ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2013, том 47, № 6, с. 603-611
УДК 541.12:532.5,611.51.17.15
ВЛИЯНИЕ ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ПАРАМЕТРОВ НА ПРОЦЕСС ПИРОЛИЗА СЖИЖЕННЫХ НЕФТЯНЫХ ГАЗОВ В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМ
ПОТОКЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
© 2013 г. М. Г. Кталхерман, И. Г. Намятов*, В. А. Емелькин
Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, г. Новосибирск *Институт химической кинетики и горения СО РАН, г. Новосибирск ktalkherman@itam.nsc.ru Поступила в редакцию 19.06.2012 г.
Проведены подробные измерения температур и концентраций компонентов в процессе пиролиза сжиженных нефтяных газов в модельном реакторе, на входе которого реализуются условия быстрого смешения сырья с теплоносителем. Разработана теоретическая модель процесса с использованием детальной кинетической схемы реакций, протестированной по литературным данным и результатам наших экспериментов. Отличительной особенностью результатов проведенных экспериментов является существенное увеличение выхода наиболее ценного продукта нефтехимии — этилена — по сравнению с традиционным методом печного пиролиза. По результатам численного моделирования определено влияние температуры, давления и времени пребывания в реакторе на состав продуктов пиролиза. Результаты расчетов позволяют оптимизировать условия работы реактора быстрого смешения.
Б01: 10.7868/80040357113060055
ВВЕДЕНИЕ
Базовыми продуктами современной нефтехимической промышленности являются низшие олефины (этилен, пропилен), используемые для получения пластмасс, синтетических нитей, каучука и т.д. Этилен и большую часть пропилена получают в процессе термического разложения ряда высокомолекулярных органических веществ в более полезные продукты с более низкой (в основном) молекулярной массой. В качестве сырья пи-ролизного производства используют жидкие и газообразные углеводороды: прямогонный бензин (нафта), газойли, этан, пропан, бутан. Подогретая до температуры ~820—900 К смесь сырья с водяным паром поступает на вход реакционного змеевика, расположенного в радиантной части печи. За счет тепла, поступающего со стенок змеевика, температура реагирующего потока увеличивается до 1100—1200 К на выходе, где достигается максимальная концентрация наиболее ценного продукта нефтехимии — этилена. Затем реагирующий поток быстро охлаждается, после чего смесь поступает на участки фракционирования, компри-мирования и газоразделения. Время пребывания сырья в реакционной зоне зависит от максимальной температуры процесса и обычно находится в пределах 0.1—0.5 с.
Эффективность процесса пиролиза в основном определяют затраты энергии и сырья. В работах [1, 2] приведены типичные значения удельных
энергозатрат, а в [3—5] — составы продуктов пиролиза. Из [3—5] следует, что, несмотря на определенное различие общей технологической схемы процесса, показатели эффективности узла пиролиза (характеризуемые выходом этилена и пропилена) отличаются незначительно. Поскольку возможности интенсификации процесса в рамках традиционной схемы пиролиза практически исчерпаны, интерес представляют альтернативные методы, среди которых наиболее перспективны, по нашему мнению, каталитический способ и пиролиз сырья в высокотемпературном потоке теплоносителя. Первый из них недавно реализован на крупнотоннажных установках [6, 7], при этом уровень температур в реакторе понизился, выход этилена остался практически неизменным, а выход пропилена значительно увеличился.
Другой путь интенсификации процесса пиролиза, ориентированный, в основном, на увеличение выхода этилена, связан с увеличением температуры в зоне реакций, что невозможно осуществить в рамках традиционной схемы из-за ограничения по жаростойкости труб змеевиков. Однако это ограничение можно преодолеть, если тепло к сырью подводить не со стенок труб, а передать его непосредственно, путем смешения сырья с высокоэн-тальпийным потоком теплоносителя, запаса тепла в котором достаточно для осуществления процесса пиролиза при высоких температурах. Ключевой проблемой в этом методе является процесс смешения сырья с теплоносителем, который должен про-
Топливо Сырье (+пар)
Пар
Рис. 1. Блок-схема процесса пиролиза.
Горелочное Камера
устройство сгорания Смеситель Реактор
исходить очень быстро, чтобы время пребывания сырья в высокотемпературной области смесителя было предельно малым. Тем самым можно будет предотвратить или свести к минимуму роль реакций в неконтролируемых (и неоптимальных) условиях перед входом в реактор.
В литературе описаны различные схемы смешения сырья с теплоносителем [8—11]. Так, в [10, 11] смешение полностью, а в [9] частично происходит в сверхзвуковом потоке при температурах ниже температуры начала реакций. После завершения смешения поток в скачках уплотнения переходит в дозвуковой. Его температура быстро увеличивается до заданного значения. В экспериментах ВНИИОС, описанных в [8], использовалась схема смешения с вводом струи сырья вдоль оси реактора.
В работе [12] нами предложен отличный от указанных выше метод пиролиза сырья в высокотемпературном потоке теплоносителя. Этот метод основан на возможности реализации ультракороткого времени смешения сырья с теплоносителем. Геометрия смесителя, работающего в режиме столкновения струй с поперечным потоком, была установлена в серии экспериментов [13] на газодинамической установке. Возможность реализации ультракороткого времени смешения сырья с теплоносителем позволила исследовать процесс пиролиза сжиженных нефтяных газов при температурах на входе в реактор, на 200 К превышающих
максимальные значения в традиционном методе. При этом выход этилена существенно увеличился [14, 15].
Настоящая работа продолжает начатое исследование процесса пиролиза сжиженных нефтяных газов в реакторе быстрого смешения. Поскольку условия работы модельной установки не полностью соответствуют предложенной схеме, с использованием теоретической модели, оттестированной по результатам экспериментов, были определены характеристики процесса в условиях, соответствующих реальным. Исследовано также влияние на состав продуктов пиролиза основных факторов, определяющих эффективность процесса: температуры, давления и времени пребывания реагирующей смеси в реакторе.
ЭКСПЕРИМЕНТ
На рис. 1 приведена блок-схема процесса пиролиза углеводородов в реакторе быстрого смешения, а на рис. 2 — схема модельной установки. В качестве теплоносителя в предлагаемом методе предполагается использовать продукты сгорания стехиометрической топливокислородной смеси, разбавленные перегретым паром. Струи пироли-зируемого сырья вдуваются в дозвуковой поток теплоносителя по нормали к оси установки. При этом сырье может быть газом и предварительно испаренной жидкостью, и в случае необходимо-
сти (для улучшения качества смешения) инжектируется в реактор с перегретым паром. Геометрия узла ввода струй выбирается из условия быстрого и качественного смешения сырья с теплоносителем, а время пребывания сырья в реакторе соответствует получению оптимального состава продуктов пиролиза на выходе реактора. Затем смесь пирога-за с паром быстро охлаждается в закалочно-испа-рительном аппарате.
Модельная экспериментальная установка, подробное описание которой приведено в [14, 15], предназначена для исследования процесса пиролиза углеводородов в реакторе быстрого смешения. В ее конструкции, в основном, учтены основные особенности предложенной схемы процесса. Основные узлы установки — горелочное устройство, камера сгорания, смеситель и реактор, состоящий из двух секций (диаметром 40 и 80 мм соответственно и длиной 1.15 и 1.52 м соответственно). Камера сгорания охлаждалась водой, а стенки реактора были покрыты слоем муллито-вой ваты толщиной 10 мм. Все детали установки изготовлены из нержавеющей стали. Диаметр цилиндрической части смесителя равен 15 мм. Вдув струй сырья осуществлялся через 8 отверстий диаметром 0.75 мм. Вдоль реактора размещались термопары и охлаждаемые водой пробоотборники. Давление в реакторе было близко к атмосферному.
Для выбора геометрии камеры смешения использовали результаты исследования качества смешения струй с поперечным потоком в цилиндрическом канале [13]. За основу был взят вариант смесителя, в котором высокая однородность результирующего потока достигалась на коротком расстоянии, а именно на относительной длине Ь/Б = 1, где Ь и Б — длина и диаметр канала смесителя. По сравнению с исследованным в [14] вариантом камеры смешения диаметр смесителя был уменьшен с 40 до 15 мм, а относительные размеры смесителя (й/Б и Б/й, где й и Б — диаметр и шаг расположения отверстий) оставались неизменными. При этом мы исходили из следующих соображений. Уменьшение диаметра канала Б для геометрически подобных смесителей при одних и тех же параметрах основного и вдуваемого потока позволяет сократить время смешения, поскольку уменьшается абсолютная длина области перемешивания (при неизменном значении Ь/Б) и увеличивается средняя скорость в канале смесителя.
Второе обстоятельство, которое также принималось во внимание при выборе геометрии смесителя, состояло в том, чтобы обеспечить в условиях работы смесителя в составе установки пиролиза соотношение импульсов струи и основного потока таким, чтобы струи сталкивались на оси канала. Как было показано в [13], это условие является необходимым для всех исследованных вариантов смесителей, когда необходимо сократить
протяженность области перемешивания. Для выбранного варианта смесителя взвешенное по площади среднеквадратичное отклонение концентрации вдуваемого вещества от среднего значения составляло ~4% при h/D = 0.5 и с ростом h/D продолжало уменьшаться [13]. Здесь h/D рассматривается как "параметр дальнобойности", где h -дальнобойность струи в неограниченном поперечном потоке, рассчитанная по известному эмпирическому соотношению [16].
Таким образом, полагалось, что для геометрически подобных смесителей при одинаковом значении "параметра дальнобойности" неоднородность потока на одинаковом расстоянии L/D также будет одинаковой.
В условиях работы реактора значение параметра h/D находилось в диапазоне 0.45—0.55. Чтобы проверить справ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.