Реакторное устройство процесса

Процесс пиролиза представляет собой эндотермическую реакцию, требующую подвода большого количества тепла. Основные особенности процесса:

• — необходимость проведения процесса при высокой температуре (поглощение значительных количеств тепла);
• — малое время контакта (быстрый подвод тепла);
• — возможно малое парциальное давление углеводородов;
• — желательно быстрый вывод продуктов реакции и быстрое их охлаждение.

В зависимости от метода подвода тепла к реагирующей смеси различают следующие процессы пиролиза с целью получения этилена [5]:

• 1. Пиролиз в трубчатых печах, представляющих собой реакторы змеевикового типа, где тепло передается через поверхность нагрева. До недавнего времени процесс осуществлялся в печах коробчатого типа с настенными экранами (рис.7). Эти печи имеют малую производительность (3−4 т/ч сырья) и трубы их быстро закоксовываются вследствие неравномерного обогрева. Поэтому они сейчас заменены печами с экранами двухстороннего облучения и панельными беспламенными горелками (так называемыми печами градиентного типа), а также печами с вертикальными трубами. Производительность печей градиентного типа достигает 10−13 т/ч и более, а производительность печей с вертикальными трубами равна 20−25 т/ч.
• 2. Термоконтактный пиролиз с применением твердого гранулированного или мелкозернистого теплоносителя в движущемся или псевдоожиженном слое является весьма эффективным и простым способом подвода тепла в зону реакции, т.к. осуществляется непосредственный контакт сырья с твердым теплоносителем. Кокс, выделяющийся при пиролизе, отлагается на поверхности теплоносителя и вместе с ним выносится из зоны реакции, что существенно облегчает процесс в случае использования сырья. В качестве теплоносителя применяется огнеупорный материал — корунд, шамот, кварцевый песок. Для этой цели также может использоваться кокс, образующийся в результате процесса пиролиза.
• 3. Гомогенный пиролиз в токе газообразного теплоносителя — водяного пара или продуктов сгорания топлива, перегретых до высокой температуры. Достоинством этого метода является простота аппаратурного оформления и повышенный выход этилена, недостатки — большой расход водяного пара.

Рисунок 7 — Трубчатая печь с настенным экраном

4. Окислительный пиролиз с подводом тепла за счет сжигания частиц исходного сырья в присутствии кислорода. Основан на балансе тепла между эндотермической реакцией расщепления углеводородов и экзотермическим процессом сгорания части углеводородного сырья в присутствии кислорода. Углеводородное сырье и паро-газовая смесь раздельно нагреваются в печи соответственно до 600 и 400 °C, смешиваются в эжекторе — смесителе и поступают в реактор. Продукты пиролиза из реактора направляются на охлаждение.

Наиболее распространенным методом является пиролиз в трубчатой печи. За последние годы печи пиролиза значительно усовершенствованы, их производительность увеличена до 40 т/ч, температура из зоны реакции повышена до 860−900°С при одновременном уменьшении времени контакта до 0,1−0,3 с. Однако, в трубчатых печах можно перерабатывать сырье с ограниченным концом кипения (не выше 350°С). Это ограничение, а также существенные недостатки печей (периодические остановки для выжига кокса, большая металлоемкость и необходимость применения высоколегированных сталей) являются причиной интенсивной разработки других типов реакторов для пиролиза.

Термоконтактный пиролиз, особенно в псевдоожиженном слое теплоносителя, имеет ряд преимуществ (легкость подвода тепла, высокая производительность агрегатов и возможность переработки самого тяжелого сырья, включая мазут и сырую нефть), хотя при этом методе трудно вести процесс при малом времени контакта. Капитальные вложения также велики. Однако, учитывая тенденцию к переходу на тяжелое сырье, можно ожидать распространение этого метода в промышленности.

Гомогенный пиролиз в токе водяного пара не получил широкого применения, вследствие большого расхода водяного пара. Поскольку расход пара имеет возможность снижаться при перегреве его до более высоких температур, перспективность метода зависит от разработки более экономичного способа получения высокотемпературного перегретого пара.

Окислительный пиролиз не получил широкого применения для получения этилена: это объясняется его существенными недостатками — расходом сырья на реакции окисления, что снижает технико-экономические показатели процесса, взрывоопасностью смесей и низким тепловым К.П. Д. Кроме того, при окислительном пиролизе выход олефинов ниже, чем при других методах пиролиза.

Разрабатываются все системы пиролиза с внутренним подводом тепла (с целью расширения ассортимента сырья, вовлекаемого в процесс), однако ни одна из них не получила широкого развития. Это объясняется сложностью применяемых конструкций, высокими эксплуатационными расходами и относительно небольшой производительностью агрегатов. Кроме того, большую роль сыграло усовершенствование трубчатых печей, увеличение их производительности и расширение интервала выкипания перерабатываемого сырья.

Основное условие для повышения выхода олефинов при пиролизе — идеальное регулирование температуры и времени контакта при полной невозможности смешения образовавшихся продуктов с исходным сырьем (так как это может привести к вторичному разложению и к увеличению выхода смолистых продуктов). Эти условия, как известно, лучше всего выдерживаются в трубчатых печах.

Таким образом, в настоящее время и на ближайшую перспективу пиролиз в трубчатых печах является единственным процессом широко применяемым в промышленности [6].

На нефтехимических установках наиболее часто применяют печи вертикального типа с вертикально расположенными змеевиками.

Применение вертикальных трубчатых змеевиков имеет ряд преимуществ [7]: возможны простые конструктивные решения при создании практически любого числа сырьевых потоков.

Потоки, находящиеся в отдельных трубчатых змеевиках, проходят по змеевикам отдельной конфигурации и находятся в одинаковых рабочих условиях. Узлы трубных опор, работающие только на растяжение (изгибающие напряжения отсутствуют), размещены вдали от горелок, в зонах высоких температур. Для их изготовления применяют недорогие материалы, что значительно снижает затраты на сооружение и эксплуатацию печей.

Вертикально подвешенные змеевики свободно расширяются и сжимаются с изменением температуры в печи, поэтому в отличии от печей с горизонтальными трубными змеевиками здесь не наблюдается прогиб труб между опорами и трение в опорах.

Основной поток тепла радиации воспринимается, в первую очередь, трубчатыми змеевиками, поэтому слой огнеупорной футеровки не должен иметь большую толщину. Кроме того, вследствие пониженных температур футеровки и тепловой изоляции стенки, уменьшаются тепловые потери. Они составляют не более 2% от общего количества тепла, в то время как в других печах они достигают 5%.

Печью аккумулируется сравнительно небольшое количество тепла, что позволяет легко производить зонное регулирование и быстро устанавливать оптимальный технологический режим при максимальном выходе целевых продуктов. Малая тепловая инерционность дает возможность оперативно останавливать печь в случае аварии или перед ремонтом.

В настоящее время сложились три типа змеевиков для высокотемпературных печей пиролиза:

• — змеевики постоянного проходного сечения
• — и сравнительно большого диаметра (51−89мм);
• — змеевики переменного проходного сечения, в которых диаметр увеличивается от входа к выходу [6].

Использование змеевиков большого и малого диаметра имеет отдельные преимущества и недостатки. Змеевики большого диаметра характеризуются высокими массовыми скоростями потока, а следовательно, позволяют достичь высокой производительности. Но в них невозможно создать время контакта менее 0,5 сек. В змеевиках малого диаметра, в которых обеспечивается более высокое соотношение нагреваемой поверхности и реакционного объема, можно вести пиролиз в жестком режиме при времени контакта 0,2−0,4сек. Их недостатком является относительно небольшая производительность одного потока и сокращение длительности пробега печи. Кроме того, в случаях их закоксовывания, быстрее чем в печах с трубами больших диаметров падает селективность процесса.

Исходя из этого, оптимальные области применения змеевиков постоянного проходного сечения следующие: для змеевиков большого диаметра — высокопроизводительные печи, работающие в режиме средней жесткости; для змеевиков малого диаметра — переработка жидкого и газового сырья в режиме высокой жесткости (при этом большая производительность печи достигается за счет применения параллельных потоков, что однако, усложняет ее конструкцию).

Исходя из вышеизложенного для данного проекта выбирают вертикальную пиролизную печь с «жестким» режимом пиролиза со следующими данными:

• 1. вертикальное расположение труб
• 2. число потоков — 8
• 3. внутренний диаметр радиантных труб 89 мм из стали жаропрочной 15×5 м.
• 4. однорядное расположение труб радиантного змеевика.

Рисунок 8 — План расположения змеевика в печи

• 1 — конвекционная секция
• 2 — радиантная секция
• 3 — трубы радиантной секции
• 4 — переход из конвекционной секции в радиантную
• 5 — выход продукта

Рисунок 9 — Трубчатая печь с излучающими стенками

• 1 — радиантная камера
• 2 — трубы радиантной камеры
• 3 — горелки настенные
• 4 — конвекционная камера
• 5 — трубопроводы для топливного газа
• 6 — горелки подовые