16. Печи в химической промышленности.

 

Печами называются химические реакторы, работающие при высоких температурах. Процессы, протекающие в таких реакторах, требуют подвода и отвода больших количеств тепла и часто осуществляются при высоких давлениях.

Крекинг - наиболее распространенный процесс, осуществляемый в печах. Это высокотемпературное разложение углеводородного сырья с получением продуктов меньшей молекулярной массы (например, мазут R бензин). Условия проведения процесса: температура от 400⁰ до 500⁰С, давление 60 атм. Это термический крекинг.

Каталитический крекинг осуществляется в аппаратах с движущимся слоем гранулированного катализатора и используется для получения высокооктанового бензина.

Пиролиз аналогичен термическому крекингу, но проводится при более высоких температурах. Повышение температуры позволяет вести процессы при более низком давлении: температура от 650⁰ до 1200⁰С и давлении от 2 до 5 атм. Таким способом из углеводородных газов (пропан - бутан) или бензиновых фракций получают этилен, пропилен, бутадиен, ацетилен и этилен. Последний используется для производства этилового спирта, стирола, полиэтилена. Пиролиз осуществляется в змеевиках трубчатых печей в режиме идеального вытеснения. Трубы обогреваются пламенем горелок (при использовании газообразного топлива) или форсунок (при использовании жидкого топлива).

Например, обработка пропано-бутановой смеси осуществляется в следующих условиях:  конечная температура 1000⁰ - 1100⁰C,  давление 1 - 2атм, время реакции 0,7 - 1,5 с, начальная скорость газа 10 - 15м/с, конечная скорость газа 150 - 200м/с.

В печах так же осуществляются: отжиг клинкера (производство цемента), известняка, гипса, соды, пирита (производство серной кислоты).

Сложность процессов, протекающих в печах, можно проиллюстрировать на примере обжига колчедана.

При обжиге колчедана протекает несколько реакций. Вначале проходит реакция термического разложения дисульфида железа FeS₂ с образованием сульфида железа FeS и выделением парообразной серы:

2FeS₂ = 2FeS + S₂ - 103.9 кДж (24.8 ккал)

Выделение серы начинается при температуре около 500°C  и сильно ускоряется с дальнейшим ее увеличением. Далее пары серы сгорают с образованием двуокиси серы:

S _(газ) + O_{2 (газ)} = SO_{2 (газ)} +362.4 кДж (86.5 ккал)

Такая реакция протекает и при сжигании элементарной серы. Сульфид железа FeS также сгорает, однако точный механизм этого производства не установлен; предложено лишь несколько примерных схем  реакций. По одной из них первой стадией окисления FeS является образование сульфатов железа, далее разлагающихся до окислов железа.

Суммарный процесс горения колчедана протекает с образованием либо  окиси железа: 4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8 SO₂ + 3415.7 кДж (815.2 ккал)

либо закиси-окиси железа

3FeS₂+ 8O₂ = Fe₃O₄ + 6SO₂ + 2438.2 кДж (581.9 ккал)

Благоприятными условиями для образования Fe₃O₄ являются высокая температура, повышенное содержание сернистого ангидрида в газе и относительно большое количество несгоревшего колчедана. Присутствующие в колчедане сульфиды цветных металлов образуют окислы или сульфаты в зависимости от условий обжига (температуры, содержания в газе O₂ и др.). При наличии карбонатов металлов выделяется двуокись углерода и образуются окислы соответствующих металлов, которые затем превращаются в сульфаты.

При обжиге углистого колчедана одновременно с серой сгорает содержащийся в ней углерод: C + O₂ = CO₂ +409.8 кДж (97.8 ккал)

В этом случае уменьшается содержание O₂ в обжиговом газе, что снижает скорость дальнейшего процесса окисления сернистого ангидрида на катализаторе.

При окислении колчедана огарком (при температуре около 800°C) получают высококонцентрированный сернистый газ:

FeS₂ +16Fe₂O₃ +11Fe₃O₄ + 2SO₂ - 450.8 кДж (107.6 ккал)

Образовавшаяся закись-окись железа окисляется кислородом воздуха при температуре около 900°C и снова возвращается в процесс:

11Fe₃O₄ + 2.75O₂ = 16.5Fe₂O₃ + 1279.2 кДж (305.3 ккал)

 

Классификация печей

1.       Шахтные печи и газогенераторы (вертикально-цилиндрические реакторы).

2.       Полочные обжиговые печи.

3.       Барабанные вращающиеся печи (вращающиеся муфельные печи).

4.       Печи с псевдоожиженным слоем.

5.       Роторные печи (периодические с наружным обогревом)

 

Трубчатые печи.

 

Трубчатые печи отличаются разнообразием конструкций, зависящих от вида используемого топлива. Основные элементы печи - стальной сварной каркас, кирпичная кладка, образующая стены под и свод печи, змеевик, расположенный внутри, горелки или форсунки для сжигания топлива, дымоход и дымовая труба. Внутреннее пространство печи разделено обыч-но на две камеры - радиантную (топочную) и конвекционную, - в   каждой из которых размещены секции змеевика. Ряд труб змеевика, размещенных в топочной камере и воспринимающих лучистую теплоту горелок, называют экраном. В радиантной камере сырью  передается основная доля теплоты (около 70  %). К трубам конвекционной секции змеевика теплота подводится от дымовых газов в основном конвекцией (70 %) и частично лучеиспусканием от дымовых газов (20 %) и нагретых .стенок камеры (10 %). Дымовые газы движутся через трубчатую печь обычно под действием естественной тяги, регулируемой шибером в дымоходе.

В установках пиролиза используют в основном печи коробчатой формы с горизонтальным расположением труб змеевика и беспламенными (точнее короткопламенными) газовыми горелками панельного типа. Нижняя часть боковых стен печи выполнена из беспламенных панельных газовых горелок, расположенных пятью горизонтальными рядами в каждой стене и образующих два излучающих блока. В середине топочной камеры установлен трубный экран двустороннего облучения, делящий камеру на две половины. В связи с этим печь считают двухкамерной (две камеры радиации). Экран может быть одно- или двухрядным. Имеются также подовый и потолочный экраны. В расположенном над топочной камерой дымоходе 2 размещены трубы конвекционной части змеевика 3. Пройдя конвекционную камеру, газы поступают в дымовую трубу.

 

В установках пиролиза сырье (пропан-бутановая фракция) после испарения и предварительного нагревания в теплообмен-нике поступает двумя потоками сначала в конвекционную часть змеевика печи, а затем в радиантную (т. е. в трубы экранов). Выходящий из печи пирогаз поступает в закалочный аппарат, где быстрым охлаждением (впрыскиванием воды) прекращают реак-цию. В печи можно регулировать теплоотдачу к различным участкам радиантного змеевика подачей топливного газа к горелкам. Для этого каждый ряд горелок питается независимо от обособленного коллектора.

  Удобные и высокоэффективные нагреватели для печей - беспламенные панельные горелки (рис. 16.2), обеспечивающие полное сгорание газа при малом коэффициенте избытка воздуха благодаря высокой температуре в зоне горения. Горелка имеет распределительную камеру (короб) 1, в переднюю часть которой вварены трубки для выхода газовоздушной смеси. На свободные концы трубок надеты керамические призмы 6, каждая с четырьмя цилиндро-коническими отверстиями (туннелями). Призмы образуют керамическую панель размерами 500x500 или 605x605 мм, служащую при горении газа аккумулятором и излучателем теплоты. Между призмами и стенкой короба расположен слой теплоизоляции 7 из диатомовой крошки. К задней стенке короба 1 прикреплен инжекторный смеситель 2 газа (метано-водородной фракции) с воздухом, снабженный соплом 3 и заслонкой 4. Газ поступает в сопло 3 из патрубка 5. Выходя из сопла с высокой скоростью, газ инжекти-рует из атмосферы необходимое количество воздуха. Газовоздушная смесь смесь, образующаяся в смесителе 2, обтекая отбойник, поступает в короб, откуда распределяется по трубкам (ниппелям) горелки. Сгорание смеси происходит и в основном завершается в туннелях керамических элементов, куда смесь поступает из трубок. Для того, чтобы пламя из туннелей не проскакивало внутрь короба, скорость газовоздушной смеси в распределительных трубках не должна быть меньше скорости распространения пламени. В туннелях, благодаря их конической форме, обеспечивается равенство этих скоростей, что является необходимым условием нормальной работы горелок.

Горелки соединены между собой болтами 8 с гайками 9, образуя излучающие стены печей. Зазоры между горелками заполняются диатомовой крошкой 10 и уплотняются асбестовым шнуром 11.

Теплопроизводительность горелок регулируют изменением подачи газа в коллектор, к которому подключен данный ряд горелок. Необходимое для горения количество воздуха устанавливают заслонкой 4 индивидуально для каждой горелки. Для газа заданного состава такая регулировка необходима лишь при пуске печи, так как конструкция инжекционного смесителя обеспечивает практически постоянное соотношение количества газа и воздуха в пределах изменения теплопроизводительности горелки примерно в 2 раза.

Змеевик трубчатой печи составляют из прямых бесшовных труб длиной 6-18 м, с наружным диаметром 60-219 мм. Наиболее часто используют трубы диаметром 102; 127 и 152 мм. Трубы соединяют в непрерывную цепочку специальными печными двойниками с крышками или без них. Открываемые двойники применяют при температуре до 560 °С, когда необходима механическая чистка внутреннего пространства труб от отложений кокса. В печах пиролиза, работающих при более высокой температуре, трубы соединяют обычно приварными двойниками. Из-за малого расстояния между трубами ((1,8-2,2) d) двойники нельзя изготовлять из трубы гибкой; их получают протяжкой труб или сваркой штампованных половин. В этом случае трубы очищают от кокса выжиганием. Для этого в трубы подают смесь, состоящую из одной части воздуха и десяти частей водяного пара.

Материал труб змеевика выбирают в зависимости от температурного режима и коррозионных свойств сырья, причем в различных зонах печи используют трубы, из разных материалов. Так, в печах пиролиза начальные участки змеевика, расположенные в конвекционной зоне, работают при температуре 30-400 °С, а конечные, находящиеся в радиантной камере, - при температуре 500-900 °С. По этой причине конвекционные трубы первых рядов изготовляют из углеродистых стальных труб (20Г), последних рядов - из хромомолибденовой стали (15Х5М), а радиантные трубы - из жаропрочной стали 12Х18Н10Т. 268

Для крепления труб змеевиков в печах используют подвески кронштейны различных конструкций. Для той же цели по торцам печи устанавливают две трубные решетки в виде вертикальных прямоугольных листов с отверстиями для труб. Трубные ре-щетки теплоизолируют со стороны, обращенной в сторону топочной камеры. Подвески располагают на расстоянии 0,8-3 м одна от другой, в зависимости от температуры труб.

Подвески, кронштейны и трубные решетки радиантной камеры, работающие при температуре до 1000 °С, отливают из жаропрочной стали 20Х23Н13. В конвекционной камере, где температура ниже, используют подвески из чугуна СЧ21 или из стали 40Х9С2. Подвески крепят к каркасу печи болтами.