Тепловой расчет камеры радиации печи пиролиза углеводородов с несеммитричным расположением настенных горелок

АКТУАЛЬНОСТЬ. Возможность прогнозирования условий работы отдельных элементов  высокотемпературных  технологических  установок  нефтехимических производств еще на этапе проектирования или модернизации является актуальной по многим причинам.    ЦЕЛЬ. Проведение численных исследований тепловых параметров и  особенностей турбулентного движения дымовых газов в радиационной части  печи пиролиза  углеводородов  с  центральным  расположением  змеевиков  при  несимметричным  расположением  горелок  малой  тепловой  мощности на  боковых футерованных стенах  и на своде камеры.  Такие печи применяются для получения низших  олефинов,  которые  являются  первичными  продуктами  для  производства синтетических смол, каучуков, пластических масс и волокон.  МЕТОДЫ. В радиантной камере печи происходят взаимосвязанные процессы горения газообразного топлива, турбулентного течения продуктов сгорания, лучисто-конвективного теплообмена и реакции крекинга углеводородов в трубчатых змеевиках с образованием смеси легких углеводородов, богатых олефинами.  Образование продуктов пиролиза углеводородов становится  существенным  при  обеспечении  температуры  парогазовой  смеси  в трубчатых  реакторах  в  пределах  800-855 оС  в  присутствии  пара  разбавления. Необходимая для этого теплота получатся в основном за счет теплового излучения продуктов  сгорания  и  раскаленных  футерованных  поверхностей  камеры  радиации. Физические процессы, протекающие в топочной камере, смоделированы двухмерными уравнениями модели горения  углеводородов в воздухе, переноса энергии излучением и уравнениями движения. Использован пакет прикладных программ, который основан на численном решении упомянутой системы уравнений переноса. В результате численных исследований построены поля скоростей и температуры дымовых газов, образующихся при сгорании смеси топливного газа  в  топочной  камере трубчатой печи. В  данной работе  предполагается,  что  на  одной  боковой  стенке  камеры  радиации в  восьми горизонтальных рядах размещены настенные горелки в количестве 64 штук, а на другой стене камеры такие же горелки установлены в семи ярусах по 8 горелок в каждом ряду и один ряд горелок на своде камеры. Продукты сгорания, исходящие из этих горелок образуют сложные поля скоростей и температуры в объеме в обеих половинах камеры радиации.  РЕЗУЛЬТАТЫ.  По  результатам  численных  расчетов  построены  поля температуры  и скоростей  дымовых  газов  в  обеих  частях  камеры  радиации. Рассчитаны температуры внутренних поверхностей стенок футеровки. Определены распределения поверхностных плотностей лучистых тепловых потоков к реакционным трубам  по высоте печи пиролиза пропан-бутановой фракции. Проведены сравнения некоторых полученных результатов для случаев, когда все горелки установлены только на боковых стенках камеры и при указанном выше расположении горелок. Результаты расчетов  для  первого  варианта  хорошо  согласуются  с  некоторыми  опытными данными,  полученными  при  пуско-наладочных  работах  в  действующей  установке. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.  Расчеты  показывают,  что  применение  большого  количества настенных газовых горелок малой мощности приводят к возникновению сложных полей скоростей продуктов сгорания и температуры в камерах радиации трубчатых печей. В то же время разброс значений температуры в объеме топочной камеры намного меньше, чем для случая, когда все горелки большей мощности установлены только на своде или на поде радиантной камеры. Путем изменения расположения ярусов горелок можно добиться сравнительно равномерного поступления теплоты к нагреваемому продукту  по длине пирозмеевика.

1. Данил Вафин. Сложный теплообмен / Радиационный теплообмен в энергетических установках /Д.Б. Вафин. – Saarbrucken, Deutshland: LAP LAMBERT Academic Publishing,. ISBN: 978-3-8433-1124-3, 2011. – 250 с.

2. Ермолаева В.А., Семочкина К.Ю. Расчет технологических характеристик трубчатой печи // International Journal of Humanities and Naturral Sciences . 2021. v.10-1. - P. 220-222.

3. Vafin D.B. Thermal Regime of the Radiative Chamber of the Butane-Propane Pyrolysis Furnace // AIP Conference Proceedings_V 2402 (15/11/21).

4. Вафин Д.Б.Тепловые и аэродинамические параметры камеры радиации печи пиролиза углеводородов // Известия вузов: Проблемы энергетики.– 2022, - т. 24, № 3, С.198-210.

5. Khujaev P. Radiative heate transfer in the furnace with variable volume // Bulletin of Science and Practice. 2018. v. 4. N 11. – P. 248-253.

6. Pavlov M.V., Karpov D.F., Sinitsyn A.A., Gudkov A.G. Winter greenhouse combined heating system // Magazine of Civil Engenering. 2020. 95(3). – P. 131-139.

7. Веткин А.В., Сурис А.Л. Исследование теплотехнических и экологических характеристик процесса горения газообразных топлив// Теплоэнергетика. – 2015, №3, С. 62 – 66.

8. Filla M. Prediction of the radiative heat transfer in pyrolysis furnace by exact and approximate methods//Riv. Combust. -1980. -v.34, N9-12. – P. 373-382.

9. Кулешов О.Ю., Муслимов Е.И. Седелкин В.М. Математическое моделирование зонального и локального результирующего теплообмена в экранированных топках // Динамика систем, механизмов и машин. – 2017. т. 5. №2. – с. 78-83.

10. Блох А.Г., Журавлев Ю.А, Рыжков Л.Н. Теплообмен излучением: справочник. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 432 с.

11. Abdullin A.M., Vafin D.B. Numerical simulation of local heat transfer in furnaces of tube chambers using the differential approximations for radiative heat transfer//Journal of Engineering Physics. 1991. v.60. N2.- P. 237-242.

12. Tencer, J.T. Error Analysis for Radiation Transport / Dissertation doctor of Philosophy. The University of Texas at Austin, 2013. – 142 p.

13. Вафин Д.Б., Садыков А.В., Бутяков М.А. Сравнительные характеристики трубчатых печей с инжекционными и акустическими горелками // Известия вузов: Проблемы энергетики.– 2015. - № 1-2, С.68 - 75.

14. Вафин. Д.Б., Бутяков М.А. Трехмерное моделирование работы акустических горелок в трубчатых печах// Известия вузов: Проблемы энергетики.– 2016. - № 9 - 10, С.48 - 55.

15. Садыков А.В., Бутяков М.А. К решению уравнения переноса излучения методом дискретных ординат// Известия вузов: Проблемы энергетики.– 2017. – т.19, № 5 – 6. С.25 - 534

16. Дектерев А.А., Гаврилов А.А., Харламов Е.Б., Литвинцев К.Ю. Использование программы σ-Flow для численного исследования технологических объектов // Вычислительные технологии. 2003. т.8. Ч.1. С. 250.

17. Askarova A.S., Bolegenova S.A. Maximov V.Y., Computational method for investigation of solid fuel combustion in combustion chambers of a heat power plant // High Temperature. 2015. v. 53. N5. P. 751-757.

18. Xiangcum Qi, Mo Yang, Yuwen Zhang. Numerical analysis of NOx production under the air staged combustion. Frontiers in Heat and Mass Transfer (FHMT), 8, 3 (2017). DOI: 10.5098/hmt.8.3.

19. Oyewola O.M., Ismail O.S., Bosomo J.O. Numerical simulations of the turbulence in the thermal-radiation flow field. Frontiers in Heat and Mass Transfer (FHMT), 8, (2022). DOI: 10.5098/hmt.17.8.

20. Sebastian E., Georg L., Kai S., Gabor J., Dominique T. Optimal tube bundle arrangements in side-fired methane steam reforming furnaces. Frontiers in Energy Research. 2020. v. 8. Article 583346.

21. Miroslav R., Andreii K., Marcel F. and others. Mathematical model of a heating furnace implemented with volumetric fuel combustion. Processes 2020, 8, 469; doi: 10.3390/pr8040469.

22. Соловьев С.А., Соловьева О.В., Ахметова И.Г., Ваньков Ю.В., Шакурова Р.З. Численное исследование теплопроводности композитного теплоизоляционного материала с микрогранулами // Известия вузов. Проблемы энергетики. – 2022. – т. 24, №1. С. 86- 98.

23. Хайрутдинов И.Р. К вопросу оптимизации процесса пиролиза углеводородного сырья и эффективного использования получаемых продуктов // Бутлеровские сообщения. – 2009. – т.17, №6. – С. 53-59.

24. Vafin D.B., A.V. Sadykov A.V. Thermal calculation of the radiation chamber of an ethane pyrolysis furnace. JOP Conf. Series: Materialls and Engireering 862 062008 (2020).

25. Litventsev I Pyrolysis // The Chemical Journal, 2006.- v.5. P. 42-46.

26. Afanasiev S.V., Ismaylov O.Z., Pyrkin A.V. et.al. Structural heterogeneity of reaction pipes from austenitic hightemperature alloys // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 537 (2019) 022049. IOP Publishing doi:10.1088/1757-899X/537/2/022049.

27. Долганов И.М., Бунаев А. А. Математическое моделирование пиролиза пропан-бутановой фракции с учетом накопления кокса // Neftegaz.RU. – 2020. - №3. – С. 17-20.

28. Fiveland W.A. Discrete-ordinate solutions of the radiative transport equation for rectangular enclosures // Trans.ASME: J. Heat Transfer. 1984. v.106, N4. P. 699-706.

29. Вафин Д.Б., Бутяков М.А. Трехмерное поле температуры и скорости в топках трубчатых печей с акустическими горелками // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. – 2017. -№2. - С. 49-55.