Химическая энциклопедия
Главная - Химическая энциклопедия - буква П - ПЕЧИ |
ПЕЧИ
. Промышленные
П.-устройства с камерой, огражденной от окружающей среды, предназначенные
для получения материалов и изделий при тепловом воздействии на исходные в-ва.
Теплота выделяется в результате горения топлива или превращения электрич. (реже
солнечной) энергии. Осн. части П.: теплогенератор (источник тепла); рабочая
камера, в к-рой находятся материалы или изделия; теплоотборник, служащий для
охлаждения изделий после их термич. обработки; устройства для подвода топлива
или электрич. энергии, а также для отвода продуктов сгорания; механизмы для
загрузки, транспортировки через П. и выгрузки материалов или изделий; система
автоматич. управления работой П.; строит. конструкции (фундамент, футеровка
для ограждения рабочей камеры от окружающей среды, каркас для обеспечения необходимой
прочности и крепления горелок или форсунок, кожух для герметизации П. и обеспечения
ее прочности); устройства для утилизации тепла и продуктов сгорания топлива
(рекуператоры, регенераторы). В большинстве П. теплогенераторы и теплоот-борники
совмещены с рабочей камерой. Классификация. П. классифицируют
по термотехнол., теп-лотехн. и мех. характеристикам, а также с учетом конструктивных
особенностей, состояния и Cв-в печной среды (смеси в-в в рабочей камере кроме
исходных материалов и целевых продуктов). По термотехнол. признакам П. подразделяют
на физические, в к-рых получение продукта основано на целенаправленных физ.
превращ. исходных материалов без хим.
взаимод. между ними, и химические, в к-рых получение продукта основано на целенаправленных
хим. взаимод. между исходными материалами. По характеру течения тер-мотехнол.
процесса во времени различают П. периодического и П. непрерывного действия. По теплотехн. признакам
П. подразделяют след. образом. В зависимости от источника тепла выделяют. экзотермич.
(или пламенные), электротермич. (или электрич.), оптич. (в т.ч. гелиотермич.,
или солнечные) и смешанные П. В экзотермических П. источником тепла м. б. исходные
материалы, вводимое топливо (газообразное, жидкое либо твердое) или и то и другое
одновременно. Электротермические П. подразделяют на П. сопротивления, дуговые,
дуговые П. сопротивления, электроннолучевые и индукционные. Различают также
П. с теплогенерацией в рабочей камере и вне ее, со встроенными рекуператорами
или без них, а также проходные (однократные) и рециркуляционные (многократные),
в к-рых газообразный теплоноситель в рабочей камере используется соотв. один
или много раз. В зависимости от вида теплообмена выделяют конвекционные, радиационные,
кондуктивные и смешанные П. По мех. признакам П. подразделяются
след. образом: по способу транспортировки исходных материалов и полученных продуктов-на
конвейерные, роликовые, рольганговые, вагонеточные и др.; по характеру движения
газовых потоков в рабочих камерах-на П. с криволинейными (круговыми, циклонными
и др.) или прямолинейными потоками; по взаимной ориентации потоков исходных
материалов и продуктов-на прямоточные, противоточные и перекрестные. Различают П. контролируемого
и неконтролируемого хим. состава, вакуумные или работающие под давлением. П.
бывают с газовой, жидкой, твердой или смешанной печной средой. Последняя состоит
из продуктов сгорания топлива, отходов физ. и хим. превращений исходных материалов
и из специально вводимых компонентов, необходимых для защиты исходных материалов
и продуктов от нежелат. хим. воздействий. По конструктивным признакам
П. подразделяются на шахтные, туннельные, кольцевые, ретортные, муфельные, тигельные,
горшковые, ванные, трубчатые, полочные, камерные, вращающиеся, колпачковые,
ямные, секционные, многоподовые с пульсирующим или шагающим подом и т.д. Основные показатели
работы П.-производительность, тепловая мощность, кпд. Производительность
обычно измеряют кол-вом исходного материала (сырья), проходящего через нее в
единицу времени, или кол-вом продукта, получаемого за определенное время, и
выражается в т/ч или т/сут. Тепловая мощность, или полезная тепловая нагрузка
(иногда наз. также теплопроизводительностью), соответствует кол-ву тепла, воспринимаемого
сырьем в П. в единицу времени; выражается в МВт. Кпд показывает, насколько эффективно
используется тепло, получаемое при сжигании топлива, и составляет обычно 0,6-0,8. Процессы, протекающие
в П. В рабочей камере одновременно осуществляются термотехнол., теплотехн.
и мех. процессы, в к-рых участвуют исходные материалы, продукты, печная среда
и футеровка. К мех. процессам относятся перемещение в рабочей камере исходных
материалов, продуктов и печной среды, к-рые должны создавать в рабочей камере
оптим. условия для осуществления термотехнол. процессов. Термотехнол. процессы весьма
разнообразны. К физ. процессам, в частности, относятся: 1) тепловая активация
металлов и сплавов, к-рую проводят, напр., для их подготовки к послед. пластич.
деформации (ковке, прокату, волочению и др.); 2) термич. обработка исходных
материалов-способ изменения их структуры и Cв-в в заданном направлении путем
их нагревания и охлаждения с определенным режимом изменения т-р во времени и
по объему П.; напр., отпуск и нормализация стали заключаются в нагреве ее до
т-р соотв. ниже нижней критической или выше (на 20-50 0C) верхней
критической, выдерживании при этих т-рах и послед.
охлаждении, что приводит к повышению пластичности и ударной вязкости стали;
3) плавление исходных материалов, осуществляемое для послед. придания металлам
и сплавам заданных форм, получения сплавов и твердых р-ров заданного хим. состава
и физ. Cв-в, термич. рафинирования расплавл. металлов, направл. кристаллизации
и зонной плавки при выращивании монокристаллов и глубокой очистки металлов и
т.д.; 4) испарение исходных материалов, осуществляемое, напр., для селективного
разделения расплавов и при первичной переработке нефти; 5) термич. обезвоживание
жидких отходов - эффективный способ снижения загрязнения окружающей среды, в
результате к-рого получают твердый сухой остаток в виде порошка или гранул. К хим. термотехнол. процессам
относятся, в частности, крекинг
, коксование
, пиролиз
, варка стекла, термохим.
рафинирование (очистка от примесей) металлов, возгонка (перевод в-ва из твердого
состояния в газообразное, напр. при получении желтого фосфора), термосинтез
(получение при высоких т-рах CaC2, CS2 и др.), термич.
разложение сложных хим. в-в (используется, напр., при получении кальцинир. соды,
техн. углерода), высокотемпературная деструкция углеводородного сырья (напр.,
для получения из нефти низших олефинов и жидких продуктов пиролиза - бензола,
толуола и др.), термич. обезвреживание отходов (распад их на нейтральные к окружающей
среде в-ва), а также обжиг, сжигание, выплавка, хим.-термич. обработка металлов. Обжиг - термич. обработка
материалов с целью направл. изменения их физ. Cв-в и хим. состава. При этом
исходный материал сначала нагревают до определенной т-ры, выдерживают при ней
и затем охлаждают с заданной скоростью. Обжиг применяют для термич. подготовки
руд и их концентратов к послед. переработке, для получения конечных хим. продуктов
и изделий (ртути, сурьмы, извести, керамики, эмалей, красок и др.). Различают
обжиг с получением порошка и обжиг со спеканием. При обжиге могут протекать
процессы дистилляции, пиролиза, диссоциации, синтеза новых соед. из исходных,
спекания
, кальцинации (напр., разложение NaHCO3) в сочетании
с разл. хим. р-циями. По химизму протекающих процессов выделяют неск. видов
обжига. Окислит. обжиг применяют для перевода сульфидов металлов в оксиды, иногда
с получением окускованного материала (как, напр., при произ-ве меди, цинка,
никеля). Окислительно-сулъфа-тизирующий обжиг применяют перед гидрометаллургич.
переделом для перевода цветных металлов в р-римые в воде сульфаты, железа-в
нерастворимые в воде оксиды. С помощью окислительно-возгоночного обжига из медеэлектро-литных
шламов удаляют селен благодаря окислению его до SeO2, к-рый возгоняется.
При окислительно-спекающем обжиге медеэлектролитные шламы спекают с содой для
перевода селена в водорастворимые селенит и селенат натрия, а теллура-в р-римый
в к-тах теллурат натрия. Окислит.-восстановит, обжиг отличается от окислительного
введением в шихту нек-рого кол-ва угля, что приводит к образованию летучих низших
оксидов и, т. обр., облегчает выделение в газообразном состоянии компонентов,
высшие оксиды к-рых слаболетучи. Восстановит. обжиг применяют
для получения металлов или их низших оксидов из высших, напр. MnO из концентрата
MnO2. С помощью восстановит. магнетизир. обжига слабомагн. железную
руду переводят в искусств. магнетит. Восстановительно-металлизирующим обжигом
получают губчатое железо и железные порошки, восстановительно-дистилляционным
- сурьму. Восстановительно-сульфатизи-рующий обжиг служит для переработки бедных
никель-кобальтовых руд, восстановительно-хлорирующий обжиг-для облегчения извлечения
Ti, Nb и Cu из никелевых концентратов (обжиг производится в присут. газообразного
хлора). Восстановительно-хлорирующий сегрегац. обжиг осуществляют в присут.
твердого восстановителя с добавкой хлоридов Na и Ca и используют для подготовки
труднообогатимых руд
цветных металлов к флотации или магн. сепарации. Хлорирующий обжиг применяют
для перевода ценных компонентов руды в легкорастворимые или легколетучие хлориды
(напр., при произ-ве титана и циркония). В результате декарбонизир. обжига удаляют
карбонаты Ca, Mo, Ba (напр., при обжиге известняка, доломита, магнезита, фосфорита).
Кальцинирующий обжиг применяют для удаления конституц. влаги и CO2
(при произ-ве соды, извести и т. д.). Дистилляц. обжиг-отгонка в парообразном
состоянии из руды или ее концентратов ценных составляющих (напр., Sb, Hg, As),
к-рые затем конденсируют. Обжиг проводят для получения
минер. вяжущих в-в (портландцемента, высокообжигового гипса и др.), искусств.
пористых заполнителей (керамзита, вспученного перлита, аглопирита и др.). Иногда
обжиг совмещают со спеканием руды или концентрата с активными добавками (сода,
мел и т. д.) или компонентами шихты (обжиг с окускованием) для облегчения послед.
обработки. Сжигание-процесс горения
исходных горючих материалов для получения новых продуктов или освобождения хим.
энергии. В П. сжигают сероводород, серу, фосфор, ацетилен, уголь, мазут, пропан,
бутан, прир. газ и др. Выплавка металлов-процесс
получения металлов из руд и шихт, основанный на полном их расплавлении и разделении
расплава. Таким образом получают сталь, чугун, никель, кобальт, свинец, черновые
медь и кадмий, олово, сурьму и др. (см. Металлургия
). Хим.-термич. обработка
металлов-процесс диффузионного насыщения пов-сти металла разл. хим. в-вами при
повыш. т-рах для придания металлам повыш. износостойкости, жаростойкости, коррозионной
стойкости, уста-лостной прочности и др. св-в. При хим. превращениях исходных
материалов в П. наряду с целевыми продуктами образуются твердые, жидкие и газообразные
отходы, нек-рые из к-рых экологически вредны. Эти отходы перерабатывают на новые
полезные продукты или подвергают хим. либо термич. обезвреживанию в других П.
Термотехнол. процессы, приводящие к появлению экологически вредных реакц. газов,
необходимо осуществлять так, чтобы эти газы не контактировали с дымовыми газами,
получаемыми при сжигании топлива. Конструкции П. В
зависимости от целей и характера термотехнол. процессов конструкции П. имеют
свои особенности. В качестве примера на рис. 1 приведена схема герметизированной
электрической ванной П., предназначенной для получения желтого фосфора. Она
имеет круглую форму и футерована углеграфитными блоками, а верх. часть стенки
- шамотными кирпичами. Осн. конструктивный элемент этой П.-ванна 6. В ней осуществляются
превращ. исходных материалов и получается желтый фосфор, к-рый возгоняется и
выводится из П. В боковых стенках ванны установлены летки 10 для выпуска шлака
и феррофосфора. Ванна заключена в металлич. кожух 4, к-рый обеспечивает ее мех.
прочность и герметичность. Ванна сверху закрывается сводом 8 из жаропрочного
железобетона; на своде установлена электроизоляц. газонепроницаемая металлич.
крышка 3. На своде и крышке имеются отверстия для прохода электродов 7, течек
(отверстий) 2 для подачи исходных материалов и отводов газообразных продуктов.
Передача электроэнергии электродам, удерживание, регулирование их положения
в ванне осуществляется с помощью электрододержателей 1. П. непрерывно охлаждается
водой. Рис. 1. Электрич. руднотермич.
печь для получения фосфора: 1 -электрододер-жатель; 2-течки; 3-крышка; 4-кожух ванны; 5-водоохлаждение ванны; 6-ванна; 7-электроды; 8-свод; 9 - трансформатор;
10-летка. Рис. 2. Вращающаяся печь: 1-откатная головка; 2-горелка; 3-барабан; 4-бандаж; 5-венцовая шестерня;
6-пыльная камера; 7-наклонная течка; 8-опорная станция; 9-опорно-упорная станция;
10-механизм привода. На рис. 3 приведена схема
многоподовой П., предназначенной для обжига сыпучих материалов (сульфидов металлов,
магнезита, извести, золото- и серебросодержащих руд и т.д.). Она выполнена из
огнеупорных и теплоизоляц. материалов; снаружи заключена в стальной кожух. Топливом
в ней может служить мазут или прир. газ. Рабочая камера имеет форму вертикального
цилиндра, разделенного горизонтально расположенными подами 1 на неск. кольцевых
реакц. камер с разл. температурными режимами. На подах имеются отверстия 2,
расположенные попеременно на периферии или в центре, для пропускания исходного
материала и печных газов. Перемещение по подам с одноврем. перемешиванием обжигаемого
материала осуществляется перегребающим устройством, состоящим из центрального
пустотелого вала 6 и закрепленных в нем рукояток с гребками 5 (мех. мешалками).
Центральный вал и рукоятки охлаждаются воздухом, подаваемым от вентилятора 7.
Этот воздух затем м. б. использован для сжигания топлива. Перегребающее устройство
приводится во вращение механизмом привода 8, состоящим из электромотора и спец.
редуктора, расположенного под П. Исходный материал загружают
на верх. под через шнек 4 и гребками перемещают до отверстия на нем, через к-рое
он подается вниз-на след. под, совершая сложный зигзагообразный путь по всем
подам, и выгружается внизу П. На нек-рых кольцевых камерах снаружи П. установлены
горелки 10 для сжигания газообразного топлива (топливного газа), полученные
дымовые газы в смеси с газами, к-рые выделяются при протекании термотехнол.
процессов, являются теплоносителями, движутся по рабочим камерам вверх и выводятся
из П. Мазутное топливо сжигается в спец. отдельно стоящей топке 9, и образовавшиеся
газы по футеров. трубе подаются в П. Диаметр промышленных П. обычно 1,6-6,8
м, число подов 4-16, общая пов-сть подов составляет 6,5-370 м2. Доменная шахтная П. (рис.
4) предназначена для выплавки чугуна из железных руд. Главный термотехнол. процесс
в ней восстановление оксидов железа. Осн. частями П. являются колошник 1, шахта
2, распар 3, заплечники 4, горн 5, лещадь (основание, или дно, горна) и железобетонный
фундамент 22. Через спец. засыпной аппарат 6 в колошник загружают исходные шихтовые
материалы и отводят образующиеся газы. Ниже колошника расположена шахта конич.
формы, в к-рой материалы нагреваются, увеличиваются в объеме и опускаются вниз
под действием собств. веса. Распар наиб. широкая цилиндрич. часть П., соединяющая
шахту с заплечниками. В заплечниках происходит выгорание кокса и образование
жидких продуктов плавки, т.е. уменьшение объема находящихся в П. B-B. Ниж. часть
П.-горн делится на две зоны: верхнюю-фурменную, в к-рой установлены фурмы 9
для вдувания горячего воздуха (дутья) и топлива (прир. газа, мазута и др.),
и нижнюю металлоприемник, где накапливаются жидкий чугун и шлак и затем выпускаются
через летки 10, 11 по желобам 21 в ковш. Изнутри П. футерована высококачеств.
огнеупорными материалами и заключена в стальной кожух 16. Для предохранения
от разрушения футеровка охлаждается металлич. холодильниками 17 и 18, по к-рым
постоянно циркулирует вода. 0 oC В нефтехим. и нефтеперерабатывающей
пром-сти наиб. широко используются трубчатые П. Они предназначены для огневого
нагрева (до 300 0C), испарения и перегрева (при 300-500 oC)
газообразных и жидких сред, а также для проведения высокотемпературных процессов
деструкции углеводородного сырья (при т-ре ~ 900 0C). Соответственно
различают нагревательные (применяемые, напр., для произ-ва масел), нагревательно-испарительные
(для первичной переработки нефти) и нагревательно-испарительно-реак-ционные
(применяемые для получения низших олефинов, бензола, толуола и др.) трубчатые
П Осн. элемент этих П. трубчатый
змеевик, в к-ром движется нагреваемая среда (исходный материал). Змеевик изготовляют
из жаропрочных труб диаметром 57-426 мм. длиной до 24 м и толщиной стенок 4-22
мм; пов-сть нагрева составляет 15-2000 м2. Подавляющее большинство
трубчатых П. имеют две камеры конвекционную (или конвективную) и радиационную
(или радиантную), и называются радиационно-конвекцион-ными, или радиантно-конвективными.
Обычно исходный материал поступает сначала в конвекц. камеру, где он нагревается
вследствие конвекции, а затем в змеевик радиац. камеры, к-рый обогревается спец.
горелками. Трубчатые П. могут быть разной формы-коробчатые, широко- и узкокамерные,
цилиндрические, кольцевые, секционные, одно- и многокамерные. Змеевики в них
бывают горизонтальные, вертикальные, винтовые и коллекторные. Конвекц. камеры
размещаются относительно радиац. камеры сверху, снизу, сбоку или в середине.
Трубчатые П. различаются также положением горелок для жидкого и газообразного
топлива или устройств для сжигания твердого топлива (боковое, настенное, подовое,
сводное и т.д.), отводом продуктов сгорания топлива (дымовых газов) из П., числом
радиац. и конвекц. камер, видом огнеупорной обмуровки и теплоизоляции (огнеупорный
шамотный кирпич, блочный жаропрочный бетон, легковесные шамотноволокнистые плиты
и т. д.). Важнейшими показателями
работы трубчатых П. кроме тепловой мощности, производительности по сырью и кпд
являются теплонапряженность пов-сти нагрева, гидравлич. потери напора потоков
сырья в трубчатом змеевике. Тепло-напряженность пов-сти нагрева характеризует,
насколько эффективно используются трубчатые змеевики для нагрева сырья, и определяется
кол-вом тепла, передаваемым через 1 м2 пов-сти змеевика за 1 ч. Гидравлич.
потери напора в змеевике зависят от скорости движения сырья, вязкости, длины
печных труб, их диаметра, чистоты внутр. пов-сти, сопротивлений в местах соединения
труб. При деструктивной переработке нефтяного сырья жестко устанавливаются такие
параметры, как т-ра, давление, время контакта (время пребывания сырья в змеевике).
Производительность трубчатых П. в случае переработки нефти при атм. давлении
достигает 8000 т/сут, кпд-92%; допускаемая теплонапряженность для нагревательных
и нагревательно-испаритель-но-реакционных трубчатых П. составляет 17-58 и 80
кВт/м2 соотв.; тепловая мощность варьирует от 0,12 до 250 МВт. Трубчатые
П. большой мощности обладают рядом преимуществ по сравнению с печами малой мощности:
относительно небольшие капиталовложения, простота техн. обслуживания, лучшие
техн.-экономич. показатели, компактность, низкая материалоемкость и т.д. Усовершенствование конструкций
трубчатых П. для деструктивной переработки нефтяного сырья в нефтехим. пром-сти
имеет целью увеличение выхода продуктов при миним. расходе сырья и топливно-энергетич.
ресурсов, повышение работоспособности и долговечности материального оформления,
организацию автоматич. управления режимом работы. Один из путей - уменьшение
длины и диаметра печных труб и изменение геометрии трубчатых змеевиков, что
позволяет уменьшить время пребывания сырья в реакц. зоне, благодаря чему возрастает
селективность процессов пиролиза и выход целевых продуктов. В нефтеперерабатывающей
и нефтехим. пром-сти используют трубчатые П. разл. конструкций. В качестве примера
на рис. 5 приведена схема радиационно-конвекционной трубчатой П. нефтеперерабатывающей
установки. П. состоит из радиац. камеры 5, футерованной легковесным жаростойким
бетоном, цельносварного трубчатого змеевика 6, подовой горелки 7 для жидкого
или газообразного топлива. Верх. расположение конвекц. камеры 1 и дымовой трубы
8 обеспечивает прямоточное удаление продуктов сгорания топлива с миним. гидравлич.
потерями напора в змеевике.
Узкокамерная нагревательно-реакц.
трубчатая П. для произ-ва этилена из нефтяного сырья (рис. 6) состоит из двух
самостоят. отсеков-радиационной (1) и конвекционной (2) камер, объединенных
одной дымовой трубой 4. Топливная система оснащена настенными акустич. газовыми
горелками 5, обогревающими стенки топки и равномерно излучающими
тепло на пирозмееви-ки 3. Кол-во топливного газа (и, следовательно, т-ра пиролиза)
регулируется спец. клапанами 7, что позволяет экономно расходовать топливо,
сократить вредные выбросы в атмосферу, упростить техн. обслуживание, увеличить
долговечность материальной части. Исходный материал поступает в конвекц. камеру,
где нагревается до 500-550 0C, затем-в радиац. камеру, где происходит
пиролиз при 800-850 0C, и выходит из П. в за-калочно-испарит. аппарат
(ЗИА) 10, служащий для охлаждения газов пиролиза и выработки водяного пара. Схема печного агрегата
установки миллисекундного пиролиза углеводородного сырья для произ-ва низших
олефинов приведена на рис. 7. Время контакта в зоне р-ции составляет 0,05-0,1
с, что позволяет вести процесс при 900-930 0C. Это обеспечивает достаточную
селективность и высокий выход целевых продуктов. Исходное сырье поступает в
конвекц. камеру 1 для подогрева, а затем-в радиац. камеру 2 через два автономных
коллектора, расположенных в поду топки (на рис. не показаны). Эти коллекторы
соединены с трубчатым змеевиком 3, представляющим
собой ряд прямых вертикальных трубок, в к-рых происходит пиролиз. На выходе
из агрегата оба потока объединяются и поступают в ЗИА. Обогрев в П. осуществляется
подовыми горелками, пламя к-рых направлено на стены топки, излучающие равномерный
тепловой поток на реакц. трубки. Для хим. и физ.-хим. исследований
и анализа, а также в препаративных целях широко используют лабораторные П. Большинство
из них представляют собой электрические П. сопротивления. Они снабжены регулирующими
устройствами, позволяющими выдерживать образцы при разл. режимах изменения т-ры,
и контрольно-измерит. приборами для наблюдения за ходом процессов. Лабораторные П. разнообразны
по своим конструкциям; имеются, напр., П. с вращающимся барабаном, с кипящим
слоем (КС; источником тепла в них м. б. топливо), П. с муфелем (т.е. с замкнутой
камерой из шамота, керамики или др. огнеупорного материала, в к-рую помещают
нагреваемое в-во). В зависимости от формы муфеля различают тигельные, трубчатые
и шахтные П. Т-ра в муфельной П. обычно составляет 1000-1200 0C,
но может достигать и 1450 0C. В качестве примера на рис.
8 приведена схема муфельной электропечи сопротивления для нагрева до 1000 0C.
Ее прямоугольный корпус 7 выполнен из тонколистовой стали, в верх. части находится
камера нагрева 6, в ниж. части-блок управления 5. В центре камеры нагрева размещен
керамич. муфель 8, на к-рый намотан нагреват. элемент 9. Внутр. пов-сть муфеля
образует рабочее пространство электропечи. Через отверстие 14 в задней части
муфеля в рабочее пространство вводят регулирующую термопару. Пространство между
муфелем и корпусом камеры нагрева заполнено теплоизоляцией 10. Загрузка электропечи
производится через проем, закрываемый дверцей 12 с отверстием 13 для ввода контрольной
термопары. Блок управления 5 электропечи служит для автоматич. поддержания заданной
т-ры. Лит.: Исламов M.
Ш., Печи химической промышленности, 2 изд., Л., 1975; его же. Проектирование
и эксплуатация промышленных печей, Л., 1986; Ентус H. Р., Шарихин В. В., Трубчатые
печи в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, M., 1987. M.
UI. Исламов, H. P. Ентус.
|