BR112019026847B1

BR112019026847B1 - Sistema de forno de craqueamento e método para craqueamento de matéria-prima de hidrocarboneto no mesmo

Info

Publication number: BR112019026847B1
Application number: BR112019026847-2A
Authority: BR
Inventors: Peter Oud
Original assignee: Technip France
Priority date: 2017-06-16
Filing date: 2018-06-15
Publication date: 2022-12-20
Also published as: RU2019142030A; CA3067441A1; US20200172814A1; RU2019142030A3; RU2764677C2; KR20200017477A; JP7208172B2; US11732199B2; SG11201912189VA; EP3415587A1; JP2020523466A; EP3415587B1; KR102355618B1; SA519410816B1; BR112019026847A2; WO2018229267A1

Abstract

Sistema de forno de craqueamento para converter uma matéria-prima de hidrocarboneto em um gás craqueado compreendendo uma seção de convecção, uma seção radiante e uma seção de resfriamento, em que a seção de convecção inclui uma pluralidade de bancos de convecção configurados para receber e pré-aquecer a matéria-prima de hidrocarboneto, em que a seção radiante inclui uma fornalha que compreende pelo menos uma serpentina radiante configurada para aquecer a matéria-prima para uma temperatura que permite uma reação de pirólise, em que a seção de resfriamento inclui pelo menos um trocador de linha de transferência, em que o sistema é configurado de tal modo que a matéria-prima é pré-aquecida pelo trocador de linha de transferência.

Description

[0001] A invenção se refere a um sistema de forno de craqueamento.

[0002] Um sistema de forno de craqueamento convencional, como é por exemplo divulgado no documento US 4479869, geralmente compreende uma seção de convecção, na qual a matéria-prima de hidrocarboneto é pré-aquecida e / ou parcialmente evaporada e misturada com vapor de diluição para fornecer uma mistura de vapor de diluição da matéria- prima. O sistema também compreende uma seção radiante, incluindo pelo menos uma serpentina radiante em uma fornalha, na qual a mistura de vapor de diluição da matéria-prima da seção de convecção é convertida em componentes do produto e subproduto a alta temperatura por pirólise. O sistema compreende ainda uma seção de resfriamento que inclui pelo menos um trocador de resfriamento, por exemplo, um trocador de linha de transferência, configurado para resfriar rapidamente o produto ou o gás craqueado que sai da seção radiante, a fim de interromper as reações laterais da pirólise e preservar o equilíbrio das reações a favor dos produtos. O calor do trocador de linha de transferência pode ser recuperado na forma de vapor de alta pressão.

[0003] Uma desvantagem dos sistemas conhecidos é que é necessário fornecer muito combustível para a reação de pirólise. Para reduzir esse consumo de combustível, a eficiência da fornalha, a porcentagem de calor liberado na fornalha que é absorvida pela serpentina radiante, pode ser significativamente aumentada. No entanto, o esquema de recuperação de calor na seção de convecção de um sistema de forno de craqueamento convencional com maior eficiência da fornalha possui apenas capacidades limitadas para aquecer a matéria-prima de hidrocarboneto para atingir a temperatura ideal para entrar na seção radiante. Como resultado, reduzir o consumo de combustível e, portanto, reduzir a emissão de CO2, é dificilmente possível dentro de um sistema de fornos de craqueamento convencional.

[0004] É um objetivo da presente invenção resolver ou aliviar o problema acima mencionado. Particularmente, a invenção visa proporcionar um sistema mais eficiente com uma necessidade reduzida de suprimento de energia e, consequentemente, uma emissão reduzida de CO2.

[0005] Para este objetivo, de acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é fornecido um sistema de forno de craqueamento caracterizado pelas características da reivindicação 1. Em particular, o sistema de forno de craqueamento para converter uma matéria-prima de hidrocarboneto em gás craqueado compreende uma seção de convecção, seção radiante e uma seção de resfriamento. A seção de convecção inclui uma pluralidade de bancos de convenções configurados para receber e pré- aquecer a matéria-prima de hidrocarboneto. A seção radiante inclui uma fornalha que compreende pelo menos uma serpentina radiante configurada para aquecer a matéria- prima a uma temperatura que permita uma reação de pirólise. A seção de resfriamento inclui pelo menos um trocador de linha de transferência como trocador de calor. De uma maneira inventiva, o sistema é configurado de modo que a matéria-prima seja pré-aquecida pelo trocador de linha de transferência antes da entrada na seção radiante.

[0006] O trocador de linha de transferência é um trocador de calor disposto para resfriar ou esfriar bruscamente o gás craqueado. O calor recuperado ou o calor residual dessa têmpera podem ser recuperados e utilizados no sistema de fornos de craqueamento, por exemplo, para geração de vapor, como é comumente conhecido na técnica anterior. O aquecimento da matéria-prima na seção de resfriamento, de acordo com a invenção, utilizando o calor residual do gás craqueado no trocador da linha de transferência, em vez de aquecer a matéria-prima na seção de convecção, como é feito nos sistemas da técnica anterior, pode permitir que a eficiência da fornalha seja aumentada significativamente, levando a uma redução de gás combustível de até, ou mesmo excedendo, aproximadamente 20%. A eficiência da fornalha é a razão entre o calor absorvido por pelo menos uma serpentina radiante para a conversão da matéria-prima de hidrocarboneto no gás craqueado por meio de pirólise, que é uma reação endotérmica, e o calor liberado pelo processo de combustão na zona de combustão, com base em um valor mais baixo de aquecimento de 25 °C. Esta definição corresponde à fórmula para eficiência de combustível 3,25, conforme definido na Norma API 560 (Aquecedores a Fogo para o Serviço Geral de Refinaria). Quanto maior essa eficiência, menor o consumo de combustível, mas também menor o calor disponível para o pré-aquecimento da matéria-prima na seção de convecção. O pré-aquecimento da matéria-prima na seção de resfriamento pode superar esse obstáculo. Assim, no sistema de fornos de craqueamento de acordo com a invenção, existe uma primeira etapa de pré-aquecimento da matéria-prima e uma segunda etapa de pré-aquecimento da matéria-prima. A primeira etapa de pré-aquecimento da matéria-prima inclui o pré- aquecimento da matéria-prima de hidrocarboneto por gases de combustão quente do sistema de fornos de craqueamento, por exemplo, em um dos vários bancos de convecção na seção de convecção. O pré-aquecimento também compreende evaporação parcial no caso de matéria-prima líquida e superaquecimento no caso de matéria-prima gasosa. A segunda etapa de pré- aquecimento da matéria-prima inclui um pré-aquecimento adicional da matéria-prima pelo calor residual do gás quebrado do sistema do forno de craqueamento antes da entrada da matéria-prima na seção radiante do sistema do forno de craqueamento. A segunda etapa de pré-aquecimento da matéria-prima é realizada usando um trocador de linha de transferência na seção de resfriamento. A temperatura ótima de entrada da matéria-prima na seção radiante é determinada pela estabilidade térmica da matéria-prima, como é conhecido pelo especialista na técnica. Idealmente, a matéria-prima entra na seção radiante a uma temperatura logo abaixo do ponto em que a reação de pirólise começa. Se a temperatura da entrada da matéria-prima for muito baixa, será necessário calor adicional para aquecer a matéria- prima na seção radiante, aumentando o calor necessário para ser fornecido na seção radiante e o consumo de combustível correspondente. Se a temperatura da entrada da matéria- prima estiver muito alta, a pirólise já pode começar na seção de convecção, o que é indesejável, pois a reação está associada à formação de coques na superfície interna do tubo, que não podem ser removidos facilmente na seção de convecção durante a descoqueamento. Uma vantagem adicional deste sistema de forno de craqueamento inventivo é que a incrustação por condensação de vazões pesadas (asfaltênicas) é dificilmente possível no trocador de linha de transferência de acordo com a invenção. No caso de transferência de calor de gás para vapor de ebulição, por exemplo, quando o trocador de linha de transferência está configurado para gerar vapor saturado como nos sistemas da técnica anterior, a água fervente tem um coeficiente de transferência de calor que é magnitudes maior do que a do gás. Isso resulta na temperatura da parede muito próxima da temperatura da água em ebulição. A temperatura da água da caldeira nos fornos de craqueamento é tipicamente em torno de 320 °C e a temperatura da parede no lado frio do trocador é apenas marginalmente acima dessa temperatura para uma parte extensa da extremidade fria do trocador, enquanto o ponto de orvalho do o gás craqueado está acima de 350 °C para a maior parte da matéria-prima líquida, resultando em condensação de componentes pesados da vazão na superfície do tubo e incrustações no equipamento. Por esse motivo, o trocador precisa ser limpo periodicamente. Isso é parcialmente alcançado durante o descoqueamento da serpentina radiante, mas a intervalos regulares o forno deve ser retirado de operação para limpeza mecânica do trocador da linha de transferência. Isso pode levar vários dias, pois não envolve apenas o hidrojateamento do trocador, mas também o resfriamento lento e o aquecimento do forno para evitar danos. No caso de transferência de calor de gás para gás, como no presente sistema da invenção, ambos os coeficientes de transferência de calor são de igual magnitude e a temperatura da parede do trocador da linha de transferência é muito maior do que no caso da troca de calor de gás para água em ebulição, sendo a temperatura da parede aproximadamente o valor médio dos dois meios de cada lado da parede. No sistema de acordo com a invenção, a temperatura da parede é esperada ser cerca de 450 °C na parte mais fria e aumente rapidamente para cerca de 700 °C na parte mais quente. Isso significa que o ponto de orvalho do hidrocarboneto é excedido em todo o trocador o tempo todo e que a condensação não pode ocorrer.

[0007] Em uma concretização preferida, a seção de convecção pode compreender uma serpentina de caldeira configurada para gerar vapor saturado. A serpentina da caldeira pode gerar vapor de modo que qualquer calor residual no gás de combustão que não é usado para o pré- aquecimento da matéria-prima possa ser recuperado pela geração de vapor. Isso aumenta a eficiência geral do forno. De fato, o sistema de acordo com esta concretização preferida pode permitir uma alteração na recuperação de calor do sistema, desviando parcialmente o calor no efluente para o pré-aquecimento da matéria-prima, a fim de atingir a temperatura ideal da matéria-prima antes da entrada na seção radiante, enquanto ao mesmo tempo o calor no gás de combustão é desviado para produzir vapor de alta pressão. Mais calor pode ser desviado para o aquecimento da matéria-prima do que para a geração de vapor saturado de alta pressão, que pode reduzir a produção de vapor de alta pressão em favor do aumento do aquecimento da matéria- prima. A referida serpentina de caldeira pode ser vantajosamente localizada na parte inferior da seção de convecção. A temperatura na área inferior da seção de convecção sendo mais alta do que na área superior da seção de convecção, esse local pode fornecer uma eficiência relativamente alta no aquecimento da água da caldeira. Ao mesmo tempo, a serpentina da caldeira pode proteger os bancos de super aquecedor de vapor de alta pressão na seção de convecção contra superaquecimento.

[0008] A seção de convecção também pode preferencialmente ser configurada para misturar a referida matéria-prima de hidrocarboneto com um diluente, fornecendo uma mistura de matéria-prima- diluente, em que o trocador de linha de transferência é configurado para pré-aquecer a mistura de matéria-prima-diluente antes da entrada na seção radiante. O diluente pode preferencialmente ser vapor. Alternativamente, o metano pode ser usado como diluente em vez de vapor. A mistura também pode ser superaquecida na seção de convecção. Isso é para garantir que a mistura de matéria-prima não contenha mais gotículas. A quantidade de superaquecimento deve ser suficiente para garantir que o ponto de orvalho seja excedido com margem suficiente para evitar a condensação do diluente ou dos hidrocarbonetos. Ao mesmo tempo, a decomposição da matéria-prima e a formação de coque na seção de convecção, bem como no trocador de linhas de transferência, onde o risco de formação de coque é ainda maior devido à temperatura mais alta, pode ser evitado. Além disso, como os calores específicos de ambos matéria-prima - mistura do diluente e do gás craqueado são muito semelhantes, os fluxos de calor resultantes também são semelhantes em ambos os lados das paredes do trocador de calor, isto é, o trocador de linha de transferência. Isso significa que o trocador de calor pode funcionar praticamente com a mesma diferença de temperatura em todo o trocador, do lado frio ao lado quente. Isso é vantajoso tanto do ponto de vista do processo quanto do ponto de vista mecânico.

[0009] O sistema pode ainda compreender um trocador de linha de transferência secundária, em que o trocador de linha de transferência secundária está configurado para gerar vapor saturado de alta pressão. Dependendo da eficiência da fornalha e, portanto, do calor disponível na seção de resfriamento, um trocador de linha de transferência secundária pode ser colocado em série após o trocador de linha de transferência principal para resfriar ainda mais o gás craqueado da seção radiante. Enquanto o trocador de linha de transferência principal está configurado para aquecer a matéria-prima antes da entrada na seção radiante, o trocador de linha de transferência secundário pode ser configurado para evaporar parcialmente a água da caldeira. O sistema pode compreender um ou mais trocadores de calor secundários, mas o trocador de calor principal está sempre configurado para pré-aquecer a matéria-prima, em vez de gerar vapor saturado de alta pressão. O sistema pode ainda compreender um tambor de vapor que é conectado à serpentina da caldeira e/ou ao trocador da linha de transferência secundária. A água da caldeira pode, por exemplo, fluir do tambor de vapor do sistema do forno de craqueamento para o trocador da linha de transferência secundária e/ou para a serpentina da caldeira. No caso de um sistema que inclui um trocador de linha de transferência secundário e uma serpentina de caldeira, ambos podem gerar vapor saturado de alta pressão em paralelo. Após ser parcialmente evaporada dentro de um trocador de linha de transferência secundário e a serpentina da caldeira, a mistura de vapor e água pode ser redirecionada para o tambor de vapor, onde o vapor pode ser separado da água líquida remanescente. Assim, em comparação com os sistemas da técnica anterior, um circuito paralelo adicional é criado, de modo que a água da caldeira possa ser alimentada do tambor de vapor do sistema do forno de craqueamento para uma serpentina da caldeira na seção de convecção do sistema do forno de craqueamento, onde a referida água da caldeira é parcialmente evaporada por gases de combustão quentes. Uma mistura de água e vapor pode então ser devolvida ao referido tambor de vapor.

[00010] A fornalha pode preferencialmente ser configurada de modo que a eficiência da fornalha seja superior a 40%, preferencialmente superior a 45%, mais preferencialmente superior a 48%. Como já explicado acima, a eficiência da fornalha é a razão entre o calor absorvido por pelo menos uma serpentina radiante para a conversão da matéria-prima de hidrocarboneto no gás craqueado por meio de pirólise e o calor liberado pelo processo de combustão. Uma eficiência normal de fornalha de fornos de craqueamento da técnica anterior fica em torno de 40%. Se formos além disso, a matéria-prima não poderá mais ser aquecida até a temperatura ótima, pois o calor insuficiente está disponível no gás de combustão: aumentar a eficiência da fornalha de cerca de 40% para aproximadamente 48% reduziria a fração do calor disponível na seção de convecção de aproximadamente 50-55% para aproximadamente 42-47%. Ao contrário dos sistemas da técnica anterior, o sistema de acordo com a invenção pode lidar com essa disponibilidade reduzida de calor na seção de convecção. Ao aumentar a eficiência da fornalha com aproximadamente 20% de cerca de 40% para aproximadamente 48%, aproximadamente 20% de combustível pode ser economizado. A eficiência da fornalha pode ser aumentada de diferentes maneiras, por exemplo, pelo aumento da temperatura de chama adiabática na fornalha e / ou pelo aumento do coeficiente de transferência de calor de pelo menos uma serpentina radiante. O aumento da eficiência da fornalha sem elevar a temperatura de chama adiabática tem a vantagem de que a emissão de NOx não aumenta substancialmente, como pode ser o caso da combustão de oxi-combustível ou combustão de ar pré-aquecido, que são outras maneiras de aumentar a eficiência da fornalha que serão discutidas mais para frente. A fornalha pode, por exemplo, ser configurada de modo que a queima seja restrita ao lado quente da fornalha, isto é, para a área próxima a parte inferior da caixa no caso de uma fornalha inferior, ou à área próxima à parte superior no caso de uma fornalha superior. A fornalha possui preferencialmente uma área de transferência de calor suficiente, mais especificamente, a área da superfície de transferência de calor de pelo menos uma serpentina radiante é alta o suficiente para transferir o calor necessário para converter a matéria-prima no nível de conversão necessário da matéria-prima dentro de pelo menos uma serpentina radiante, enquanto resfria o gás de combustão para uma temperatura na saída da fornalha ou entrada da seção de convecção, que é baixa o suficiente para obter uma eficiência da fornalha superior a 40%, preferencialmente superior a 45%, mais preferencialmente superior a 48%. Pelo menos uma serpentina radiante da fornalha preferencialmente inclui um tubo radiante altamente eficiente, como o tubo de fluxo de redemoinho, conforme divulgado em EP1611386, EP2004320 ou EP2328851, ou o tubo radiante de anel de enrolamento, conforme descrito no UK 1611573.5. Mais preferencialmente, a referida pelo menos uma serpentina radiante tem um layout de serpentina radiante aprimorada, como um layout de três faixas, conforme divulgado em US2008142411.

[00011] A seção de convecção pode vantajosamente compreender um economizador configurado para pré-aquecer a água de alimentação da caldeira para a geração de vapor saturado, preferencialmente antes da entrada da água de alimentação no tambor de vapor do sistema. Isso pode aumentar a eficiência geral do sistema, que é a razão entre o calor absorvido por pelo menos uma serpentina radiante para a conversão da matéria-prima de hidrocarboneto no gás craqueado por meio de pirólise, juntamente com o calor absorvido na seção de convecção por uma pluralidade de bancos de convecção, excluindo qualquer pré-aquecedor oxidante e / ou pré-aquecedor de combustível, e o calor liberado pelo processo de combustão na zona de combustão, com base em um valor mais baixo de aquecimento de 25 °C.

[00012] Em uma concretização adicional da invenção, a seção de convecção pode compreender um pré-aquecedor oxidante, preferencialmente localizado a jusante na seção de convecção, isto é, onde o gás de combustão é o mais frio, configurado para pré-aquecer o oxidante, como, por exemplo, ar de combustão e / ou oxigênio , antes da introdução do referido oxidante na fornalha. Neste caso, o calor da reação de pirólise na fornalha pode ser fornecido pela combustão de gás combustível e, por exemplo, ar pré- aquecido nos queimadores da fornalha. O pré-aquecimento do oxidante pode aumentar a temperatura de chama adiabática e tornar a fornalha mais eficiente.

[00013] O sistema pode ainda ser configurado para introdução de oxigênio na seção radiante. Preferencialmente, uma quantidade limitada de oxigênio pode ser introduzida, por exemplo, diretamente nos queimadores da seção radiante, em particular junto com o ar de combustão, para aumentar a temperatura de chama adiabática na seção radiante, o que pode aumentar a eficiência da fornalha. Fazer isso na ausência de um circuito de recirculação de gases de combustão, como é habitual para a combustão total de oxi-combustível, que será discutida mais adiante, pode ser considerado como uma invenção separada. Como exemplo, o gás de combustão pode normalmente ser resfriado a partir da temperatura de chama adiabática de aproximadamente 1900 °C até uma temperatura de referência de aproximadamente 25 °C. Na temperatura adiabática de chama, 100% do calor estaria disponível no gás de combustão, enquanto na temperatura de referência, nenhum calor seria deixado no gás de combustão. Assumindo um calor específico constante em toda a faixa de temperatura, para simplificar o exemplo, é necessário esfriar de 1900 °C a 1150 °C dentro da fornalha para atingir 40% de eficiência. Para alcançar 50% de eficiência, mantendo a temperatura do gás de combustão deixando a fornalha a 1150 °C, precisamos aumentar a temperatura de chama adiabática de 1900 °C para 2275 °C, que é um aumento de 375 °C. Isso pode ser feito por injeção de oxigênio puro no queimador junto com o ar de combustão. Uma injeção de oxigênio em uma proporção em peso de oxigênio sobre o ar de combustão de aproximadamente 7% seria suficiente para aumentar a eficiência da fornalha em 25%. Isso pode ser feito fornecendo oxigênio em cada queimador individual, preferencialmente longe das pontas de combustível para minimizar a formação de NOx ou diretamente na zona de combustão, por exemplo, através de uma parede da fornalha. A principal vantagem é o aumento significativo da eficiência da fornalha, o que resulta em menor consumo de gás combustível e também uma quantidade igual de redução da emissão do CO2 do gás de efeito estufa para a atmosfera. Outra vantagem é que o oxigênio puro necessário é limitado, em comparação com a combustão completa de oxi-combustível, combustão com oxigênio como oxidante em vez de ar de combustão, como discutido mais adiante. A injeção de 7% em peso de oxigênio no ar de combustão pode aumentar o conteúdo de oxigênio de 20,7% em volume para 25,2% em volume e reduzir o teor de nitrogênio de 77% em volume para 72,6% em volume. A temperatura de chama adiabática mais alta pode resultar em maior produção de NOx. Medidas de redução de NOx podem ser necessárias serem tomadas, por exemplo, através da instalação de um leito catalítico seletivo de redução de NOx na seção de convecção ou na pilha.

[00014] Em uma concretização preferida, o sistema pode adicionalmente compreender um circuito de recirculação de gás de combustão externo configurado para recuperar pelo menos parte do gás de combustão e para recircular o dito gás de combustão para a seção radiante para controlar a temperatura da chama. Isso permite que a injeção de oxigênio no oxidante seja aumentada e, consequentemente, a concentração de nitrogênio no oxidante seja reduzida para uma dada temperatura adiabática de chama. Quanto maior a concentração de oxigênio no oxidante, maior a recirculação de gases de combustão necessária para manter a mesma temperatura adiabática de chama. Em um caso extremo, o oxidante é oxigênio puro, praticamente empobrecido de nitrogênio. Isso é chamado de combustão total de oxi- combustível. Sem nitrogênio, NOx não pode ser formado. Como a combustão com oxigênio puro elevaria a temperatura de chama adiabática para valores acima do ideal, recirculação de gás de combustão externa suficiente pode preferencialmente ser adicionada para apagar a chama e mantê-la no nível de temperatura desejado. O gás de combustão é preferencialmente recirculado a jusante da seção de convecção do sistema. Dessa maneira, a temperatura de chama adiabática na seção radiante pode ser reduzida. Como explicado acima, a recirculação de gases de combustão externa é introduzida para atenuar o aumento da temperatura adiabático de chama resultante de um conteúdo de oxigênio aumentado no oxidante. Quanto maior a taxa de recirculação dos gases de combustão e menor a temperatura dos gases de combustão recirculados, mais fria é a chama e menor é a formação de NOx.

[00015] O circuito de recirculação de gás de combustão externo pode vantajosamente compreender um primeiro ejetor de gás de combustão configurado para introduzir oxigênio no gás de combustão recirculado antes da entrada na fornalha. Nesse caso, o calor para a reação de pirólise altamente endotérmica na fornalha provém da combustão de gás combustível e oxigênio, preferencialmente oxigênio com baixo teor de nitrogênio, ou de gás combustível e uma combinação de oxigênio e ar de combustão, na presença de gás de combustão recirculado. O ejetor pode ser colocado a montante dos queimadores da fornalha, de modo que o gás de combustão recirculado e o oxigênio sejam alimentados à fornalha em uma linha comum. Vantajosamente, o ejetor pode criar uma pressão baixa em um duto de recirculação de gás de combustão externo e pode reduzir os requisitos de energia para um dispositivo de recirculação, como, por exemplo, um ventilador de pressão induzido, que pode estar localizado a jusante da seção de convecção do sistema de forno de craqueamento.

[00016] Uma concretização vantajosa do sistema pode ainda compreender um circuito de bomba de calor, incluindo uma serpentina do evaporador localizada na seção de convecção e um condensador, em que o circuito da bomba de calor é configurado de modo que a serpentina do evaporador recupere calor da seção de convecção e o condensador transfira o referido calor para alimentar a água da caldeira. Tal circuito de bomba de calor pode reduzir a temperatura da pilha em aproximadamente 40 - 50 °C, dependendo da composição específica da matéria-prima do forno e das condições de operação. Reduzir a temperatura da pilha pode resultar em um aumento da eficiência geral do sistema. É conhecido pré-aquecer a água de alimentação da caldeira pela recuperação do calor dos gases de combustão para aumentar a eficiência geral do sistema. No entanto, especialmente no caso de combustão de oxi-combustível na fornalha do forno, o calor residual dos gases de combustão pode não ser suficiente para pré-aquecer a água de alimentação da caldeira diretamente, pois a temperatura do gás de combustão pode estar abaixo da temperatura da água de alimentação da caldeira. A água de alimentação da caldeira é normalmente fornecida diretamente de um desaerador a uma temperatura de aproximadamente 120 a 130 °C, enquanto o gás de combustão que sai dos bancos de pré- aquecimento da alimentação geralmente fica abaixo dessa temperatura, impossibilitando o pré-aquecimento direto da água de alimentação. O circuito da bomba de calor pode fornecer uma solução para trocar calor indiretamente, de modo que a temperatura da pilha possa ser reduzida ainda mais e a eficiência geral do sistema possa ser melhorada ainda mais.

[00017] O circuito da bomba de calor para pré- aquecer a água de alimentação da caldeira de um sistema de forno de craqueamento, que pode ser considerado uma invenção por si só, pode fazer isso pré-aquecendo indiretamente, e sem a necessidade de um economizador na seção de convecção, melhorando a eficiência geral do sistema. Um fluido orgânico que circula no circuito pode, por exemplo, compreender um de butano, pentano ou hexano, ou qualquer outro fluido orgânico adequado. Além disso, como uma vantagem adicional, o circuito da bomba de calor pode ser incorporado como um módulo adicional, de modo que os sistemas de fornos de craqueamento existentes possam ser equipados com esse circuito da bomba de calor após a instalação, sem a necessidade de grandes modificações no sistema existente. Adicionalmente, a bomba de calor pode ser configurada de modo a atender a uma pluralidade de sistemas de fornos de craqueamento, reduzindo assim os itens de equipamento necessários e diminuindo os custos associados.

[00018] De acordo com um aspecto da invenção, é fornecido um método para craquear a matéria-prima de hidrocarboneto em um sistema de forno de craqueamento, fornecendo uma ou mais das vantagens mencionadas acima.

[00019] A presente invenção será ainda elucidada com referência a figuras de concretizações exemplares. Nesse lugar,

[00020] A Figura 1 mostra uma representação esquemática de uma primeira concretização preferida de um sistema de forno de craqueamento de acordo com a invenção;

[00021] A Figura 2 mostra uma representação esquemática de uma segunda concretização de um sistema de forno de craqueamento de acordo com a invenção;

[00022] A Figura 3 mostra uma representação esquemática de uma terceira concretização de um sistema de forno de craqueamento de acordo com a invenção;

[00023] A Figura 4 mostra uma representação esquemática de uma quarta concretização de um sistema de forno de craqueamento de acordo com a invenção;

[00024] A Figura 5 mostra uma representação esquemática de uma quinta concretização de um sistema de forno de craqueamento de acordo com a invenção;

[00025] A Figura 6 mostra uma representação esquemática de uma sexta concretização de um sistema de forno de craqueamento de acordo com a invenção;

[00026] A Figura 7 mostra uma representação esquemática de uma sétima concretização de um sistema de forno de craqueamento de acordo com a invenção;

[00027] A Figura 8 mostra um gráfico representando a vazão relativa de oxigênio versus a vazão relativa do ar.

[00028] Nota-se que as figuras são dadas por meio de representação esquemática de concretizações da invenção. Os elementos correspondentes são designados com sinais de referência correspondentes.

[00029] A Figura 1 mostra uma representação esquemática de um sistema de forno de craqueamento 40 de acordo com uma concretização preferida da invenção. O sistema de forno de craqueamento 40 compreende uma seção de convecção incluindo uma pluralidade de bancos de convecção 21. A matéria-prima de hidrocarboneto 1 pode entrar em um pré-aquecedor de alimentação 22, que pode ser um da pluralidade de bancos de convecção 21 na seção de convecção 20 do sistema de forno de craqueamento 40. Esta matéria- prima de hidrocarboneto 1 pode ser qualquer tipo de hidrocarboneto, preferencialmente de natureza parafínica ou naftênica, mas também podem estar presentes pequenas quantidades de aromáticos e olefinas. Exemplos de tais matérias-primas são: etano, propano, butano, gasolina natural, nafta, querosene, condensado natural, gasóleo, gasóleo a vácuo, gasóleos hidrotratado ou dessulfurizado ou hidro-dessulfurizado (vácuo) ou suas combinações. Dependendo do estado da matéria-prima, a alimentação é pré- aquecida e / ou evaporada parcial ou totalmente no pré- aquecedor antes de ser misturada com um diluente, como o vapor de diluição 2. O vapor de diluição 2 pode ser injetado diretamente ou, alternativamente, como nesta concretização preferida, o vapor de diluição 2 pode primeiro ser superaquecido em um superaquecedor de vapor de diluição 24 antes de ser misturado com a matéria-prima 1. Pode haver um único ponto de injeção de vapor ou vários pontos de injeção de vapor, por exemplo, para matéria-prima mais pesada. A mistura de mistura de matéria-prima / vapor de diluição pode ser ainda aquecida em uma serpentina de alta temperatura 23 e, de acordo com a invenção, no trocador primário de linha de transferência 35 para atingir uma temperatura ótima para introdução na serpentina radiante 11. A serpentina radiante pode, por exemplo seja do tipo de fluxo de turbulência, conforme divulgado em EP1611386, EP2004320 ou EP2328851, ou de um projeto de serpentina radiante de três faixas (conforme divulgado no US 2008 142411) ou de um tubo de anular de enrolamento (UK 1611573.5) ou de qualquer outro tipo que mantenha um nível razoável comprimento da corrida, como é conhecido pelo especialista na técnica. Na serpentina radiante 11, a matéria-prima de hidrocarboneto é rapidamente aquecida até o ponto em que a reação de pirólise inicia, de modo que a matéria-prima de hidrocarboneto é convertida em produtos e subprodutos. Tais produtos são, entre outros, hidrogênio, etileno, propileno, butadieno, benzeno, tolueno, estireno e / ou xilenos. Os subprodutos são, entre outros, metano e óleo combustível. A mistura resultante de um diluente, como vapor de diluição, matéria-prima não convertida e matéria- prima convertida, que é o efluente do reator chamado "gás craqueado", é resfriada rapidamente no trocador de linha de transferência 35, para congelar o equilíbrio das reações em favor dos produtos. De um modo inventivo, o calor residual no gás craqueado 8 é primeiro recuperado no trocador de linha de transferência 35 aquecendo a matéria-prima ou a mistura diluente-matéria-prima antes de ser enviada para a serpentina radiante 11. De acordo com a presente invenção, o vapor de alta pressão pode ser gerado na seção de convecção, por exemplo, por uma serpentina de caldeira 26 configurada para evaporar pelo menos parcialmente a água da caldeira do tambor de vapor 33 para gerar vapor de alta pressão saturado. A serpentina da caldeira 26 pode ser localizada em uma parte inferior da seção de convecção e é conectada ao tambor de vapor 33, de modo que a água da caldeira 9a possa fluir do tambor de vapor 33 para a serpentina da caldeira 26 e de modo que a água da caldeira parcialmente vaporizada 9b possa fluir de volta da serpentina da caldeira 26 para o tambor de vapor 33 por circulação natural. A água de alimentação da caldeira 3 pode ser fornecida diretamente ao tambor de vapor 33. No tambor de vapor 33, a água de alimentação da caldeira 3 é misturada com a água da caldeira já presente no tambor de vapor. No tambor de vapor 33, o vapor saturado gerado é separado da água da caldeira e pode ser enviado para a seção de convecção 20 para ser superaquecido, o que pode ser feito por pelo menos um superaquecedor de vapor de alta pressão 25, por exemplo, por um primeiro e um segundo superaquecedor 25 na seção de convecção 20. A referida serpentina de caldeira 26 localizada em uma parte inferior da seção de convecção pode recuperar o excesso de calor dos gases de combustão e pode proteger os bancos da seção de convecção a jusante, especialmente o pelo menos um banco de superaquecedor a vapor de alta pressão 25, de superaquecimento. O referido pelo menos um superaquecedor 25 pode, de preferência, estar localizado a montante do superaquecedor de vapor de diluição 24 e, preferencialmente, a jusante da serpentina da caldeira 26. Para controlar a temperatura do vapor de alta pressão, água de alimentação adicional da caldeira 3 pode ser injetada em um des-superaquecedor 34 localizado entre um primeiro e um segundo superaquecedor 25.

[00030] O calor da reação para a reação de pirólise altamente endotérmica pode ser fornecido pela combustão de combustível (gás) 5 na seção radiante 10, também chamada fornalha do forno, de muitas maneiras diferentes, como é conhecido pelo especialista na técnica. O ar de combustão 6 pode, por exemplo, ser introduzido diretamente nos queimadores 12 da fornalha do forno, nos quais os queimadores 12 gás combustível 5 e o ar de combustão 6 são queimados para fornecer calor para a reação de pirólise. Nas zonas de combustão 14 na fornalha do forno, o combustível 5 e o ar de combustão 6 são convertidos em produtos de combustão como água e CO2, o chamado gás de combustão. O calor residual do gás de combustão 7 é recuperado na seção de convecção 20 usando vários tipos de bancos de convecção 21. Parte do calor é usada para o lado do processo, ou seja, o pré-aquecimento e / ou evaporação e / ou superaquecimento da alimentação de hidrocarbonetos e / ou a mistura de matéria-prima e diluente, e o restante do calor é usado para o lado que não é do processo, como a geração e o superaquecimento de vapor de alta pressão, conforme descrito acima.

[00031] Em uma concretização, como ilustrada na Figura 2, mostrando uma representação esquemática de uma segunda concretização de um sistema de forno de craqueamento, qualquer excesso de calor no gás quebrado pode, por exemplo, ser recuperado em pelo menos um trocador de linha de transferência adicional, o trocador de linha de transferência secundário 36, que está configurado para gerar vapor de alta pressão saturado. Este vapor é gerado a partir da água da caldeira 9a proveniente do tambor de vapor 33, cuja água da caldeira é parcialmente vaporizada pelo trocador de linha de transferência secundária 36. Esta água da caldeira parcialmente vaporizada 9b está fluindo para o tambor de vapor 33 por circulação natural. Deste modo, é fornecido um laço adicional de e para o tambor de vapor 33 para aumentar a geração de vapor de alta pressão e melhorar a eficiência geral do forno. A água de alimentação da caldeira 3 pode ser entregue diretamente ao tambor de vapor 33, como na Figura 1, ou pode ser pré-aquecida primeiro, por exemplo, pelo excesso de calor disponível na seção de convecção 20, não exigida pela serpentina da caldeira 26. Desse modo, um outro banco de convecção 21, por exemplo, um economizador 28, pode ser adicionado à seção de convecção do forno 20. Esse banco de convecção 28 pode ser configurado para pré-aquecer a água de alimentação da caldeira 3 antes de entrar no tambor de vapor 33, com o objetivo de aumentar a eficiência geral do forno e fornecer uma seção de convecção mais econômica. A concretização na Figura 2 mostra ainda um ventilador de tiragem induzido 30, também chamado de ventilador de gás de combustão, e uma pilha 31 localizada na extremidade a jusante da seção de convecção para evacuar o gás de combustão da seção de convecção 20.

[00032] Com o novo arranjo inventivo, como mostrado nas Figuras 1 e 2, a quantidade de serviço não processado, ou seja, o serviço recuperado no gás craqueado e a seção de convecção para a geração de vapor sob alta pressão, pode ser reduzida independentemente da quantidade de processo dever necessário para pré-aquecer a mistura de hidrocarbonetos de vapor de diluição até a temperatura ideal para entrar na serpentina radiante. Isso significa que a eficiência da fornalha pode ser aumentada de 40% para um esquema convencional para até 48% para o novo esquema, como é mostrado nas Figuras 1 e 2, reduzindo o consumo de combustível em aproximadamente 17%. O consumo reduzido de combustível também reduz a taxa de fluxo dos gases de combustão e a taxa de convecção associada em aproximadamente 17%. O novo esquema permite que esse calor seja priorizado para o uso do processo ao custo de não uso do processo, resultando em uma temperatura de entrada do processo otimizada para a serpentina radiante, mas com uma produção de vapor de alta pressão mais baixa. Manter uma temperatura otimizada de entrada da serpentina radiante é importante, pois uma temperatura de entrada mais baixa da matéria-prima aumentaria a carga radiante e diminuiria a eficiência da fornalha e aumentaria o consumo de combustível, enquanto uma temperatura de entrada mais alta poderia resultar na conversão da matéria-prima dentro da seção de convecção e associada deposição de coques nos tubos da seção de convecção da superfície interna. Essa deposição de coque não pode ser removida durante o ciclo regular de descoqueamento para a remoção de coques na serpentina radiante, pois a temperatura do tubo é muito baixa para combustão dos coques na seção de convecção, exigindo, em última análise, um desligamento prolongado e dispendioso do forno para cortar tubos afetados na seção de convecção e remoção mecânica dos coques.

[00033] A combustão na fornalha do forno 10 pode ser feita por meio de queimadores de fundo 12 e / ou queimadores de paredes laterais e / ou por meio de queimadores de teto e / ou queimadores de paredes laterais em um forno de queima superior. Na concretização exemplar do forno 10, como mostrada na Figura 2, a queima é restrita à parte inferior da fornalha usando apenas queimadores de fundo 12. Isso pode aumentar a eficiência da fornalha e reduzir drasticamente o consumo de gás combustível em até aproximadamente 20% em comparação com um esquema convencional. Uma alta eficiência da fornalha pode ser alcançada, entre outras, utilizando, por exemplo, apenas queimadores de fundo (como mostrado) ou várias fileiras de queimadores de parede lateral colocados próximos à parte inferior em caso de queima de fundo, ou usando apenas queimadores de teto ou várias linhas queimadores de parede lateral colocados muito perto do telhado em caso de queima superior. Aumentar a fornalha ou colocar serpentinas radiantes mais eficientes são outros exemplos para alcançar esse objetivo. Como a distribuição de calor neste caso é bastante focada em parte da serpentina radiante, o fluxo de calor local é aumentado, reduzindo o comprimento da operação. Para neutralizar esse efeito, a aplicação de tubos de serpentina radiante que melhoram a transferência de calor, como, por exemplo, tipos de tubo de fluxo de redemoinho ou tipos de tubo radiante de anel de enrolamento pode ser necessária na serpentina radiante, a fim de manter um comprimento de execução razoável. Outros meios para obter melhor desempenho, como um projeto de serpentina de três faixas, também podem ser usados para aumentar o comprimento da execução, separadamente ou em combinação com outros meios. Vantajosamente, esta concretização não apresenta problemas substanciais com as emissões de NOx, em comparação com um forno convencional, pois a temperatura adiabática da chama não é aumentada devido à combustão de oxi-combustível ou pré-aquecimento do ar.

[00034] A Figura 3 mostra uma representação esquemática de uma terceira concretização de um sistema de forno de craqueamento. Nesta concretização, o calor para a reação de pirólise na fornalha 10 do forno é fornecido pelo gás combustível 5 e pelo ar de combustão 50 pré-aquecido queimado nos queimadores 12. O ar de combustão 6 pode ser introduzido por meio de um ventilador de tiragem forçado 37 e pode ser aquecido na seção de convecção 20, por exemplo, por um banco de convecção incorporado como um pré-aquecedor de ar 27 localizado no lado a jusante da seção de convecção 20, de preferência a jusante de todos os outros bancos de seção de convecção na seção de convecção. O pré-aquecimento do ar de combustão pode aumentar a temperatura adiabática da chama e tornar a fornalha ainda mais eficiente do que o sistema apresentado na Figura 2. É possível uma redução de gás combustível superior a 25% em comparação com os esquemas convencionais. No entanto, a temperatura adiabática mais alta da chama também pode aumentar a emissão de NOx, dependendo da extensão do pré-aquecimento do ar de combustão. Dependendo dos regulamentos ambientais sobre as emissões máximas permitidas de NOx, isso pode exigir que medidas de redução de NOx sejam tomadas, por exemplo, instalando um leito catalítico seletivo de redução de NOx na seção de convecção 20. Como a eficiência da fornalha pode ser maior do que no sistema mostrado em Figura 2, a taxa da seção de convecção é menor e o excesso de calor na seção de convecção para pré-aquecer a água de alimentação da caldeira pode não estar mais disponível à medida que a eficiência da fornalha aumenta. Eventualmente, o economizador pode se tornar redundante e a água de alimentação da caldeira pode ser enviada ao tambor de vapor sem ser pré-aquecida em um economizador, como é mostrado na Figura 3.

[00035] A Figura 4 mostra uma representação esquemática de uma quarta concretização de um sistema de forno de craqueamento. Nesta concretização, o calor para a reação de pirólise na fornalha 10 do forno é fornecido pelo gás combustível 5, pelo ar de combustão 6 e pelo oxigênio de combustão com baixa carga de nitrogênio 51 disparado nos queimadores 12. A introdução de oxigênio na zona de combustão 14 também pode elevar o nível adiabático temperatura da chama como método alternativo ao esquema apresentado na Figura 3. Também com esse esquema, é possível uma redução de gás combustível superior a 25% em comparação com os esquemas convencionais. No entanto, a temperatura adiabática mais alta da chama também pode aumentar a emissão de NOx, dependendo da extensão da injeção de oxigênio. Dependendo dos regulamentos ambientais sobre as emissões máximas permitidas de NOx, isso pode exigir que medidas de redução de NOx sejam tomadas, por exemplo, instalando um leito de redução catalítica seletiva de NOx na seção de convecção 20.

[00036] A Figura 5 mostra uma representação esquemática de uma quinta concretização de um sistema de forno de craqueamento. Nesta concretização, o calor para a reação de pirólise na fornalha 10 do forno é fornecido por combustível (gás) 5, ar de combustão 6 e oxigênio de combustão com baixa carga de nitrogênio 51 disparado nos queimadores 12 na presença de gás de combustão externo de recirculação 52. A combustão o oxigênio 51 pode ser misturado com o gás de combustão recirculado 52 a montante dos queimadores 12 em uma linha comum aos queimadores 12 usando um ejetor 55. Para obter o gás de combustão recirculado 52, o gás de combustão que sai da seção de convecção 20 pode ser dividido por, por exemplo um separador de gases de combustão 54 no gás de combustão produzido 7 e gás de combustão 52 para recirculação externa. O gás de combustão produzido 7 pode ser evacuado através de uma pilha 31 usando um ventilador de tiragem induzido 30. O mesmo ventilador 30 pode ser configurado para recircular o gás de combustão externamente para os queimadores 12. Alternativamente, o ventilador 30 pode ser incorporado como dois ou mais ventiladores, dependendo de parâmetros como diferença de queda de pressão de um sistema a jusante, por exemplo pilha 31 ou circuito de recirculação de gases de combustão 52.

[00037] A Figura 6 mostra uma representação esquemática de uma sexta concretização de um sistema de forno de craqueamento. Nesta concretização, o calor para a reação de pirólise na fornalha 10 do forno é fornecido por combustível (gás) 5 e oxigênio de combustão 51 altamente empobrecido com nitrogênio, disparado nos queimadores 12 na presença de gás de combustão com recirculação externa 52. Esse esquema é praticamente o mesmo como o apresentado na Figura 5, exceto que todo o ar de combustão 6 é substituído pelo oxigênio de combustão 51. Esse é o esquema com o maior consumo de oxigênio de combustão 51, mas a menor quantidade de gás de combustão que sai da pilha. Esse gás de combustão é muito rico em CO2, tornando-o ideal para a captura de carbono, e a emissão de NOx é a mais baixa devido à ausência de nitrogênio, exceto pelo nitrogênio associado ao vazamento de ar na seção de convecção. Este esquema é o mais ecológico.

[00038] A relação entre as Figuras 4, 5 e 6 pode ser explicada ainda mais com referência à Figura 8, o gráfico mostrando a vazão relativa de oxigênio (no eixo vertical) em função da vazão relativa do ar (no eixo horizontal). A taxa de fluxo relativa de oxigênio é a taxa de fluxo relativa à necessidade de oxigênio a 100% de combustão oxi- combustível, isto é, na ausência de qualquer ar de combustão. A Figura 4 é uma representação esquemática de um sistema de forno de craqueamento para combustão parcial de oxi-combustível sem necessidade de recirculação externa de gases de combustão, enquanto a Figura 6 é uma representação esquemática de um sistema de forno de craqueamento para combustão parcial de oxi-combustível, enquanto a Figura 6 é uma representação esquemática de um sistema de forno de craqueamento para combustão completa de oxi-combustível com recirculação externa de gás de combustão. moderar a temperatura adiabática da chama. A Figura 5 é uma representação esquemática de um sistema de forno de craqueamento para uma situação intermediária. O requisito de oxigênio relativo à combustão total de oxi-combustível, como mostrado na Figura 6, é de 25% para o esquema, como mostrado na Figura 4 como um extremo, indicado por "y" no gráfico, e 100% para o esquema da Figura 6, que é indicado como "x" no gráfico da Figura 8. O esquema da Figura 5 está entre esses dois extremos. O esquema da Figura 6 produz o NOx mais baixo dos três esquemas, mais baixo que o dos atuais esquemas de última geração, enquanto o esquema da Figura 4 tem um nível de emissão de NOx substancialmente mais alto do que os outros dois esquemas. O esquema da Figura 5 está entre esses dois extremos. O esquema da Figura 4 pode ser o mais econômico dos três, se não houver necessidade de captura de carbono, mas apenas para uma melhor eficiência de combustível. Como mencionado anteriormente, o esquema da Figura 6 pode ser o mais ecológico e adequado para a captura de carbono. A introdução do ar de combustão pode fornecer uma redução significativa da necessidade de oxigênio, reduzindo o consumo de oxigênio de 100% para aproximadamente 25% em função do fluxo de ar relativo. Para o esquema da Figura 6, a taxa de fluxo de oxigênio relativo é de 100% e para o esquema da Figura 4 é de aproximadamente 25%. O esquema da Figura 5 está entre esses dois extremos. A taxa de fluxo de ar relativa é a taxa de fluxo relativa ao requisito de ar de combustão na combustão parcial de oxi-combustível conforme o esquema da Figura 4, com aproximadamente 7% em peso de injeção de oxigênio para aumentar a temperatura adiabática da chama e nenhuma recirculação externa de gás de combustão. No esquema da Figura 6, o requisito relativo de ar de combustão é 0%. O esquema da Figura 5 está entre esses dois extremos.

[00039] A Figura 7 mostra uma representação esquemática de uma sétima concretização de um sistema de forno de craqueamento. Esta concretização do sistema de forno de craqueamento é baseada na concretização da Figura 6, incluindo, assim, um circuito de recirculação de gases de combustão com introdução de oxigênio e sem introdução de ar de combustão. A fim de aumentar ainda mais a eficiência do forno, um circuito de bomba de calor 70 é adicionado ao sistema 40. O circuito de bomba de calor 70 é configurado para recuperar o calor do gás de combustão e usá-lo para pré-aquecer a água de alimentação da caldeira, aumentando assim a produção de alta pressão vapor. A fonte de calor do circuito da bomba de calor 70 compreende uma serpentina de evaporador 77 localizada na seção de convecção 20 do forno de craqueamento 40. Essa serpentina de evaporador 77 é conectada a um dispositivo de separação de vapor-líquido 76, como, por exemplo, um tambor de extração, via tubos descendentes e ascendentes. O fluido orgânico 60, tal como, por exemplo, butano, pentano ou hexano, está fluindo sob circulação natural através dos cantos para a serpentina do evaporador 77, onde é parcialmente evaporado pelo calor recuperado do gás de combustão. A mistura de líquido / vapor orgânico 61 está retornando ao dispositivo de separação de vapor-líquido através dos tubos ascendentes. No dispositivo de separação vapor-líquido, o vapor 62 é separado da mistura líquido / vapor 61. O vapor 62 separado da mistura 61 é então superaquecido em um trocador de efluente de alimentação 74, a fim de aumentar a eficiência do circuito. O vapor superaquecido 63 é enviado para um compressor 71. Este compressor 71 é configurado para elevar a pressão do vapor superaquecido 63 a um nível tal que a temperatura de condensação na saída do compressor 71 exceda com margem suficiente o nível de temperatura ao qual o a água de alimentação da caldeira 3 precisa ser pré-aquecida. Isso requer uma seleção adequada da eficiência do compressor. O vapor de alta pressão comprimido 64 do compressor 71 é totalmente condensado no condensador 72. O calor de condensação é usado para pré-aquecer a água de alimentação da caldeira 3. O líquido orgânico condensado 65 é acumulado no recipiente de condensação 73. Do recipiente de condensação 73 o saturado o líquido 66 é enviado para o trocador de efluente de alimentação 74 para ser sub- resfriado. O líquido sub-resfriado 67 é levado a uma pressão mais baixa em uma válvula de redução de pressão 75. Quanto mais o líquido é sub-resfriado no trocador de efluente de alimentação 74, maior a fração líquida na saída desta válvula 75 e menor a taxa de circulação requerida de o fluido orgânico bombeado por calor. A mistura de vapor líquido de baixa pressão 68 é enviada para o dispositivo de separação vapor-líquido 76, onde o líquido e o vapor são separados um do outro, completando o circuito.

[00040] Onde a serpentina do evaporador 77 é a fonte de calor do circuito, o condensador 72 pode ser considerado como o dissipador de calor do circuito. O dever que precisa ser condensado no condensador 72 é o calor recuperado dos gases de combustão no evaporador e o calor fornecido por um acionador do compressor 71. Isso significa que a energia fornecida pelo acionador também é usada para gerar vapor de alta pressão. Esse calor melhora a eficiência do circuito, pois nenhum calor é perdido ao acionar o compressor. Ainda, é benéfico selecionar um compressor de alta eficiência e aplicar um trocador de efluentes de alimentação 74 para manter a taxa de fluxo e o tamanho do equipamento correspondente de todos os itens no circuito o mais pequeno possível. No caso de um trem de fornos de craqueamento, o compressor 71, o recipiente de condensado 73 e o trocador de efluente de alimentação 74 podem ser configurados para servir o referido trem de fornos de craqueamento.

[00041] O projeto que levou a esta solicitação recebeu financiamento do Programa Horizonte 2020 da União Europeia (H2020-SPIRE-2016) sob o contrato de subvenção n° 723706.

[00042] Para fins de clareza e uma descrição concisa, os recursos são descritos aqui como parte das mesmas ou de concretizações separadas, no entanto, será apreciado que o escopo da invenção pode incluir concretizações com combinações de todas ou algumas das características descritas. Pode ser entendido que as concretizações mostradas têm os mesmos componentes ou componentes semelhantes, além de onde são descritos como sendo diferentes.

[00043] Nas reivindicações, quaisquer sinais de referência colocados entre parênteses não devem ser interpretados como limitantes da reivindicação. A palavra "compreendendo" não exclui a presença de outros recursos ou etapas além das listadas em uma reivindicação. Além disso, as palavras 'um' e 'uma' não devem ser interpretadas como limitadas a 'apenas uma', mas são usadas para significar 'pelo menos uma' e não excluem uma pluralidade. O simples fato de certas medidas serem citadas em reivindicações mutuamente diferentes não indica que uma combinação dessas medidas não possa ser usada com vantagem. Muitas variantes serão evidentes para o especialista na técnica. Todas as variantes devem ser compreendidas dentro do escopo da invenção definido nas reivindicações a seguir.

Claims

1. Sistema de forno de craqueamento (40) para converter uma matéria-prima de hidrocarboneto (1) em gás craqueado (8) caracterizado pelo fato de que compreende uma seção de convecção (20), uma seção radiante (10) e uma seção de resfriamento, em que a seção de convecção (20) inclui uma pluralidade de bancos de convecção (21) configurados para receber e pré- aquecer a matéria-prima de hidrocarboneto, em que a seção radiante (10) inclui uma fornalha que compreende pelo menos uma serpentina radiante (11) configurada para aquecer a matéria-prima a uma temperatura que permite uma reação de pirólise, em que a seção de resfriamento inclui pelo menos um trocador de linha de transferência (35), em que o sistema é configurado de tal modo que a matéria-prima é pré-aquecida pelo trocador de linha de transferência antes da entrada na seção radiante, em que a seção de convecção compreende uma serpentina de caldeira configurada para gerar vapor saturado, o sistema compreendendo ainda um tambor de vapor (33) que é conectado à serpentina de caldeira.

2. Sistema de forno de craqueamento (40), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita serpentina de caldeira é localizada, de preferência, em uma parte inferior da seção de convecção.

3. Sistema de forno de craqueamento (40), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo fato de que a seção de convecção é também configurada para misturar a dita matéria-prima de hidrocarboneto com um diluente, de preferência vapor de diluição (2), proporcionando uma mistura de matéria-prima-diluente, em que o trocador de linha de transferência é configurado para pré- aquecer a mistura de matéria-prima-diluente antes da entrada na seção radiante.

4. Sistema de forno de craqueamento (40), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que adicionalmente compreende um trocador de linha de transferência secundário (36), em que o trocador de linha de transferência secundário é configurado para gerar vapor saturado de alta pressão.

5. Sistema de forno de craqueamento (40), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o tambor de vapor que é conectado ao trocador de linha de transferência secundário.

6. Sistema de forno de craqueamento (40), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a fornalha é configurada de tal modo que uma eficiência da fornalha é superior a 40 %, de preferência superior a 45 %, com maior preferência superior a 48 %.

7. Sistema de forno de craqueamento (40), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a seção de convecção compreende um economizador (28) configurado para pré-aquecer água de alimentação da caldeira (3) para a geração de vapor saturado.

8. Sistema de forno de craqueamento (40), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a seção de convecção compreende um pré-aquecedor de oxidante (27), preferivelmente localizado a jusante na seção de convecção, configurado para pré-aquecer o oxidante, por exemplo, ar de combustão e/ou oxigênio, antes da introdução do dito ar de combustão (6) na fornalha.

9. Sistema de forno de craqueamento (40), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o sistema é configurado para introdução de oxigênio na seção radiante, de preferência na ausência de recirculação de gás de combustão externo.

10. Sistema de forno de craqueamento (40), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que adicionalmente compreende um circuito de recirculação de gás de combustão externo configurado para recuperar pelo menos parte do gás de combustão (52) e para recircular o dito gás de combustão para a seção radiante para controlar a temperatura da chama.

11. Sistema de forno de craqueamento (40), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o circuito de recirculação de gás de combustão externo compreende um ejetor de gás de combustão (55) configurado para introduzir oxigênio (51) no gás de combustão recirculado (52) antes da entrada na fornalha.

12. Sistema de forno de craqueamento (40), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que adicionalmente compreende um circuito de bomba de calor (70) incluindo uma serpentina evaporadora (77) localizada na seção de convecção e um condensador (72), em que o circuito de bomba de calor é configurado de modo que a serpentina evaporadora recupere calor da seção de convecção e o condensador transfira o dito calor para a água de alimentação da caldeira.

13. Método para craqueamento de matéria-prima de hidrocarboneto em um sistema de forno de craqueamento (40) como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 12, o método caracterizado pelo fato de que compreende uma primeira etapa de pré-aquecimento de matéria-prima e uma segunda etapa de pré-aquecimento de matéria-prima, em que a primeira etapa de pré-aquecimento da matéria- prima inclui o pré-aquecimento da matéria-prima de hidrocarboneto por gases de combustão quentes de um sistema de forno de craqueamento, em que a segunda etapa de pré-aquecimento da matéria- prima inclui o pré-aquecimento adicional da matéria-prima por calor residual de gás craqueado (8) do sistema de forno de craqueamento antes da entrada da matéria-prima em uma seção radiante (10) do sistema de forno de craqueamento, em que a seção radiante inclui uma fornalha compreendendo pelo menos uma serpentina radiante (11) configurada para aquecer a matéria-prima até uma temperatura que permita uma reação de pirólise, em que a dita segunda etapa de pré-aquecimento da matéria-prima é realizada usando um trocador de linha de transferência, em que água de caldeira (9a) é alimentada de um tambor de vapor (33) do sistema de forno de craqueamento até uma serpentina de caldeira na seção de convecção (20) do sistema de forno de craqueamento, em que a dita água de caldeira é aquecida, de preferência, evaporada, por gases de combustão quentes, e em que uma mistura de água e vapor é retornada para o dito tambor de vapor.

14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a matéria-prima de hidrocarboneto é misturada com um diluente, tal como vapor de diluição, para fornecer uma mistura de matéria-prima- diluente antes da segunda etapa de pré-aquecimento da matéria-prima.

15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 14, caracterizado pelo fato que vapor de alta pressão (4) é gerado pelo calor residual do gás craqueado (8) do sistema de forno de craqueamento, utilizando um trocador de linha de transferência secundário (36) localizado a jusante do trocador de linha de transferência.

16. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 15, caracterizado pelo fato de que a água de alimentação da caldeira é pré-aquecida por gases quentes de combustão antes da entrada em um tambor de vapor do sistema de forno de craqueamento.

17. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 16, caracterizado pelo fato de que uma temperatura de chama adiabática na seção radiante é aumentada pela introdução de um oxidante, de preferência oxigênio puro (51), diretamente na seção radiante do sistema de craqueamento térmico.

18. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 17, caracterizado pelo fato de que a temperatura de chama adiabática na seção radiante é aumentada pela introdução de ar de combustão (6) como oxidante principal e oxigênio como oxidante secundário, de preferência, oxigênio altamente empobrecido de nitrogênio, diretamente na seção radiante do sistema de forno de craqueamento na ausência de um circuito de recirculação de gás de combustão.

19. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que o oxidante, tal como ar de combustão e/ou oxigênio, é pré-aquecido antes da introdução na seção radiante.

20. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o oxidante é pré-aquecido por gases de combustão do sistema de forno de craqueamento.

21. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 20, caracterizado pelo fato de que uma temperatura de chama adiabática na seção radiante do sistema de forno de craqueamento é controlada por recirculação de pelo menos parte do gás de combustão.

22. Método, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que o oxigênio é misturado com o gás residual recirculado antes da entrada na fornalha do forno.

23. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 22, caracterizado pelo fato de que a água de alimentação da caldeira é pré-aquecida antes da entrada em um tambor de vapor do forno de craqueamento por um circuito de bomba de calor (70).

24. Método, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de que o líquido orgânico (60) é aquecido por gases de combustão quentes do sistema de forno de craqueamento e retornado para um dispositivo separador de vapor-líquido (76) do circuito de bomba de calor.

25. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 23 a 24, caracterizado pelo fato de que o calor de vapor de alta pressão é transferido para a água de alimentação da caldeira por um condensador (72) do circuito de bomba de calor.

26. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 23 a 25, caracterizado pelo fato que o calor de um líquido condensado gerado em um dissipador de calor do circuito de bomba de calor é transferido de um trocador de efluente de alimentação (74) para vapor saturado gerado em uma fonte de calor do sistema de bomba de calor.