких жидкостей составляет 0,8-2,5 м/с, вязких продуктов — 0,5-1 м/с, газов под давлением — 8—15 м/с, водяного пара — 20—30 м/с).

Подсчитав S, подбирают диаметр труб и соответствующее этому диаметру число потоков.

При выборе диаметра трубы следует исходить из перечня труб, широко применяемых в трубчатых печах, в мм: 57 х 4; 76 х 5; 89 х 8; 102x8; 108x8; 114x8; 127 х 8; 159 х 8; 219 х 10; 273 х 10; 326 х 10.

Обычно для изготовления радиантного змеевика с испаряю­щимся в печи продуктом используются трубы нескольких (от двух до пяти) диаметров, что позволяет снизить гидравлическое сопро­тивление такого змеевика.

Число потоков испаряющегося в печи продукта должно быть минимальным. Не допускается изменять число потоков в пределах всего змеевика печи: от входного штуцера камеры конвекции до выходного штуцера камеры радиации.

Затем находят суммарную поверхность радиантных труб Н_р (м²):

где Q_p — теплота, передаваемая в радиантной камере (обычно составляет 75 % О_пол); qp — теплонапряженность радиантных труб.

Общее количество полезной теплоты печи Q_П0Л распределяется между радиационной Q_p и конвекционной Q_K0H камерами примерно следующим образом:

Ориентировочное значение теплонапряженности радиантных труб q_р можно принять по эксплуатационным данным согласно таблице.

Таблица. Средняя допускаемая теплонапряженность поверхности радиантных труб различных типов трубчатых печей

Если отсутствует требование по времени пребывания нагревае­мого продукта в определенной зоне змеевика, общая длина труб одного потока радиантного змеевика L, (м) составит:

При компоновке радиантного змеевика узкокамерной печи с однорядными настенными экранами следует придерживаться ре­комендуемой величины отношения высоты топки h к ее ширине d (диаметру — для цилиндрической печи) в зависимости от тепловой мощности печи:

Теплонапряженность топочного объема при проектном тепло­выделении не должна превышать 125 кВт/м³ для печей, работаю­щих на жидком топливе, и 165 кВт/м³ — для печей, использующих газовое топливо

Зная тип печи, площадь поверхности нагрева радиантной каме­ры, диаметр труб и число потоков, проводят поверочный расчет печи, методика которого подробно изложена в литературе. Змееви­ки для трубчатых печей изготавливаются на Подольском машино­строительном заводе (ЗИО) в Московской области, на Новочеркас­ском машиностроительном заводе.

Насосы

Для выбора насоса необходимо располагать данными, характе­ризующими свойства жидкости и условия перекачивания: 1) темпе­ратура жидкости, °С; 2) плотность продукта при температуре пере­качивания, кг/м , 3) расход продукта, кг/ч; 4) вязкость при темпе­ратуре перекачивания, сСт; 5) давление (напор) во всасывающей линии, МПа или м ст. жидкости; 6) требуемое давление (напор) в нагнетательной линии насоса, МПа или м ст. жидкости; 7) корро­зионная агрессивность продукта.

Температуру, расход, плотность и вязкость жидкости находят в процессе технологического расчета установки; коррозионная агрессивность продукта сообщается научно-исследовательским ин­ститутом — разработчиком процесса или зарубежной компанией — лицензиаром.

Давление во всасывающей линии /г_вс (м ст. жидкости) вычисля­ется по формуле

где н₆ — барометрическое давление в сосуде, из которого поступает жидкость на насос, м ст. жидкости; h_s — разница отметок между уровнем жидкости в сосуде, из которого поступает жидкость, и осью насоса, м; v_BC — скорость во всасываю­щем патрубке насоса, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с²; Л,,— гидрав­лическое сопротивление всасывающего трубопровода, м ст. жидкости.

Давление, которое необходимо обеспечить в нагнетательной линии насоса, h_H (м ст. жидкости):

где H_D — абсолютное давление на свободную поверхность жидкости в сосуде, куда подается продукт, м ст. жидкости; h_D — разница отметок между уровнем жидкости в сосуде, куда подается продукт, и осью насоса, м; v_H — скорость в нагнетательном патрубке насоса, м/с; А_г — гидравлическое сопротивление на­гнетательного трубопровода, м ст. жидкости.

Рассчитав h_H и /г_вс, находят необходимый дифференциальный напор насоса:

Зная требуемые производительность и дифференциальный на­пор с учетом физико-химических свойств и коррозионной агрес­сивности перекачиваемого продукта, по каталогам и номенклатур­ным перечням машиностроительных заводов подбирают насос. Учитывая возможные отклонения реальной характеристики насоса от приведенной в каталоге, дифференциальный напор рекоменду­ется выбирать на 5—10 % выше полученного расчетным путем.

На НПЗ и НХЗ наиболее широко применяются центробежные нефтяные консольные насосы типа НК, нефтяные насосы НК, НГК, Н, НГ, НД и НГД, нормализованные центробежные нефтя­ные насосы НДв, НДс, НС, центробежные химические насосы X, АХ, ТХ, АХП, бессальниковые герметичные центробежные элект­ронасосы ХГ, дозировочные насосы НД.

В зависимости от конструкции и условий перекачивания насос может обеспечить всасывание жидкости из резервуара, располо­женного ниже оси всасывающего патрубка, или, наоборот, требо­вать подпора, т. е. превышения уровня жидкости в резервуаре над осью всасывающего патрубка. Величина допустимой высоты всасы­вания или минимального подпора рассчитывается по формуле

где р_а — абсолютное давление на свободную поверхность жидкости в резервуаре, МПа; р_п — давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости, МПа; р — плотность подаваемой жидкости, кг/м³; И„ — гидравлическое сопротивление всасывающего трубопровода насоса, м ст. жидкости; Л/г_доп — допустимый кави-тационный запас насоса (приводится в каталогах и справочниках).

Мощность N (кВт), потребляемая, насосом:

где Q — объемная производительность насоса, м³/с; Н — дифференциальный напор, создаваемый выбранным насосом, м ст. жидкости; л — КПД насоса.

В связи с возможными перегрузками фактическую мощность электродвигателя насоса N₃ принимают несколько большей:

где К— коэффициент запаса (К= 1,2 при N до 50 кВт, К= 1,15 при N от 51 до-350 кВт, К = 1,1 при N выше 350 кВт).

Изготовителями центробежных насосов являются ОАО "Волго-граднефтемаш", Бобруйский машиностроительный завод (Беларусь), ОАО "Лебедянский машиностроительный завод, ОАО "ЭНА" (г. Щелко­во, Московская область), объединение "Насосэнергомаш" (г. Сумы, Ук­раина). Герметичные насосы изготавливаются объединением "Молдав-гидромаш" (г. Кишинев) и концерном "Российские насосы" (г. Москва).

Дозировочные плунжерные насосы выпускаются ОАО "НЕФТЕ-МАШ-САПКОН, концерном "Российские насосы", ОАО "Свесский насосный завод", а шестеренные насосы — объединением "Ливгидро-маш". За рубежом насосы изготавливают десятки различных компа­ний. Известность получили насосы компаний "Grainger", "Bell and Gossett", "Crane", "Deep Blue", "Griswold", "Alton Pumps" и др.

Особую группу представляют пароэжекторные насосы, предназ­наченные для создания вакуума. Насосы различаются по произво­дительности (от 1 до 1250 кг/ч), числу ступеней сжатия (от 2 до 5), типу межступенчатых конденсаторов (поверхностные или смеше­ния), давлению рабочего водяного пара (0,6 или 1,0 МПа), создава­емому остаточному давлению (от 0,13 до 26 кПа), расчетному содер­жанию конденсирующихся паров в отсасываемой смеси [от 0 до 40 % (мае.)],,материалу, из которого выполнен насос.

Основными изготовителями этого оборудования являются ОАО "Вакууммаш" (г. Казань) и ОАО "ВЕСКОМ" (пос. Бессоновка, Пензенская область).