Классификация трубчатых печей и их маркировка

Процессы сжигания топлива с целью получения горячего теплоносителя - дымовых газов - с последующим использованием их в теплообменных установках нашли широкое применение в нефтехимической и нефтеперерабатывающей отраслях промышленности.

В процессе высокотемпературного сжигания топлива основное количество тепла передается в теплообменной поверхности с помощью лучистого теплообмена, что в значительной степени повышает интенсивность теплопередачи и позволяет создать теплогенерирующие установки большой энергетической мощности.

Трубчатые печи - составная часть многих установок и применяются в различных технологических процессах (перегонка нефти, мазута, каталитический крекинг и риформинг, гидроочистка, очистки масел и др.). Трубчатые печи предназначены для огневого нагрева, испарения и разложения нефти и вторичных продуктов ее переработки. При необходимости могут нагреваться углеводородные газы, вода, инертный газ и другие среды. В некоторых процессах (пиролиз, крекинг) трубчатая печь выполняет роль реакторного устройства преобразований жидких и газообразных нефтепродуктов.

Компактность конструкции, большая тепловая мощность, имела задержка продукта и связанная с этим меньшая пожароопасность, простота обслуживания и другие показатели обусловили широкое применение трубчатых печей в указанных процессах.

Современная печь представляет собой синхронно работающий печной комплекс, упорядоченную совокупность, состоящая из непосредственно печи (печного агрегата), средств обеспечения печного процесса, а также систем автоматизированного контроля и управления печным процессом и средствами его обеспечения.

Трубчатая печь - аппарат, предназначенный для передачи продукта, который нагревается, тепла, выделяющегося при сжигании топлива, непосредственно в этом же аппарате.

Особенностью использования трубчатых печей в нефтепереработке является то, что продукты сжигания топлива не смешиваются с обрабатываемой средой и процессы теплопередачи проходят через поверхность теплообмена, разделяющей продукты сгорания и технологическую среду.

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

Выбор типа печи, решения по проектированию отдельных узлов, материальное оформление, система сжигания топлива, оснащение приборами контроля и автоматического управления, а также другие конструктивные и технологические особенности разрабатываются на стадии проектирования печей с учетом свойств углеводородных сред и рабочих условий эксплуатации.

Современная тенденция совершенствования трубчатых печей характеризуется созданием компактных агрегатов большой единичной мощности целевого назначения для осуществления технологического процесса. Эти агрегаты отличаются высокой эффективностью использования тепла топлива, надежностью эксплуатации, оснащены средствами автоматического контроля и управления режимом работы. Преимущества таких агрегатов:

- Значительно уменьшаются капиталовложения на сооружение и эксплуатацию;

- Большие печи компактны, занимают гораздо меньше производственных площадей;

- Сокращается необходимое число дополнительного оборудования и трубопроводов;

- Существенно снижаются удельные затраты дорогих конструкционных материалов;

- Значительно сокращаются сроки строительства печей, ведь их сооружают из крупных блоков с использованием индустриальных методов, предусматривающих широкое применение средств механизации монтажных работ;

- Более оперативно и четко осуществляется эксплуатация печей, чему способствует наличие современной системы автоматического контроля и регулирования технологического режима их работы;

- Создаются более благоприятные возможности для поддержания оптимальных режимов работы печи и всей установки и получения максимальных выходов целевых продуктов при минимальных энергетических затратах;

- Сокращается обслуживающий персонал.

Несмотря на многообразие типов и конструкций трубчатых печей, общими и основными элементами для них рабочие камеры 8, 9, трубчатый змеевик, огнеупорная футеровка 2, оборудование для сжигания топлива (горелки) 6, дымоход 9, дымовая труба 10 (рисунок 151). Печь работает следующим образом. Мазут или газ сжигается с помощью горелок, расположенных на стенах или поду радиантной камеры. Газы сгорания из радиантной камеры поступают в конвективную камеру, направляются в дымоход и по дымовой трубе уходят в атмосферу.

Современная трубчатая печь имеет обычно две камеры: радиантную, в которой сгорает топливо и тепло передается трубах в основном излучением от нагретых продуктов сгорания и кладки стен, и конвективную, в которой тепло передается трубах главным образом при столкновении горячих продуктов сгорания с трубами, то есть конвекцией.

Сырье одним или несколькими потоками поступает в трубы конвективного змеевика, последовательно проходит через конвективные и радиантных труб и поглощает тепло и выходит из печи; обычно радиантная поверхность воспринимает большую часть тепла, выделяемого при сгорании топлива.

Рисунок 151 - Конструктивная схема трубчатой ​​печи: 1 - каркас печи; 2 – футеровка; 3 - верхний свод; 4 – кровля; 5 - трубы радиантной камеры; 6 - форсунки-горелки; 7 - перевальная стенка; 8 - трубы конвективной камеры; 9 – дымоход; 10 - дымовая труба; I - подача сырья; II - отвод продуктов; III - воздух; IV - топливный газ; V - дымовые газы

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 радиантная секция, которая одновременно является и камерой сгорания.

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

Тепло, переданное в этой секции конвекцией - только небольшая часть от общего количества переданного тепла, так как скорость газов, движущихся вокруг труб, части определяется только местной разницей удельных весов газов, и передача тепла естественной конвекцией незначительна.

Продукты сгорания топлива является первичным и главным источником тепла, поглощаемого в радиантных секции трубчатых печей. Тепло, выделившееся при горении, поглощается трубами радиантных секции создают так называемую поглощающую поверхность. Поверхность футеровки радиантной секции (так называемая отражающая поверхность), которая (теоретически) не поглощает тепла, переданного ей газовой средой печи, а только излучением передает его на трубчатый змеевик. Тепло, выделенное при сгорании топлива, расходуется на повышение температуры дымовых газов и частиц горящего топлива, раскаляются и образуют светящийся факел. Столкновение факела с поверхностью стены обусловливает повышение ее температуры; излучение происходит не только от факела, но и от этой раскаленной стены.

Радиантные трубы получают тепло не только излучением (85 - 90%), но также и от соприкосновения дымовых газов с поверхностью труб, имеющих более низкую температуру (теплопередача свободной конвекцией). Температура продуктов сгорания на выходе из радиантной камеры довольно высокая (600 - 900 ° С). Тепло этих газов может быть эффективно использовано для начального нагрева сырья в конвективных трубах, получения перегретого водяного пара и подогрева воздуха для сжигания топлива. В результате теплопередачи, осуществляемой в камере сгорания, дымовые газы охлаждаются и поступают в камеру конвекции, где происходит их прямое столкновение с более холодной поверхностью конвективных труб (вынужденная конвекция).

Назначение конвективных труб - использовать тепло дымовых газов, отходящих из камеры сгорания. Если тепло этих газов может быть использовано для других целей, то необходимость в конвективных трубах может отпасть. При небольшой производительности иногда применяют печи без конвективной поверхности, которые являются простыми в конструктивном отношении, но обладают невысоким коэффициентом полезного действия.

В конвективной камере тепло к сырью передается в основном конвекцией, а также за счет радиации трехатомных компонентов дымовых газов (20 - 30%) и от излучения стенок кладки (около 10%).

Трубы конвективной и радиантных камер печи соединены в один трубчатый змеевик, через который проходит сырье нагревается.

Вследствие большого разнообразия трубчатых печей их трудно классифицировать; общепринятой системы классификации пока нет. Однако есть возможность классификации трубчатых печей по некоторым параметрам.

Главными характеристиками для классификации печей являются следующие признаки:

- Технологические;

- Теплотехнические;

- Конструктивные.

1. Технологические признаки.

По виду производств, в котором применяется трубчатая печь - стабилизация нефти, первичная перегонка, вторичная перегонка, каталитический крекинг, риформинг, коксования и т.д.

По производительности - малые, средние, большие.

По давлению - атмосферные, вакуумные, высокого давления.

По технологическому назначению - нагревательные и реакционные.

Нагревательные печи служат для нагрева и испарения сырья или других потоков (печи установок перегонки нефти и мазута, стабилизации нефти, каталитического крекинга, риформинга, коксования, каталитического дегидрирования и полимеризации и др.).

В реакционных трубчатых печах сырье не только нагревается до определенной температуры, но и подвергается коренным преобразованиям, что приводит к изменению состава исходного сырья (печи пиролиза, дегидрирования, замедленного коксования и др.).

2. Теплотехнические признаки.

По максимальной температурой нагрева сырья - низкотемпературные и высокотемпературные.

По полезным тепловой нагрузкой - малые, средние, большие.

По способу передачи тепла потока сырья - конвективные, радиантно-конвективные и радиантные.

Конвективные печи - это один из самых старых типов печей. Они являются переходными от нефтеперегонных установок к печам радиантно-конвективного типа.

Практически в настоящее время эти печи не применяются, так как по сравнению с радиантными или радиантных-конвективными печами они требуют больше затрат как на их строительство, так и во время эксплуатации. Исключение составляют только специальные случаи, когда необходимо проводить нагревание чувствительных к температуре веществ сравнительно холодными дымовыми газами.

Печь состоит из двух основных частей (рисунок 152) - камеры сгорания и трубчатого пространства, которые отделены друг от друга стеной так, что трубы не подвергаются прямому воздействию пламени и большая часть тепла передается веществу, которое нагревается, путем конвекции.

Рисунок 152 - Конвективная печь: 1 – горелки; 2 - камера сгорания; 3 - канал для отвода дымовых газов; 4 - конвективная камера

В радиантных печах все трубы, через которые проходит нагреваемое вещество, помещены на стенах камеры сгорания и подвергаются прямому воздействию газообразной среды, имеющее высокую температуру.

Поэтому в радиантных печах камера сгорания значительно больше, чем в конвективных. В печах этого типа основное значение имеет передача тепла радиацией, а конвективная камера играет вспомогательную роль или может вообще отсутствовать. Радиантные печи вследствие простоты конструкции и больших тепловых нагрузках труб самые низкие капитальные затраты на единицу передаваемого тепла. Однако они не дают возможности использовать тепло продуктов сгорания, как это имеет место y радиантно-конвективных печах. Поэтому радиантных печи работают с меньшей тепловой эффективностью.

Печи радиантных типа вытеснили печи конвективного типа, и дальнейшее развитие трубчатых печей шло путем совершенствования конструкции печей радиантных типа.

Радиантно-конвективная печь (рисунок 153) имеет две отделенные друг от друга секции: радиантных и конвективную. В печах этого типа теплопередача радиацией имеет вспомогательное или подчиненное значение, а передача тепла конвекцией имеет значительный удельный вес.

Почти все печи, которые эксплуатируются в настоящее время на нефтеперерабатывающих заводах, является радиантно-конвективными. В печах такого типа трубные змеевики размещены в конвективной, и в радиантных камерах.

Рисунок 153 - Радиантно-конвективная трубчатая печь: 1 - радиантная камера; 2 - конвективная камера; 3 – труба; 4 – змеевик; 5 – футеровка; 6 – горелка

3. Конструктивные признаки.

По форме корпуса - коробчатые ширококамерные, коробчатые узкокамерные, кольцевые, секционные, с наклонным сводом.

По количеству камер радиации - однокамерные, двухкамерные, многокамерные.

По расположению трубного змеевика - горизонтальное, вертикальное, винтовое.

По расположению труб - шахматное, коридорное.

По способу сжигания топлива - беспламенное, факельное.

По месту расположения трубных экранов - с потолочным экраном, расположенным параллельно перевальной стене; с потолочным экраном, расположенным перпендикулярно перевальной стене; с потолочным и боковым экранами; с потолочным и подовым экранами, с экранированием всей поверхности обмуровки, с настенным боковым экраном.

По направлению подвода тепла излучения до экрана - одностороннего, двустороннего облучения.

По относительным расположением осей факела и труб - параллельное, перпендикулярное.

По расположению горелок - боковое, подовый.

По расположению конвективной камеры - сбоку, в центре печи.По расположению конвективной камеры относительно радиантных - верхнее, нижнее, боковое, среднее.

По способу подвода воздуха - с подогревом воздуха и печи без его подогрева.

По способу регулирования температурного режима - с рециркуляцией газа и без его рециркуляции.

По топливной системе - на жидком топливе, на газообразном топливе, на жидком и газообразном топливе.

По расположению дымовой трубы - за пределами трубчатой ​​печи, над камерой конвекции.

По направлению движения дымовых газов - с восходящим потоком газов, с нисходящим потоком газов, с горизонтальным потоком газов.

Существуют и другие признаки, по которым проводится классификация трубчатых печей (число потоков сырья и змеевиков, тип горелки, вид обмуровки, виды устройств для утилизации тепла дымовых газов, гидравлические признаки и т.п.).