CN102656254A - 重进料混合器 - Google Patents

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Abstract

本文描述了一种用于完全地蒸发重碳氢化合物进料的进入量的装置。所述装置即所谓的重进料混合器，包括围绕公共纵轴同轴布置的多个管道。内部管状部段将碳氢化合物进料和稀释蒸汽的两相液体-蒸汽混合物传送至所述装置。会聚/发散管状部段具有特定的结构，其会聚至管喉部段并且随后发散至出口部段。会聚部段将均匀覆盖的热蒸汽导引到通过内部管道部段传送的碳氢化合物蒸汽上。过热蒸汽与进入流体的碰撞触发了在管喉部段内的混合和进一步蒸发。混合物横穿会聚/发散管状部段并且穿入蒸发完成的出口部段。完全蒸发的蒸汽被导引出所述装置，以供进一步下游处理。

Description

重进料混合器
技术领域
本发明大体涉及一种用于蒸发重碳氢化合物进料的装置和方法。特别的，本发明涉及一种用于大致完全地蒸发混合有蒸汽的重碳氢化合物进料的装置和方法。本发明还涉及该装置和方法在气液产物、例如来自于重碳氢化合物进料的烯烃的生产中的使用。
背景技术
用于将碳氢化合物进料转变为更有用的气液副产品的热裂变是一种众所周知的方法。所述裂变过程，也被称为热解，其断开较长的碳氢化合物中的碳-碳结合以形成较短链碳氢化合物。整个反应率以及最终产物取决于处理温度、压力以及停留时间。热裂变常见地用于从多种类型的相对较轻的碳氢化合物进料（例如乙烷、丙烷或石脑油）中生产烯烃，例如乙烯、丙烯或丁烯。蒸汽裂变是一种高温热裂变过程，其典型地在热解炉中进行。
传统的热解炉通常具有两个主要部段：对流部段以及辐射部段。气态或液态碳氢化合物进料被送入对流部段，在其内与炉燃烧器排放气体进行间接接触且被其预加热。此外，当需要时，稀释蒸汽可以被加入对流部段。液态碳氢化合物进料在对流部段被预加热以产生液体-蒸汽两相混合物。预加热的进料随后被导引至辐射部段，其中使用辐射热来加热进料蒸汽混合物，并且典型地在850°C高温、以十分之一秒为单位测量的停留时间进行裂变以形成所需的产品。裂变后，裂变的气体排出所述炉子，优选地为快速淬火，并且被传送以用于进一步下游处理。裂变过程形成的产品取决于一些因素，例如进料的组分、碳氢化合物-蒸汽比率，以及裂变温度、压力以及炉内停留时间。
热解炉内的蒸汽裂变已经被用于成功地从轻碳氢化合物例如乙烷、丙烷、液化石油气体（LPG）或石脑油中生产烯烃。然而，对于降低与烯烃产品相关联的成本还有持续的需求。一种方法涉及使用较低成本进料，其可以通过热解裂变过程而经济地升级。例如，使用比已经作为主要进料的乙烷或石脑油进料更重的进料，可以降低烯烃产品的成本。可以考虑的重碳氢化合物进料的示例包括但不局限于：大气瓦斯油、真空瓦斯油、原油、脱沥青油、从沥青砂或油页岩中提取出的油、天然气合成油重质馏分、重冷凝物以及氢化裂解残留物分离出的油。然而，使用这些在热解炉内具有高于200°C的起始沸点的较重进料，会导致在对流部段管道内形成污垢或结焦，其给所述炉的操作和性能带来负面影响。这一现象当未蒸发重质馏分在对流部段的金属管道内处于高温时发生。其需要在定期时间间隔内中断生产并且清理热解炉。这样显著地降低了输出并且增加了制造成本。为了缓解这一问题，所述重碳氢化合物进料必须在未加热表面内在存在蒸汽的情况下被完全地蒸发。
已经使用多个方法来尝试解决上述和其它与重碳氢化合物进料的热解裂变相关的问题。例如，Ngan等人的美国专利6,632,351号以及Stelle等人的美国专利7,311,746号，其作为引用并入本文并看作在本说明书中完全地详尽阐述，其每一者都公开了一种用于热裂解重进料的装置，该装置分离了重进料的挥发性和不挥发性的组分。带来较少结焦问题的轻碳氢化合物组分被输送到其可以被转变为烯烃的蒸汽裂变炉。重碳氢化合物组分被输送至例如存储箱，在其中它们可以通过其它技术被处理，例如液体催化裂化。然而，这些方法需要额外的处理过程以及在对流部段之前增加一个或多个混合和分离单元。这样显著地增加了处理复杂性并且导致了高资金成本。
Fernandez-Baujin等人的美国专利5,190,634号以及Eric Lenglet等人的美国专利5,817,226号提供了另一个示例，其作为引用并入本文并看作在本说明书中进行完全地详尽的阐述。这些专利中公开的是通过使用富氢气体蒸汽例如H2、CH4或挥发性的轻碳氢化合物进料来混合和蒸发重碳进料，从而抑制焦炭形成。包含氢的产物在对流部段内使焦炭形成最小化，例如通过抑制预加热的碳氢化合物的聚合作用。然而，这些方法需要额外的管道来输送需要的富氢气体，因而增加了复杂性和成本。用来处理气体例如H2的的需求也增加了总操作成本。
Alexander Grondman的美国专利4,498,629号以及Chandrasekharan等人的美国专利6,797,238号中还可以找到另一示例，，其作为引用并入本文并看作在本说明书中进行了完全地详尽的阐述。这些专利公开了一种装置，通过在具有蒸汽的重碳氢化合物进料被输送到炉的辐射加热部段之前完全地使其蒸发，使焦炭形成的倾向最小化。该装置包括两个同轴的管状部段，具有重合的纵轴并且在它们之间形成有环状空间。外管状部元件具有略微发散以及伸长的截头圆锥形元件在一定位置处连接至其开口端，该位置位于过热蒸汽遇到重碳氢化合物进料的位置之后。这一构型被宣称降低了接触截头圆锥形元件的壁的液体滴的量，因而降低了焦炭形成的风险。然而，该装置需要非常长的蒸发长度来大致完全地蒸发所述碳氢化合物进料。这增加了资金成本并且需要炉子对流部段内的有价值的一块空间。
如在美国专利号3,617,493、4,673,486、5,580,443、7,090,765、7,247,765、7,297,833、7,312,371、7,351,872和7,358,413以及美国专利申请公开号No.2007/0232845中，公开了裂变重碳氢化合物进料的其它方法和系统。前述文献的每一者都通过引用而合并到本文中看作在本说明书中进行了完全地详尽阐述。以上的现有技术方法公开了多种方法和系统，其能够不同功效程度的从重碳氢化合物进料中生产较轻的碳氢化合物产物，并且减少一些与结焦或污垢有关的问题。然而，为了随着成本降低更进一步在设计和效率上改进的持续需求依然存在。
发明内容
依照本发明的的一个具体实施方式，提供了一种用于蒸发具有蒸汽的碳氢化合物进料混合物的装置，所述装置包括外部的相对伸长的壳体，该壳体包含下游出口、出口部段、会聚/发散管状部段、上游入口部段以及上游入口，
(a)所述上游入口部段包括以下与其进行流体连通的部段：
(i)截头圆锥形入口部段，其用来将从所述上游入口接收的碳氢化合物进料和稀释蒸汽混合物导引至内部管状管道部段，以及
(ii)所述内部管状管道部段，其用作所述碳氢化合物进料和稀释蒸汽混合物从所述截头圆锥形入口部段穿过将所述截头圆锥形入口部段与会聚/发散管状部段相分离的板的通道，所述上游入口和所述上游入口部段位于所述装置的上游端；
(b)所述会聚/发散管状部段包括：
(i)开口部段、会聚部段、管喉部段以及发散部段，所述发散部段的壁延伸以连接所述伸长的壳体，
(ii)至少一个蒸汽入口，其用来将来自于沿着所述伸长的壳体布置的开口的蒸汽接收到外部环形区域内，该外部环形区域是由所述上游端上的所述板、所述伸长的壳体以及所述下游端上的所述发散部段限定的，
(iii)其中所述开口部段围绕所述内部管状管道部段形成了内部环形区域，以用来接收来自于外部环形区域的蒸汽以及来自于所述内环管状管道部段的所述碳氢化合物进料和稀释蒸汽混合物，并且将混合物排至会聚部段，
(iv)其中所述管喉部段接收来自于会聚部段的流出物，以及
(v)其中所述发散部段接收来自于所述管喉部段的流出物；并且
(c)所述出口部段与所述会聚/发散管状部段的发散部段流体连通，所述出口部段在该装置的下游端处与所述下游出口流体连通。
依照本发明的另一个具体实施方式，提供了一种用于蒸发碳氢化合物进料的装置。该装置包括上游入口，该上游入口与包括截头圆锥形入口部段和内部管状管道部段的上游入口部段流体连通；出口部段，该出口部段与下游出口流体连通；以及会聚/发散管状部段，其具有与所述截头圆锥形入口部段成为一体的上游端，且该会聚/发散管状部段包括：
i)开口部段，
ii)会聚部段，其直径从所述开口部段的直径处开始逐渐减少，
iii)管喉部段，其具有恒定的直径，以及
iv)发散部段，其直径从管喉部段的直径逐渐增加至出口部段的直径，其中所述发散部段与所述出口部段流体连通，
其中，所述上游入口部段和所述会聚/发散管状部段的开口部段围绕公共纵轴同轴地布置，
其中，所述内部管状管道部段的下游端的至少一部分被所述会聚/发散管状部段的开口部段的上游端包围，并且
其中，所述发散部段的一个下游端与所述出口部段形成一体。
在本发明的另一个具体实施方式中，提供了一种用于蒸发重碳氢化合物进料的方法。该方法包括：
i)将预加热的碳氢化合物进料与稀释蒸汽混合，从而局部地地蒸发碳氢化合物进料，以形成液体-蒸汽两相混合物；
ii)将所述液体-蒸汽两相混合物导引至上游入口，该上游入口与包含有截头圆锥形入口部段的上游入口部段流体连通，该截头圆锥形入口部段与内部管状管道部段流体连接，以用作所述液体-蒸汽两相混合物通往具有开口部段的会聚/发散管状部段的通道，用于混合碳氢化合物进料混合物的会聚部段与管喉部段流体连通，其中，通过与具有下游出口的出口部段流体连通的发散部段而将所述液体-蒸汽两相混合物从该管喉部段排出，所述上游入口部段、会聚/发散管状部段以及伸长的壳体围绕公共纵轴同轴布置，所述装置之中，板位于所述伸长的壳体的上游区域并且与该伸长的壳体的内壁形成一体，并且所述内部管状管道部段穿过所述板并与该板形成一体，该板和会聚/发散管状部段在伸长的壳体的内壁和会聚/发散管状部段的外壁之间限定了外部环形区域，并且所述上游入口部段的内部管状管道部段以及所述会聚/发散管状管道部段的开口部段限定了内部环形区域，其中，来自于所述伸长的壳体中的蒸汽入口的蒸汽以与液体-蒸汽两相混合物的流动大体逆流的方向上穿过所述外部环形区域，直到所述蒸汽进入所述内部环形区域并且在离开所述下游出口之前在所述会聚/发散管状部段的会聚部段内的蒸发区域内与所述液体-蒸汽两相混合物混合；以及
iii)进一步加热所述液体-蒸汽两相混合物和蒸汽，以提供基本完全蒸发的碳氢化合物蒸汽，并且随后在炉辐射部段内裂化所述蒸发的碳氢化合物蒸汽中的碳氢化合物，以获得裂化的碳氢化合物产物。
仍然在另一个实施方式中，本发明的一个目的是提供一种简单、紧凑且经济的装置，其提升了与蒸汽的有效混合并且至少大致完全或完全蒸发该重碳氢化合物进料并且减少或最小化由结焦或污垢带来的问题。在本发明的一些实施方式中，通过在传统的热解炉的辐射加热部段内，在重碳氢化合物裂变之前至少大体上完全地蒸发具有蒸汽的重碳氢化合物进料，而使得结焦问题基本被补救。基本完全的蒸发是通过具有独特设计的装置而获得，其便利于有效的蒸发，降低或最小化所需长度且降低资金和操作成本。
通过内部部段、会聚/发散管状部段、伸长的壳体以及出口部段的结构和布置来实现至少基本完全、或完全蒸发具有蒸汽的碳氢化合物进料混合物。虽然发明者不希望被任何理论限制，但认为，上游入口部段和会聚/发散管状部段的开口之间相对窄的内部环形区域增加过热稀释气体的进入速度。这样带来了具有附加动量和动能的蒸汽，从而使得蒸发最大化。在会聚/发散管状部段的会聚部分内的蒸汽的会聚还带来了其他优点。这样带来覆盖流体对主流体在蒸发区域的直接碰撞，且显著地增加混合物的速度。这样带来涡流和高度剪切，因而促进蒸汽和碳氢化合物进料的混合。
附图说明
图1是重进料混合器的横截面示意图，其示出了上游入口部段、会聚/发散管状部段、伸长的壳体以及出口部段的整体形状以及布置。
图2示出了具有确定尺寸命名的上游入口部段、会聚/发散管状部段、伸长的壳体以及出口部段的重进料混合器。
图3是重进料混合器的横截面示意图，其示出了在标准操作情形下的碳氢化合物进料和蒸汽的流动。
图4是重进料混合器的第二实施方式的横截面示意图，其没有外部环形区域。
具体实施方式
本发明的上述和其它目标将要显现于下面的描述和阐述的实施方式中，其参考附图被详细描述。每一图中的相似元件通过相似的参考标号进行表示，并因此为了简明可以省略其随后的详细描述。
在一个实施方式中，本发明涉及一种改进的重进料混合器（1），如附图1中所示。重进料混合器（1）可以位于炉子对流部段内或位于炉子外部，并与常规的热解炉的对流部段流体连通，并且被设计为接收包括碳氢化合物进料和稀释蒸汽的混合的两相液体蒸汽混合物。当该混合物穿过重进料混合器（1）之后，大体上全部/完全蒸发的碳氢化合物进料的流体被输出并且被传送至辐射加热部段以进行热解裂变。
相比于传统技术的混合器，重进料混合器（1）显著地缩短了用于完全蒸发重碳氢化合物进料所需的混合器总长。其主要通过独特的会聚/发散管状部段（3）的装置来实现，该会聚/发散管状部段（3）包括重进料混合器（1）内的部段（3a-3d），如图1所示。在图1-3描述的新颖的重进料混合器（1）中，示出了上游侧在左而下游侧在右。在这点上，碳氢化合物进料的流动在图1中例如是从左到右的。重进料混合器（1）本身由具有重合纵轴的同轴管状部段构成，也就是，上游入口部段（2）、会聚/发散管状部段（3）、包括上游入口（9）、出口部段（13）和下游出口（10）的伸长的壳体（4）。每一个管状部段的直径使得上游入口部段（2）的下游部分（也就是（2b））的直径小于会聚/发散管状部段（3）的最小直径，并且伸长的壳体（4）的直径大于会聚/发散管状部段（3）的最大直径。虽然在贯穿该说明书中，重进料混合器（1）和包括该重进料混合器（1）的部段2-4被描述为具有圆形横截面的大致管状管道，但应当理解的是，管道的形状和横截面并不受此限制。可以使用本领域中熟知的其它形状，包括例如椭圆形、正方形、矩形或六边形横截面。
管状部段可以由任何可以传输碳氢化合物进料和蒸汽的材料构成，同时承受恶劣的化学环境以及超高压和超高温。示例包括含碳钢、含有铬和钼的低合金钢或不锈钢。更高的操作温度和/或更易腐蚀环境可能需要更昂贵的材料，例如镍、钛和铜合金。然而，这些材料的构成对于本发明本非关键且并不解释为限制权利要求。
包括上游入口（9）、出口部段（13）和下游出口（10）的伸长的壳体（4）和与出口部段（13）的入口形成一体的发散部段（3d）基本平直。伸长的壳体（4）的上游端部包括用于引入碳氢化合物进料和稀释蒸汽混合物的上游入口（9），而出口部段（13）的下游端部包括用于将蒸发的碳氢化合物进料从设备导引出至炉子内以使其过热和裂变的下游出口（10）。所述伸长的壳体（4）和出口部段（13）分别具有足够的长度l4o和l13o，以提供大体上完全地蒸发的重碳氢化合物进料。所述伸长的壳体（4）进一步沿着其边缘配备有至少一个蒸汽入口（6）。所述蒸汽入口（6）位于上游入口（9）的下游，并且处于在会聚/发散管状部段（3）和伸长的壳体（4）之间限定的外部环形区域（11）的区域内。蒸汽入口（6）提供了将过热稀释蒸汽向外部环形区域（11）的传输。
上游入口部段（2）具有内部长度l2i，其中截头圆锥形形入口部段（2a）与上游入口（9）流体连通，以接收碳氢化合物进料和稀释蒸汽的液体-蒸汽两相混合物。所述截头圆锥形形入口部段（2a）从上游入口（9）延伸至内部管状管道部段（2b），使得其与上游入口部段（2）的内部管状管道部段（2b）流体连通。内部管状管道部段（2b）从截头圆锥形形入口部段（2a）延伸且穿过与所述重进料混合器（1）的伸长的壳体（4）的内表面形成一体的板（8）。板（8）位于截头圆锥形形入口部段（2a）和会聚/发散管状部段（3）的上游端之间，以限制了在伸长的壳体（4）和内部管状管道部段（2b）之间形成的外部环形区域（11）的上游端的边界。
会聚/发散管状部段（3）位于上游入口部段（2）和伸长的壳体（4）的出口部段（13）之间，且其直径沿着其纵向方向上的长度而改变。会聚/发散管状部段（3）包括四个不同的子部段：开口部段（3a），其为具有长度为l3a的平直部段，且直径d3a小于伸长的壳体（4）的直径d4o但是大于内部管状管道部段（2b）的直径d2i；会聚部段（3b），其通过在长度l3b上逐渐减小会聚/发散管状部段（3）的直径并减小会聚角θ3b而提供会聚/发散管状部段（3）的会聚；管喉部段（3c），其具有短且平直的长度l3c和恒定的直径d3c（会聚部段（3b）连接开口部段（3a）和管喉部段（3c））；以及发散部段（3d），其提供发散部段，该发散部段的直径在长度l3d上逐渐地从管喉部段（3c）的直径d3c增加至伸长的壳体（4）的直径d4o并增大了发散角θ3d。管喉部段（3c）的直径d3c与会聚部段（3b）的下游出口的直径相等。发散部段（3d）的下游端与伸长的壳体（4）的内表面形成一体形成从而形成了气体密封。开口部段、会聚部段、管喉部段和发散部段的组合也就是3a-d的组合形成了会聚/发散管状部段（3）。会聚/发散管状部段（3）、板（8）和伸长的壳体（4）用于形成外部环形区域（11）。外部环形区域（11）便于通过蒸汽入口（6）将过热蒸汽引入重进料混合器。
上游入口部段（2）的目的是将两相混合物传输至蒸发区域（12），该蒸发区域（12）由会聚/发散管状部段（3）的会聚部段（3b）形成。伸长的壳体（4）优选地为具有长度l4o和直径d4o的直管，该直管沿着其外缘配备有至少一个蒸汽入口（6）以传输过热稀释蒸汽。在图1-3中，蒸汽入口（6）位于接近于管喉部段（3c）的下游部分，并与发散部段（3d）与伸长的壳体（4）一体结合的位置相距距离l6。这样便于通过穿过蒸汽入口（6）传输的蒸汽以逆流方式加热会聚/发散管状部段（3）的全部长度。虽然示出和描述的蒸汽入口（6）位于管喉部段（3c）与发散部段（3d）相接的位置的上游，外部环形区域（11）可以进一步向下游延伸并且蒸汽入口（6）可以移动更接近于重进料混合器（1）的下游出口，这样碳氢化合物和稀释蒸汽混合物的全部路径都被加热。穿过蒸汽入口（6）而进入重进料混合器（1）的过热稀释蒸汽最初在上游或是与碳氢化合物进料进入上游入口（9）的逆流方向上流经伸长的壳体（4）和会聚/发散管状部段（3）之间形成的外部环形区域（11），如附图3中的空心箭头所示。
在板（8）和会聚/发散管状部段（3）的起始部之间设有长度为lg的空间或间隙。这一空间提供了重进料混合器（1）的区域，其中来自于外部环形区域（11）的过热稀释蒸汽的逆流进行180度转向，并且向下游流入到内部管状管道部段（2b）和会聚/发散管状部段（3）的开口部段（3a）之间的内部环形区域（11a）。来自于外部环形区域（11）的过热稀释蒸汽的逆流进行180度转向且向下游流动的间隙长度lg、开口部段（3a）的长度l3a以及上游入口部段（2）的长度是这样的：开口部段（3a）的端面与上游入口部段（2）的出口在其下游方向相距距离较近。沿着内部管状管道部段（2b）/开口部段（3a）以及开口（3a）/伸长的壳体（4）环面的间隙lg（分别由d3a-d2i和d4o-d3a确定）被仔细的设计和定尺寸，以确定进入的过热稀释蒸汽的速度。将参考下面描述的示例性实施方式进一步确定这些尺寸。会聚/发散管状部段（3）的设计和排列围绕内部管状管道部段（2b）的下游端部产生过热稀释蒸汽的环状高速覆盖气流。重进料混合器的设计因素包括内部环形区域（11a）的尺寸和内部管状管道部段（2b）相对于会聚/发散管状部段（3）的位置。选择每一个部件的位置以使围绕开口部段（3a）的上游端和内部管状管道（2b）的下游端产生平顺的蒸汽流。
两相碳氢化合物-蒸汽混合物从上游入口（9）向上游入口部段（2）进入到重进料混合器（1），在该上游入口部段（2）处，该两相碳氢化合物-蒸汽混合物流出其下游端且进入蒸发区域（12），如附图3中的实心箭头所示。会聚/发散管状部段（3）的会聚部段（3b）的会聚特性将过热稀释蒸汽导向到离开了内部管状管道部段（2b）的两相碳氢化合物-蒸汽混合物当中。过热蒸汽（空心箭头）与碳氢化合物蒸汽（实心箭头）的碰撞触发了混合和进一步蒸发液体碳氢化合物成分。注入半角θ3b由会聚部段（3b）的壁的切线和重进料混合器（1）的纵轴之间形成的角度限定。注入半角θ3b可以被优化，这样互相混合度达到最大，同时喷溅和壁沉积的形成是最小的。较大的注入半角θ3b将两股混合蒸汽之间的相交更接近于内部管状管道部段（2b）的出口。这样增加了混合和蒸发的强度。然而，如果注入半角θ3b过大，则将会发生过大的喷溅。这样将导致液滴在混合的较早阶段聚结和沉淀于管道壁上。
在两股蒸汽在蒸发区域（12）相交之后，碳氢化合物和稀释蒸汽混合物流经管喉部段（3c）。在管喉部段（3c）处，碳氢化合物和稀释蒸汽混合物获得最高的速度。因此，在这一部段发生最强的混合和蒸发。碳氢化合物-蒸汽混合物增加的速度便于完成蒸发且使得液滴的数量最小化。在以高速穿过管喉部段（3c）之后，混合物经过发散部段（3d）离开，如附图3中的点状空心箭头所示。在发散部段（3d）内，直径以发散角θ3b从管喉部段（3c）的直径发散至伸长的壳体（4）的直径。这一管道直径的发散也降低了液滴到达和沉淀于侧壁的数量。在一个实施方式中，注入半角θ3b以及发散角θ3d每一个都至少为5度。在侧壁沉淀的总量减少主要由于于离开管喉部段（3c）的速度的增加和会聚/发散管状部段（3）产生的碳氢化合物-蒸汽混合物的蒸发度的增大。
从会聚/发散管状部段（3）和伸长的壳体（4）之间的整合点（或发散部段（3d）和伸长的壳体（4）之间形成的连接点）起的下游，重进料混合器（1）具有出口部段（13），其是具有预定长度（l13o）和直径（d13o）的平直部段。长度的尺寸被确定为确保混合物中存在的液体相位的完全蒸发。在离开重进料混合器（1）的下游出口（10）之后，蒸汽被导引至炉子的对流线圈，以用于在辐射线圈内进行裂变之前进行最终加热。
重进料混合器（1）的总长l4o显著地小于具有相同流速能力的传统重进料混合器。紧密的尺寸是由于于会聚/发散管状部段（3）的独特设计。一个优势是穿过伸长的壳体（4）和开口部段（3a）之间形成的外部环形区域（11）的过热气体的逆流。穿过外部环形区域（11）过热气体的逆流进行180度转向并随后继续向下游穿过在内部管状管道部段（2b）和开口部段（3a）之间内部环形区域（11a），以围绕内部管状管道部段（2b）的下游端产生更一致的过热气体的流动和分布。在这个情况下，不需要一个长的、平直的离开管道（例如，从发散部段出口（3d）至出口部段（13）的下游端的长段）以最小化由从侧口引入的蒸汽产生的流动偏离。本领域中熟知的典型的侧口例如在美国专利6,797,238号和4,498,629号中进行了描述和示出的。另一个优势是内部管状管道部段（2b）和开口部段（3a）之间相对较窄的内部环形区域（11a）增加了过热稀释蒸汽的进入速度。这使得蒸汽具有额外的动量和动能以最大化两相混合物中的液体碳氢化合物的蒸发。再一个优势是在会聚部段（3b）内的流体的会聚导致覆盖流体与主流体在蒸发区域（12）内的直接碰撞，因而增强了混合和蒸发。
由会聚至管喉部段（3c）产生的会聚/发散管状部段（3）的管喉部段内的流动形式的收缩显著地增加了混合物的速度。这样带来了涡流和高度剪切，因而提高了稀释蒸汽和碳氢化合物进料的混合。更进一步，引入到外部环形区域（11）的过热蒸汽的逆流（相对于来自于上游入口（9）的碳氢化合物进料）完全地且均匀地加热会聚/发散管状部段（3）的壁。会聚/发散管状部段（3）的热的壁帮助碳氢化合物蒸发和降低液滴的沉淀。
便于更有效的混合和蒸发重碳氢化合物进料的主要部件是独特的会聚/发散管状部段（3）及其相对于内部管状管道部段（2b）的位置。因此，可以想象出没有外部环形区域（11）的实施方式。图4提供的例子中示出了类似于附图1-3中所示的重进料混合器（20）。在这个实施方式中，在没有环状区域（11）的情况下，开口（3a）在上游方向上延伸，并且其上游端与上游入口（9）形成一体。因此，依照本发明的这个实施方式，伸长的壳体（4）包括上游入口（9）、会聚/发散管状部段（3）、出口部段（13）和下游出口（10）。蒸汽入口（6）也在开口部段（3a）的外缘上位于蒸发区域（12）的上游。虽然蒸汽入口（6）的准确位置不是决定性的，但优选地，它与内部管状管道部段（2b）的下游出口的上游之间相距一些距离。
当稀释蒸汽经过蒸汽入口（6）被引入重进料混合器（20）时，其经过内部环形区域（11a）向下游移动，直到其到达会聚部段（3b）。在此，蒸汽的覆盖流在蒸发区域（12）内碰撞从内部管状管道部段（2b）出来的碳氢化合物进料-蒸汽混合物，以引起碳氢化合物进料和蒸汽的进一步的混合和蒸发，其方式类似于以上参考图1-3描述的方式。在这个实施方式中，经过蒸汽入口（6）被引入的蒸汽在进入到蒸发区域之前不进行180度转向。如参考图1-3的重进料混合器（1）而之前提及到的那样，图4中的内部环形区域（11a）的尺寸以及内部管状管道部段（2b）在蒸发区域附近的尺寸是本领域技术人员可以设置的直径，以产生覆盖稀释蒸汽的均匀流动，而不产生覆盖蒸汽和/或碳氢化合物/蒸汽流的压力的显著改变。
传统的重液体进料裂变炉需要在在辐射加热部段内裂变之前使得碳氢化合物进料完全蒸发。相比于传统的重进料混合器，即刻的新颖设计显著地更为简单且更为小巧。这使得其显著地易于将重进料混合器装配于标准热解炉的拥挤的对流部段之内。更进一步，需要最小数量的管道和支撑结构，从而降低了初始资金投资。除了更简单和更紧密，在本说明书中公开的重进料混合器能够高效地蒸发重碳氢化合物进料。这样大大地降低了对流线圈内的焦炭形成风险，其更进一步带来了总操作费用的降低。
参考图1-3而显示和描述的重进料混合器（1）被设计用来完全地蒸发重碳氢化合物进料和稀释蒸汽的预加热的液体-蒸汽两相混合物。通常，对于适当的操作，重进料混合器（1）的进入物应使用预定量的稀释蒸汽来稀释且被加热至预定温度，二者都取决于所使用的碳氢化合物的类型。更进一步，重进料混合器（1）可以依照其预定目的运行的参数范围取决于上游入口部段（2）、会聚/发散管状部段（3）、伸长的壳体（4）和出口部段（13）的尺寸和位置。重进料混合器（1）的每一个部件的准确尺寸也取决于正在使用的碳氢化合物进料的类型。不考虑用于重进料混合器（1）的具体尺寸，内部环形区域（11a）的尺寸应该是使得围绕内部管状管道部段（2b）的下游端具有均匀流体分布。
在本说明书中描述的重进料混合器（1）的示例性实施方式能够蒸发具有高于200°C的起始沸点的重进料。这些碳氢化合物进料的例子包括但不局限于：真空瓦斯油（VGO）、重瓦斯油、原油、脱沥青油、从沥青砂或油页岩中提取出的油、天然气合成油重质馏分、重冷凝物以及氢化裂解残留物分离出的油。重进料混合器（1）通常具有5米（m）的总长l4o，其显著地短于传统混合器的长度范围。
具体的应用涉及VGO的蒸发。典型的VGO进料具有0.869的比重和318°C的起始沸点。在这个特定实例中，总稀释蒸汽与VGO的重量比例是1∶1，但并不如此限制。稀释蒸汽与VGO的比率可以从大约0.5至大约1.0以及从大约1.1至大约1。然而，本领域技术人员将会认识到，额外的范围和具体阐述的范围内的子范围是值得考虑的且被包含于本发明的公开范围内。更进一步，可以理解的是，这些比例以及下文描述的随后的处理参数并不被限制于VGO，但是还可以用于其它类型的重碳氢化合物进料。使用的总稀释蒸汽的大约百分之二十在碳氢化合物预加热线圈的出口处与VGO初步混合。VGO和稀释蒸汽的混合物被加热，并且VGO在第一碳氢化合物和蒸汽加热线圈中被局部地蒸发。这一两相液体-蒸汽混合物随后被供至本发明的重进料混合器（1）。该两相混合物经过内部管状管道部段（2b）进入混合器（1），并且过热蒸汽经过蒸汽入口（6）进入混合器（1）。该蒸汽从热解炉的稀释蒸汽对流线圈中进行供给且占到了使用的总稀释蒸汽的百分之八十的量。从重进料混合器（1）而来的输出蒸汽（10）是混合物，其包括基本上百分之百蒸发的VGO进料和稀释蒸汽。VGO和稀释蒸汽完全蒸发的蒸汽返回至较低对流部段并且随后被供给至经受热解的辐射加热部段。这样产生了有价值的烯烃，例如乙烯和丙烯。
本领域技术人员将会理解，本发明并不局限于以上特别显示和描述的内容。相反，本发明的范围由下面的权利要求来确定。应当进一步理解的是，上面的描述仅是实施方式的示出的示例性代表。为了读者的便利，上面的描述集中于可能的实施方式的代表样式、教导了本发明的原则的样式。可以从不同实施方式的多个部分的不同组合中得到其它实施方式。
该描述并不意欲穷举式地列举所有可能的变型。代替的实施方式可能没有出现于本发明的特定部分钟，并且可以从已描述的部分的不同组合中得到，或者其它未描述的替代实施方式可以并不被认为是这些替代实施方式的放弃。将会理解到，很多那些未描述的实施方式落入下文的权利要求及其等价的字面范围内。更进一步，贯穿本说明书的所有参考文献、公开文献、美国专利和美国专利公开文本通过引用而并入本文中，并被看作在本说明书中进行了完全地详尽阐述。

Claims (21)

1.一种用于对具有蒸汽的碳氢化合物进料混合物进行蒸发的装置，所述装置包括外部的相对伸长的壳体，该壳体包含下游出口、出口部段、会聚/发散管状部段、上游入口部段以及上游入口，
(a)所述上游入口部段包括以下与其进行流体连通的部段：
(i)截头圆锥形入口部段，其用来将从所述上游入口接收的碳氢化合物进料和稀释蒸汽混合物导引至内部管状管道部段，以及
(ii)所述内部管状管道部段，其用作所述碳氢化合物进料和稀释蒸汽混合物从所述截头圆锥形入口部段穿过将所述截头圆锥形入口部段与会聚/发散管状部段相分离的板的通道，所述上游入口和所述上游入口部段位于所述装置的上游端；
(b)所述会聚/发散管状部段包括：
(i)开口部段、会聚部段、管喉部段以及发散部段，所述发散部段的壁延伸以连接所述伸长的壳体，
(ii)至少一个蒸汽入口，其用来将来自于沿着所述伸长的壳体布置的开口的蒸汽接收到外部环形区域内，该外部环形区域是由所述上游端上的所述板、所述伸长的壳体以及所述下游端上的所述发散部段限定的，
(iii)其中所述开口部段围绕所述内部管状管道部段形成了内部环形区域，其用来接收来自于外部环形区域的蒸汽以及来自于所述内环管状管道部段的所述碳氢化合物给料和稀释蒸汽混合物，并且将混合物排至会聚部段，
(iv)其中所述管喉部段接收来自于会聚部段的流出物，以及
(v)其中所述发散部段接收来自于所述管喉部段的流出物；并且
(c)所述出口部段与所述会聚/发散管状部段的发散部段流体连通，所述出口部段在该装置的下游端处与所述下游出口流体连通。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述蒸汽入口沿着所述板和所述发散部段的下游端部之间的会聚/发散管状部段的长度进行设置。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述会聚部段表面的切线相对于该装置的纵轴形成了至少5度的角度。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述发散部段表面的切线相对于该装置的纵轴形成了至少5度的角度。
5.如权利要求1所述的装置，其中，所述板与所述内部管状管道部段的外表面并与所述伸长的壳体的内表面形成一体。
6.如权利要求5所述的装置，其中，所述板位于所述截头圆锥形入口部段和所述会聚/发散管状部段的开口部段的上游端部之间。
7.如权利要求1所述的装置，其中，所述内部管状管道部段的直径小于所述伸长的壳体的直径和所述会聚/发散管状部段的最小直径。
8.如权利要求1所述的装置，其中，所述开口部段的直接大于所述管喉部段的直径，但是小于所述伸长的壳体的直径。
9.如权利要求1所述的装置，其中，所述内部管状管道部段的直径小于所述开口部段的直径。
10.一种用于蒸发重碳氢化合物进料的方法，该方法包括：
i)将预加热的碳氢化合物进料与稀释蒸汽混合，从而局部地地蒸发碳氢化合物进料，以形成液体-蒸汽两相混合物；
ii)将所述液体-蒸汽两相混合物导引至上游入口，该上游入口与包含有截头圆锥形入口部段的上游入口部段流体连通，该截头圆锥形入口部段与内部管状管道部段流体连接，以用作所述液体-蒸汽两相混合物通往具有开口部段的会聚/发散管状部段的通道，用于混合碳氢化合物进料混合物的会聚部段与管喉部段流体连通，其中，通过与具有下游出口的出口部段流体连通的发散部段而将所述液体-蒸汽两相混合物从该管喉部段排出，所述上游入口部段、会聚/发散管状部段以及伸长的壳体围绕公共纵轴同轴布置，所述装置之中，板位于所述伸长的壳体的上游区域并且与该伸长的壳体的内壁形成一体，并且所述内部管状管道部段穿过所述板并与该板形成一体，该板和会聚/发散管状部段在伸长的壳体的内壁和会聚/发散管状部段的外壁之间限定了外部环形区域，并且所述上游入口部段的内部管状管道部段以及所述会聚/发散管状管道部段的开口部段限定了内部环形区域，其中，来自于所述伸长的壳体中的蒸汽入口的蒸汽以与液体-蒸汽两相混合物的流动大体逆流的方向上穿过所述外部环形区域，直到所述蒸汽进入所述内部环形区域并且在离开所述下游出口之前在所述会聚/发散管状部段的会聚部段内的蒸发区域内与所述液体-蒸汽两相混合物混合；以及
iii)进一步加热所述液体-蒸汽两相混合物和蒸汽，以提供基本完全蒸发的碳氢化合物蒸汽，并且随后在炉辐射部段内裂化所述蒸发的碳氢化合物蒸汽中的碳氢化合物，以获得裂化的碳氢化合物产物。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述重碳氢化合物进料包括真空瓦斯油、重瓦斯油、原油、脱沥青油、从沥青砂或油页岩中提取出的油、天然气合成油重质馏分、重冷凝物以及氢化裂解残留物分离出的油中的至少一个。
12.如权利要求10所述的方法，其中，第一混合步骤(i)中的稀释蒸汽大约是所使用的蒸汽总量的5-20%。
13.如权利要求10所述的方法，其中，所述进入所述内部环形区域的蒸汽是穿过至少一个蒸汽入口而被引入所述装置中的过热蒸汽。
14.如权利要求10所述的方法，其中，所述稀释蒸汽的总量与重碳氢化合物进料的比率范围是从大约0.5:1至大约1.1:1。
15.一种用于蒸发碳氢化合物进料的装置，包括：
内部管状管道部段；
伸长的壳体；
板，该板与所述伸长的壳体的内壁和所述内部管状管道部段的外壁形成一体；
出口部段：以及
会聚/发散管状部段，其被包围在所述伸长的壳体内并且包括：
i)开口部段，
ii)会聚部段，该会聚部段的直径从所述开口部段的直径处开始逐渐减少，
iii)管喉部段，以及
iv)发散部段，其直径从管喉部段的直径逐渐增加至伸长的壳体的直径，其中所述发散部段与所述出口部段流体连通，
其中，所述内部管状管道部段、会聚/发散管状部段、伸长的壳体以及出口部段围绕公共纵轴同轴布置，
其中，所述内部管状管道部段穿过所述板的中心区域，并且所述内部管状管道部段的下游的至少一部分被容纳入所述会聚/发散管状部段的开口部段的上游端包围；并且
其中，所述发散部段的下游端与所述出口部段形成一体。
16.一种用于蒸发碳氢化合物进料的装置，包括：上游入口，该上游入口与包括截头圆锥形入口部段和内部管状管道部段的上游入口部段流体连通；出口部段，该出口部段与下游出口流体连通；以及会聚/发散管状部段，其具有与所述截头圆锥形入口部段成为一体的上游端，且该会聚/发散管状部段包括：
i)开口部段，
ii)会聚部段，其直径从所述开口部段的直径处开始逐渐减少，
iii)管喉部段，其具有恒定的直径，以及
iv)发散部段，其直径从管喉部段的直径逐渐增加至出口部段的直径，其中所述发散部段与所述出口部段流体连通，
其中，所述上游入口部段和所述会聚/发散管状部段的开口部段围绕公共纵轴同轴地布置，
其中，所述内部管状管道部段的下游端的至少一部分被所述会聚/发散管状部段的开口部段的上游端包围，并且
其中，所述发散部段的一个下游端与所述出口部段形成一体。
17.如权利要求16所述的装置，其中，至少一个蒸汽入口沿着所述会聚/发散管状部段的开口部段的长度方向而位于会聚部段的上游。
18.如权利要求16所述的装置，其中，所述会聚部段的表面的切线相对于该装置的纵轴形成了至少5度的角度。
19.如权利要求16所述的装置，其中，所述发散部段的表面的切线相对于该装置的纵轴形成了至少5度的角度。
20.如权利要求16所述的装置，其中，所述内部管状管道部段的直径小于所述会聚/发散管状部段的最小直径。
21.如权利要求16所述的装置，其中，所述内部管状管道部段的直径小于所述开口部段的直径。
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