Печь для термического разложения газообразных или жидких углеводородов

 

Изобретение касается печи для термического разложения углеводородного газообразного или жидкого сырья и позволяет повысить эффективность процесса. Печь состоит из одной (или более) радиационной камеры 1, содержащей несколько вертикальных реакционных труб 3,4, конвективной секции 5, присоединенной к трубе для отвода дымовых газов из радиационной камеры. Реакционные трубы выполнены двойными по системе труба в трубе, выведены своим верхним концом из радиационной камеры. Внутренние реакционные трубы 4 подключены к одному (или более) выходному коллектору 14, который подключен к входу соответствующего утилизационного теплообменника 15. Наружные трубы 3 входным трубопроводом 11 подключены к одному (или более) входному коллектору 10, который соединен с выходом труб конвективной секции 8. Результатом данной компоновки является улучшенная теплопередача между расщепляемой смесью, протекающей по наружному межтрубному пространству, и отреагированной смесью, покидающей реакционную трубу в пространство внутренней трубы. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А" (S1)S С 10 С 9/20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

flQ ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К А ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ! (89) GS 261302 (48) 26.09.88 (21) 7774304/23-26 (22) 09. 1О. 86 (31) РЧ 7258-85 (32) 10. 10.85 (33) CS (46) 15.12.90. Бюл. У 46 (71) Вызкумны устав мемицких заржизени (С$) (72) Петр Веселы, Лубош Фиедлер и Павел Еничек (CS) (53) бб.041.454 (088.8) 2 (54) ПЕЧЬ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ

ГАЗООБРАЗНЫХ ИЛИ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ (57) Изобретение касается печи для термического разложения углеводород-. ного газообразного или жидкого сырья и позволяет повысить эффективность процесса. Печь состоит из одной (или более) радиационной камеры 1, содержащей несколько вертикальных реакционньм труб 3, 4, конвективной секции

5, присоединенной к трубе для отвода дымовых газов из радиационной камеры.

1613481!

Реакционные трубы выполнены двойными по системе труба в трубе, выведены своим верхним концом из радиационной камеры. Внутренние реакционные трубы

4 подключены к одному (или более) выходному коллектору 14, который подключен к входу соответствующего утилизационного теплообменника 13. Наружные трубы 3 входным трубопроводом

11 подключены к одному (или более) Изобретение касается печи для термического расщепления углеводородного сырья, газообразного или жидкого при нормальной температуре. Печь 20 предназначена для процесса теплового пиролиза углеводородов, проводимого при относительно высоких температурах реакции и при очень коротком времени нахождения сырья в процессных трубах 25 с целью производства низших олефинов, прежде всего этилена или же для дальнейших углеводородов, имеющих про— мьппленное применение.

Процесс теплового пиролиза газооб- 30 разных или жидких углеводородов с точкой кипения до 360 С, как правило происходит в присутствии разбавляющего пара в трубчатых печах при температуре 700-850 С и соответствующем о

35 времени эадерживания обрабатываемого сырья в печи 0,3-1 с. Реакционное пространство представляет собой в укаэанных печах, как правило вертикальный трубчатый змеевик или одинар 40 ный, или разветвленный, который обогревается радиационным теплом, выделяемым беспламенными горелками, расположенными в стенах или же в дне, или потолке реакционной камеры печи.

Внутренний диаметр трубчатого змеевика находится, как правило в интервале

75-160 мм, общая длина змеевика отве— чает диапазону 45-120 м.

Дымовые газы из радиационной камеры поступают в конвективнуь. секцию, где их тепловая энергия используется для испарения и предварительного подогрева углеводородного сырья, для перегрева разбавляющего пара или же

55 для предварительного подогрева воздуха для сжигания или питательной воды для теплообменников высокого давления или котлов, в которых утилизируется входному коллектору 10, который соединен с выходом труб конвективной секции 8. Результатом данной компоновки является улучшенная теплопередача между расщепляемой смесью, протекающей по наружному межтрубному пространству, и отреагированной смесью, покидающей реакционную трубу в пространство внутренней трубы. 2 э.п. ф-лы, 3 ил. тепло отработанного i азообразного продукта реакции, т.е. пирогаза для производства пара высокого давления или же для перегрева указанного пара.

Пиролиэныи гаэ — далее пирогаз непо— средственно после выхода из трубчатых змеевиков должен резко охлаждаться ниже критической температуры, т.е. о ниже ЬОО С с целью предотвращения возникновения нежелаемых вторичных реакций, уменьшающих выход главного продукта. Укаэанное резкое охлаждение, т.е. квенч достигается в некотором из известных типов теплообменников высокого давления, где тепло пиролизного газа используется для выработки пара с давлением 12-15 KIa который может применяться, например, для привода тупбокомпрессоров в процессе низкотемпературного фракционирования газообразных продуктов пиролиза.

Основные недостатки используемых в промышленности трубчатых печей, прежде всего в том, что трубчатые змеевики являются весьма расчлененными с большим количеством изгибов со штуцерами и прибылями, которые могут быть изготовлены лишь статическим литьем, в результате чего они неми«уемо получаются толстостенными, благодаря чему повышается не только общая масса трубчатого змеевика, но и общие капиталовложения, так как для производства трубчатых змеевиков в основном применяются высоколегированные жаростойкие стали.

К существенным недостаткам трубчатых печей относится то, что они не обеспечивают требуемые предпосылки для проведения пиролиза при продолжительности реакции меньше 0,3 с, а поэтому они не способны выполнить тре3481 6

5 161 бования современных мировых тенденций, направленных на увеличение производственной мощности печи и выхода этилена за счет повышения температуры реакции при одновременном сокращении времени пребывания реагирующей смеси в реакционный трубах.

Известные типы трубчатых печей, предложенные для ультракоротких или миллисекундных процессов пиролиэа, состоят As пучка прямых, вертикальных труб относительно малого диаметра (одноходовых труб), проходящих через радиационную секцию лишь в один проход и непосредственно присоединенных к собственному участку охлаждения, созданному, например, посредством сдвоенных, дублированных охлаждаемых труб, через охлаждающую рубашку которых протекает охлаждающая среда, в большинстве случаев вода или пароводяная смесь, в редких случаях, например, и расплавленный металл (авторское свидетельство СССР Ф 867922, кл. С 10 С 9/10, 1979).

Известно также решение, при котором отдельные реакционные трубы созданы, narc сдвоенные трубы (система труба в трубе), верхний конец которых выведен из радиационной камеры, причем в пространстве над ней или же рядом с ней плавно переходит в теплообменную часть. С целью снижения высоты печи при этом дублированная труба в теплообменной части выполнена как сдвоенная двойная труба, оборудованная штуцерами для подвода предварительно подогретого сырья в наружной оболочке двойной трубы и штуцегами для вывода охлажденного пиролизного газа во внутренней части двойной трубы (патент ЧССР Р 219211, кл. С 10 G 9/20, 1982).

Двойная труба с целью экономии высоколегированных сталей может изготавливаться иэ большего числа участков, которые будут изготавливаться из сталей с различным содержанием легирующих примесей. Иэ высоколегированной стали изготавливается лишь тот участок наружной трубы, который подвергается в радиационной зоне максимальным тепловым нагрузкам.

Весьма значительны также и сбережения капиталовложений, вытеканщие из того, что при одинаковой площади сечения и одинаковой мощности высота печи согласно изобретению уменьшается

55 приблизительно на 1/3. В связи с тем, что значительно упрощается уход за печью, кроме прочего достигается экономия эксплуатационных расходов приблизительно на 257.

К преимуществам последней описанной компоновки относится при этом и то обстоятельство, что созданы благоприятные предпосылки для испарения и предварительного подогрева углеводородного сырья, поступающего для реакции, а именно при применении как тепла уходящих дымовых газов, так и тепла реакции отводимого горячего пиролизного газа. Таким образом, печь не ограничена лишь одним типом сырья, имеет универсальный характер и может без каких-либо конструкционных изменений обрабатывать как газообразное, так и жидкое углеводородное сырье. Происходит лишь изменение технологических параметров, например объема впрыскиваемого сырья, его доли по отношению к разбавляющему пару и температуры сырья на входе или смеси

его с паром.

Пиролизная печь по данному изобретению исходит иэ преимущества последнего описанного решения компоновки, причем еще далее усовершенствует его функциональные возможности при устранении некоторых недостатков, таких как сложность и производственная трудоемкость теплообменниковой части отдельных реакционных частей, элементов, т.е. двойных труб, а далее, кроме прочего характеризуемая слишком большой длиной труб и массой из-эа параметров теплообмена газ-гаэ, Общая масса теплообменниковой части двойных труб таким образом выходит зачастую больше, чем масса самого теплообменника. Неблагоприятно также распределение поверхностной температуры вдоль длины трубы, при котором максимальная температура имеет место в местах максимальных механических напряжений, причем неблагоприятным является и профиль температуры по длине реактора.

Пиролизная печь конструкционного исполнения согласно изобретению, реакционные элементы которой сделаны как двойные трубы, выведенные верхним концом из радиационной камеры или камер, при этом характеризуется тем, что внутренние трубы двойных труб подключены прямо или посредством

1613481 соединительных труб к минимально одному выходному коллектору, который присоединен к входу соответствующего теплообменника по использованию отра5 ботанного тепла, в то время, как наружные трубы двойных труб посредством входного трубопровода присоединены к минимально одному входному коллектору, который соединен с выходом труб конвективной секции. В результате этого возникает компоновка, при которой реагирующая смесь подается в наружную трубу, а отреагированная смесь выводится из внутренней трубы линейной реакционной трубы, что улучшает условия теплообмена. Благодаря этому, создается воэможность для окончания процесса расщепления реагирующей смеси во внутренней трубе.

В целях выравнивания возможных потерь давления, возникающих в трубах (двойных трубах) как результат загрязнения стенок труб коксом или неточностей производства труб, можно хотя 25 бы в некоторые входные трубопроводы вставить дроссельные элементы, например дроссельную шайбу или клапан.

Данное мероприятие позволит достигнуть то, чтобы значение перепада дав- 3р ления на входном трубопроводе равнялось или быпо больше величины потери давления в реакционных трубах, вследствие чего обеспечивается равномерность распределения сырья во все трубы.

Одинаковый эффект может быть получен и при ином альтернативном решении, когда дроссельный элемент заме- 4 нен компоновкой, при которой хотя бы часть длины входных трубопроводов выполняется с суженым сечением.

К основным йреимуществам новой компОнОВки IIHpОлизнОй печи крОме Вы 45 сокой степени расщепления сырья при сохранении времени реакции во внутренней трубе перед началом собственного охлаждения в утилизационном теплообменнике высокого давления относится и простота конструк"чи, а также взаимосвязанная с ней относительно низкая производственная трудоемкость и пониженные производственные расходы. Преимуществом является также по55 вышение долгосрочности оборудования, что вытекает иэ более благоприятных температурных характеристик поверхностей нагрева.

В связи с тем, что общая компоновка предлагаемой печи приближается к компоновкам трубчатых печей, это дает возможность довольно просто применять изобретение в процессах реконструкции или модернизации существующих пиролизньм печей с целью суШественного повышения выхода олефинов при одновременно значительном повыше:— нии эффективности процесса. На ин— вестиционную экономику при этом весьма благоприятно влияет факт, что стальная несущая конструкция, конвективные секции, а прежде всего, узел производства пара высокого давления остаются при реконструкциях практически без изменений .

С точки зрения экономии эксплуата ционных расходов можно констатировать, что основным положительным вкладом предлагаемой пиролизной печи является то, что созданы хорошие предпосылки для испарения и предварительного подогрева углеводородного сырья, подаваемого в реакцию, с целью достижения, как можно более короткого времени пребывания сырья в реакционных трубах, более низкой потери давления, большей глубины использования сырья, длительного рабочего цикла, который является результатом низкой степени загрязнения труб коксом и быстрого охлаждения продукта пиролиза при сохранении пробега расщепления во внутренней трубе системы труба в трубе т.е. двойной трубы.

На фиг,l представлен вертикальный разрез пиролизной печи с одной радиационной камерой, теплообменником высокого давления, расположенным над радиационной камерой и с несоосно расположенной конвективной секций; на фиг.2 — вертикальный разрез одной двойной трубы; на фиг.3 — разрез А-А на фиг.2 (двойной трубы), Предлагаемая печь состоит иэ радиационной камеры 1 прямоугольного сечения, на боковых стенах которой располагаются бесфакельные радиационные горелки 2, В продольной оси радиационной камеры 1 в одном ряду располагаются реакционные трубы 3 и 4, верхняя часть которых выведена из радиационной камеры 1. Дымовые газы, передавшие часть своего тепла сырью, протекающему в трубах 3 и 4, выводятся из верхней части радиационной камеры

l с довольно высокой энтальпией в

1613481

10 конвективную секцию 5. Здесь оставшаяся тепловая энергия дымовых газов утилизируется в секции 6 для подогрева питательной воды, в секции 7 для предварительного подогрева углеводо5 родного сырья, подаваемого в реакцию, а в секции 8 для подогрева смеси предварительно подогретого сырья и разбавленного пара. Питательная среда, углеводородное сырье и смесь его с разбавляющим паром протекают в трубах конвективных секций по противотоку по отношению к дымовым газам, которые покидают конвективную часть через дымовую трубу 9.

Предварительно подогретая смесь углеводородного сырья и разбавляющего пара из конвективной секции 8 подается в один из нескольких 10 коллекторов входных, из которых через входной трубопровод 11 она подается в верхние части двойных труб 3 и 4.

Количество входных коллекторов 10 выбирается в зависимости от числа 25 ходов конвекции. Свежая смесь поступает в кольцевое пространство между наружной трубой 3 и внутренней труГ Ъ бой 4 и через данное пространство проходит в направлении вниз, причем одновременно проводится подогрев, как радиационным теплом, излучаемым настенными горелками 2, так и теплом отреагированного пиролизного газа, протекающего противотоком через внут35 реннюю трубу 4 до температуры, при которой происходит расщепление углеводородного сырья. При переходе из наружной трубы 3 во внутреннюю трубу

4 реагирующая смесь поворачивается с помощью устройства 12.

Отреагированный пиролиэный гаэ, частично охлажденный уже в радиационном пространстве пиролизной печи про- 45 текакщей противотоком относительно холодной смесью, поступающей в реакцию, выходит из внутренней трубы 4 через ее выходную часть 13, которая находится вне радиационной камеры 1 и непосредственно выведена в выходной коллектор 14. При контакте с относительно холодным сырьем, подводимым входным трубопроводом 11 в наружную трубу 3 происходит при этом дальнейЭ

55 шее охлаждение пиролизного газа о вплоть до температуры менее 750 С °

Охлаждающий эффект подаваемой свежей смеси в выходной части трубы 13 сис" темы труба в трубе усиливается охлаждающим влиянием окружающей среды.

Частично охлажденный иирогаэ поступает из выходного коллектора 14 в соответствующий утилизационный теплообменник 15, где отдает свою тепловую энергию пароволяной смеси подаваемой

Э в теплообменник 15 из холодной ветки (арового барабана 16, питаемого водой, предварительно подогретой в конвективной секции 6. Количество выходных коллекторов определено числом процессных труб и количеством теплообменников. Пар высокого давления, вырабатываемый в теплообменнике 15 по горячей ветке (паровой) парового барабана 16, отводится для дальнейшего применения. Охлажденный пиролиэный гаэ, который покидает трубное пространство теплообменника 15, подается для дальнейшей обработки или же для последукщего охлаждения в ороси тельных холодильниках, где охлаждается при непосредственном контакте с охлаждающим маслом.

Способ циркуляции реагирующей смеси в реакционных трубах 3 и 4, создание и функция устройства 12 для поворачивания потока, а также способ тангенциального выхода входного трубопровода 11 в корпус наружной трубы 3 хорошо ясны из фиг.2. Из поперечного разреза трубы видно расположение центрирующих перегородок 17, которые с целью достижения большей наглядности не показаны на фиг.2. Центрирующие перегородки 17, например, могут быть выполнены как одно- или многоходовые, прерывистые или непрерываемые винтовые элементы, причем подъем винта по длине потока смеси может изменяться в прямой зависимости от температуры протекающей реагирующей смеси.

Приводятся два примера конкретного решения пиролиэной печи согласно изобретению вместе с рассчитанными значениями рабочих параметров.

Пример 1. Было сделано и испытано модельное устройство с возмож-1 ностью обработки до 100 кгч сырья при времени реакции О, 1 с. Устройство состоит из реактора труба в трубе, наружная труба имеет диаметр

57х5 мм, внутренняя труба — ф 30х х3 мм. Длина обеих труб составляет ° 6000 мм. Смесь сырья и пара температурой 500-650 С в верхней части двойной трубы вводится в межтрубное

Составитель P.Горяинова

Редактор Ю.Середа Техред Л.Олийнык Корр е к тор М. Шар оши

Заказ 3866 Тираж 439 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101! j 161 радиационной камерой или рядом с ней, и конвективную секцию, подключенную к трубе для отвода дымовых газов нэ радиационной камеры или камер, причем реакционные трубы выполнены иэ наружной и внутренней труб по типу труба в трубе, верхние концы которых выведены из радиационной камеры или камер, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности процесса, наружные трубы реакционных труб подсоединены к трубам конвективной секции посредством входного кол3481 лектора и входных труб, а внутренние трубы реакционных труб подсоединены к входу утилизационного теплообменни5 ка посредством входного коллектора и соединительных труб.

2. Печь по п.1, о т л и ч а ю— щ а я с я тем, что один или несколько входных трубопроводов снабжены дроссельными заслонками.

3. Печь по п.1, о т л и ч а ющ а я с я тем, что один или несколько входных трубопроводов на части длины выполнены с суженным сечением.