CN102427875B - 用于烃的裂解的叶片式反应器 - Google Patents

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Abstract

一种用于烃的裂解的叶片式反应器包括：转子，其具有形成轴向叶栅的工作叶片(3)；固定的环面轴环(10)，其邻近所述叶片的端部；以及壳体(5)，其包围所述轴环和所述转子的外周，使得形成具有环形子午截面的通道。在所述通道中安装一个或更多个隔板，在每个隔板之后布置入口(18)，而在每个隔板之前布置出口(19)。在所述转子叶栅的入口侧安装形成喷嘴栅的喷嘴叶片(20)，在所述转子叶栅的出口侧安装形成扩散栅的扩散叶片(21)。在所述扩散栅的出口和所述喷嘴栅的入口之间存在无叶片的空间(22)。布置在每个隔板紧后方的一组喷嘴叶片可通过隔膜与剩余的喷嘴叶片分离开，使得形成连接相应的入口与所述一组叶片的通道，从而更容易启动所述反应器。所述喷嘴栅和所述扩散栅的几何参数可沿周向变化，以在所述转子叶栅的整个长度上在所述叶栅的入口处提供相同压力，并且在所述转子叶栅的整个长度上在所述叶栅的出口处提供相同压力，这防止通过所述转子和所述壳体之间的间隙的径向泄漏。

Description

用于烃的裂解的叶片式反应器
技术领域
本发明涉及一种用于烃的热裂解以生产低级烯烃的设备。在该技术方案的本质中，本发明在其另一方面涉及旋转的叶片式机器。
背景技术
低级烯烃(乙烯、丙烯和丁烯)是石油化学的基本产品，并且用作塑料、橡胶、纤维和涂料的商业性生产的原料。在工业中，通过诸如乙烷、丙烷、丁烷、石脑油或轻油之类的烃的裂解来生产低级烯烃。
根据当前已被接受的技术，裂解在包括管式炉和淬火器的装置中进行。被蒸发并与蒸汽混合的给料被供应到位于炉的辐射室内的反应管中。具有750℃至930℃的温度的裂解流通过输送管路被引到淬火器，它们在淬火器中被迅速冷却而停止反应，然后被输送到将它们分成期望的产品和副产品的车间。不合需要的副产品是氢、甲烷并且尤其是碳，碳中的呈灰粒形式的部分被气流带走，而其它部分形成沉积在反应管和下游设备的壁上的焦炭。
在反应区同时发生两个过程：初级裂解反应；该初级裂解反应导致形成低级烯烃；以及二次裂解反应，在二次裂解反应期间，所形成的低级烯烃被消耗而形成副产品。因此，对于每种原料以及反应区中的温度和压力的每种组合均存在最佳驻留时间，所述时间对应于产品流中期望产品的最大产量。初级反应的速率不取决于压力，并且随温度升高而迅速地增大，而二级反应的速率随温度升高而较缓慢地增大，并且其与所形成的低级烯烃的分压力成比例。因此随着过程温度升高，最佳驻留时间迅速降低。因此，当石脑油被裂解时，最佳驻留时间在过程温度每升高30至35K时下降两倍。
借助蒸汽对开始的给料进行稀释降低了烃分压力，这导致二级反应的速率降低，并且导致期望裂解产品的产量提高。然而，与需要附加的能量消耗相关，该方法具有局限性。对于乙烷或丙烷，蒸汽供给通常为给料质量的20％至40％；对于丁烷，通常为25％至50％；对于石脑油，通常为45％至50％；对于轻油，蒸汽供给能达至给料质量的80％至100％。
提高期望裂解产品的产量的另一方法是在适当增大过程温度时降低驻留时间，使得裂解每部分给料所需要的热量在较短时间内应被传递到给料。传热速率的必要增大能通过减小反应管直径并通过增大反应管壁与流之间的温差来达到。管式裂解炉的结构大约直到1985年为止沿该方向上进步。M.W.Kellogg公司的管式炉“Millisecond”成为这种研制的终点，在所述炉中实现了向工业管式炉的反应区传热的最大速率。在这些炉中该过程在直径为28至35mm的管中、在大约900℃至930℃的流出流温度下以及在大约0.05至0.1秒的驻留时间下执行，其中壁的温度与流心的温度之间的差达到120℃至310℃。
管式裂解炉中的驻留时间的进一步降低由于下列原因而变得无益。由于邻近反应管的壁的边界层中的温度的显著变化，因此用于从该壁以各种距离移动的给料颗粒的最佳驻留时间基本上是不同的，从而给料的相当大的一部分的裂解不可避免地在远离最佳条件的条件下发生。典型地在“Millisecond”炉的操作条件下，由于流的截面中的温差而使期望产品的损失达到使得驻留时间的进一步降低变得不可取的值。
工业裂解中的低级烯烃的产量在过去20年间实际上未改变，并且每次过程的乙烷的产量为：在乙烷的裂解中大约为50％至52％；在丙烷和丁烷的裂解中大约为32％至37％；在石脑油的裂解中大约为29％至36％；在轻油的裂解中大约为23％至28％。同时，由于对烃原料的需求增加，因此期望的裂解产品的产量的增加变得越来越实际。由于妨碍管式炉中期望的裂解产物的产量的增加的原因具有基本原理特性，因此其中石油化学的该分支目前的技术停滞的状态仅能通过拒绝使用管式裂解炉来克服。
存在多种用于在设备中进行烃的裂解的已提出的方法，在所述设备中，通过使工艺流与被加热的热载体混合来加热该工艺流，而不使用通过限制反应区的壁的传热来加热该工艺流。
美国专利5,389,232、6,538，169和7,312,370公开了通过使烃与被加热的催化剂颗粒的流态化流混合来裂解烃的设备。然而，这些设备由于不可能实现在其中的短驻留时间因此获得相对较低的乙烯产量。
美国专利4，134,824、4,724,272和4,832,822公开了用于通过利用高温气态热载体来裂解的设备。这些反应器的缺点是产品流中CO、CO2和烟灰的含量高。该现象的原因是在工艺流的整个截面上的大的温差。该方法不被用于烯烃的工业生产中。
存在多种已提出的裂解方法，其中，通过将气态反应介质的流的动能转化成热来加热该流。
美国专利5,300,216公开了一种设备，该设备用于在存在高强度的驻激波的蒸汽情况下进行烃的裂解。在管式炉中被过度加热至大约1000℃的温度的蒸汽以27barabs的压力通过超音速喷嘴被供应到包括连续定位的混合区和裂解区的反应器中。被预加热达至大约627℃的烃料(乙烷)通过混合器被供应到蒸汽的超音速流中。所形成的混合物形成超音速流，该超音速流的温度比其需要开始裂解反应的温度低。在混合区和裂解区之间设置直压缩激波(驻激波)。当通过该压缩激波时，超音速流的动能被转化为热。在压缩激波的下游，混合物在9bar abs的压力下达到亚音速和大约为1000℃的温度。反应混合物以0.005至0.05秒通过裂解区，同时其温度由于裂解反应的吸热而降低至大约863℃。实现了将70％的乙烷转化为乙烯。产品流进入热交换器中，然后传到气体分离设备。在该设备中，在反应流的整个截面上的温差可以忽略不计，并且所有原料颗粒通过反应器的温度历程(作为时间的函数的温度变化)相同。然而，相对于烃质量的蒸汽供应必须是大约500％至667％。关于这一点，相对于所生产的乙烯的能量消耗过高。这使得该方法在当前的能源成本与乙烯成本的相互关系下不适于商业用途。
美国专利4,265,732公开了一种用于烃的裂解的叶片式反应器，该反应器包括：转子，该转子具有若干排叶片，所述叶片形成轴流式叶栅；以及壳体，该壳体具有用于介质的入口和出口，并且封装转子和静叶片。裂解所需要的热由于叶片的流体动力阻力而直接在工艺流中产生。裂解产物被冷却并且被进一步引导以用于气体分离。在工艺流的整个截面上的温差可以忽略不计，并且所有流动颗粒通过反应器的温度历程相同。然而，为了实施该发明，必须制造具有相当大的级数(达至43级)的轴流叶片式机器，所述级具有高的叶片圆周速度(450m/sec)，其中绕多数叶片流动的流的温度等于最大裂解温度(达至1050℃)。设计这种机器时应该克服的困难如此大以致该机器未曾被造出。
美国专利7,232,937公开了一种用于烃的裂解的叶片式反应器，该反应器包括：壳体，该壳体具有进口螺纹接套和出口螺纹接套，所述壳体的腔具有引导静叶片；以及转子，该转子中布置有工作叶片，使得当转子旋转时在腔中产生环形涡流。裂解所需要的热在叶片的流体动力阻力期间直接在反应介质的体积内产生。裂解反应在传送管中继续进行，该传送管使反应器与淬火器连接。因为强烈的混合，因此反应器腔中的流动的所有颗粒实际上均具有相同的温度；然而，在该腔中驻留时间对于各个颗粒是不同。因此，在反应器腔中驻留期间颗粒的温度历程驻留是不同的。与理论上可能的差相比，温度历程的差导致过程效率降低。该反应器具有简单的构造；然而，由于绕工作叶片流动的流的温度等于最高裂解温度，因此该反应器难以提供可靠性。
因此，研制适于在烃的裂解中商业使用的设备的问题仍未被解决，该设备提供明显高于管式裂解炉的低级烯烃产量。结果，石油化学领域中的技术人员相信显著改进现代裂解技术的任何努力都是没有希望的。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于烃的裂解的简单且可靠的叶片式反应器，其中，低级烯烃的产量比管式裂解炉中的产量大，这是由于几乎所有流动颗粒通过所述反应器的的温度历程是相同的。本发明的其它目的和优点从以下说明中将变得清楚。
一种用于烃的裂解的反应器被构造成旋转的叶片式机器，该机器包括：转子，该转子具有形成轴流式叶栅的工作叶片；以及壳体，该壳体具有入口和出口，所述壳体封装该转子和静叶片。
根据本发明，在所述壳体中安装有固定的环面形导向箍，并且所述箍邻近所述工作叶片的末端。所述壳体封装转子外周和所述箍，使得形成通道，所述通道的子午截面为环形。在所述通道中安装一个分隔件或者相对于转子轴线对称地安装若干个分隔件，所述分隔件(多个分隔件)限定一个或若干个相同的工作腔的边界。入口沿转子旋转方向位于每个分隔件的紧后方，而出口位于每个分隔件的紧前方。位于每个工作腔中的所述静叶片包括形成喷嘴栅的喷嘴叶片和形成扩散栅的扩散叶片，所述喷嘴栅和所述扩散栅分别位于所述叶栅的上游和下游。在所述扩散栅的出口和所述喷嘴栅的入口之间形成无叶片空间。当所述转子旋转时，每个工作腔中的流体被迫沿螺旋形轨迹从所述入口运动到所述出口，使得流束反复连续地横穿所述喷嘴栅、所述叶栅、所述扩散栅和所述无叶片空间。在该无叶片空间中在所述壳体和所述导向箍之间的间隙足以使所述无叶片空间的所有点中流速小，并且由此在所述扩散栅的整个长度上在所述扩散栅的出口处提供相同的压力。
在所述流体通过所述叶栅时，其获得动能，然后该动能在所述扩散栅中转化为热，使得在所述螺旋形轨迹的所有类似点中的流体的温度，包括位于所述喷嘴栅的所述出口处的流体的温度沿从所述入口至所述出口的方向升高。当每个转子叶片均沿所述喷嘴栅移动时，所述转子叶片由这样的流环流，即，在所述叶片通过所述分隔件并进入下一工作腔时该流的温度以跳跃方式逐渐增长然后下降。叶片的温度模式由绕其流动的流的时间平均温度限定。该温度显著小于所述反应器中的所述工艺流的最高温度。与根据美国专利4,265,732和7,232,937的反应器相比这是本发明的所述反应器的基本优点，在这些美国专利中，绕所有或多数叶片流动的流的温度等于所述工艺流的最高温度。因此本发明的所述反应器可具有较高的可靠性和较简单的设计。
在所述无叶片空间中压力均衡消除了横跨所述分隔件的压差，由此以减少了绕所述分隔件的泄漏，并且减少了其温度历程不同于主流中的颗粒的温度历程的给料颗粒的一部分。结果，可以获得比管式裂解炉中更高的低级烯烃产量。
根据第一优选实施方式，所述叶片具有冲击式涡轮机叶片的叶型，并且它们以凹侧沿转子旋转方向的方式安装，同时，在每个工作腔中均安装有隔壁，以使沿所述转子旋转方向布置在所述分隔件紧后方的一组喷嘴叶片与该工作腔中的其余喷嘴叶片分离。所述隔壁安装成使得形成连接所述入口与分离的所述一组喷嘴叶片的通道。该实施方式提供了当启动所述反应器时以名义的气动模式操作该分离的一组喷嘴叶片，而非稳定流态仍发生在所述工作腔的其它部分中，并且因此提供了所述反应器的可靠启动。
根据第二优选实施方式，当所述反应器在名义工况下操作时，所述喷嘴栅的几何参数沿周向变化，使得在所述叶栅的整个长度上在所述叶栅的入口处压力实际上相同，并且所述扩散栅的几何参数沿周向变化，使得在所述叶栅的整个长度上在所述叶栅的出口处压力实际上相同。所述喷嘴栅和所述扩散栅的参数所需要的变化可以考虑在所述工作腔的整个长度上所述工艺流的温度分布和热物理特性来计算或者通过实验来选择。在至所述叶栅的所述入口处的压力均衡与在所述叶栅的所述出口处的压力均衡允许减少通过所述壳体和转子盘的表面之间的间隙的径向泄漏。所述径向泄漏的减小又允许给料颗粒的不在所述主流中移动的一部分减少，该给料颗粒的一部分的温度历程不同于所述主流中的颗粒的温度历程。结果是可以获得更高的低级烯烃产量。
附图说明
现在将参照作为实施例给出的附图描述根据本发明的反应器的优选实施方式。
图1示意性地示出了具有两个工作腔的反应器的前视图。
图2示出了沿图1的线A-A的截面。
图3示出了沿图1的线B-B的柱形截面。
图4示出了使用该反应器的裂解装置的示意图。
图5示出了表明在主流中通过反应器的原料颗粒的温度历程的曲线图。
图6示出了通过反应器的流体的平均分子量的变化的曲线图。
图7示出了反应器中的叶片、叶栅的叶型和通道的形状以及速度的三角形。
具体实施方式
用于烃的裂解的叶片式反应器(图1、2和3)包括转子，该转子包括轴1和圆盘2，沿圆盘2的周边设置有工作叶片3。叶片3具有超音速冲击式涡轮机叶片的叶型，它们沿径向，并且以凹侧沿转子旋转方向的方式安装，这些叶片形成轴流式叶栅。轴1配备有用于与驱动装置(未示出)连接的联轴器4，并且利用密封件8和9通过轴承6和7被安装在壳体5中。
具有恒定横截面的固定的环面形导向箍10邻近工作叶片3的末端。壳体5封装箍10和圆盘2，从而形成具有恒定子午横截面的通道。该横截面为环形。箍10是中空的并且通过径向销11紧固到壳体5，该径向销11紧固在箍10中并且进入形成于壳体5中的导向插座12。
两个分隔件相对于转子轴线对称地安装在箍10与壳体5之间的所述通道中，使得形成两个相同的工作腔。每个分隔件均分别包括分隔壁13以及后端件14和前端件15，后端件14和前端件15相对于叶栅分别布置在上游和下游。端件14和15的边缘是尖锐的。这里及以下的术语“尖缘”是指与叶栅的节距相比厚度小得可以忽略不计的边缘。端件14和15分别被紧固在环16和17中。环16和17被紧固在壳体5中，可相对于转子轴线调节它们的周向位置。入口18沿转子旋转方向布置在每个分隔件之后，而出口19布置在每个分隔件之前。
静喷嘴叶片20在每个工作腔中被布置在转子叶栅的上游，所述叶片具有曲线叶型，并且以凸侧沿转子旋转方向的方式紧固在环16中而形成喷嘴栅。静扩散叶片21布置在叶栅的下游，所述叶片具有弯曲的超音速叶型，以凸侧沿转子旋转方向的方式固定在环17中而形成扩散栅。在扩散栅的出口与喷嘴栅的入口之间具有无叶片空间22。
在每个工作腔中安装有一隔壁，其包括分隔壁23和具有尖缘的端件24。该隔壁使沿转子旋转方向布置在分隔件紧后方的一组喷嘴叶片与其余的喷嘴叶片分离，从而形成使入口18与分离的所述一组喷嘴叶片连接的通道。端件24被紧固在环16中。
操作中，转子如图1所示逆时针方向旋转。两个工作腔相同地操作。流通过入口18进入反应器，并且沿轴线位于箍10内的螺旋形轨迹移入工作腔，并且所述流反复地连续横穿喷嘴栅、叶栅、扩散栅和无叶片空间22。当通过叶栅时，流获得动能，该动能然后在扩散栅中转化成热。结果，螺旋形轨迹的所有类似点中的介质的温度沿从入口18至出口19的方向升高。由于裂解反应，工作腔中流动的平均分子量沿从入口18至出口19的方向减小。
在端件14和15之间的空间中存在流出流和进入流的部分混合。后端件14和前端件15相对于彼此沿周向移位，从而使这些流的混合最小。
无叶片空间22中壳体5与导向箍10之间的间隙足够大，以使在该空间的所有点中流速小，并且由此在所述扩散栅的整个长度上在扩散栅的出口处提供实际上相同的压力。
由隔壁分离的喷嘴叶片的操作模式与该工作腔中的其它喷嘴叶片的操作模式无关。因此，能够始终提供用于所述一组喷嘴叶片的正常气动操作模式，包括当在工作腔的其它部分中仍存在非稳定流态时使反应器开始工作的时间。因此，提供了反应器的可靠启动。
喷嘴栅和扩散栅的几何参数沿周向变化，使得当反应器在名义工况下操作时，在叶栅的整个长度上在叶栅的入口处提供实际上相同的压力，并且在叶栅的整个长度上在叶栅的出口处提供实际上相同的压力(详见下文)。叶栅的入口处的压力均衡减小了通过转子盘2和环16之间的间隙的径向泄漏。叶栅的出口处的压力均衡减小了通过转子盘2和环17之间的间隙的径向泄漏。
图4示出了石脑油裂解装置的示意图，该装置包括在实施例中描述的反应器25、具有减速齿轮27的固定燃气涡轮发动机26、燃烧室28、锅炉应用器29以及淬火和蒸发装置30、31。燃气涡轮发动机26的废气被分成两股流，其中一股流进入锅炉应用器29的低温部(图中的上部)，而另一股流进入燃烧室28，在燃烧室28处该另一股流被附加地加热，并且正好由此处该另一股流进入锅炉应用器29的高温部(图中的下部)。
石脑油和在压力下从外部源(图中未示出)引入的蒸汽稀释剂混合。所形成的蒸汽-给料混合物首先在锅炉应用器29的低温部的线圈中被加热，然后在该锅炉的高温部的线圈中被附加地加热，并且被供应到反应器25中，在反应器25中进行裂解。产品流在具有传统结构的淬火装置30、31中被冷却，其中在压力下从外部源(图中未示出)供入所述装置中的冷却水被蒸发。来自淬火装置30和31的产品流被供入气体分馏装置(图中未示出)中，在该气体分馏装置中产品流被分离成期望产品和副产品。
给料是平均分子量为96.9×10-3kg/mole的石脑油。蒸汽-稀释剂的量是给料质量的50％。在正常工作条件下装置的生产能力是每小时15,260kg的给料。单轴燃气涡轮发动机26的输出轴功率为15MW，效率为35.2％。
装置中的材料流具有下列特征：
燃气涡轮发动机(GTE)26中的燃料(甲烷)消耗： 3066kg/hr
GTE 26的废气流速：                        49.9kg/s
GTE 26的废气温度：                        495℃
燃烧室28的出口处的气体流速：              16.5kg/s
燃烧室28中的燃料(甲烷)消耗：              194kg/hr
燃烧室28的出口处的气体温度：              971℃
通过反应器25的流的流速：                  6.36kg/s
反应器25的入口处的压力：                  0.215MPa，abs
反应器25的入口处的流动的温度：            574℃
淬火装置30和31的入口处的压力：            0.215MPa，abs
淬火装置30和31的入口处的流动的温度：      868℃
淬火装置30和31的出口处的压力：            0.160MPa
淬火装置30和31的出口处的流动的温度：      380℃
反应器25具有下列特征：
工作腔的数量：                            2
转子在叶片的平均截面上的半径：            0.502m
叶片的数量：                              156
转子的旋转频率：            4,837rpm
叶片的平均截面上的圆周速度：254.3m/s
无叶片空间中的压力：        0.200MPa
转子叶栅的入口处的压力：    0.098MPa
转子叶栅的出口处的压力：    0.098MPa
图5是在主流中移动的流动颗粒的温度历程。
对于在反应器内的一次驻留，工艺流通过叶栅七次，并且在每次通过期间均经受跳跃加热。虚线表示流通过栅的时刻(所述通过的持续时间由于值很小而未被示出)。随之发生的温度跃变之间的时间间隔从第一跳跃和第二跳跃之间的4.65×10-3s逐渐降低至第六跳跃和第七跳跃之间的3.66×10-3s。驻留时间，即从反应器25的入口18至进入淬火装置在主流中移动的流动颗粒的渡越时间为3.66×10-3s。流动温度的升高发生在扩散栅内的高强度的静压缩激波中。当流横穿无叶片空间时由于裂解反应吸热而发生流动温度的降低。温度跃变的值从初次通过时的79℃逐渐升高达至最后第七次通过时的105℃。对于全部七次通过的温度跃变的总和是637℃。反应介质的最高温度(985℃)在第七次通过期间在扩散栅的出口处获得。
曲线图(图6)示出了对于流体在反应器中的一次驻留，流体的平均分子量的变化。虚线表示流通过栅的时刻(所述通过的持续时间由于值很小而未被示出)。在流首次通过叶栅期间，平均分子量从38.29×10-3kg/mole减小至37.49×10-3kg/mole，并且之后由于裂解反应而平滑地减小，其中38.29×10-3kg/mole对应于在反应器的入口处的流-给料混合物的组分，37.49×10-3kg/mole是与泄漏物混合的结果。在进入淬火装置的时刻裂解产品的平均分子量为22.27×10-3kg/mole。
每个工作腔中的喷嘴栅和扩散栅包括七个部分，使得介质的每下一次通过均发生在下一部分中。结果，形成每个所述部分中的流动的所有流线都具有相同的在先温度历程，并且因此具有相同的温度和相同的平均分子量。在表I中给出了喷嘴栅的入口处的流动温度(t0)和叶栅的入口处的流动温度(t1)。
表I
  部分   1   2   3   4   5   6   7
  t0℃   574.0   664.8   745.2   819.5   854.8   868.1   881.2
  t1℃   538.0   626.8   705.3   775.3   804.5   810.4   815.6
因此，流动到达转子叶片时的温度低于发生裂解反应所在的无叶片空间中的流动的温度。绕叶片流动的流体的温度以161Hz的频率周期性地变化，因此，叶片的温度模式由所述流体的时间平均温度确定，该时间平均温度为t1＝738℃。由于边界层的气体动态加热，因此未冷却的叶片的温度为827℃，该温度对于由高温合金制造的叶片是完全允许的。
每个部分内喷嘴栅和扩散栅二者的几何参数是恒定的，并且与其它部分中的所述栅的相应参数不同。第一部分的角尺寸确定隔壁位置(对于喷嘴栅和扩散栅来说每部分中的值(z)和(ss)是相同的)。在表II中给出了各部分的角尺寸(Δ)、叶片间通道的数量(z)和叶片的中间截面上的周向节距(ss)。
表II
  部分   1   2   3   4   5   6   7
  Δ，deg.   20.24   22.72   23.83   25.14   27.12   29.34   31.61
  z   6   6   6   7   7   8   8
  ss，mm   29.56   33.18   34.80   31.47   33.94   32.13   34.62
在每个工作腔中喷嘴栅和扩散栅都具有48个叶片间通道。
图7示出了喷嘴栅、叶栅和扩散栅的叶型和通道的形状以及在进入实现本发明的实施例的反应器中的叶栅以及从该叶栅离开时的适当的流速的三角形。
喷嘴叶片具有曲线叶型，叶片间通道逐渐收缩，并且叶型的吸入侧的后端区域是直的达至叶片间通道的喉部。后缘上的喷嘴叶片的高度是83mm。
叶栅包括冲击式超音速叶片。叶片的前缘和后缘尖锐，并且叶片间通道的喉部位于通道的中部，叶片的吸入侧的前端区域是直的并且倾斜角β1等于34°(这里和下文中所有角度均相对于与转子轴线正交的平面测量)。叶片在前缘上的高度是83mm，在后缘上的高度是91mm。叶栅在叶片的中间截面上的周向节距sr＝20.22mm。叶栅的宽度b＝38mm。
扩散栅包括具有曲线叶型的超音速压缩机叶片。扩散叶片的前缘是尖锐的，该叶型的吸入侧具有直的前端区域。扩散叶片在前缘上的高度是91mm，在后缘上的高度是95mm。
进入叶栅时的相对流速是超音速，该速度的轴向分量是次音速。至叶栅的平面的输入流的角等于叶片的吸入侧的前端区域的倾斜角(即34°)。在表III中给出了进入每个部分中的叶栅时的流动参数。在表III中给出所有部分。在该表中：a1是音速；V1是绝对流速；α1是绝对流动角；W1是相对于叶片的流速；MV1＝V1/a1、MW1＝W1/a1是马赫数；以及是喉部宽度-节距的比(g是叶片间通道喉部的宽度)。
表III
因此，绕叶栅周向的进入压力的均衡通过减小每下一部分中的喷嘴栅的通道的喉部宽度-节距比来实现。
从叶栅离开时的绝对流速是超音速；所述速度的轴向分量是次音速。至扩散栅的平面的入口流的角等于相应部分中的扩散叶片的吸入侧的前端区域的倾斜角。在表IV中给出了在所有部分上从叶栅离开时的流动参数。在该表中：a2是音速；W2是相对于叶片的流速；β2是离开相对流动的倾斜角；V2是绝对流速；MV2＝V2/a2、MW2＝W2/a2是马赫数；α2是扩散叶片的吸入侧的前端区域的倾斜角。
表IV
  部分   1   2   3   4   5   6   7
  a2，m/s   435.9   464.3   484.5   507.6   542.0   582.6   623.9
  W2，m/s   639.4   675.1   700.6   727.6   763.3   804.6   846.9
  MW2   1.467   1.454   1.446   1.434   1.408   1.381   1.357
  β2，°   34.2   34.2   34.2   34.2   34.2   34.3   34.3
  V2，m/s   861.7   896.9   922.2   948.8   984.1   1024.9   1066.6
  MV2   1.467   1.454   1.446   1.434   1.408   1.381   1.357
  α2°   24.6   25.0   25.3   25.5   25.8   26.2   26.6
因此，绕叶栅周向的出口压力的均衡通过增大每下一部分中的扩散叶片的吸入侧的前端区域的倾斜角来实现。
具有众所周知的结构的元件，例如用于壳体的密封件、隔热装置、油系统、冷却系统和转子部分、支撑件以及紧固件等在根据本发明的反应器的优选实施方式中不再描述，因为它们的实施方式对于反应器的操作没有影响，并且与本发明的本质无关。
为了使本领域技术人员能够在所主张的整个领域内实施本发明，除了上述的反应器的优选实施方式之外有必要给出下列说明。
a)可以将根据本发明的反应器设计成用于当前所使用的任何类型的烃料的裂解。
b)可以将根据本发明的反应器设计成具有一个或若干个工作腔。其它条件都相同时，优选的是更大功率的反应器具有更大数量的工作腔。
c)在根据本发明的反应器中，喷嘴栅可具有轴流式、斜流式或径流式构造。扩散栅也可具有轴流式、斜流式或径流式构造。
d)可以将根据本发明的反应器设计成使得在该反应器中，进入叶栅和从叶栅离开时的流动具有次音速或超音速绝对速度和相对速度以及这些速度的轴向分量的任何可能组合。
e)可以将根据本发明的反应器设计成使得在该反应器中，叶栅的叶片以及喷嘴栅和扩散栅中的叶片是扭曲的或非扭曲的，并且具有在整个高度上恒定或可变的叶型。
f)介质通过根据本发明的反应器中的叶栅的次数可以是各种各样的。其它条件都相同时，如果叶片上的圆周速度更高或者反应的入口处的流动的温度更高，则需要的所述通过次数越小，反之亦然。
g)根据本发明的反应器可不具有以上提及的隔壁。在该情况下，为了提供这种反应器的可靠启动，叶片必须具有压缩机式叶型。然而，在反应器的这种实施方式的情况下，当其它条件(混合物组分和叶片上的圆周速度)相同时，在每次通过期间转移到工艺流的动能将较低，并且反应工艺流通过叶栅的的必要次数与反应器的优选实施方式相比将更大。
h)可以将根据本发明的反应器设计成使得在该反应器中，喷嘴栅和扩散栅的几何参数沿周向比所述实施方式中的更加渐进地改变，尤其使得每下一叶片和每下一叶片间通道因叶片的叶型和节距的变化而与前述的不同。
i)可以将根据本发明的反应器设计成使得在该反应器中，喷嘴栅和扩散栅的几何参数沿周向不变。在该情况下，叶栅的入口处的压力和其出口处的压力将沿周向变化。但是这使得转子盘和壳体部分之间的间隙中的径向泄漏增加，并且使得移出主流并且温度历程不同于主流中的颗粒的流动颗粒部分增加。另外，不能为该反应器中的所有静叶片和转子叶片同时提供流动的最佳入口角和最佳出口角；为此，当其它条件(混合物组分和叶片上的圆周速度)相同时，通过叶片转移到流的动能减小并且工艺流通过叶栅的必要次数增大。在这种反应器中的低级烯烃的产量可能比优选实施方式中所述的反应器中的小，然而，该产量可比管式裂解炉中的高。
j)可以将根据本发明的反应器设计成使得在该反应器中，导向箍和/或壳体具有这样的形状，该形状使得用于工艺流的螺旋流动所形成的通道的面积沿工作腔的长度变化。然而，在本发明的实施方式中所述的结构变型具有技术上的优点。
由此，本发明不限于仅在优选实施方式中所述的变型，而是包括与权利要求对应的任何修改列和等同例。
工业实用性
目前，为了生产低级烯烃全世界每年消耗大约350,000,000吨的烃料。在这一点上，非常期望降低用于生产低分子烯烃的给料的消耗。根据本发明的反应器解决了该问题。据专家估计，与配备有管式炉的现代装置相比，在配备有叶片式反应器和以石脑油操作的装置中，每单位烃料的乙烯的产量可提高1.5倍(当以“乙烯”模式操作时)，而乙烯和丙烯的产品的总和能提高1.25至1.3倍。如果给料是石油气，则也可提高期望的产品产量。
根据本发明的反应器的具体特征提供结构简单性并且提供使用现有的燃气涡轮技术和现有的材料制造这种反应器的可行性，所述具体特征为：具有一排叶片的转子，叶片的圆周速度相当小，叶片的温度相当低。
具有所需附件的现有的工业燃气涡轮发动机(GTE)可被用作根据本发明的反应器的驱动器。GTE被设计成用于燃气轮机发电厂并且它们具有良好的生态特征。
当设计根据本发明的反应器时可以考虑不同的应用条件。具体地，可以设计更大的单位功率的叶片式反应器、旨在用于裂解特定类型的给料的叶片反应器、在给定期望产品的更高的最终产量情况下在反应区中具有降低的压力水平的反应器等等。

Claims (3)

1.一种用于烃的裂解的叶片式反应器，该反应器包括：转子，该转子具有形成轴流式叶栅的叶片；以及壳体，该壳体具有入口和出口，所述壳体封装该转子和静叶片，其中：
-在所述壳体中安装有固定的环面形导向箍，并且所述箍邻近所述叶片的末端，所述壳体封装转子外周和所述箍，使得形成一通道，该通道的子午截面为环形；
-在所述通道中安装一个分隔件或者相对于转子轴线对称地安装若干个分隔件，所述一个分隔件或若干个分隔件限定一个或若干个相同工作腔的边界，其中所述入口沿转子旋转方向位于每个分隔件的紧后方，而所述出口沿转子旋转方向位于每个分隔件的紧前方；
-所述静叶片包括形成喷嘴栅的喷嘴叶片和形成扩散栅的扩散叶片，所述喷嘴栅和所述扩散栅分别在所述叶栅的上游和下游位于每个工作腔中，使得在所述扩散栅的出口和所述喷嘴栅的入口之间形成无叶片空间，并且所述喷嘴栅、所述叶栅和所述扩散栅的几何参数使得当所述转子旋转时，每个工作腔中的流体被迫沿螺旋形轨迹从所述入口运动到所述出口，所述螺旋形轨迹反复横穿所述喷嘴栅、所述叶栅、所述扩散栅和所述无叶片空间；
-在该无叶片空间中所述壳体和所述导向箍之间的间隙足够大，以在操作中在所述无叶片空间中提供压力均衡，消除横跨一个或多个所述分隔件的压差，并在所述扩散栅的整个长度上在所述扩散栅的出口处提供实际上相同的压力。
2.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述叶片具有冲击式涡轮机叶片的叶型，并且它们以凹侧沿转子旋转方向的方式安装；此外，在每个工作腔中均安装有隔壁，以使沿所述转子旋转方向布置在相应的分隔件紧后方的一组喷嘴叶片与该工作腔中的其余喷嘴叶片分离，使得形成连接相应的所述入口与分离的所述一组喷嘴叶片的通道。
3.根据权利要求1或2所述的反应器，其特征在于，所述喷嘴栅和所述扩散栅的几何参数沿周向变化，使得当所述反应器在名义工况下操作时，在所述叶栅的整个长度上在所述叶栅的入口处提供实际上相同的压力，并且在所述叶栅的整个长度上在所述叶栅的出口处提供实际上相同的压力。
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