IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Введение

Актуальность темы

Трубчатая печь служит для сжигания топлива и использования полученного таким образом тепла на нагрев требуемого продукта. Данный агрегат является ключевым оборудованием различных установок многотоннажных производств.

Для достижения высоких технико-экономических параметров работы трубчатых печей весомое значение, по мимо прочего, имеет решение проблемы обеспечения эксплуатационной надежности и долговечности печи, а также гарантирования ее работоспособности в экстремальных условиях для организации безопасности рабочего персонала и жителей близлежащих округов в целом.

Таким образом, необходимость модернизации трубчатых печей является стратегической задачей для обеспечения бесперебойной работы установок и предприятия в целом.

Цель работы

Предложить способ повышения эффективности работы печи за счет модернизации змеевика. Проанализировать результаты патентного поиска и предложить свой способ реконструкции змеевика.

Методы исследования

В работе присутствуют теоретические методы исследования, а также теоретические расчеты с помощью программы SolidWorks. Теоретическое исследование выполнено на основе использования опыта, теории и накопленного экспериментального материала.

Задачи исследования

Изучить и произвести анализ литературных источников (учебников, журналов, научных публикаций, докторских и кандидатских диссертаций, интернет статей), провести патентный поиск с целью изучения изобретений, которые касаются модернизации змеевика трубчатой печи. Предложить свое решение по повышению эффективности работы печи за счет реконструкции змеевика.

Глава 1. Литературный обзор современного состояния вопроса

Змеевик является наиболее ответственной частью трубчатой печи. Его собирают из дорогостоящих горячекатаных бесшовных печных труб и калачей или печных двойников (ретурбентов). Радиантный змеевик больше всего подвергается негативным воздействиям и износу, поэтому важно модернизировать его для увеличения срока службы змеевика и печи в целом.

1.  

   1. Обзор технической литературы.

Автор книги «Трубчатые печи в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности» Ентус Н. Р. считает, что для установок АВТ, где температура нагрева сырья сравнительно невысока и тепловой режим эксплуатации печей стабильный, следует применять печные трубы из сталей марок Сталь 10, Сталь 20, либо из низколегированных сталей марок 15Х5М и 15Х5ВФ. Такой змеевик будет обладать достаточной теплоустойчивостью и не будет подвергаться интенсивной коррозии. Если использовать трубы из стали 1Х12В2МФ вместо труб из стали 15Х5М, то это позволит увеличить срок службы змеевиков и сократить при ремонтах простой печи.

Еще в качестве материала для труб перспективна сталь Х9М (хрома 9%, молибдена до 1%). Такое соотношение двух металлов обеспечит высокую жаропрочность, которая выше на 20-25% чем стали 15Х5М. Алитирование хромистых сталей позволит расширить область применения при повышенных температурах в агрессивных средах, содержащих сероводород. Основную сварку змеевиков проводить до алитирования.

Присадка кремния в аустенитные стали повысит их сопротивление окислению при высоких температурах до 1150⁰С и коррозии в атмосфере продуктов сгорания топлива с высоким содержанием сернистых соединений и серы.

Оребренные трубы наиболее целесообразно размещать в конвективной камере. Это позволит увеличить теплопередачу.

Для предотвращения образования в змеевике печи горящих трещин, следует применять следующие способы:

• повышать чистоту и улучшать качество свариваемого металла труб;

• использовать сварочную проволоку повышенной чистоты и электродные покрытия, которые содержат строго ограниченное содержание кремния, фосфора и других нежелательных примесей;

• соблюдать установленные режимы сварки и технологические приемы для уменьшения концентрации напряжений, возникающих в сварных соединениях [7].

Авторы книги «Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии» Скобло А. И., Молоканов Ю. К. и другие повествуют о том, что повышение скорости течения сырья в змеевике приведет к положительным изменениям, таким как:

• увеличение коэффициента теплоотдачи от стенок труб к нагреваемому сырью, что будет способствовать снижению температуры стенок;

• уменьшение вероятности отложения кокса в трубах;

• уменьшение отложений на внутренней поверхности змеевика загрязнений из взвешенных механических частиц, содержащихся в сырье;

• возможность уменьшения диаметра трубы;

• возможность обеспечить высокую производительность печи, уменьшить число параллельных потоков.

Но рост скорости течения приводит к повышению гидравлического сопротивления потоку сырья. Из этого следует возрастание затрат энергии на привод сырьевого насоса и потеря напора.

Еще авторы книги говорят о различном протекании тепловых процессов для одно и двух рядных экранов. Трубы в двухрядном змеевике, которые расположены дальше от источника тепла менее освещены и получают меньше тепла по сравнению с ближними трубами. Энергия, которая идет от свода печи, частично поглощается и ближними, и дальними трубами. Это противоположное излучение свода частично выравнивает тепловую нагрузку труб, тем не менее неравномерность поглощения тепла разными участками экранов сохраняется. При уменьшении расстояния между трубами, меньше прогреется дальний экран и упадет роль обратного излучения от стенки печи.

Больше тепла поглощает двухрядный змеевик. При этом поверхность труб возрастает в 2 раза.

При одностороннем облучении размещение двухрядных змеевиков нецелесообразно по причине высокой цены на трубы в общей стоимости печи [21].

Владимиров А.Н., Щелкунов В. А., Круглов С. А., авторы книги «Основные процессы и аппараты нефтегазопереработки» пишут о том, что значимый показатель, которым можно охарактеризовать эффективность использования трубчатого змеевика – это теплонапряженность поверхности нагрева. Это величина связана со способом сжигания топлива, с равномерностью теплового потока по окружности и длине трубы, с назначением печи. Для установки вакуумной перегонки мазута средняя теплонапряженность радиантного змеевика составляет ≈20-40 кВт/м² [3].

1.  

   1. Обзор научных публикаций

Кулешов О. Ю., автор статьи «Расчетный анализ локальной теплонапряженности экранных труб в реакционных трубчатых печах» пишет о том, что радиантные трубы в печи пиролиза подвергаются воздействию высоких температур, работают на пределе жаростойкости металла. Температура стенки змеевика может достигать 1000⁰С. Поэтому важно обеспечивать равномерность теплонапряженности по всей длине трубы и окружности. Первый способ добиться этого – расположить горелки стенках топки многорядно. Второй – обеспечить двухстороннее облучение одно и двух рядной компоновкой трубных экранов. Зональный метод один из самых эффективных методов расчета теплообмена в печах.

Результатом полученных расчетов стали выводы о том, что печи, в которых расположен двухрядный змеевик, более «сжаты», длина труб сокращается на 20-30% по сравнению с однорядным экраном. Однако при этом уменьшается равномерность облучения змеевика. Сталь быть эффективнее размещать трубы с большим шагом, равным 3d, когда как при однорядном расположении шаг обычно 2d [10].

Авторами статьи «Алгоритм оптимизации конструкции змеевиков трубчатых печей при совместном решении задач гидродинамики двухфазного потока и прочности» рассматривается способ модернизации змеевика в увеличении диаметра трубы на конечном участке радиантного змеевика.

В печах, где сырье нагревается до состояния с высоким процентом парообразования, следует нарастание и изменение расхода продукта по длине трубы. Это приводит к увеличению скорости парожидкостной смеси, из чего следует возрастание гидравлического сопротивления. Следствием этих явлений служит рост перепада давлений между входом и выходом, т. е. давление на входе в змеевик повышается.

Если увеличить площадь сечения трубы на участке испарения, то можно добиться понижения скорости потока. Этого можно достигнуть, установив конический переход между трубами разного диаметра. Скорость потока на увеличенном участке змеевике должна быть минимально допустимой, чтобы не происходило возрастание скорости отложения кокса на стенках труб. Кроме того, следует обеспечивать плавный подъем температуры проходящего через змеевик продукта до заданных конечных значений давления и температуры.

Для установки конического перехода не потребуется значительных затрат, но появляется дополнительный сварной шов, что увеличивает вероятность износа. Зато переход к большему диаметру трубы позволит приобрести надлежащие скорости движения продукта и на участке нагрева, на участке испарения при разрешенной потере напора в змеевике.

В итоге проведенного анализа, авторы статьи пришли к выводу о том, что наилучшая точка установки конического перехода должна располагаться на расстоянии 0,1∙L_общ от конца змеевика [8].

Хисаева З. Ф., Кузеев И. Р., авторы статьи «Модифицирование поверхности змеевиков трубчатых печей для защиты от науглероживания и косообразования» повествуют о том, что коксоотложения и науглероживание – негативные последствия, отрицательно сказывающееся на эксплуатации и надежности печи. Кокс, загрязняя трубы, снижает теплопередачу, уменьшает выход продукта, а также снижает длительность пробега. Науглероживание, в свою очередь, ослабляет пластичность металла и трубы становятся более подвержены разрушению из-за напряжений или под действием изгиба.

Решением проблемы может служить применение термодиффузионного покрытия на основе кремния для уменьшения образования науглероживания и кокса. Такой способ нанесения покрытия называется силицирование.

Благодаря силицированию, по мимо выше указанного, можно еще повысить коррозионную стойкость и жароустойчивость материала трубы.

Силицирование окажет воздействие на агдезионное взаимодействие поверхности стали с нефтяным углеродом, снизится агдезионная прочность материала трубы [24].

1.  

   1. Обзор научно-исследовательских работ

Канадцев М. Н. в своей кандидатской диссертации «Оптимизация конструкций змеевиков трубчатых печей» провел изучение конструкций змеевиков в трубчатых печах и определил особенности гидродинамики двухфазного потока; изучил напряженно-деформированное состояние змеевика в среде нагрева и испарения продукта; проанализировал гидродинамические параметры потока сырья в процессе нагрева и испарения; исследовал напряженно-деформированное стояние змеевика и его элементов в условиях нагрева и испарения продукта.

Одним из путей решения этих вопросов явился подход, основанный на модернизации конструкций змеевика по конструктивно - технологическим параметрам посредством их изменения с целью обеспечения необходимых рабочих характеристик. Такой подход позволил найти лучшие конструктивные предложения для узлов и элементов змеевикового экрана.

В итоге, автор создал методику оптимизации конструкции змеевика, опираясь на оценку гидродинамических параметров двухфазного потока сырья и напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов и узлов змеевика. Модернизация змеевика состоит в увеличении диаметра трубы на участке испарения продукта для снижения скорости потока и уменьшения перепада давления на входе и выходе змеевика. Это достигается путем установки конического перехода между трубами разного диаметра. Расположение точки начала испарения сырья обуславливается местом изменения диаметра змеевика (координата установки конического перехода): при смещении координаты установки конического перехода в направлении входа сырья в змеевик координата точки начала испарения продукта соответственно смещается в этом направлении. Причем, скорость продукта на выходе из змеевика снижается при смещении координаты установки конического перехода в сторону входа сырья [9].

Образцова Е. И., автор кандидатской диссертации на тему «Оптимальное конструирование змеевика трубчатой печи при промежуточном отборе паровой фазы» предлагает для роста производительности трубчатой печи осуществлять отбор паровой фазы нагреваемого сырья в расчетной точке змеевика и соединять отобранный пар с основным потоком на выходе из печи. Такой отбор позволит уменьшить давление на входе в печь, т. к. снизятся линейные скорости сырья и возрастет эквивалентное сечение трубы. В целях предотвращения разложения сырья необходимую скорость можно восстановить путем дополнительного ввода сырья в змеевик, доведя давление на выходе из сырьевого насоса до значения в существующем варианте.

В своей работе автор дала оценку существующим конструкциям трубчатых печей и обосновала объект исследования; провела анализ наиболее часто возникающих дефектов змеевиков; осуществила исследование методов теплового расчета в трубах печи; установила наиболее приемлемую точку отбора паровой фазы; определила приемлемую конструкцию змеевика.

Выводы по полученным исследованиям оказались следующими:

• наиболее часто выходят из строя одни и те же трубы на тех участках, где наиболее вероятно отложение кокса и в зоне начала участка испарения;

• наивысшая эффективность промежуточного отбора паровой фазы расположена на расстоянии 0,9L от общей длины змеевика. Поэтому отбор пара следует производить именно в этом месте;

• степень стеснения деформаций змеевика в положении вертикальной оси трубы не должна превышать 10 мм [11].

Глава 2. Патентный поиск

2.1 Анализ патентной документации

Авторы найденных изобретений по выбранной мной тематике в основном предлагают модернизацию (или новую конструкцию) печи в целом, а не улучшение и более детальное углубление в отдельный элемент печи.

Авторы патента №2202591 предлагают выполнять змеевик радиантной части печи трехрядным. При таком техническом решении средний экран не будет достаточно прогреваться, а два других будут прогреваться только с одной стороны, что приведет к неравномерности нагрева сырья. Это существенно скажется на последующих этапах переработки вышедшего из печи продукта.

Авторы патента №67692 для роста интенсивности теплообмена между поверхностью змеевика и продуктами горения топлива рекомендуют разделить радиантный экран на пристенный и внутренний змеевик, причем внутренние трубы выполнены в виде цилиндров с открытыми торцами диаметром меньшим, чем диаметр пристенного змеевика концентрично с ним так, что одной стороной он прилегает к трубам на торцевой стене, а другая сторона формирует со смежной торцевой стеной зазор. В дополнение во внутреннем змеевике присутствует закручивающий продукты горения элемент, который выполнен в виде шнека.

Но данное изобретение имеет существенные недостатки: сложность изготовления такой конструкции увеличивается в разы, из чего следуют значительные экономические затраты.

Авторы патента №2382973 предлагает соединять трубы экрана с помощью нового, расположенного по высоте экрана, устройства, в котором закреплены диски, образующие отсеки для попарно расположенных труб. Но это изобретение - трудоемкая и технически сложная конструкция, которая и на этапе изготовления, и на этапе эксплуатации, по мимо прочего, будет требовать повышенного контроля качества.

Авторы патента №2318861 предлагают для радиантных змеевиков, выполненных из вертикальных труб, изменить прямые концевые участки на винтообразные, что будет препятствовать образованию жидкостной пробки при движении потока снизу-вверх. Тем не менее такие трубы сложны в изготовлении, требуют больших экономических затрат и подходят только для змеевиков с вертикально расположенными трубами.

Авторы патента №2402593 для снижения закоксовывания предлагают изготовить радиантный змеевик спиральным из спаренных труб, причем трубы у разных стенок печи должны располагаться под различным углом. Такое исполнение будет требовать сверх повышенной точности проектирования и установки, и как же спиральная труба сложна в изготовление. И это в целом существенно увеличит стоимости печи.

Авторы патента №2483096 модернизацию змеевика видят в необходимости различия диаметра нисходящей и восходящей трубы в вертикальном змеевике. Диаметр нисходящей трубы в 1,15-1,3 раза больше аналогичного показателя восходящей трубы. Данная разница диаметров нисходящих и восходящих вертикальных труб допустит возможность интенсифицировать процессы тепло- и массообмена, уменьшить вероятность закоксовывания змеевика и повысить межремонтный пробег печи. Но при всем этом, вдвое увеличится количество сварных швов на змеевике, что приведет к увеличению вероятности разрушения и росту затрат на контроль и ремонт сварных швов змеевика.

Авторы патента №2409610 для интенсификации теплообмена поверхностей нагрева, исключения прогара нижней части труб змеевиков и преждевременного их выхода из строя предлагают каждую трубу печи «одеть» в трубу-оболочку, заполнив зазор между трубой и оболочкой микропористым теплопередающим порошком. Такое изменение, по мимо улучшений, во-первых, ведет за собой существенное увеличение расходов на производство змеевика, ведь достаточно сложно конструктивно выполнить такую конструкцию на криволинейном участке. Во-вторых, изоляция «выключит» защищенный участок из нагрева продукта, во всяком случае существенно уменьшит подвод тепла к продукту – а это основная функция змеевика. В-третьих, внешний слой трубы, фактически кожух, будет испытывать, при малом отводе тепла по внутренней поверхности, значительный перегрев и интенсивно разрушаться, что вызовет необходимость ремонта. В условиях непрерывного цикла работы печи это является крайне нежелательным.

2.2 Патентная документация

Патентная документация - это совокупность первичных и вторичных документов, составляемых в соответствии с патентным законодательством и устанавливающих официальное признание наличия изобретений, промышленных образцов и полезных моделей. Патентный документ подлежит юридической охране государства, подтверждается выводами государственной экспертизы и не может содержать непроверенных данных. В нем содержится информация научно-технического, юридического и экономического характера, служащая для фиксирования и защиты прав изобретателей, патентообладателей, а также для установления приоритета патентуемых и запатентованных изобретений.

К патентной документации принадлежат описания объектов интеллектуальной способности: изобретений, промышленных образцов, товарных знаков, полезных моделей. Информационными документами считаются не только описи технических решений, патентоспособность которых установлена соответствующими государственными органами, но и описания, которые заявлены в патентное ведомство и прошли одну стадий патентной процедуры и регистрацию приоритета заявки.

Патентный документ содержит информацию о результатах научно-технической деятельности, заявленных или признанных в качестве объектов промышленной собственности, и о правах владельцев на изобретения.

УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой МАХП Сарилов М. Ю.

«1»сентября 2016г.

ЗАДАНИЕ № МА5

на проведение патентных исследований

Наименование работы (темы) Увеличение срока службы змеевика трубчатой печи

_____________________ шифр работы (темы) КНИРСМА - 5

Этап работы курсовое проектирование, сроки его выполнения 01.09.2016 – 22.12.2016

Задачи патентных исследований: нахождение аналогов и прототипов по данной тематике, их анализ, нахождение достоинств и недостатков

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН

Виды патентных исследований	Подразделения-исполнители (соисполнители)	Ответственные исполнители (Ф.И.О.)	Сроки выполнения патентных исследований. Начало. Окончание	Отчетные документы
Патентный поиск на тему: «Повышение срока службы змеевика трубчатой печи»	www1.fips.ru	А.С.Летягина	1.09.2016 – 18.10.2016	Заполнение таблицы 2.1 – Патентная документация.
			18.10.2016 – 1.11.2016	Заполнение таблицы 2.2 – Научно-техническая и нормативная документация
			1.11.2016 – 1.12.2016	Заполнение таблицы 2.3 – Тенденция развития объекта исследования

Руководитель ___________ Т.И. Башкова _______________

патентного подразделения ^{личная подписьрасшифровкадата}

^{подписи}

Руководитель подразделения ___________ М.Ю. Сарилов _______________

исполнителя работы ^{личная подписьрасшифровкадата}

РЕГЛАМЕНТ ПАТЕНТНОГО ПОИСКА № 5

К заданию № МА5 от 01.09.2016г.

Студенту Летягиной Арине Сергеевне

Группы 3МАб-1 по теме Увеличение срока службы змеевика трубчатой печи

Стадия Курсовое проектирование

(курсовое или дипломное проектирование)

Цель поиска информации: изучение технического уровня и тенденций развития объекта разработки. Обоснование регламента поиска: Патентные исследования являются обязательной, необъемлемой и составной частью при выполнении научно-исследовательских, опытно-конструкторских и проектно-конструкторских работ. Такой же обязательной частью они становятся сегодня при выполнении курсовых и дипломных проектов, так как дипломные работы представляют собой одну из составляющих вышеперечисленных этапов. Предмет поиска представляет собой устройство в целом в соответствии с заданием на дипломное проектирование, классификационные рубрики определены по ключевым словам, характеризующим объект разработки, страны поиска определены в результате проведения предварительного поиска по журналам и являются ведущими в данной отрасли техники, глубина поиска достаточна для определения технического уровня и тенденций развития объекта разработки, источники информации соответствуют минимуму технической документации, которую необходимо просмотреть с целью определения технического уровня и тенденций развития объекта разработки.

Руководитель подразделения исполнителя М.Ю. Сарилов

Подпись ____________

Руководитель патентного подразделения Т.И. Башкова

Подпись ___________

ФОРМА ОТЧЕТА О ПОИСКЕ

1. Поиск проведен в соответствии с заданием профессора Сарилова М. Ю. № МА5 от 01.09.2016

^{должность и фамилия ответственного руководителя работы}

и Регламентом поиска № 5 от 01.09.2016

1. Начало поиска 01.09.2016

Окончание поиска 22.12.2016

3. Сведения о выполнении регламента поиска (указывают степень выполнения регламента поиска, отступления от требований регламента, причины этих отступлений)

5. Предложения по дальнейшему проведению поиска и патентных исследований

6. Материалы, отобранные для последующего анализа:

Таблица 2.1. Патентная документация

Предмет поиска (объект исследования, его составные части)	Страна выдачи, вид и номер охранного документа. Классификационный индекс*	Заявитель (патентообладатель), страна. Номер заявки, дата приоритета, конвенционный приоритет, дата публикации*	Название изобретения (полной модели, образца)	Сведения о действии охранного документа или причина его аннулирования (только для анализа патентной чистоты)
1	2	3	4	5
Змеевик, печь	Патент РФ C10G 9/20 2202591	Общество с ограниченной ответственностью "Фирма ЭСКОРТ" 200210359/12 20.04.2003	Трубчатая печь	Действует до 08.02.2017
Змеевик, печь	Патент РФ F27B5/00 67692	ГОУ ВПО Саратовский государственный технический университет 2007127426/22 27.10.2007	Трубчатая печь	Не действует
	Патент РФ F28F 1/00 2382973	ГОУ ВПО Саратовский государственный технический университет 2008141936/06 27.02.2010	Однопоточный трубчатый змеевик	Не действует
Змеевик, печь	Патент РФ C10G 9/20 2318861	Государственное унитарное предприятие "Институт нефтехимпереработки Республики Башкортостан" 2006118067/15 10.03.2008	Трубчатая печь	Действует до 25.05.2017
	Патент РФ С10 9/14 2402593	Государственное унитарное предприятие "Институт нефтехимпереработки Республики Башкортостан" 2009100615/15 27.10.2010	Трубчатая печь	Действует до 11.01.2017
	Патент РФ C10G 9/20 2483096	Государственное унитарное предприятие "Институт нефтехимпереработки Республики Башкортостан" 2012104224/04 27.05.2013	Трубчатая печь	Действует до 07.02.2017
	Патент РФ C10G 9/20 2409610	Общество с ограниченной ответственностью "ЭСКОРТ" 2009103975/05 20.01.2011	Трубчатая нагревательная печь	Действует до 05.02.2017

Таблица 2.2. Научно-техническая, конъюнктурная, нормативная документация и материалы государственной регистрации (отчеты о научно-исследовательских работах)

Предмет поиска	Наименование источника информации с указанием страницы источника	Автор, фирма (держатель) технической документации	Год, место и орган издания (утверждения, депонирования источника)
1	2	3	4
Змеевик, печь	www1.fips.ru	Ермолаев В.Н.,Казеннов А.А.,Мешков В.И.,Филатов Г.В.,Лаврентьев Л.Л.,Галкина Т.И.,Моисеева Л.Е.,Петровичева Г.В.	20.04.2003
	www1.fips.ru	Печенегов Юрий Яковлевич (RU),Косов Андрей Викторович (RU),Косова Ольга Юрьевна (RU)	27.10.2007
	www1.fips.ru	Печенегов Юрий Яковлевич (RU),Денисенко Ирина Петровна (RU)	27.02.2010
	www1.fips.ru	Таушев Виктор Васильевич (RU),Хайрудинов Ильдар Рашидович (RU),Таушева Елена Викторовна (RU)	10.03.2008
	www1.fips.ru	Хайрудинов Ильдар Рашидович (RU),Ягудин Марат Нуриевич (RU),Таушев Виктор Васильевич (RU),Хайрудинова Гульнара Ильдаровна (RU),Теляшев Эльшад Гумерович (RU)	20.07.2010
	www1.fips.ru	Таушева Елена Викторовна (RU),Таушев Виктор Васильевич (RU),Теляшев Эльшад Гумерович (RU)	27.05.2013
	www1.fips.ru	Мурадов Захир Ахмедович (RU)	20.01.2011

Таблица 2.3 - Тенденции развития объекта исследования

Выявленные тенденции развития объекта исследования	Источники информации	Технические решения, реализующие тенденции
		в объектах организаций (фирм)	в исследуемом объекте
1	2	3	4
Снижение габаритов печи	Патент РФ 2202591	Нефтехимическая промышленность	Изобретение относится к конструкции трубчатой печи и может быть использовано в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности для нагрева технологических сред. Целью изобретения является уменьшение габаритов печи, снижение материалоемкости и сроков монтажа, а также увеличение коэффициента объемного экранирования. Сущность изобретения состоит в том, что в трубчатой печи, включающей радиантную камеру с горелками, конвективные камеры, трубные змеевики, воздухоподогреватели, газоходы и дымовую трубу, змеевик радиантной камеры выполнен трехрядным с каждой стороны и снабжен навесными перегородками, размещенными между первым и вторым рядами труб от оси печи, а конвективные камеры смонтированы в единый блок с воздухоподогревателями и выполнены навесными симметрично с обеих сторон радиантной камеры.
Повышение эффективности работы печи	Патент РФ 67692	НПЗ, химическая промышленность	Полезная модель относится к нагревательным устройствам для текучих сред, а именно к трубчатым печам, и может быть использовано в нефтяной, химической промышленностях и других отраслях техники для термической обработки термолабильных и термически неустойчивых жидкостей, имеющих технологические и иные ограничения по максимальной температуре нагрева. Задачей полезной модели является повышение эффективности работы трубчатой печи за счет интенсификации теплообмена между поверхностью теплопередачи и продуктами горения топлива. Трубчатая печь, включающая цилиндрическую теплообменную камеру, горелочные устройства, змеевик , состоящий из прямых и изогнутых участков продуктовых труб, размещенный в камере у боковой и торцевых ее стен, а также внутренний змеевик с ленточными проставками между соседними прямыми участками продуктовых труб, который выполнен в виде цилиндра с открытыми торцами диаметром меньшим, чем диаметр пристенного змеевика концентрично с ним так, что одной своей стороной он примыкает к трубам на торцевой стене, а другая сторона образует со смежной торцевой стеной зазор, дополнительно во внутреннем змеевике установлен закручивающий продукты горения элемент, выполненный в виде шнека.
Уменьшение габаритов змеевика	Патент РФ 2382973	Химическая промышленность	Изобретение относится к конструкции трубчатых поверхностей теплопередачи теплообменных устройств для текучих сред под давлением и может быть использовано в нефтяной, химической и других отраслях техники, в частности в нагревателях нефти и нефтяной эмульсии. В однопоточном трубчатом змеевике , содержащем ряд прямых труб и соединительные элементы на концах труб, соединительный элемент состоит из трубы с отверстиями по ее образующей для ввода в них прямых труб, число отверстий равно числу труб в ряду, в диаметральных плоскостях соединительного элемента установлены диски, образующие со стенкой соединительного элемента отсеки, через которые соединяются полости попарно расположенных труб ряда. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, уменьшение габаритов змеевика, повышение площади поверхности труб в габаритном объеме змеевика .
Предотвращение разрушения конструкции печи от гадроударов	Патент РФ 2318861	НПЗ	Изобретение может быть использовано для нагрева нефтяных остатков в процессах висбкрекинга, термокрекинга, замедленного коксования. После пуска установки в змеевик печи подают сырьевую композицию, например смесь гудрона с разбавителями, турбулизатором. Поток 15 с температурой 280-320°С поступает из камеры конвекции 3 в змеевики 7 камеры радиации 6, по мере прохождения которых температура потока повышается до 420-430°С . Радиантные змеевики 7 выполнены из вертикальных труб с винтообразными концевыми участками 8, препятствующими образованию жидкостной пробки при движении потока снизу-вверх. Изобретение позволяет предотвратить разрушение элементов конструкции печи от гидроударов. 5 з.п. ф-лы, 9 ил.
Снижение вероятности закоксовывания	Патент РФ 2402593	НПЗ	Изобретение относится к нефтепереработке, в частности к трубчатым печам для нагрева нефтяных остатков в процессах висбрекинга, термокрекинга, замедленного коксования. Трубчатая печь включает коробчатый корпус с камерами конвекции и радиации, в которых размещены конвективный и радиантный змеевики печи и горелки, установленные в поду печи . Радиантный змеевик выполнен из спаренных труб спиральным и установлен вертикально в корпусе печи . В выходной части радиантного спирального змеевика размещена сокинг-секция, объем которой составляет 20-25% от объема труб радиантного спирального змеевика . Трубы радиантного спирального змеевика размещены вдоль стенок коробчатого корпуса, причем трубы змеевика , размещенные вдоль длинной стенки в коробчатом корпусе печи , горизонтальны, а трубы змеевика , размещенные вдоль короткой стенки коробчатого корпуса печи , имеют угол наклона, достаточный для перевода звена спирального змеевика на нижележащий уровень подсоединением более короткой трубы к горизонтальной длинной трубе. Изобретение позволяет снизить вероятность закоксовывания теплопередающей поверхности и увеличить межремонтный пробег установки.
Интенсификация процессов тепло- и массообмена	Патент РФ 2483096	НПЗ	Изобретение относится к нефтепереработке, в частности к трубчатым печам для нагрева нефтяных остатков в процессах висбрекинга, термокрекинга, замедленного коксования. Трубчатая печь включает коробчатый корпус с камерами конвекции и радиации, в которых размещены конвективный и радиантный змеевики и горелки, установленные в поду печи , причем радиантный змеевик выполнен из вертикальных труб, диаметр нисходящей трубы в 1,15-1,3 раза больше аналогичного показателя восходящей трубы, причем диаметры верхнего и нижнего соединительных отводов (калачей) равны соответственно диаметру нисходящей и восходящей трубы и соединены между собой коническими переходниками. Технический результат - положительная разница диаметров нисходящих и восходящих вертикальных труб позволяет интенсифицировать процессы тепло- и массообмена, селективность конверсии сырья и снизить вероятность закоксовывания змеевика печи и увеличить межремонтный пробег печи.
Исключение прогара нижней части труб змеевиков	Патент РФ 2409610	Химическая промышленность	Изобретение относится к устройству трубчатой нагревательной печи и может быть использовано в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности для переработки нефтепродуктов и других углеводородных смесей. Печь включает футерованную жаропрочным материалом радиантную камеру, радиантный продуктовый змеевик под с горелочными устройствами, свод, футерованную жаропрочным материалом конвективную камеру, конвективный продуктовый змеевик , переходник и дымовую трубу. Радиантный змеевик состоит из труб, соединенных между собой двойниками и подвешенных на кронштейнах, закрепленных к стенке радиантной камеры. Конвективный змеевик состоит из оребренных труб, установленных в отверстия опорных решеток и соединенных между собой двойниками. Каждая из труб радиантного и конвективного продуктового змеевиков одета в трубу-оболочку, а зазор между трубами и трубами-оболочками заполнен микропористым теплопередающим порошком. Технический результат: повышение КПД печи , интенсификация теплообмена поверхностей нагрева, исключение прогара нижней части труб змеевиков и преждевременного их выхода из строя, облегчение удаления продуктов сгорания с поверхности труб, упрощение ремонта змеевиков .

Глава 3. Технические решения по повышению срока службы змеевика трубчатых печей

3.1 Общие сведения

Трубчатая печь – это один из наиболее важных, ответственных и теплонапряженных видов технологического оборудования, в частности, в нефтепереработке. Она входит в состав большинства установок, таких как ЭЛОУ-АВТ, установки гидроочистки, риформинга, изомеризации, каталитического крекинга, селективной очистки и др. Существует острая необходимость поддержания работоспособности печи в условиях производства непрерывного типа, с годовым ресурсом до 320-340 дней. Эта необходимость требует искать новые методы продления срока службы металлоконструкций, испытывающих значительное тепловое и коррозионное воздействие.

Змеевик - это особенно ответственная и напряженная часть трубчатой печи. Его изготавливают из дорогостоящих горячекатаных бесшовных труб, соединенных калачами.

Печные трубы сваривают из трубных заготовок длиной до 4 м. Для контроля качества сварных швов используют флуоресцирующие красители и последующий рентген контроль.

Материал труб выбирается в зависимости от установки и назначения печи. Для установок АВТ, где температура нагрева сырья сравнительно невысока и тепловой режим эксплуатации печей стабильный, следует применять печные трубы из сталей марок Сталь 10, Сталь 20, либо из низколегированных сталей марок 15Х5М и 15Х5ВФ. Такой змеевик будет обладать достаточной теплоустойчивостью и не будет подвергаться интенсивной коррозии. Если использовать трубы из стали 1Х12В2МФ вместо труб из стали 15Х5М, то это позволит увеличить срок службы змеевиков и сократить при ремонтах простой печи.

Для установок термического и каталитического крекинга, а также установок, где протекающие процессы характеризуются более высокими температурами нагрева и наличием коррозионных агентов, необходимо применять стали других марок, например, 12Х8ВФ и Х9М. Коррозионная стойкость этих сталей в горячих сероводородных средах превосходит стали 15Х5М и 15Х5ВФ в 2-3 раза.

Для процессов риформинга и гидроочистки следует применять стали марок 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т, либо безникелевую сталь 1Х12В2МФ, которая обладает высокими прочностными свойствами, достаточной ударной вязкостью и пластичностью.

Змеевик больше всего подвергается коррозии, короблению и износу. Поэтому, целесообразно и важно повышать именно его ресурс для увеличения срока службы печи в целом.

3.2 Предлагаемый способ увеличения службы змеевика трубчатой печи

Чтобы продлить срок службы змеевика трубчатой печи, важно обеспечить дополнительную защиту калачей, соединяющих прямолинейные участки труб, ведь калач является самым чувствительным к воздействию высоких температур и склонным к закоксовыванию элементом в змеевике. Связано это, в том числе, и с гидравлическими условиями движения продукта. Продукт, проходя повороты калача, испытывает гидравлическое сопротивление, уменьшая тем самым скорость течения. Как следствие, в худшую сторону изменяются условия теплопередачи, происходит отложение кокса на внутренней поверхности, что еще уменьшает теплоотдачу к продукту. Это, в свою очередь вызывает перегрев стенки трубы и ускоряет коррозионные процессы. Даже применение легированных, достаточно дорогих сталей, кардинально эту проблему не решает.

Предлагается способ защиты в виде нанесения графитового покрытия на калач змеевика и его стыковой сварной шов. Такое решение позволит увеличить надежность, живучесть и безопасность змеевикового экрана и трубчатой печи в целом. В пользу предлагаемого решения говорит следующее.

Во-первых, графит является высокотеплопроводным материалом. В зависимости от температуры и марки, теплопроводность графита колеблется от 278,4 до 2435 Вт/(м∙К) [6]. Для сравнения, теплопроводность стали марки 15Х5М находится в диапазоне от 33 до 37 в зависимости от температуры окружающей среды [22]. Поэтому ухудшение теплообмена между нагреваемым продуктом и стенкой трубы, при нанесении графитового покрытия не следует ожидать.

Во-вторых, графит представляет собой огнеупорный и достаточно инертный материал. В радиантной камере трубчатой печи это особенно важно, потому что змеевик в некоторых случаях может контактировать на прямую с племенем горелки. И графитовое покрытие в данной ситуации сможет обеспечить надежную защиту и материала калача, и уязвимого сварного шва.

В-третьих, графит выступает антикоррозионным веществом, что делает его очень ценным материалом во многих производственных процессах. С ростом температуры на 100⁰С, коррозия может возрастать в несколько раз. Т. к. в печи достаточно высокие температуры, то коррозия труб, и тем более сварных швов, в таких эксплуатационных условиях более вероятна. Кроме того, топочные газы в своем большинстве содержат сернистый газ, азотистые соединения, водород, водяные пары и другие агрессивные агенты, вызывающие коррозию. Графит в данной среде служит достойным покрытием для защиты от этого нежелательного явления.

В-четвертых, графит является неплавким веществом. Он надежно выдерживает влияние высоких температур, становясь тверже от их воздействия, а сублимируется при обычном давлении лишь при 3845-3890⁰С [5]. Это свойство графита позволяет использовать его в трубчатой печи, где температуры факела достигают 1700-1900 ⁰С [7].

Пятое. Для радиантных камер печей существенное значение имеет степень черноты нагреваемого тела. И с этой точки зрения графитовый слой является выигрышным.

Очень важное свойство графита – это его инертность. Даже при высоких температурах он не вступает в реакцию с контактирующими материалами. Опыт применения графитовых защитных покрытий во многих отраслях промышленности служит тому подтверждением. Важнейшей частью проблемы является структура и способ нанесения (или монтажа) графитового слоя. Этот слой не должен иметь пористую структуру, что отрицательно скажется на теплопроводности. Слой должен формироваться без зазоров, что так же важно для условий передачи тепла от излучающей поверхности факела к продукту.

Все эти положительные свойства графита позволяют его использование в трубчатой печи в качестве защитного покрытия калачей змеевика и обеспечения надежности, живучести и безопасности эксплуатации труб змеевиков и печи в целом.

Заключение

Проблема термокороззионного воздействия на металлические конструкции оборудования не нова, но по-прежнему актуальна. В каждом конкретном случае ее решение должно быть индивидуальным. Одним из случаев такого воздействия является работа змеевиков промышленных трубчатых печей.

Повышение продолжительности срока службы змеевика – эта актуальная задача для нефтеперерабатывающего производства. Предложенный способ зажиты калача, наиболее уязвимого элемента змеевика, является конкурентоспособным и рентабельным.

Графит – это подходящий материал для применения его в трубчатой печи. Он обеспечивает огнеупорную защиту от негативного воздействия пламени на калачи змеевика и помогает уменьшить коррозию труб. Графит стойко выдерживает воздействие высоких температур и агрессивной среды, не вступая в реакции с продуктами горения.

Выше представленные свойства графита позволяют использовать его в трубчатой печи в качестве защитного покрытия калачей змеевика и обеспечения надежности, живучести, безопасности эксплуатации труб, а так же повышения срока службы змеевиков и трубчатой печи в целом.

Список использованных источников

1. Ахметов, С.А. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа: учеб. пособие / С.А. Ахметов, Т.П. Сериков. – М. : Недра, 2006 – 868 с.

2. Баязитов М. И. О механизме коксообразования на внутренней поверхности печных труб / И. О. Баязитов, И. Р. Кузеев. – Уфа: Нефть и газ, 1996. – 262с.

3. Владимиров А.И. Основные процессы и аппараты нефтегазопереработки: учеб. пособие для вузов / А. И. Владимиров, В. А. Щелкунов, С. А. Круглов. – М.: - ООО «Недра-Бизнесцентр», 2002. – 227 с.

4. Глаголева, О.Ф. Технология переработки нефти : учеб. пособие / О.Ф. Глаголева. – М. : Химия, Колосс, 2006. – 400 с.

5. Графит, свойства графита, применение графита, продажа графита, терморасширенный графит // Graphite Bonum Group : [Электронный ресурс] / сост. : А. И. Ильиных ; Электрон. дан. – Украина, [2007-2016]. URL: http://graphite-gbg.com/ru/stati/grafit.html (дата обращения 05.11.2016)

6. Графит [Электронный ресурс] // ru.Wikipedia.org : википедия свободная энциклопедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Графит

7. Ентус, Н. Р. Трубчатые печи в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности / Н. Р. Ентус, В. В. Шарихин. – М.: Химия, 1987. – 304 с.

8. Канадцев, М. Н. Алгоритм оптимизации конструкции змеевиков трубчатых печей при совместном решении задач гидродинамики двухфазного потока и прочности / М. Н. Канадцев, М. И. Баязитов, А. Г. Филиппова, Р. М. Баязитов // Нефтегазовое дело. – 2014. №5. – С. 276-293.

9. Канадцев, М. Н. Оптимизация конструкций змеевиков трубчатых печей : автореф. дис. ...канд. техн. наук : 05.02.13 / Канадцев Михаил Николаевич. – Уфа., 2003. – 20 с.

10. Кулешов, О. Ю. Расчетный анализ локальной теплонапряженности экранных труб в реакционных трубчатых печах / О. Ю. Кулешов, В. М. Селёдкин // Химическое и нефтегазовое машиностроение. – 2012. №5. – С. 15-18.

11. Образцова, Е. И. Оптимальное конструирование змеевика трубчатой печи при промежуточном отборе паровой фазы : автореф. дис. ...канд. техн. наук : 05.02.13 / Образцова Екатерина Игоревна. – Уфа., 2004. – 22 с.

12. Пат. 2202591 Российская федерация, МПК С10G 9/20 (2000.01). Трубчатая печь / Ермолаев В. Н., Казеннов А. А., Мешков В. И., Филатов Г. В., Лаврентьев Л. Л., Галкина Т. И., Моисеева Л. Е., Петровичева Г. В. : заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «Фирма ЭСКОРТ». - № 2002103591/12 ; заявл. 08.02.2002 ; опубл. 20.04.2003, Бюл. №11. – 1с. : ил.

13. Пат. 2318861 Российская федерация, МПК С10G 9/20 (2006.01). Трубчатая печь / Таушев В. В., Хайрудинов И. Р., Таушева Е. В. : заявитель и патентообладатель Государственное унитарное предприятие «Институт нефтехимпереработки Республики Башкортостан». - № 2006118067/15; заявл. 25.05.2006 ; опубл. 10.03.2008, Бюл. № 7. – 9с. : ил.

14. Пат. 2382973 Российская федерация, МПК F28F 1/00 (2006.01). Однопоточный трубчатый змеевик / Печенегов Ю. Я., Денисенко И. П. : заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет. - № 2008141936/06; заявл. 22.10.2008 ; опубл. 27.02.2010, Бюл № 6. – 2с. : ил.

15. Пат. 2402593 Российская Федерация, МПК С10G 9/14 (2006.01). Трубчатая нагревательная печь / Хайрудинов И. Р., Ягудин М. Н., Таушев В. В., Хайрудинова Г. И., Телящев Э. Г. : заявитель и патентообладатель Государственное унитарное предприятие «Институт нефтехимпереработки Республики Башкортостан». - № 2009100615/15; заявл. 11.01.2009 ; опубл. 27.10.2010, Бюл. № 20. – 2с. : ил.

16. Пат. 2409610 Российская Федерация, МПК С10G 9/20 (2006.01). Трубчатая нагревательная печь / Мурадов З. А. ; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «ЭСКОРТ». – № 20009103975/05; заявл. 05.02.2009 ; опубл. 20.01.2011, Бюл. № 2. – 2с. : ил.

17. Пат. 2483096 Российская федерация, МПК С10G 9/20 (2006.01). Трубчатая печь / Таушева Е. В., Таушев В. В., Телящев Э. Г. : заявитель и патентообладатель Государственное унитарное предприятие «Институт нефтехимпереработки Республики Башкортостан». - № 2012104224/04; заявл. 07.02.2012 ; опубл. 27.05.2013, Бюл. № 15. – 10с. : ил.

18. Пат. 67692 Российская Федерация, МПК F27B 5/00 (2006.01). Трубчатая печь / Печенегов Ю. Я., Косов А. В., Косова О. Ю. : заявитель и патентообладатель Саратовский государственный технический университет. - № 2007127426/22; заявл. 17.07.2007 ; опубл. 27.10.2007, Бюл. №30. – 2с. : ил.

19. Почему графит применяют для создания тиглей // ООО «ЭЛСИТ» : [Электронный ресурс] / сост. : С. В. Печенков ; Электрон. дан. – Томск, [2008-2016]. URL: https://элсит.рф/статьи/почему-графит-применяют-при-создании-тиглей (дата обращения 07.11.2016)

20. Рудин, М.Г. Карманный справочник нефтепереработчика / М.Г. Рудин. – М. : ОАО ЦНИИТЭнефтехим, 2004. – 332 с.

21. Скобло, А.И. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: учебник для вузов / А. И. Скобло [и др.]. – 3-е изд. перераб. и доп. – М. : «Недра-Бизнесцентр», 2000. – 677с.

22. Теплопроводность стали и чугуна, теплофизические свойства стали // thermalinfo : [Электронный ресурс] / сост. : С. П. Якупов ; Электрон. дан. – М., [2012-2016]. URL: http://thermalinfo.ru/svojstva-materialov/metally-i-splavy/teploprovodnost-stali-i-chuguna-teplofizicheskie-svojstva-stali (дата обращения: 05.11.2016)

23. Тринкс В. Промышленные печи / В. Тринкс. – 3-е изд. перераб. – М. : государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1961. – 392с.

24. Хисаева, З. Ф. Модифицирование поверхности змеевиков трубчатых печей для защиты от науглероживания и коксообразования / З. Ф. Хисаева, И. Р. Кузеев // Нефтегазовое дело. – 2003. №1. – С. 1-5.

Код для цитирования: Скопировать