CN106635122B - 一种管式裂解炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管式裂解炉，该管式裂解炉包括用于限定辐射腔的辐射腔炉衬，以及设置在辐射腔内的炉管组件。其中，在辐射腔炉衬的内侧壁上设有用于把辐射腔内的热辐射反射到炉管组件上的至少一个反射构件。根据本发明的管式裂解炉能够显著增加裂解反应的速率。

Description

一种管式裂解炉

技术领域

本发明涉及一种裂解炉，尤其是一种管式裂解炉。管式裂解炉用于加热天然气、炼厂气、原油及石脑油等各类裂解原料，促使裂解原料发生碳链断裂化学反应，生成烃乙烯、丙烯和/或丁二烯等低碳烯及各种副产物。

背景技术

乙烯、丙烯和丁二烯等低碳烯烃是石油化学工业的重要基础原料。目前，生产低碳烯烃的方法以管式炉石油烃蒸汽裂解工艺为主。据统计，世界上大约99％的乙烯、50％以上的丙烯和90％以上的丁二烯通过该工艺生产。

管式炉石油烃蒸汽裂解工艺的核心设备是管式裂解炉(以下简称“裂解炉”)，裂解原料如乙烷、丙烷、石脑油以及加氢尾油在裂解炉中被加热到高温时，会发生碳链断裂化学反应，生成低碳烯烃如乙烯、丙烯和丁二烯等。但是，热裂解反应过程十分复杂，除了目的产物低碳烯烃外，同时还会发生脱氢、异构化、环化、叠合和缩合等副反应，生成其他副产物。因此，如何控制反应条件，使反应产物中目的产物低碳烯烃最多是该领域一直研究的课题。

国内外的长期研究结果表明，原料烃类在高温、短停留时间、低烃分压的条件下对生成烯烃是有利的。在反应的初期，从压降方面看，由于反应的转化率较低，管内流体体积增大不多，管内流体的线速度也增大不多，较小的管径不会引起压降增加太多，不会严重影响平均烃分压增加；从热强度方面看，由于原料急剧升温，吸收大量热量，所以要求热强度大，较小的管径可使比表面积增加，从而满足要求；从结焦趋势看，由于转化率较低，二次反应尚不能发生，结焦速率较低，较小的管径也是允许的。在反应的后期，从压力降方面看，由于此时转化率较高，管内流体体积增大较多，同时，流体的线速度也急剧上升，较大管径比较适合；从热强度方面看，由于转化率已经较高，热强度开始减小，较大的管径不会显著影响传热效果；从结焦趋势方面看，由于转化率较高，二次反应较多，结焦速率增加，较大的炉管管径能够保证炉管通畅且不至于造成太大的压降。综上所述，一般而言，我们会在设计裂解炉管时在裂解炉管的入口(即反应初期)采用较小的管径，在裂解炉管的出口采用较大的管径。

为了实现“高温、短停留时间和低烃分压”的目标，几乎所有构型的新炉管均采用了缩短管长的方法，如lummus公司将管长由八程73m缩短到两程25m左右；石伟公司将管长由四程45m改为两程21m；KTI公司将管长由四程46m缩短到两程23m，停留时间也随之由0.5s以上降低至0.15～0.25s。

世界上开发乙烯管式裂解炉技术的专利商有ABB Lummus Global、Technip、Stone&Webster、Linde、KBR和Sinopec公司等，并且已经占据乙烯裂解技术的主导地位。目前，这些技术专利商都十分注重乙烯裂解炉新型技术的研究与开发，辐射段炉管的设计研究就是重要研究方向之一，辐射段盘管的设计是决定裂解选择性和提高裂解产品收率的关键步骤，改变辐射盘管的结构和排布，例如不分支变径、分支变径、单程等径等不同结构的辐射炉管已经成为炉管优化的重要方向。

从裂解炉炉管的角度看，在反应的初期，由于原料急剧升温，吸收大量热量，所以要求热强度大，较多较小的管径可使比表面积增加，从而满足要求；在反应的后期，由于转化率已经较高，热强度开始减小，较少较大的管径不会显著影响传热效果。综上所述，一般而言，在设计裂解炉管时在裂解炉管的入口(即反应初期)采用较多较小的管径，在裂解炉管的出口采用较少较大(即反应末期)的管径。

从裂解炉炉膛的角度看，裂解炉炉管反应需要的热量全部由炉膛提供，在裂解炉的炉膛内，燃料气(主要是甲烷和氢)燃烧提供热量，这些热量通过辐射传热和对流传热进入炉管，其中辐射传热是主要的传热方式，占总传热量的85％以上。而裂解炉炉膛辐射传热受到多种复杂因素的影响，如炉膛的结构和尺寸、燃料的种类及供热方式、燃烧器的种类等等。目前传统的裂解炉采用陶瓷纤维或者耐火砖作为裂解炉的炉墙，利用燃料气燃烧的高温烟气和炉墙的辐射传热对裂解炉辐射炉管内的反应物料进行加热，裂解炉的炉墙全部采用平整的炉墙结构，从辐射传热的角度而言，裂解炉炉墙的辐射对炉管的入口部分和出口部分都是一样的。

目前的裂解炉炉膛传热过程存在如下两个问题，一是裂解炉炉膛传热面积不足，裂解炉炉膛传热过程主要是辐射传热，辐射传热量主要取决于辐射面的传热面积。对于炉管而言，其外表面积在裂解炉能力确定时也基本确定，而且增加炉管外表面积由于炉管价格贵而导致成本很高。对于炉墙而言，其表面积与炉膛大小和炉墙的形状有关系。二是裂解炉炉墙辐射传热对于炉管管排而言无任何差别，即裂解炉的炉墙无论对于入口管排还是出口管排其传热面积均一致，对于热通量大的区域和热通量小的区域也同样，这会导致裂解炉局部受热不均，从而造成炉管局部温度过高，减少裂解炉的运行周期。

本发明一方面增加了炉膛内炉墙的辐射传热面积，大大降低了裂解炉的燃料用量，另一方面从炉膛辐射传热和炉管设计两个方面考虑，发明一种提超高选择性的裂解炉，使得裂解炉炉管的吸热需求与裂解炉炉膛辐射传热供热相一致，从而得到一个具有适当运行周期、选择性高、热效率高、能耗低的新型裂解炉。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种能够显著增加裂解反应的速率的管式裂解炉。

本发明提供了一种管式裂解炉，其包括：用于限定辐射腔的辐射腔炉衬；设置在所述辐射腔内的炉管组件。其中，在所述辐射腔炉衬的内侧壁上设有用于把所述辐射腔内的热辐射反射到炉管组件上的至少一个反射构件。

在一个实施例中，所述反射构件具有朝向斜下方的反射面，并且所述反射面的法线斜着穿过所述炉管组件。

在一个实施例中，各所述反射面的面积之和与所述反射构件在所述辐射腔炉衬的内侧壁上的占用面积的比值为1.5～4。

在一个实施例中，反射构件在所述辐射腔炉衬的内侧壁上的占用面积为所述辐射腔炉衬的内侧壁的总面积的10％～80％。

在一个实施例中，所述炉管组件为多程炉管。

在一个实施例中，所述反射构件为凸起或凹槽。

在一个实施例中，所述反射构件的横截面为三角形，并且由所述反射面和与之相连并决定反射面相对所述辐射腔炉衬的内侧壁的斜率的支撑面组成。

在一个实施例中，所述支撑面与所述辐射腔炉衬的内侧壁相垂直。

在一个实施例中，上述管式裂解炉还包括急冷锅炉，而所述炉管组件包括一根与所述辐射腔炉衬的顶部相连并连通所述急冷锅炉的竖向高位粗管，以及通过混合器集中连接在所述粗管的底部的至少一根竖向低位细管。

在一个实施例中，在所述炉衬的侧壁和/或底壁上设有用于向所述辐射腔内提供热辐射的多个燃烧器。

在一个实施例中，所述反射构件的材料为耐火材料。

根据本发明的管式裂解炉通过反射构件可以把接收的热辐射反射到炉管组件，促使辐射腔内的热辐射集中到炉管组件上，使得炉管组件内的温度上升速率得以大幅度的提高，由此显著增加炉管组件内裂解反应的速率。与此同时，根据本发明的管式裂解炉可以在不增加炉管组件的外表面的同时显著增加炉管组件内裂解反应的速率，与现有技术相比具有更高的裂解反应的速率。

根据本发明的管式裂解炉的结构简单，生产容易，使用安全高效，便于实施推广应用。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为根据本发明的管式裂解炉的结构示意图；

图2显示了根据本发明的管式裂解炉的辐射腔、辐射腔炉衬、炉管组件、反射构件和燃烧器；以及

图3为图2中D处的局部放大图。

在附图中相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1为根据本发明的管式裂解炉10的结构示意图。该管式裂解炉10主要用于加热天然气、炼厂气、原油及石脑油等各类裂解原料，促使裂解原料发生碳链断裂化学反应，生成烃乙烯、丙烯和/或丁二烯等低碳烯及各种副产物。

如图1所示，管式裂解炉10包括辐射腔2、与辐射腔2相连的且错开式高于辐射腔2的对流腔3和设置在辐射腔2内的炉管组件4、位于辐射腔2的顶部上方且与炉管组件4连通的急冷锅炉6(属于本领域的常规产品)、能够为辐射腔2提供热量的燃烧器8。在裂解过程中，裂解原料首先经过对流腔3进行汽化和预热处理，然后经过辐射腔2中转而进入到炉管组件4内进行裂解反应，裂解之后进入到急冷锅炉6内进行冷却处理。

辐射腔2由辐射腔炉衬21限定而成形。容易理解的是，对流腔3也可由对流腔炉衬31限定而成形，辐射腔炉衬21与对流腔炉衬31相连通。其中，在辐射腔炉衬21的内侧壁上设有用于把辐射腔2内的热辐射反射到炉管组件4上的至少一个反射构件7。通过这种方式，反射构件7可以把接收的热辐射反射到炉管组件4，促使辐射腔2内的热辐射集中到炉管组件4上，使得炉管组件4内的温度上升速率得以大幅度的提高，由此可以显著增加炉管组件4内裂解反应的速率。容易理解，管式裂解炉10可以在不增加炉管组件4的外表面的同时显著增加炉管组件4内裂解反应的速率，与现有技术相比具有更高的裂解反应的速率。

反射构件7具有朝向斜下方的反射面71，并且反射面71的法线L斜着穿过炉管组件4，详见图2。由于大量热辐射来源于辐射腔2的底部，因此朝向斜下方的反射面71能够把大量热辐射反射到炉管组件4，进一步地提高炉管组件4内的温度上升速率，从而再次增加炉管组件4内裂缝反应的速率。其中，反射面71可为平面、锥形面或其他形状曲面。但是反射面71优选为平面或锥形面，由此便于降低制造的难度，节约反射构件7的生产成本。

反射构件7的材料和辐射腔炉衬21的材料均可选为耐火材料。在一个优选的实施例中，反射构件7的耐火材料的反射率比辐射腔炉衬21的耐火材料的反射率强，由此可提高炉管组件4内的温度上升速率，增加炉管组件4内裂缝反应的速率。

反射构件7选为凸起或凹槽。在一个实施例中，多个反射构件7统一选为凸起或凹槽。在另一个实施例中，多个反射构件7中一部分反射构件7选为凸起，而另一部分反射构件7选为凹槽。简单地说，反射构件7无论选为凸起还是选为凹槽，只要反射构件7具有上述反射面71就可以把辐射腔2内的热辐射反射到炉管组件4上即可。

实验验证，当各反射面71的面积之和与反射构件7在辐射腔炉衬21的内侧壁上的占用面积的比值为1.5～4时，反射构件7对炉管组件4内裂缝反应具有较佳的促进作用，即增加了裂缝反应的速率，大幅度降低副产物的含量。

反射构件7在辐射腔炉衬21的内侧壁上的占用面积为辐射腔炉衬21的内侧壁的总面积的10％～80％。当反射构件7在辐射腔炉衬21的内侧壁上的占用面积为辐射腔炉衬21的内侧壁的总面积的10％～80％时，不仅能够有效提高炉管组件4内的温度上升速率，从而再次增加炉管组件4内裂缝反应的速率，而且也不会因占用面积过大而影响辐射腔炉衬21的强度。

反射构件7无论选为凸起还是选为凹槽，反射构件7的横截面可均选为三角形、梯形或多边形等能够设置出上述反射面71的形状。在一个优选的实施例中，反射构件7为三角形，使得反射构件7由反射面71和与反射面71相接合支撑面72所限定，详见图3。支撑面72用于决定反射面71相对辐射腔炉衬21的内侧壁的斜率。换句话说，改变支撑面72的角度和尺寸，能够把反射面71相对辐射腔炉衬21的内侧壁的斜率设置成最佳值，以使反射面71的功效最大化。

在一个优选的实施例，支撑面72与辐射腔炉衬21的内侧壁大致垂直。由于支撑面72与辐射腔炉衬21的内侧壁大致垂直，使得支撑面72很难对裂解反应产生负面影响。炉管组件4的顶部区域内的烟气浓度过高，若对顶部区域内的烟气进行加热，容易造成最终产品的副产物增加，但是由于支撑面72不能够把热辐射反射集中到炉管组件4的顶部区域，因此可以避免最终产品的副产物的增加。

在一个优选的实施例中，炉管组件4包括一根与辐射腔炉衬21的顶部相连并连通急冷锅炉6的竖向高位粗管41，以及通过混合器43集中连接在竖向高位粗管41的底部的至少一根竖向低位细管42。其中，所谓的竖向高位粗管41是指沿着竖向方向布置的、位置比竖向低位细管42高的且直径比竖向低位细管42粗的管，而竖向低位细管42是指指沿着竖向方向布置的、位置比竖向高位粗管41低的且直径比竖向低位细管42细的管。其中，混合器43属于本领技术人员熟知的，在此不作详细描述。

所述的炉管组件4可以是1-1型辐射炉管，即竖向低位细管(一程炉管)42的数量为一根；或者是2-1型辐射炉管，即竖向低位细管(一程炉管)42的数量为两根且对称布置；或者是4-1型辐射炉管，即竖向低位细管(一程炉管)42的数量为四根且均匀布置，等等。

当裂解原料的流体进入到各个竖向低位细管42时，由于多根竖向低位细管42的外表面所形成的吸热表面较大，并且竖向低位细管42内所引起的压降增加量较小，由此能够迅速提升各竖向低位细管42内的温度，增加竖向低位细管42内裂解反应的速率。当裂解原料的流体进入到竖向高位粗管41内时，竖向高位粗管41能够降低对烃类裂解反应后期的结焦敏感性。

在一个优选的实施例中，在辐射腔炉衬21的周壁中部和/或周壁底部上设有用于向辐射腔2内提供热辐射的多个燃烧器8。由此，可以提高辐射腔2内的热量。

综上可知，本发明的管式裂解炉10通过反射构件7可以把接收的热辐射反射到炉管组件4，促使辐射腔2内的热辐射集中到炉管组件4上，使得炉管组件4内的温度上升速率得以大幅度的提高，由此可以显著增加炉管组件4内裂解反应的速率。与此同时，管式裂解炉10可以在不增加炉管组件4的外表面的同时显著增加炉管组件4内裂解反应的速率，与现有技术相比具有更高的裂解反应的速率。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种管式裂解炉，其特征在于，包括：

用于限定辐射腔的辐射腔炉衬；以及

设置在所述辐射腔内的炉管组件；

其中，在所述辐射腔炉衬的内侧壁上设有用于把所述辐射腔内的热辐射反射到炉管组件上的至少一个反射构件；其中，

所述反射构件具有朝向斜下方的反射面，并且所述反射面的法线斜着穿过所述炉管组件。

2.根据权利要求1所述的管式裂解炉，其特征在于，各所述反射面的面积之和与所述反射构件在所述辐射腔炉衬的内侧壁上的占用面积的比值为1.5～4。

3.根据权利要求2所述的管式裂解炉，其特征在于，所述反射构件在所述辐射腔炉衬的内侧壁上的占用面积为所述辐射腔炉衬的内侧壁的总面积的10％～80％。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的管式裂解炉，其特征在于，所述炉管组件为多程炉管。

5.根据权利要求1到3中任一项所述的管式裂解炉，其特征在于，所述反射构件为凸起或凹槽。

6.根据权利要求5所述的管式裂解炉，其特征在于，所述反射构件的横截面为三角形，并且由所述反射面和与之相连的且决定反射面相对所述辐射腔炉衬的内侧壁的斜率的支撑面组成。

7.根据权利要求6所述的管式裂解炉，其特征在于，所述支撑面与所述辐射腔炉衬的内侧壁相垂直。

8.根据权利要求1到3中任一项所述的管式裂解炉，其特征在于，在所述炉衬的侧壁和/或底壁上设有用于向所述辐射腔内提供热辐射的多个燃烧器。

9.根据权利要求1到3中任一项所述的管式裂解炉，其特征在于，所述反射构件的材料为耐火材料。