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 (журналов, научных публикаций, докторских и кандидатских диссертаций, интернет статей), провести патентный поиск, изучить регламент патентных исследований, изучить формы отчета о патентном поиске, выполнить теоретическое и конструкторско-технологическое описание, подобрать и описать применяемое оборудование и мероприятия, предложенные для решения проблемы.

1 Литературный обзор

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.

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.

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.

1.2 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.

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.

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.

1.3 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.

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.

1.4 Выводы и результаты по литературному обзору

Из всего изученного мной материала, рассмотренных патентов и различных статей, можно сделать вывод о том, что наиболее уязвимым местом трубчатых печей для нагрева нефти является змеевик.

Данный элемент конструкции печи подвергается постоянным колоссальным нагрузкам как внутри, так и снаружи:

- воздействие высоких температур;

- взаимодействие с корродирующими веществами;

- механическое воздействие вследствие постоянного трения жидкости, прокачиваемой через печь, о стенки змеевика.

Все вышеперечисленные негативные факторы вызывают:

- сокращение срока службы змеевика и, как следствие, всей трубчатой печи;

- коксообразование внутри змеевика, что влечёт за собой снижение пропускающей способности, повышение давления подачи потока нефти. Также увеличивается внешний диаметр трубы больше допустимого значения из-за образования кокса в определённом участке трубы. На этих участках змеевик очень сильно нагревается, из–за того что кокс нарушает теплопроводность препятствуя отводу тепла от стенки трубного змеевика. Прочностные характеристики металла в нагретых участках падают, из-за внутреннего избыточного давления змеевик на этих участках начинает раздуваться, что ведет за собой немедленную остановку трубчатой печи;

- возникновение локальных очагов высокой температуры, что приводит к местному прогару;

- усталостное напряжение металла вследствие деформации (провисания, отдулины, раковины) змеевика. На внешней поверхности змеевика образуется сетка трещин. Появление трещин вызывается его свойством металла непрерывно деформироваться под воздействием высоких температур и напряжений, в результате чего в металле появляются трещинки;

- истончение стенки змеевика из–за разрушительного воздействия коррозии и механического трения. Появление коррозии на внутренней поверхности труб змеевика: в перерабатываемой нефти присутствуют соединения хлора и серы, разрушающие внутреннюю поверхность труб.

На НПЗ 10труб из 100 отбраковываются по этой причине. Появление коррозии на внешней поверхности труб: наружная поверхность труб подвержена коррозии кислородом (окислению) и сернистым ангидридом, которые содержатся в дымовых газах. Скорость этой коррозии зависит от состава топлива и количества воздуха, подаваемого на сжигание топлива.

2 Патентный поиск

2.1 Задание на проведение патентных исследований

Целью данного исследования является изучение различных способов повышения эффективности установки замедленного коксования. Проанализировать и сравнить имеющиеся в настоящий момент методы с новыми предложениями по данной тематике.

2.2 Регламент патентного поиска

Общие сведения.

На стадии курсового и дипломного проектирования необходимо проводить оценку новизны и эффективности новых технических решений в области технологического оборудования. Объективным критерием оценки новых технических, разработок является наличие в них изобретений, поскольку они определяют уровень современного технологического оборудования, технологических процессов и материалов.

Анализ описаний отечественных и зарубежных изобретений, а также информация технического, экономического и конъюнктурного характера позволяют дать оценку новизны и технико-экономической эффективности разрабатываемого объекта. Патентные исследования являются обязательной, необъемлемой и составной частью при выполнении научно-исследователь-ских, 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.

Патентные исследования - это целый комплекс мероприятий, выполняемых разработчиком для выявления путем сопоставления определенных признаков и показателей разрабатываемого объекта техники с показателями аналогичных по назначению и функционированию объектов, содержащихся в патентных и других источниках информации.

Основную роль в проведении этих исследований играет анализ патентной информации, представляющей собой совокупность сведений научно-технического и экономико-правового характера. К ее достоинствам следует отнести, прежде всего, подтвержденную патентной экспертизой достоверность, новизну и практическую полезность содержащихся в ней сведений.

Важно отметить подробность описаний изобретений, сопровождаемых необходимыми графическими материалами в виде чертежей, схем и графиков. Кроме того, существенным для патентной документации является сравнительная легкость ее поиска и обработки благодаря единой международной систематизации с помощью МПК, где принята лаконичная и унифицированная форма изложения.

Суммарный мировой массив патентной информации составляет сегодня около 2,5 млн. публикаций в год, среди которых примерно 1,5 млн. - это сведения о предполагаемых или признанных изобретениях. Завершающий этап патентного производства - выдача охранного документа, информация о которой представляет интерес для патентных ведомств. Эту информацию публикуют около 80 стран и четыре международные организации. Ежегодно в мире выдается около 400 тысяч патентов.

Учитывая большой, нарастающий год из года объем патентной информации, научный руководитель должен при выдаче студенту задания на курсовое или дипломное проектирование дать четкую ориентацию на ведущие фирмы-разработчики и страны-производители полиграфического оборудования. Это существенно облегчит поиск патентной и технической документации для проведения анализа объекта проектирования.

На стадии курсового и дипломного проектирования патентные исследования содержат следующие этапы:

• определение ориентировочного уровня развития техники путем сопоставительного анализа разрабатываемого объекта с аналогичными решениями, защищенными патентом;

• определение новизны технических решений, полученных при дипломном проектировании, и при ее выявлении производится оформление материалов на предполагаемое изобретение.

Цели патентного поиска.

Патентный поиск - это процесс отбора соответствующих запросу документов или сведений по одному или нескольким признакам из массива патентных документов или данных, при этом осуществляется процесс поиска из множества документов и текстов только тех, которые соответствуют теме или предмету запроса.

Патентный поиск осуществляется посредством информационно-поисковой системы и выполняется вручную или с использованием соответствующих компьютерных программ, а так же с привлечением соответствующих экспертов.

Предмет поиска определяют исходя из конкретных задач патентных исследований категории объекта (устройство, способ, вещество), а так же из того, какие его элементы, параметры, свойства и другие характеристики предполагается исследовать.

При патентном поиске сравниваются выражения смыслового содержания информационного запроса и содержания документа.

Для оценки результатов поиска создаются определенные правила-критерии соответствия, устанавливающие, при какой степени формального совпадения поискового образа документа с поисковым предписанием текст следует считать отвечающим информационному запросу.

Среди основных целей патентного поиска можно выделить:

Проверка уникальности изобретения;

Определение особенностей нового продукта;

Определение других сфер применения нового продукта;

Поиск изобретателей или компании, получивших патенты на изобретения в той же области;

Поиск патентов на какой-либо продукт;

Найти последние новинки в исследуемой области;

Поиск патентов на изобретения в смежных областях;

Определение состояния исследований в интересуемом технологическом поле;

Выяснить, не посягает ли ваше изобретение на чужую интеллектуальную собственность;

Получить информацию по конкретной компании или состоянию сектора рынка в целом;

Получить информацию о частных лицах, имеющих патенты на схожие изобретения;

Поиск потенциальных лицензиаров;

Поиск дополнительных информационных материалов.

Порядок проведения патентных исследований.

Порядок выполнения патентных исследований включает:

- определение задач патентных исследований, видов исследований и методов их проведения и разработку задания на проведение патентных исследований;

- определение требований к поиску патентной и другой документации, разработку регламента поиска;

- поиск и отбор патентной и другой документации в соответствии с утвержденным регламентом и оформление отчета о поиске;

- систематизацию и анализ отобранной документации; — обоснование решений задач патентными исследованиями; обоснование предложений по дальнейшей деятельности хозяйствующего субъекта, подготовка выводов и рекомендаций;

- оформление результатов исследований в виде отчета о патентных исследованиях.

Интернет и сетевые ресурсы.

Проведение патентного поиска является сложной и долгой процедурой, но существуют бесплатные Интернет-ресурсы, которые могут помочь в достаточно сжатые сроки достигнуть наиболее эффективных результатов и получить точную информацию.

Информационно-поисковая система - это логическая система, предназначенная для нахождения и выдачи информации, в том числе при патентном поиске, в документальном или ином виде и представляющая собой совокупность информационно-поискового языка, правил переводов текстов на этот язык, общих правил поиска и критерия смыслового соответствия содержания текста информационному запросу.

Если патентный поиск по базе данных зарегистрированных объектов результатов не дал, то необходимо проводить поиск до последней поданной заявки, но это значительно дольше и дороже.

В настоящее время наиболее эффективным и бесплатным способом проведения патентных исследований в России является просмотр патентов и изобретений в банке данных Федерального института промышленной собственности.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ФОРМА ЗАДАНИЯ НА ПРОВЕДЕНИЕ ПАТЕНТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой МС Сарилов М. Ю.

«1»октября 2021 г.

ЗАДАНИЕ № 7МА

на проведение патентных исследований

Наименование работы:  Повышение срока службы змеевика трубчатой печи.

Шифр работы: КП 7МА.

Этап работы: Курсовое проектирование, сроки его выполнения 01.10.2021 по 30.11.2021.

Задачи патентных исследований: Изучение различных способов повышения срока службы змеевика трубчатой печи. 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»	КнАГУ, кафедра МС	Мешков В.Е.	27.10.2021 – 28.10.2021	Заполнение таблицы 1.1 – Патентная документация
			02.11.2021 – 03.11.2021	Заполнение таблицы 1.2 – Научно-техническая, конъюнктурная, нормативная документация и материалы государственной регистрации
			07.11.2021 – 10.11.2021	Заполнение таблицы 1.3 – Тенденции развития объекта исследования

Руководитель _________ Т.И. Башкова __________

патентного подразделения   ^{личная подпись  расшифровка дата}

^{подписи}

Руководитель подразделения __________ М.Ю. Сарилов _____________

исполнителя работы ^{личная подпись  расшифровка дата}

^{подписи}

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

РЕГЛАМЕНТ ПАТЕНТНОГО ПОИСКА

К заданию № 7МА от «1» октября 2021 г.

Студенту: Мешкову Владимиру Евгеньевичу.

Группы 8МАб-1 по теме: Повышение срока службы змеевика трубчатой печи.

Стадия: Курсовое 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

2.3 Форма отчета о патентном поиске

1. Поиск проведен в соответствии с заданием зав. кафедрой МС Сарилова М.Ю.

№ 7МА от 1 октября 2021 и Регламентом поиска № 7МА от 1 октября 2021.

2. Этап работы: Курсовое проектирование.

3. Начало поиска: 01.10.2021. Окончание поиска: 30.11.2021.

4. 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 1.1 - 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 RU C10G 9/14 C10G 9/20 204 098	Общество с ограниченной ответственностью "Газпром проектирование" (RU) 2020143770 28.12.2020	Трубчатая печь	Действует до 28.06.2023
	Патент RU C10G 9/14 2 402 593	Государственное унитарное предприятие "Институт нефтехимпереработки Республики Башкортостан" (ГУП "ИНХП РБ") (RU) 2009100615 11.01.2009	Трубчатая печь	Действует до 11.07.2023

Змеевик, печь	Патент RU C10G 47/00 C10G 9/20 F23C 9/08 177 784	Общество с ограниченной ответственностью "Бантер Групп" (RU) 2017118927 31.05.2017	Трубчатая печь конвекционного нагрева теплоносителя с принудительной рециркуляцией дымовых газов	Действует до 30.11.2022
	Патент RU C10G 9/20  152 509	Публичное Акционерное Общество "Нижнекамскнефтехим" (RU) 2015100999 12.01.2015	Трубчатая печь пиролиза	Действует до 13.01.2023
	Патент RU C10G 9/20 F27B 5/00 2 599 254	Закрытое акционерное общество "Научно-производственный центр энергетического оборудования" (RU) 2015127658 09.07.2015	Трубчатая печь с теплообменником	Действует до 09.01.2023
	Патент RU C10G 9/20 F28F 13/12 2 453580	Чайна Петролиум энд Кемикал Корпорейшн (CN), Биджинг Ресеч Институт оф Кемикал Индастри, Чайна Петролеум энд Кемикал Корпорейшн (CN) 2009139458 28.03.2008	Трубчатая печь для крекинга	Действует до 28.09.2022

Таблица 1.2 - Научно-техническая, конъюнктурная, нормативная документация и материалы государственной регистрации (отчеты о научно-исследова-тельских 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	https://www.fips.ru	Казеннов Анатолий Александрович (RU), Кондакова Кристина Евгеньевна (RU), Бодунова Евгения Ильинична (RU), Овсянников Илья Сергеевич (RU), Корытников Роман Владимирович (RU), Налобин Андрей Сергеевич (RU), Белобородов Анатолий Владимирович (RU)	28.12.2020
	https://www.fips.ru	Хайрудинов Ильдар Рашидович (RU), Ягудин Марат Нуриевич (RU), Таушев Виктор Васильевич (RU), Хайрудинова Гульнара Ильдаровна (RU), Теляшев Эльшад Гумерович (RU)	11.01.2009
	https://www.fips.ru	Семин Артем Валерьевич (RU)	31.05.2017
	https://www.fips.ru	Гильманов Хамит Хамисович (RU), Шарифуллин Ильфат Габдулвахитович (RU), Шатилов Владимир Михайлович (RU), Яруллин Ильгиз Миннесалихович (RU), Якупов Алмас Айратович (RU), Вильданов Ханиф Гусманович (RU), Гилязев Марат Марсович (RU)	12.01.2015
	https://www.fips.ru	Королёв Пётр Васильевич (RU), Валуев Юрий Анатольевич (RU), Цветков Евгений Николаевич (RU), Мажейкин Артём Игоревич (RU)	09.07.2015
	https://www.fips.ru	Ванг Гуокинг (CN), Жанг Лиюн (CN), Ду Жигуо (CN), Чен Шуо (CN), Жанг Жаобин (CN), Жоу Конг (CN), Жоу Хианфенг (CN)	28.03.2008

Таблица 1.3 - 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
Трубчатая печь	Патент RU 204 098	Нефтепере- рабатывающая промышлен- ность	Технический результат состоит в повышении надежности работы трубчатой печи, сокращении сроков выполнения монтажных и ремонтных работ, удобстве обслуживания, при этом трубчатая печь включает в себя коробчатый корпус с камерами конвекции и радиации, в которых размещены радиантный и конвективный змеевики , горелки, установленные в поду печи , радиантный змеевик выполнен спиралевидным, прямоугольным и установлен горизонтально в коробчатом корпусе, при этом трубы радиантного змеевика размещены вдоль стен радиантной камеры, полностью закрывая стены, каждая торцевая стенка выполнена с проемами, в которых герметично установлены и закреплены съемные щиты с возможностью осуществления доступа к заданному участку радиантного змеевика , съемный щит снабжен креплением и герметизирующим уплотнителем, расположенным и закрепленным по внутреннему его периметру. 1 фиг.

			На фиг. 1 изображена Трубчатая печь , вид спереди, на фиг. 2 изображена Трубчатая печь , вид слева, на фиг. 3 изображен разрез А-А на фиг. 2. Трубчатая печь коробчатого типа с верхним отводом дымовых газов (далее по тексту - « Печь ») включает в себя коробчатый корпус с камерой радиации с боковыми 1 и торцевыми 2 футерованными стенами и радиантным змеевиком 3 и с камерой конвекции с футерованными стенами 4 и конвективным змеевиком 5, и подом 6, горелочные устройства 7 и обвязку 8 горелок, переходник 9, узел шибера 10 с приводом, дымовую трубу 11, блок автоматики КИПиА 12, систему лестниц 13 и площадок 14 для обслуживания, например, радиантных змеевиков 3, управления работой горелок 7, приборов КИПиА 12. Также содержит топочную камеру, коллекторы подвода воздуха к горелкам. Горелочные устройства 7 установлены в поду 6 печи, вдоль продольной ее оси. Радиантный змеевик 3 представляет собой горизонтальный, прямоугольный, спиралевидный змеевик и выполнен из труб и отводов, например, из труб переменного сечения, постоянного сечения, герметично соединенных между собой отводами. Радиантный змеевик 3 расположен вдоль стен радиантной камеры, полностью закрывая стены: боковые 1 и торцевые 2 футерованные стены с возможностью полного их экранирования, обеспечивая максимальный теплосъем от факелов горелок 7 и минимальной металло- и материалоемкости печи.
Трубчатая печь	Патент RU 2 402 593	Нефтепере- рабатывающая промышлен- ность	На чертежах представлена предлагаемая двухкамерная трубчатая печь , где фиг.1 - трубчатая печь в разрезе, вид спереди; фиг.2 - разрез А-А. Печь включает коробчатый корпус 1 с теплоизоляцией 2, камеру конвекции 3 с конвективными змеевиками 4 и 5, камеру радиации 6 с радиантным змеевиком 7. Конвективные змеевики 4 и 5 выполнены из горизонтальных труб, из них: первый - из спаренных оребренных труб; второй - из обычных. Радиантный змеевик 7 выполнен спиральным из спаренных труб с сокинг-секцией 8, по которым протекают два параллельных потока. Сокинг-секция 8 изготовлена из труб большего диаметра, объем которых составляет 20% от общего объема труб спирального змеевика 7. Звено радиантного спирального змеевика 7 состоит из двух длинных и двух коротких труб, при этом угол наклона коротких труб составляет 7°. Расстояние между звеньями спирального змеевика 7 составляет два диаметра трубы, при этом диаметр труб сокинг-секции 8 на 35% превышает диаметр труб радиантного спирального змеевика 7.

			В поду 9 печи установлены горелки 10. Печь снабжена линиями 11 для ввода сырья в змеевик печи , линиями 12 для ввода сырья из камеры конвекции в камеру радиации и линиями 13 вывода продуктов нагрева и разложения из печи в реактор или колонну.
Трубчатая печь конвекционного нагрева теплоносителя с принудительной рециркуляцией дымовых газов	Патент RU 177 784	Нефтехимическая промышлен- ность	Трубчатая печь, содержащая корпус с размещенной внутри камерой сгорания, снабженной горелочным узлом, и теплообменной камерой, снабженной по крайней мере одним трубным змеевиком ; рециркуляционный вентилятор, вход которого соединен с выходом теплообменной камеры, отличающаяся тем, что печь содержит камеру смешения, вход которой соединен с выходом камеры сгорания и выходом рециркуляционного вентилятора, а выход соединен с входом теплообменной камеры, камера смешения выполнена из двух концентрических обечаек, между которыми расположено спиральное ребро жесткости, образующее воздушный канал от выхода камеры смешения к входу камеры смешения; печь содержит дутьевой вентилятор, выход которого соединен с воздушным каналом у выхода камеры смешения; горелочный узел снабжен входом для воздуха, соединенным с воздушным каналом у входа камеры смешения;

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид заявляемого устройства, на фиг. 2 – устройство в разрезе, на фиг. 3 – камера сгорания. Позициями на чертежах обозначены: 1 - корпус; 2 - камера сгорания; 3 - днище; 4 - горелочный узел; 5 - коническая обечайка; 6 - цилиндрическая обечайка; 7 - вход для воздуха; 8 - жаровая труба; 9 - перфорированная насадка; 10 - камера смешения; 11 - внутренняя обечайка; 12 - внешняя обечайка; 13 - ребро жесткости; 14 - воздушный канал; 15 - вход камеры смешения; 16 - выход камеры смешения; 17 - направление потока газа в камере смешения; 18 - дутьевой вентилятор; 19 - первый патрубок; 20 - второй патрубок; 21 - теплообменная камера; 22 - трубный змеевик ; 23 - выпускная труба; 24 - вход теплообменной камеры; 25 - выход теплообменной камеры; 26 - направление потока газа в теплообменной камере; 27 - рециркуляционный вентилятор; 28 - всасывающий трубопровод; 29 - нагнетательный трубопровод.

Трубчатая печь пиролиза	Патент RU 152 509	Нефтехимическая промышлен- ность	Трубчатая печь пиролиза углеводородного сырья, включающая многопоточные вертикальные пирозмеевики, состоящие из множества параллельных труб, расположенных в радиантной камере, отличающаяся тем, что в радиантной камере за последней секцией пирозмеевиков устанавливают две прямые параллельные трубы, после которых - три прямые последовательные трубы, при этом диаметр и длина двух прямых параллельных труб постоянны и равны диаметру и длине предыдущей реакционной трубы, а диаметр последних трех последовательных труб должен составлять 1,1-1,6 диаметра параллельных труб предыдущей секции при длине последовательных труб 1,01-1,06 длины параллельных труб предыдущей секции.

Трубчатая печь с теплообменником

Патент RU 2 599 254

Нефтехимическая промышлен- ность

Трубчатая печь , содержащая камеру сгорания с горелкой, сообщенную с камерой теплообмена, в которой размещены продуктовые трубы, отличающаяся тем, что горелка включает газовые стволы и воздуховод, при этом концы газовых стволов размещены в камере сгорания вокруг выходного отверстия воздуховода, в камере сгорания установлен завихритель воздушного потока, продуктовые трубы представляют собой трубчатый теплообменник с поперечно обтекаемым пучком труб, а в коллекторах трубчатого теплообменника установлены перегородки с образованием последовательно-параллельной схемы соединения труб.

Трубчатая печь для крекинга

Патент RU 2 453 580

Нефтеперерабатывающая промышлен- ность

Промышленный пиролиз углеводородов совершается в трубчатой печи для крекинга. Хорошо известно, что теоретически химическая реакция пиролиза углеводородов является строго эндотермической реакцией, включающей первичную (основную) реакцию и вторичную (побочную) реакцию. Обычно говорят, что первичная реакция относится к реакциям, в которых большие углеводородные молекулы расщепляются на более мелкие молекулы, т.е. происходит дегидрирование линейных углеводородов до разрушения цепочки, а дегидрирование нафтенов и аренов до разрушения кольца, таким образом, в результате первичной (основной) реакции получают этилен, пропилен и подобные вещества. Изобретение относится к трубчатой печи для крекинга, предназначенной, в частности, для получения этилена, включающей конвекционную секцию и (или) двойную радиационную (радиантную) секцию(и), по меньшей мере, с однопроходной радиационной (радиантной) трубой, выполненной, по меньшей мере, с одним элементом, интенсифицирующим передачу тепла. Указанный, по меньшей мере, один элемент, интенсифицирующий передачу тепла, является первым элементом, интенсифицирующим передачу тепла, который установлен в радиантной трубе в интервале от 10 D до 25 D вверх по течению от экстремальной точки нагрева металла первого прохода радиантной трубы, где D является внутренним диаметром радиантной трубы с элементом, интенсифицирующим теплопередачу.

2.4 Выводы и результаты по патентному поиску

После проведения патентного поиска можно сделать вывод, что на данный момент есть много патентов относящихся к методам повышения срока службы змеевика трубчатой печи. Однако, не все из них на сегодняшний день действительны.

Целью новых патентов является повышение эффективности работы старых, но есть и такие, в которых стараются придумывать новые патенты, основываясь на прошлых изобретениях, стараются их модернизировать.

Существуют патенты, суть которых заключаются в усовершенствовании и комбинировании уже известных способов. Чаще всего целями таких патентов являются улучшения их характеристик.

Таким образом, воспользовавшись статистическими данными, определена целесообразность применения конструктивного метода, рассматриваемого в данной работе, что позволяет значительно повысить ресурс эксплуатируемых

трубчатых печей и создать предпосылки для разработки эффективных печных агрегатов различного технологического назначения.

Также в этой главе рассмотрены некоторые способы реконструкции трубчатых змеевиков, позволяющие воспользоваться ранее полученным опытом.

3 Теоретическое и конструкторско-технологическое описание

проблемы. Подбор и описание мероприятий, предложенных для решения проблемы

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). Для сравнения, теплопроводность стали марки 15Х5М находится в диапазоне от 33 до 37 Вт/м∙К в зависимости от температуры окружающей среды. 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 3845-3890 ℃

Это свойство графита позволяет использовать его в трубчатой печи, где температуры факела достигают 1700-1900 ℃.

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.

3.3 Расчет змеевика

Исходные данные:

Годовая производительность по сырью

Код для цитирования: Скопировать