книги / Справочное пособие по теплотехнологическому оборудованию промышленных предприятий

Выпарные установки классифицируют по режиму работы (периодического и непрерывного действия), методу обогрева и роду теплоносителей, расположе­ нию и виду поверхностей теплообмена, расположению рабочих сред, режиму и кратности циркуляции раствора [5, 70].

По методу обогрева выпарные аппараты бывают: с газовым обогревом; с обогревом жидким теплоносителем; с паровым обогревом; с непосредственнымобогревом дымовыми газами (за счет барботажа или наружного горения). Наи­ большее применение получили аппараты с паровым обогревом, которые отли­ чаются гибкостью регулирования.

Компоновка поверхности нагрева в выпарных аппаратах может быть вер­ тикальной, горизонтальной и наклонной. Поверхность теплообмена конструктив­ но оформлена в виде пучка труб, паровой рубашки или змеевика.

По расположению рабочих сред различают выпарные аппараты с подачей

с естественной, принудительной циркуляцией и пленочные. По кратности цирку­ ляции— с однократной и многократной циркуляцией кипящего раствора.

Существует много конструкций выпарных аппаратов. В настоящее время количество типов и конструктивных разновидностей их сокращается за счет уни­ фикации узлов и деталей. Наибольшее распространение получили вертикальные трубчатые выпарные аппараты непрерывного действия с естественной и (реже) принудительной циркуляцией. Характеристики этих аппаратов, а также аппаратов

•сепарации) при диаметре сепаратора до 1600 мм должна быть 12 0 0 мм, для сепараторов с большим диаметром — не менее 2000 мм.

Выбор типа аппарата для сгущения определенного раствора зависит от свойств этого раствора: плотности, вязкости, температуры кипения, поверхностно­ го натяжения, коэффициента растворимости, физико-химической температуры депрессий, склонности к вспениванию и кристаллизации. При выборе типа вы­ парного аппарата руководствуются следующими рекомендациями [5]:

естественной циркуляцией раствора; 2 ) выпаривание сильно кристаллизирующихся растворов умеренной вязкости

ваппаратах с принудительной циркуляцией или с опускающейся пленкой;

4)пенящиеся некристаллизнрующиеся растворы выпаривают в аппаратах с поднимающейся пленкой.

В промышленности выпарку обычно ведут в аппаратах непрерывного дей­

пар каждой ступени используется в последующих ступенях с более низким дав­ лением.

Увеличение числа корпусов уменьшает расход пара, но увеличивает стои­ мость установки. Существует предельное и рациональное число корпусов выпар­ ной установки. Число корпусов в установках многократного выпаривания, при котором полезная разность температур принимает минимальное положительное значение, является теоретически предельным. Целесообразное число ступеней •определяется на основе технико-экономических расчетов [7, 27, 39, 109].

В зависимости от числа корпусов, способа их компоновки и соединения меж­ ду собой, способа подвода греющего пара и давления вторичного пара, а также

192

J L Р>ШПа

Рис 9.15. Схемы выпарных установок.

,3- Зак. 2571

технологии обработки раствора различают несколько групп промышленных вы­ парных установок [5] (рис. 9.15):

1 ) по взаимному направлению потоков греющего пара и выпариваемого рас­

одной ступени могут быть один, два и более параллельно включенных корпусов); 4) в зависимости от технологии обработки раствора при выпарке — одно­ стадийные и многостадийные, т. е. сгущенный раствор отбирается от выпарной станции и направляется для дополнительной обработки (осветления, фильтрации),

а затем поступает на довыпарнвание в следующую ступень.

Вследствие такого разнообразия технологических схем необходимо, чтобы при проектировании выпарных установок производился оптимальный выбор схе­ мы подогрева раствора, схемы питания аппаратов раствором (оптимальное число ступеней установки) и рациональной системы использования вторичного тепла.

При выборе схемы подогрева раствора исходят из того, что греющий тепло­ носитель, поступающий в первую ступень выпарной установки, должен иметь температуру, которая обеспечивает перепад температур в первом корпусе не менее 8—10°С и необходимую разность температур по всей установке, т. е. вы­

правляемого потребителю из последнего корпуса), °С. В то же время необхо­ димо помнить, что повышение температуры греющего теплоносителя всегда вле­ чет за собой дополнительный расход топлива.

Температура раствора перед поступлением его в первую ступень должна быть по возможности близкой к температуре кипения. Для выполнения этого требования обычно применяют схему регенеративного подогрева.

При выборе схемы питания аппаратов раствором предпочтение, как прави­ ло, отдают прямоточной схеме. Протнвоточные схемы питания применяются на установках, предназначенных для обработки растворов, у которых с ростом концентрации повышается вязкость. В противоточных схемах перед каждой ступенью выпарки необходимо устанавливать насос для перекачивания раство­ ра и повышения давления.

Схемы с параллельным питанием применяют для упаривания кристаллизи­ рующихся растворов, близких к насыщению, в которых при незначительной раз­ нице в концентрации образуются кристаллы. Схемы смешанного тока находят применение в тех же случаях, что и протнвоточные. Преимуществом схемы сме­ шанного тока является уменьшение числа необходимых насосов при сохранении положительных качеств противоточиой схемы.

194

ступенях, °С; tп — энтальпия пара в последней ступени, кДж/кг; Со, с<>— соответ­

ратуры воды соответственно на входе'и" выходе, СС.

Вторичное тепло выпарном установки может использоваться для постоянных потребителей предприятия или в самой выпарной установке (подогрев исходно­ го раствора и различных промывных вод, растворение солен, горячее водоснабже­ ние). В последнем случае используются выпарные станции с ухудшенным вакуу­ мом или с противодавлением вторичного пара в последней ступени. При отсутст­ вии потребителей низкопотенциального тепла применяют выпарные установки под вакуумом (абсолютное давление конденсации пара 10—20 кПа).

9.3.4.Трубчатые печи

Трубчатые печи — основное оборудование многих установок нефтеперерабаты­ вающих и нефтехимических производств. В зависимости от назначения в техно­ логической схеме эти печи могут быть подогревателями и испарителями сырья, а также высокотемпературными нагревателями и перегревателями полупродук­ тов. В некоторых нефтехимических процессах (термокрекииг, пиролиз, конвер­ сия) печи служат реакторами.

Табл. 9.6. Допускаемые теплонапряжения поверхностей нагрева радиационных трубчатых змеевиков печей [27]

Современные трубчатые печи в основном являются радиационно-конвектив­ ными. Мазут или газ сжигается в горелках, расположенных в камере радиации. Продукты сгорания из радиационной части идут в конвективную камеру, откуда следуют в газосборннк и уходят из установки. Нефтепродукты поступают в верх­ ние трубы конвективного змеевика, проходят трубы настенных экранов камеры радиации и, нагретые до требуемой температуры, выходят из печи.

Средние значения допускаемой теплонапряженности поверхности трубчатых печей приведены в табл. 9.6. Для печей с двусторонним обогревом, в которых тепло по поверхности рабочих труб распределяется равномерно, значения вели­ чин, приведенных в табл. 9.6, могут быть увеличены на 50 %.

В зависимости от специфики технологического процесса, физико-химических свойств нагреваемой среды и вида топлива применяют печи различных конструк­ ций и параметров.

В Советском Союзе выпускаются трубчатые печи типа Б, 3, В, Г, Ц, Р с поверхностью нагрева 15—2200 м2. В зависимости от способа сжигания топлива и конструкции печи типа Б, 3, Г и Ц изготавливают в двух исполнениях соответ­ ственно ББ1 и ББ2, ЗР и ЗД, ГН и ГС, ЦС и ЦД. Печи каждого типа имеют не­ сколько типоразмеров, отличающихся длиной труб змеевика и поверхностью на­ грева камеры радиации (см. табл. 9.7). В табл. 9.7 теплопроизводителыюсть трубчатых печей (ТП) дана при среднедопускаемом теплонапряжении для уста­ новок АГ.

.Трубы для змеевиков выполняют из углеродистой и низколегированной ста­

тельно включающий: буквенное обозначение типа печи (Б, 3, В, Г, Ц, Р), кото­ рое характеризует способ сжигания топлива (Б — беспламенное, Р — беспламен­ ное с резервным жидким топливом, Н — настильное и объемно-настильное, Д — настильное с дифференцированным подводом воздуха, С — пламенное со свобод­

отводом дымовых газов и горизонтальным расположением труб змеевика. При­ меняются в том случае, когда дымовые газы из печей направляются через борова в котел-утилизатор или воздухоподогреватель и далее в отдельно стоящую тру­ бу. Их конструктивной особенностью являются излучающие стены топки, собран­ ные из нескольких рядов беспламенных горелок в каждой камере, что позволяет не только интенсифицировать теплоотдачу радиацией, но и регулировать про­ цесс теплоотдачи к трубному экрану.

Печи типа 3 — узкокамерные с зональной регулировкой величины теплоот­ дачи и с верхним отводом дымовых газов, работают на жидком и газообразном топливе. Эти печи радиационно-конвективные с двумя камерами радиации. Их изготавливают в двух исполнениях: печи ЗР — с беспламенным сжиганием газо­ образного топлива и настильным сжиганием резервного жидкого топлива; печи ЗД — с настильным сжиганием жидкого и газообразного топлива и дифферен­ циальным подводом воздуха. Особенность конструкции печей ЗР в том, что в них наряду с панельными газовыми горелками типа ГБП имеются резервные газо­ мазутные горелки типа ФГЩУ, расположенные в поду камеры вдоль излучаю­ щих стен с шагом 1 м. Печи ЗД отличаются от печей ЗР отсутствием панельных горелок. У них имеется встроенный воздухоподогреватель. Температура подогре­ ва воздуха 190—220 °С. Воздух частично подается к регистрам горелок, а час­ тично вводится в печь через каналы, расположенные двумя горизонтальными рядами по высоте стен.

Печи типа В — узкокамерные секционные с верхним отводом дымовых газов и вертикальными змеевиками. В основу конструкции секционных печей положе­ на отдельная секция теплопроизводительностью (1,0—1,7) 103 кВт.

Печи типа Г — узкокамерные с верхним отводом дымовых газов, радиацион­ но-конвективные. Выпускаются в двух исполнениях: ГС — вертикально-факель­ ного сжигания топлива с одной камерой радиации и ГН — объемно-настильного сжигания топлива с двумя камерами радиации. В печах ГС устанавливают газо-

196

Табл. 9.7. Техническая характеристика трубчатых печей [27]

197

Окончание табл. 9.7

198

мазутные факельные горелки типа ГИК или ФГМ, располагая их в поду печи в шахматном порядке. Особенностью конструкции печей ГН является наличие на­ стильной стены, которая делит камеру радиации на две камеры с независимыми температурными условиями. Горелки комбинированные типа ДП-2 размещены на боковых стенах под углом 45° к настильной стене. Факел, образующийся при сжи­ гании топлива, с двух сторон настилается на стену, расположенную в центре пе­ чи. Тепло от раскаленной стены и факела передается экранам.

Печи типа Ц — цилиндрического типа. Выпускаются в двух исполнениях: ЦС — с одной камерой радиации и факельным сжиганием жидкого и газообраз­ ного топлива и Ц Д — с несколькими камерами радиации и настильным сжига­ нием жидкого и газообразного топлива и дифференцированным подводом возду­ ха. В печах ЦС в зависимости от вида топлива и теплопроизводительностн уста­ навливаются горелки типа ФГМ, ГИК и ГЭВК. В печах ЦД в отличие от печей ЦС по осн камеры радиации установлен рассекатель-распределитель в виде пи­ рамиды с вогнутыми гранями. Грани представляют настильные стены для фа­ келов горелок типа ГЭВК, установленных в поду печи. Рассекатель-распредели­ тель разбивает камеру радиации на несколько независимых зон теплообмена для регулировки тсплонаиряження по длине змеевика. Горение происходит так, что первичный воздух подается через регистр горелок, остальной воздух — через от­ верстия в гранях (настильных стенах) рассекателя.

Печи типа Р — многокамерные, радиационно-конвективные. Применяются для нагрева газосырьевой смеси в процессах каталитического риформинга и гидро­ очистки. На печах устанавливают комбинированные горелки типа ФГМ, разме­ щая их на фронтальной стене каждой камеры.

При проектировании технологических установок нефтехимических заводов обычно осуществляется привязка типовой трубчатой печи, выбор которой опре­ деляется тепловой мощностью, назначением и технологическими параметрами. Выбор печи, как правило, не является однозначным. Для одних и тех же усло­ вий могут равноценно применяться различные типы печей. Поэтому при выборе типа печи, помимо технологических требований, учитывают и другие условия, связанные с размещением печи, утилизацией тепла продуктов сгорания, стои­ мостью змеевика и каркаса. Основными факторами при таком выборе являются надежность, простота конструкции, экономичность. Во многих случаях этим тре­ бованиям на практике удовлетворяют современные узкокамерные печи ГС с вертикальным свободным факелом и цилиндрические печи ЦС, получившие в по­ следние годы преимущественное распространение как у нас в стране, так и за рубежом.

Некоторые специфические условия применения трубчатых печей при высоко­ температурных процессах, требования более тонкого регулирования теплоотво­ да по длине змеевика в сочетании с повышением эффективности использования поверхности радиационных труб и исключением местных перегревов вызвали не­ обходимость разработки и применения конструкций печей с излучающими стена­ ми, настильным факелом, дифференцированным подводом воздуха, с секцио­ нированием камер радиации.

При нижнем отводе дымовых газов из печи следует применять печи типа ББ, а при верхнем — типа ГБ.

Трубчатые печи типов ГС и ГН позволяют вести нагрев двух, четырех и даже восьми (при блокировке двух печей ГС) симметричных потоков. Эти печи выгодно применять в следующих случаях: 1 ) топливо — газ и мазут в различ­ ных соотношениях; 2 ) нагрев сырья производится до температуры, не превыша­

5) необходимо горизонтальное расположение труб. Трубный змеевик в этих пе­ чах выполнен из малолегированной стали, и стоимость его относительно стоимо­ сти всей печи невелика. При необходимости тонкой регулировки температуры потоков применяют печь типа ГН2.

Печи типа ВС применяются в тех же случаях, что и типа ГС, а также тогда, когда: 1 ) необходимо подогреть несколько самостоятельно регулируемых пото­ ков (печь секционная, число симметричных потоков в одной секции может быть равно одному, двум или четырем); 2 ) не требуется производить аварийного спус­ ка продукта из змеевика при отсутствии водяного пара; 3) очистка труб от

199

кокса и солей возможна методом выжига или промывки, а не механическим спо­ собом.

Трубчатые печи типа ЦС рекомендуется применять в случаях, когда: 1) не­ обходима небольшая теплопроизводительность (0,2—9,3 МВт); 2) площадь, зани­ маемая печью, должна быть наименьшей; 3) имеется большое число симметрич­ ных потоков (см. также пп. 1—4 для печей типа ГС и пп. 2, 3 для печей типа ВС).

Трубчатые печи типа ЦД целесообразно применять, если поверхность нагре­ ва радиационных труб 300—1200 м2 при нескольких самостоятельно регулиру­ емых потоках и более высоких теплонапряжениях, чем в печах типа ВС и ЦС (см. также пп. 1—4 для печей ГС).

Для технологических процессов, в которых не предъявляются особые тре­ бования к режиму нагрева продукта в змеевике, могут быть с успехом приме­ нены любые типы трубчатых печей, однако для установки, например, атмосфер­ ной перегонки (АТ) наиболее приемлемы вертикально-факельные трубчатые пе­ чи, как наиболее простые по конструкции. Если к режиму нагрева предъявля­ ются особые требования (например, при вакуумной перегонке (ВТ), когда не допускается перегрев продукта выше 415—420 °С), наиболее приемлемы цилиндри­ ческие трубчатые печи с дифференцированным подводом воздуха типа ЦД. В то же время в целях использования однотипных печей на установках АВТ применяют вертикально-факельные печи для АТ и ВТ.

После выбора типа печи определяют поверхность труб камеры радиации и типоразмер печи. В соответствии со скоростью нагреваемой среды выбирают диа­ метр труб и число параллельных потоков. Оптимальная скорость соответствует наименьшей удельной стоимости нагрева.

200