Практическая работа по дисциплине «Машины и аппараты нефтегазопереработки» для СибГУ

Практическое занятие № 21   Тема практических занятий: Расчёт печей и реакторов пиролиза нефтяного и газового сырья План практических занятий: Расчет основных параметров печей и реакторов нефтяного и газового сырья   Процесс пиролиза широко применяют для получения этилена, и пропилена как сырья для нефтехимической промышленности. Сырьем пиролиза могут служить все составные части нефти, начиная от углеводородных газов и кончая тяжелыми нефтяными остатками. В промышленности процесс пиролиза осуществляют в реакционных аппаратах—трубчатых печах, реакторах с подвижным слоем твердого теплоносителя, реакторах с кипящим i слоем твердого теплоносителя. Расчет печи трубчатой установки пиролиза. На установ­ке сырье поступает в конвекционную камеру печи, где нагревает­ся до 550—600 °С. Затем проходит радиантный экран, где протека­ет реакция пиролиза. Дымовые газы покидают печь с температурой 300—350 °С. Наиболее приемлемая конструкция нагреватель­ного аппарата — печь беспламенного горения с числом потоков 15—20. Диаметр труб печи — до 150 мм; изготавливают их из ста­ли марки Х23Н18 и допускают нагрев до 900 °С. Продолжитель­ность пребывания газообразного сырья в зоне реакции 0,7—1,5 с, жидкого сырья 40—50 с. Температура, при которой начинается ре­акция пиролиза, для метана 900°С, этана 600°С, пропана 500°С, бутана 450 °С и жидкого сырья 400—425 °С. Оптимальные условия пиролиза различных видов сырья приведены ниже [1]: Интенсификация процесса для увеличения выхода целевых про­дуктов определяется так называемым фактором жесткости   μ = Тτ^0,6  ,                                                    (21.1)   где μ — фактор жесткости; Т — температура процесса, К; τ — продолжитель­ность реакции, с. Выходы продуктов пиролиза (с учетом рециркулирующих эта­на и пропана) приведены в табл.21.1 [1, 2]. Обычно при пиролизе газов и газового бензина к сырью добав­ляют 10—20% масс, водяного пара, при пиролизе прямогонных бензинов — 50—70% масс. [3]. Массовая скорость движения сырья в змеевике печи с трубами диаметром 100 мм для газооб­разных углеводородов 110—140 кг/(м²-с), для бензиновых и более тяжелых нефтяных фракций 135—165 кг/(м²-с) [1].  Более точные значения массовых скоростей движения сырья в трубах печи приведены ниже [7]:       Таблица 21.1 – Выходы продуктов пиролиза с учетом рециркулирующих этана и пропана   По данным заводской практики, [7], при пиролизе этана и пропана линейная скорость движения сырья на входе в печь 10— 17 м/с, на выходе из печи 150—200 м/с. При этом перепад давления в печи достигает 0,07—0,2 МПа. Допустимые тепловые напря­женности (в Вт/м²·10³) труб реакционного змеевика печи пиро­лиза приведены ниже [7]:   Продукты пиролиза из трубчатой печи поступают в закалоч­ный аппарат, где при помощи воды мгновенно снижается их тем­пература и прекращается реакция разложения. При использовании тепла продуктов пиролиза в дальнейшем для производства водяного пара охлаждение в закалочном аппарате ведут до 700°С; если тепло продуктов пиролиза не используется, то их охлаждают в закалочном аппарате до 150—200°С. Основным аппаратом трубчатой установки пиролиза является печь. В печах с факельными горелками наибольшая конверсия по­лучается в трубах диаметром 114×6 мм. При этом пропускная способность каждого потока 3400—4100 кг/ч. В печах беспламен­ного горения рекомендуется применять трубы диаметром 140×8 мм. Производительность печей новых конструкций достигает примерно 6000 кг/ч на один поток, а средняя тепловая напряжен­ность при 750—820 °С—34,90—37,20 кДж/(м²·ч). Расчет конвекционной камеры печи пиролиза не отличается от расчета обычных печей. В радиантной части печи происходит перегрев сырья и водяного пара и протекает эндотермическая ре­акция пиролиза. Расчет радиантной секции печи [3] можно начать с определе­ния внутреннего диаметра труб (d, м) змеевика, исходя из коли­чества передаваемого тепла (Q, кДж/ч) при заданном перепаде давления (∆Р, Па)   Q = πdlq_cpN₁,                                                 (21.2)   ,                                              (21.3)   где q_cp— средняя тепловая напряженность поверхности радиантных труб; N₁ — число труб, необходимых для передачи тепла; f_т — коэффициент трения; γ — плотность газа, кг/м³;       и — средняя линейная скорость газа, с;       g — ускорение свободного падения, м/с²; N₂ — число труб в змеевике; L — эквивалентная длина одной трубы с калачом, м; l — длина прямого участка трубы, м   L = l + 60d.                                                   (21.4)   При правильном выборе диаметра трубы змеевика (d, м) зна­чение N2 приближается к значению N₂. Диаметр трубы реакцион­ного змеевика можно определить и по продолжительности пребы­вания (τ, с) смеси в реакционной зоне   ,                                                    (21.5)   где υ_p — объем реакционной зоны, м³;       υ— объем газового потока, м³/с; р_см —  плотность реакционной смеси, кг/м³;       G_с — нагрузка реактора по сырью, кг/ч. Учитывая, что   ,                                         (21.6)   где ∆Q₁ — удельный расход тепла в реакционной зоне змеевика, рассчитанный на единицу объема газа при нормальных условиях, кДж/м³ газа (тепло, идущее на подогрев смеси, не входит в величину ∆Q₁). Диаметр труб рассчитывают по формуле   ,                                        (21.7)   где τ — находят из равенства   .   Откуда   .   При расчете по упрощенному методу змеевик радиантной час­ти печи условно делят на две зоны — зону перегрева и зону реак­ции. Условно принимают, что температура в зоне реакции постоян­на и равна заданной температуре. Определяют количество тепла (Q_пол, кДж/ч), переданного через поверхность труб радиантной секции   Q_пол= Q_р + Q_в.п^п +Q_п.с^п,                                       (21.8)   где Q_p — тепло реакции; Q_в.п^п—тепло перегрева водяного пара; Q_п.с^п — тепло пе­регрева паров сырья. Затем рассчитывают поверхность радиантных труб, исходя из полной тепловой нагрузки (Q_пол) и средней тепловой напряжен­ности поверхности радиантных труб [q_ср, кДж/(м²·ч)] и делят эту поверхность пропорционально тепловой нагрузке между зона­ми реакции и перегрева Соответствие числа труб в зоне реакции, полученного в результате теплового расчета длительности реакции, проверяют кинетическим расчетом объема реакционной зоны Объем этой зоны (υ_р, м³) определяют ориентировочно по формуле   ,                            (21.9)   где υ — объем (при нормальных условиях) паров сырья, подаваемого в реактор, м³/ч; К — коэффициент увеличения объема газообразной реакционной смеси в результате реакции;      z  — массовое отношение добавки водяного пара к сырью; М_б — масса 1 кмоль бензина (сырья), кг/кмоль;     М_в — масса воды, кг/кмоль;     t — температура реакции,; τ — продолжительность контакта в зоне реакции по условиям режима, с;     Р₁ — атмосферное давление, Па;     П — среднее абсолютное давление в зоне реакции, Па  . Коэффициент К. увеличения объема газообразной смеси опре­деляют по формуле   К =ρ_б/ρ_см ,                                           (21.10)   где ρ_б и ρ_см — плотности соответственно паров исходного бензина и смеси паров бензина и газов пиролиза на выходе из реактора (в кг/м³), равные   ρ_б= М_б/22,4,              ,                          (21.11)   где X’ — глубина превращения в конце реакционного змеевика; ρ_г и ρ_ж — плот­ность соответственно газообразных продуктов и паров жидких продуктов, кг/м³; можно принять  ρ_ж = ρ_б. Более точно объемы зон реакции и подогрева, требуемые для осуществления необходимой глубины превращения, рассчитывают по кинетическому уравнению Фроста — Динцеса   ,                                          (21.12)   или после интегрирования   ,                                            (21.13)   где X — средняя глубина превращения бензина в реакционном змеевике; k — константа скорости реакции, с^-1; β— коэффициент самоторможения.реакции. При пиролизе бензина в интервале 700—800 °С коэффициент самоторможения р приобретает следующие значения:   Температура, °С……700   725   750   775   800 Коэффициент Р………1,26  1,57  1,72  1,78  1,81   В интервале 700—800 °С энергия активации разложения бензи­на первичной перегонки составляет 160 • 10³ Дж/моль, поэтому   .                                        (21.14)   Для расчета глубины превращения принимают значение при­ращения глубины превращения в реакционном змеевике и затем последнее проверяют по уравнению   ,                                           (21.15)   где ∆Х — приращение глубины превращения бензина в реакционном змеевике, доли единицы;      W — скорость реакции;      υ_р — объем зоны реакции, м³;      G_с — масса бензина (сырья), поступающего в зону реакции. Скорость реакции (W) определяют по формуле   ,                                           (21.16)   где υ — объем реакционной смеси, проходящей через реактор в единицу времени (в рабочих условиях). При известной тепловой напряженности труб змеевика макси­мальная температура стенки трубы (θ_макс, °С) может быть опре­делена по формуле   ,                                              (21.17)   где t_р — температура реакционной смеси в зоне реакции для жесткого этилено­вого режима (860 °С); φ — коэффициент неравномерности обогрева труб (по окружности стенки);     а — коэффициент теплоотдачи от стенки труб к потоку, составляющий в условиях пиролиза 1948—2618 кДж/(м² • ч • К); δ — толщина стен­ки трубы (0,009 м); λ — коэффициент теплопроводности стенки, равный 75 кДж/(м²·ч·К). Для двухрядного экрана (с шагом труб, равным двум диамет­рам) φ= 0,55; для однорядного экрана двухсветного облучения φ=0,84. На установках с подвижным слоем твердого теплоносителя пи­ролиз мазута и гудрона осуществляют при 580—680 °С. Кратность циркуляции теплоносителя на этих установках 20—30 кг/кг. В ка­честве теплоносителя применяют оксид алюминия, оксид кремния, углеродистый кальций, кокс, шамот, базальт, кварцевый песок и силикагель [4]. Характеристика коксового теплоносителя при­ведена на с. 136. Песок имеет истинную плотность 2500— 2800 кг/м³ и насыпную плотность 1400—1600 кг/м³. В нагревателе теплоноситель подогревается при помощи дымовых газов до 900— 950 °С и затем поступает в реактор. Тепловая напряженность на­гревателя достигает 10,5 млн. кДж/(м³·ч). Сырье — тяжелые неф­тяные остатки — нагревают в печи до 350—500 °С и подают в реактор. К сырью добавляют 40—45% масс, водяного пара. На этих же установках пиролизу можно подвергать этан и пропан при следующих условиях: температура 760—815°С; давле­ние 0,132—0,30 МПа; продолжительность контакта 1—2 с. При пи­ролизе этана и пропана в подогревателе твердый теплоноситель может нагреваться до 1370 °С. На установках с кипящим слоем твердого теплоносителя [5]  источником тепла служат коксовые частицы размером 0,25— 1,0 мм. Коксовый теплоноситель нагревают в подогревателе до 900 °С. Скорость движения дымовых газов в подогревателе 0,2— 0,5 м/с. При пиролизе этана на установке с кипящим слоем тепло­носителя смесь сырья и теплоносителя поступает в реактор с тем­пературой 815°С. Продукты реакции покидают реактор с темпера­турой 805 °С. В сырье добавляют водяной пар — 0,2 кг/кг. Про­должительность контакта сырья с теплоносителем 0,1—0,6 с. Крат­ность циркуляции теплоносителя 20—30 кг/кг сырья. При пиролизе прямогониого бензина 45—140°С i темпера­тура равна 820 °С, продолжительность контакта 0,5 с, расход во­дяного пара 0,55 кг/кг сырья. Теплота процесса пиролиза на 1 кг сырья для н-бутана+1257 кДж, для бензина +1466 —  +2095 кДж. Пиролиз нефти проводят при 750°С и кратности циркуля­ции теплоносителя 10—15 кг/кг. Продолжительность реакции не превышает 1 с. Массовая скорость подачи сырья [6] 0,05—0,1 ч^-1 расход водяного пара 50—75% масс, на сырье. В таблице 12.2 приведены условия и выходы продуктов пиролиза тяжелых видов сырья в кипящем слое теплоносителя. Таблица 21.2 – Условия пиролиза тяжелых видов сырья и выходы продуктов   Методика расчета аппаратуры установок пиролиза с подвиж­ным и кипящим слоями твердого теплоносителя такая же, как и для непрерывного коксования.   Контрольные вопросы   1 Для получения чего применяют процесс пиролиза? 2 Что служит сырьем пиролиза? 3 Что применяют в качестве теплоносителя пиролиза на установке с подвижным слоем?   Задачи   1 Определить число потоков (п.) и продолжительность пребывания τ сырья и продуктов пиролиза в радиантных трубах печи, если известно: сырь­ем служит пропан; производительность установки по сырью 40 000 кг/ч; тем­пература на входе в радиантные трубы и выходе из печи 550 и 815 °С соот­ветственно; выход продуктов (в % масс): Н₂ 2,8; СН₄ 17,8; C₂H₂—0,8; С₂Н₄ 29,5; С₂Н₆ 9,2; С₃Н₆ 14,0; С₃Н₈ 24,7; кокс 1,2; в трубы печи подают водяной пар 15% масс, на сырье; давление на входе в секцию 0,181 МПа и на вы­ходе из нее 0,13 МПа, тепло, передаваемое радиантными трубами, 25,5 млн. Вт. Принять массовую скорость подачи сырья 130 кг/(м²·с), d_в трубы = 102мм, d_нар=114 мм, l=12 м, напряженность труб 23841 Вт/м² 2 Определить размеры реактора на установке пиролиза с движущимся слоем коксового теплоносителя, если известно: сырьем служит пропан; про­изводительность реактора G_c=4500 кг/ч по сырью; насыпная и истинная плотности теплоносителя 800 и 1700 кг/м³ соответственно; условия процесса: температура 825 °С, давление 0,18 МПа и продолжительность пребывания сырья в реакторе 1,2 с; водяного пара подается 80% масс, на сырье; отно­шение высоты реактора к диаметру 2,5 : 1. 3 Определить продолжительность контакта и размеры реактора уста­новки пиролиза в кипящем слое песка, если известно: сырьем служит пропан, которого подается 3200 кг/ч; в реактор поступает 70% масс, на сырье водя­ного пара; выход продуктов (в % масс): газа 89,9, бензина с к. к. 200 °С 9,5, кокса и потери 0,6; условия процесса: температура 800 °С; давление 0,2 МПа; массовая скорость подачи сырья ω = 0,1 ч^-1; плотность кипящего слоя ρ_к.с= 1200 кг/м³, насыпная и истинная плотности песка 1600 и 2500 кг/м³ соот­ветственно; линейная скорость движения паров в реакторе и = 0,6 м/с; плот­ность газа ρ=1 кг/м³. 4 Определить продолжительность контакта и размеры реактора уста­новки пиролиза с кипящим слоем коксового теплоносителя, если известно: сырье — гудрон плотностью d₄²⁰=0,9960; производительность установки G_c = 55 000 кг/ч по сырью; условия процесса: температура 780 °С, давление 0,18 МПа, объемная скорость подачи сырья 6,0 ч^-1 и продолжительность контакта 9,6 с; выход продуктов (в % масс.): газа 37,2, жидких углеводоро­дов 35,5, кокса и потери 27,3; молекулярная масса газа и жидких углеводо­родов соответственно 21,5 и 200; в реактор подается водяного пара 45% масс, на сырье; отношение высоты реактора к его диаметру 0,6 : 1.