Расчёт трубчатого реактора пиролиза

 

 

 

2 Технологическое оформление процесса  пиролиза

 

Установка для производства олефинов состоит из двух важнейших  частей — узла пиролиза и узла очистки  и фракционирования.

1. Узел пиролиза

Узел пиролиза (от греческого pyros — огонь) состоит из газоотапливаемой печи, где и происходит крекинг. Этан проходит через лабиринт из труб диаметром 10 – 15 см, где он нагревается до 800 °С и разлагается.

Этан проходит через узел пиролиза с очень высокой скоростью. Продолжительность пребывания в реакторе отдельной молекулы составляет несколько секунд на старых установках и менее 100 мкс на новых. Большая скорость нужна для удержания процесса пиролиза в требуемых рамках, предотвращающих разложение сырья до термодинамически более устойчивых сажи (кокса) и водорода.

Пиролиз представляет собой  эндотермическую реакцию, требующую  подвода больших количеств тепла. В силу этого основными особенностями  процесса являются: быстрый подвод тепла (поскольку время контакта очень мало) и создание высоких  температур; необходимость “закалки” продуктов реакции, т.е. быстрое их охлаждение, с целью прекращения процесса и предотвращения вторичных реакций.

Пиролиз в трубчатых печах  в настоящее время практически  единственный промышленный метод. Наиболее традиционные режимы процесса - температура 800 – 870 °С и время контакта 0.2 с. - позволили довести выход этилена за проход до 27.5 - 29% (масс.)

На рис. 1 приведена принципиальная технологическая схема установки  пиролиза этана. Сырьё нагревается в теплообменнике 2 до 80 – 100 °С за счёт тепла циркулирующего тяжёлого масла и поступает в конвекционную камеру печи 3, где происходит его смешение с водяным паром. Реакционная смесь нагревается до 600 – 650 °С перед поступлением в радиантную камеру печи. Пиролиз углеводородного сырья протекает в радиантных трубах, на выходе из которых температура составляет 840 - 870°С. Продукты пиролиза охлаждаются в закалочно-испарительном аппарате (ЗИА) трубчатого типа, в межтрубном пространстве которого циркулирует химически очищенная вода. Отводимое тепло используется для выработки пара высокого давления. Охлаждённые в ЗИА до 350 – 400 °С продукты пиролиза направляются в узел дозакалки 6 для дальнейшего охлаждения  до  200°С  за счёт смешения с циркулирующим тяжёлым маслом.

 

						продукты		газ пиролиза			лёгкое масло
						пиролиза
				5
химически очищен- ная вода     водяной пар				4				6         хим.очищ.       вода			7           12
водяной пар высо- кого дав- ления				3				9	11     10	15	13
Этан	2												16
										вода		14
			тяжёлое масло						8		лёгкое масло
	1		(смола)									(смола)
Рис. 1.  Технологическая схема пиролиза этана:
1,8,15,16 - насосы; 2 - теплообменники; 3 - печь пиролиза; 4 - закалочно-испарительный аппарат; 5, 11 - паросборники; узел впрыска  масла; 7 - колонна первичного фракционирования; 9 - фильтр; 10 - котёл-утилизатор; 12 - колонна  водной промывки; 13 - водоотделитель; 14 - холодильник

 

Полученная смесь направляется в колонну 7 первичного фракционирования, орошаемую лёгким маслом, для отделения тяжёлой смолы, сажи и кокса. В средней части колонны расположены тарелки, на которых газ пиролиза дополнительно очищается от сажи и тяжёлых углеводородов циркулирующим тяжёлой смолой. С верха колонны выходит смесь газа, паров лёгкого масла и водяного пара. Пары из колонны первичного фракционирования поступают в колонну 12 водной промывки, где конденсируется смола и большая часть водяного пара. С верха колонны газ пиролиза направляется в отделение компримирования. Смесь лёгкого масла и воды с низа колонны 12 подают в водоотделитель 13, откуда часть лёгкого масла откачивают на верх колонны 7 в качестве орошения, а воду подают на орошение колонны 12.

Большое влияние на выход  и состав продуктов пиролиза оказывает  распределение температур по длине радиантного змеевика. Регулирование распределения температур осуществляется с помощью горелок. Температурные кривые могут быть выпуклыми, прямолинейными или вогнутыми [приложение 2]. При вогнутых эпюрах получается меньше этилена и больше пропилена и углеводородов С₄, поскольку реагирующая смесь сравнительно небольшое время находится в зоне высоких температур. Напротив, при выпуклой эпюре пары находятся при высоких температурах более длительное время, поэтому при одинаковой конечной температуре на выходе из печи получается больше этилена и меньше пропилена и фракции С₄. При прямолинейной эпюре для получения того же количества этилена, что и при выпуклой, требуется более высокая температура на выходе из печи. Жёсткость процесса характеризует фактор профиля:

                                                                           Dt _{последней трети змеевика}

Фактор профиля  =  ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾

                                                                              Dt _{всей зоны реакции}

Чем меньше величина фактора  профиля, тем жестче режим процесса.

Селективность пиролиза определяется отношением выхода целевого продукта к суммарному выходу всех продуктов превращения сырья. Поэтому селективность пиролиза пропана по этилену и пропилену будет изменяться в зависимости от жёсткости процесса.

2. Узел очистки  и фракционирования пирогаза

Пирогаз, покидающий реакционный  змеевик, на 40 - 50% состоит из непрореагировавшего этана. Таким образом, часть работы узла очистки направлена на отделение этана, который затем возвращается в процесс. Такой способ переработки сырья иногда называют рециркуляцией «до уничтожения». В результате, благодаря рециркуляции этана после пиролиза и очистки, достигаются следующие суммарные выходы:

Выход, массовая доля, %

Метан и водород………………….................13

Этилен…………………………………………………..80

Пропан и более тяжелые продукты…….7

Продукт пиролиза «до уничтожения» уже не содержит этана. В секции очистки на установке пиролиза этана разделение газа можно осуществить двумя способами. Для фракционирования продукт должен быть переведен в жидкое состояние. А так как все продукты — легкие газы, сжижение можно провести, либо увеличив давление в компрессоре, либо сильно снизив температуру в емкости, которая называется холодильной камерой.

После компрессора располагается  ряд колонн фракционирования, как правило, это самые высокие сооружения на заводе по производству этилена, где в виде отдельных фракций получают смесь метана с водородом, этилен, этан, а также пропан и более тяжелые продукты. Все оборудование должно быть металлическим и толстостенным, чтобы выдерживать высокие давления, и теплоизолированным, чтобы сохранять низкие температуры. На установке имеется также узел гидрирования ацетилена, или конвертор. Следовые количества ацетилена, остающиеся в этилене, могут нарушить некоторые процессы с участием — особенно это касается производства полиэтилена. Поэтому поток продуктов обрабатывают водородом над катализатором (селективное гидрирование), чтобы превратить имеющееся малое количество ацетилена в этилен.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Расчет трубчатого реактора  пиролиза

Рассчитать реакционный  змеевик трубчатой печи градиентного типа [приложение 3] значит предварительным расчётом последовательно определить поверхность нагрева, длину и число труб змеевика, а также время пребывания реакционной смеси в змеевике, которое не должно быть выше некоторого оптимального значения, зависящего от температуры. Расчёт ведётся методом последовательного приближения - предварительно задаются перепадом давления в реакционном змеевике, а затем вычислениями подтверждают правильность принятой ранее величины.

Исходными  данными  для  расчёта являются:

1. Количество исходного газа – 25000 кг/ч;
2. Состав газа в мольных долях - таблица 2

Таблица 2 -  Состав газа

Компонент	М, кг/кмоль	Мольная доля, Сi
Н2	1	0,004
СН4	16	0,083
С2Н2	26	0,002
С2Н4	28	0,011
С2Н6	30	0,480
С3Н6	42	0,021
С3Н8	44	0,361
С4		0,028
С5+		0,010

 

3. Состав продуктов пиролиза (пирогаз) - таблица 2.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2.1 -  Состав продуктов пиролиза (пирогаз)

Компонент	М, кг/кмоль	Мольная доля, Сi
Н2	1	0,135
СН4	16	0,328
С2Н2	26	0,002
С2Н4	28	0,270
С3Н6	42	0,131
С3Н8	44	0,080
С4		0,041
С5+		0,010

4. Количество водяного пара, добавляемого к исходному сырью перед его подачей в печь – 3500 кг/ч
5. Состав топливного газа (мол. д) – таблица 2.2.

Таблица 2.2 -  Состав топливного газа (мол. д)

Компонент	М, кг/кмоль	Мольная доля, Сi
СН4	16	0,960
С2Н6	30	0,023
С3Н8	44	0,002
н-С4Н10	58	0,001
СО2	44	0,003
N2	14	0,011

 

6. Температура сырья на входе в печь – 650 °К

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1 расчет процесса горения

 

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Максимальный  выход этилена при пиролизе этана  в интервале 730 – 1100 °С

Приложение 2

Температурный профиль  печного змеевика

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение 3

Схема трубчатой  печи градиентного типа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список  используемой литературы   

 

1. Балыбердина  И.Т. Физические методы переработки и использование газа. М. «Недра», 1988г;
2. Бусыгина Н.В., Бусыгин И.Г. Технология переработки природного газа и газового конденсата. О.: ИПК «Газпромпечать», 2002г.;
3. Введенский А.А. Термодинамические расчеты нефтехимических процессов. Л.: «Гостоптехиздат», 1960 г- 576с.;
4. Кузнецов А.А, Кагерманов С.М, Судаков Е.Н. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. М.: «Химия», 1966г – 336с.;
5. Мурин В.И., Кисленко Н.Н., Сурков Ю.В. Технология переработки природного газа и конденсата. Справочник. В 2ч. М: ООО «Недра – Бизнесцентр» 2002г.- Ч.1 -517с.;
6. Рид Р. Свойства газов и жидкостей. Л.: «Химия», 1982г –592с.;
7. Сарданашвили А.Г., Львова А.Н.. Примеры и задачи по технологии переработки нефти и газа. М.: Химия, 1980г.;
8. Кикоин И.К. Справочник. Таблица физических величин, М.: «Автомиздат», 1976 г. – 1008с.;
9. Отчет о НИР ВУНИПИгаз «Проведение лабораторных испытаний цеолитов группы  NaX торговой марки «РеалСорб» г. Ярославль», 2008г.;
10. Объединение независимых экспертов в области геологии, металлургии и химической промышленности стран СНГ.  Обзор рынка синтетических цеолитов в СНГ. М: 2006г.;
11. ТУ 2163-007-21742510-2005 тип А. Цеолит синтетический гранулированный NaX-НПГ.;
12. Гилязетдинов Л.П., Фролов О.Е. Технологический расчет установки атмосферной перегонки нефти.    М., 1985г.;
13. Технологическая документация установки адсорбционной осушки и очистки природного газа от сернистых соединений.