Печь для термического разложения газообразных или жидких углеводородов

1613481 Реакционные трубы выполнены двойными по системе труба в трубе, выведены своим верхним концом из радиационной камеры. Внутренние реакционные трубыподключены 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 длятермического 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 промьппленное применение.Процесс теплового пиролиза газооб 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 соответствующемо35 времени эадерживания обрабатываемого сырья в печи 0,3-1 сРеакционное пространство представляет собой в укаэанных печах, как правило вертикальный трубчатый змеевик или одинар 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 отвечает 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 же55 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 конвективнойсекции 8. Результатом данной компоновки является улучшенная теплопередача между расщепляемой смесью, протекающей по наружному межтрубномупространству, и отреагированной смесью, покидающей реакционную трубу впространство внутренней трубы. 2 э.п,ф-лы, 3 ил. тепло отработанногоазообразного продукта реакции, т.е. пирогаза для производства пара высокого давления или же для перегрева указанного пара. Пиролиэныи гаэ - далее пирогаз непосредственно после выхода из трубчатых змеевиков должен резко охлаждаться ниже критической температуры, т.е.ониже ЬОО С с целью предотвращения во з ник но в ения 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 МПа, который может применяться, например, для привода турбокомпрессоров 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 неминуемо 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 существеннымнедостаткам 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 161бования современных мировых тенденций,направленных на увеличение производственной мощности печи и выхода этилена за счет повышения температурыреакции при одновременном сокращениивремени пребывания реагирующей смесив реакционный трубах.Известные типы трубчатых печей,предложенные для ультракоротких илимиллисекундных процессов пиролиэа,состоят йз пучка прямых, вертикальныхтруб относительно малого диаметра(одноходовых труб), проходящих черезрадиационную секцию лишь в один проход и непосредственно присоединенныхк собственному участку охлаждения,созданному, например, посредствомсдвоенных, дублированных охлаждаемыхтруб, через охлаждающую рубашку которых протекает охлаждакщая среда, вбольшинстве случаев вода или пароводяная смесь, в редких случаях, например, и расплавленный металл (авторское свидетельство СССР 9 867922,кл. С 10 С 9/10, 1979),Известно также решение, при которомотдельные реакционные трубы созданы,ю.к сдвоенные трубы (система труба втрубе), верхний конец которых выведениз радиационной камеры, причем в пространстве над ней или же рядом с нейплавно переходит в теплообменнуючасть. С целью снижения высоты печипри этом дублированная труба в теплообменной части выполнена как сдвоенная двойная труба, оборудованная штуцерами для подвода предварительноподогретого сырья в наружной оболочкедвойной трубы и штуцегами для выводаохлажденного пиролизного газа вовнутренней части двойной трубы (патент ЧССР Р 219211, кл. С 10 С 9/20,1982).Двойная труба с цельюэкономиивысоколегированных сталей может изготавливаться иэ большего числа участков, которые будут изготавливатьсяиз сталей с различным содержаниемлегирующих примесей. Иэ высоколегированной стали изготавливается лишьтот участок наружной трубы, которыйподвергается в радиационной зонемаксимальным тепловым нагрузкам.Весьма значительны также и сбережения капиталовложений, вытекающиеиз того, что при одинаковой площадисечения и одинаковой мощности высотапечи согласно изобретению уменьшается 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 приблизительно на 1/3. В связи с тем, что значительно упрощается уход эа печью, кроке 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 посредствомсоединительных труб к минимально одному выходному коллектору, который присоединен к входу соответствующего теплообменника по использованию отра 5 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 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 заменен компоновкой, при которой хотя бычасть длины входных трубопроводоввыполняется с суженым сечением,К основным йреимуществам новойкомпоновки пир Олиэ ной печи р кроме Вы 45сокой степени расщепления сырья присохранении времени реакции во внутренней трубе перед началом собственного охлаждения в утилизационном теплообменнике высокого давления относится и простота конструк-чи, а такжевзаимосвязанная с ней относительнонизкая производственная трудоемкостьи пониженные производственные расходы. Преимуществом является также по 55вышение долгосрочности оборудования,что вытекает иэ более благоприятныхтемпературных характеристик поверхностей нагрева. В связи с тем, что общая компоновка предлагаемой печи приближаетсяк компоновкам трубчатых печей, этодает возможность довольно просто при"менять изобретение в процессах реконструкции или модернизации существующих пиролизньм печей с целью существенного повышения выхода олефиновпри одновременно значительном повышс -нии эффективности процесса. На инвестиционную экономику при этом весьма благоприятно влияет факт, чтостальная несущая конструкция, конвективные секции, а прежде всего, узелпроизводства пара высокого давленияостаются при реконструкциях практически без изменений .С точки зрения экономии эксплуатационных расходов можно констатировать, что основным положительнымвкладом предлагаемой пиролизной печиявляется то, что созданы хорошиепредпосылки для испарения и предварительного подогрева углеводородногосырья, подаваемого в реакцию, с цельюдостижения, как можно более короткоговремени пребывания сырья в реакционных трубах, более низкой потери давления, большей глубины использованиясырья, длительного рабочего цикла,который является результатом низкойстепени загрязнения труб коксом ибыстрого охлаждения продукта пиролизапри сохранении пробега расщепленияво внутренней трубе системы труба втрубе т.е. двойной трубы.На фиг,1 представлен вертикальныйразрез пиролизной печи с одной радиационной камерой, теплообменником высокого давления, расположенным надрадиационной камерой и с несооснорасположенной конвективной секций;на фиг.2 - вертикальный разрез однойдвойной трубы; на фиг.3 - разрез А-Ана фиг.2 (двойной трубы),Предлагаемая печь состоит иэ радиационной камеры 1 прямоугольного сечения, на боковых стенах которой располагаются бесфакельные радиационныегорелки 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, выводятсяиз верхней части радиационной камеры1 с довольно высокой энтальпией вконвективную секцию 5. Здесь оставшаяся тепловая энергия дымовых газов утилизируется в секции 6 для подогрева питательной воды, в секции 7 для предварительного подогрева углеводо 5 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 тругбой 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 внут 35 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 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 дальнейЭ55 шее охлаждение пиролизного газао вплоть до температуры менее 750 СОхлаждающий эффект подаваемой свежей смеси в выходной части трубы 13 сис" темы труба в трубе усиливается охлаждающим влиянием окружающей среды.Частично охлажденный нирогаэ поступает из выходного коллектора 14 в соответствующий утилизационный теплообменник 15, где отдает свою тепловую энергию пароволяной смеси подаваемойЭ в теплообменник 15 из холодной ветки 1 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.П р и м е р 1. Было сделано и испытано модельное устройство с возможностью обработки до 100 кгч сырья при времени реакции ф О, 1 с. Устройство состоит из реактора труба в трубе, наружная труба имеет диаметр 57 х 5 мм, внутренняя труба - ф 30 х х 3 мм. Длина обеих труб составляет6000 мм. Смесь сырья и пара температурой 500-650 С в верхней части двойной трубы вводится в межтрубное820-920 С11-13 мас.Х СН 425-34 мас.Х СН 414-17 мас.й С Н Сырье БензинВремя выдераки 0,1 с П р и м е р 2В качестве примера возмоаного эксплуатационного оборудования была выбрана радиационная камера производительностью 11200 кгч в качестве сырья - бензинное сырье с интервалом дистилляции 50-180 С.Диаметр наружнойтрубы 102 миДиаметр внутренней трубы 60 ммДлина труб взоне излучения 10 мКоличество трубв радиационнойкамере 32 шт.Расход сырьячерез одну трубу 350 кгчРасход: сырьяв радиационнойкамере 11200 кгчРасход пара водной трубе 175 кгчРасход пара вРадиационнойкамере 5600 кгч"Нормативная температура пиролиэаТемпературасырья на входе 880 фС пространство, через которое протекает в направлении вниз, причем производится подогрев до управляемой, регулируемой температуры, при которой происходит расщепление сырья на смесь углеводородов, после этого рабочая среда по внутренней трубе отводится в выходной трубопровод, подогревая при этом свешее сырье, поступаемое в мештрубное пространство.Диаметр наруанойтрубы 57 х 5 миДиаметр внутренней трубы 30 х 3 ммРасход сырья макс. 00 кгчРасхоД пара 0,5-07 от сырьяТемпературасмеси на входе 500-650 СйТемпературасмеси в устройстве превращения потокаВыходы1100 С 20 50 формула изобретения 1. Печь для термического раэлозания газообразных или шидких углеводо" родов, содершащая одну или несколько радиационных камер с вертикальными реакционными трубами, нодключенныии к одному или более утилизационным тептеплообменникам, располоаенныи над в конвективнуюсекцию 60 фСТемпература смеси на выходе иэконвективнойсекции 620 чСТемпература пиролизного газана выходе изтеплообменника 350-450 СТемпература газовна выходе изтопочного простРанстваТемпература уходящих газов вдымовой трубе 190 СИзбыток воздуха 11Температура пиролиэного газана выходе из реакционного элемента 800 СоРасход топлива 1380 кгчТепловая мощностьпечк 19, 1 МВтТепловой расходрадиации 8,4 МВтПри решении проблем конструирования новых пиролизных печей с использованием реакционных элементов мошнов широком диапазоне приспособить производительность всей печи посредством выбора необходимого числа реакционных элементов, т.е. реакционныхтруб по системе труба в трубе в радиационной камере. Можно изменитьи общую компоновку радиационной печи, 40 а такзе распределение и компоновкуконвективной секции или секций.Реакционная труба моает быть сделана из большего числа участков сразличными марками стали, отличающихся разным содераанием легирующих добавок.Признано изобретением но результатаи экспертизы, осуществленной ведомством по изобретательству ЧСФР.Заказ 3866 Тираж 439 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101 3 161 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, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения эффективности процесса, наружные трубы реакционных труб подсоединены к трубам конвективной секции посредством входного кол 3481лектора и входных труб, а внутренниетрубы реакционных труб подсоединенык входу утилизационного теплообменника посредством входного коллектораи 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 снабженыдроссельными заслонками,3. Печь по и. 1, о т л и ч а ющ а я с я тем, что один или несколько входных трубопроводов на частидлины выполнены с суженным сечением.