CN107532822B - 反应器和加热器配置在石蜡脱氢工艺中的协同作用 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于加热工艺流体的设备。该设备用于改善火焰加热器的占地面积和减小火焰加热器体积。该设备包括W形的工艺盘管以确保较小的单室火焰加热器以及具有较低轮廓的火焰加热器，从而提供相对于下游反应器定位的灵活性。

Description

反应器和加热器配置在石蜡脱氢工艺中的协同作用
优先权声明
本申请要求在2015年6月30日提交的美国临时申请No.62/186781的优先权，该申请的内容通过引用整体结合于此。
技术领域
本发明涉及用于包含化学反应的过程中的火焰加热器/燃烧式加热器。
背景技术
火焰加热器是化工设备中的普通处理装置。火焰加热器将工艺物料流加热至反应温度，并且向具有吸热反应的工艺物料流供热。火焰加热器具有用于在外壳内部运送工艺流体的管的一般构型，其中使用燃烧器来燃烧燃料以加热管。
对于更复杂的工艺，并且对于化工设备中的工艺升级，需要新构型以减小火焰加热器所占用的面积，并且提供工艺流体的加热的新效率。
不同过程对火焰加热器具有不同需求，并且这些不同需求会影响生产具有显著经济效益的改进的火焰加热器的设计。
发明内容
本发明是一种改进的火焰加热器设计和与下游反应器的集成/整合/结合。
本发明的第一实施方案是一种用于减小传热体积的设备，其包括：辐射式火焰加热器，该辐射式火焰加热器具有单个室、至少一个工艺盘管、燃烧器和烟气出口；和至少一个出口歧管，该至少一个出口歧管具有与工艺盘管出口流体连通的入口和至少一个歧管出口；其中每个工艺盘管都具有平行取向的三个管的构型，具有将管的端部连接的两个半圆形的管状区段，使得管和管状区段形成大致W形的盘管，其中中心管的一个端部与出口端口连接，并且两个外管的一个端部与入口端口连接。本发明的一个实施方案是直至这一段中的第一实施方案的这一段中的一个、任一或所有在先实施方案，进一步包括对流管束，该对流管束具有加热管和与烟气出口流体连通的入口，其中加热管具有入口和出口。本发明的一个实施方案是直至这一段中的第一实施方案的这一段中的一个、任一或所有在先实施方案，其中对流管束在火焰加热器的下方。本发明的一个实施方案是直至这一段中的第一实施方案的这一段中的一个、任一或所有在先实施方案，其中对流管束位于火焰加热器的侧方。本发明的一个实施方案是直至这一段中的第一实施方案的这一段中的一个、任一或所有在先实施方案，其中加热管用于蒸气发生。本发明的一个实施方案是直至这一段中的第一实施方案的这一段中的一个、任一或所有在先实施方案，进一步包括移动床反应器，该移动床反应器具有配置在反应器移动床上方的工艺物料流入口、工艺流体出口、催化剂入口、位于反应器底部的催化剂收集器和位于催化剂收集器底部的催化剂出口。本发明的一个实施方案是直至这一段中的第一实施方案的这一段中的一个、任一或所有在先实施方案，其中辐射式火焰加热器被抬高以确保移动床反应器工艺物料流入口配置在出口歧管出口上方0.3m以内。本发明的一个实施方案是直至这一段中的第一实施方案的这一段中的一个、任一或所有在先实施方案，进一步包括移动床反应器，该移动床反应器具有配置在反应器移动床下方的工艺物料流入口、工艺流体出口、催化剂入口、位于反应器底部的催化剂出口以及具有与反应器催化剂出口流体连通的入口和催化剂收集器出口的催化剂收集器。本发明的一个实施方案是直至这一段中的第一实施方案的这一段中的一个、任一或所有在先实施方案，其中移动床反应器被抬高以使工艺物料流入口配置在歧管出口上方1m以内。本发明的一个实施方案是直至这一段中的第一实施方案的这一段中的一个、任一或所有在先实施方案，其中移动床反应器被抬高以使工艺物料流入口配置在歧管出口上方2m以内。本发明的一个实施方案是直至这一段中的第一实施方案的这一段中的一个、任一或所有在先实施方案，进一步包括对流管束，该对流管束具有加热管和与烟气出口流体连通的入口，其中加热管具有入口和出口。本发明的一个实施方案是直至这一段中的第一实施方案的这一段中的一个、任一或所有在先实施方案，其中对流管束在火焰加热器的下方。本发明的一个实施方案是直至这一段中的第一实施方案的这一段中的一个、任一或所有在先实施方案，其中对流管束位于火焰加热器的侧方。
本发明的第二实施方案是一种集成了反应器的设备，其包括移动床反应器，该移动床反应器具有配置在设计高度处的工艺物料流入口、工艺流体出口、催化剂入口、位于反应器底部的催化剂收集器和位于催化剂收集器底部的催化剂出口，其中工艺物料流入口配置在移动床上方；和火焰加热器，该火焰加热器具有烟气出口和至少一个工艺盘管，其中工艺盘管具有至少一个入口和一个出口，并且其中工艺盘管出口配置在移动床反应器工艺物料流入口的设计高度上方1m以内。本发明的一个实施方案是直至这一段中的第二实施方案的这一段中的一个、任一或所有在先实施方案，进一步包括具有与火焰加热器的烟气出口流体连通的入口的对流管束，其中该对流管束包括具有入口和出口的加热管。本发明的一个实施方案是直至这一段中的第二实施方案的这一段中的一个、任一或所有在先实施方案，进一步包括出口歧管，该出口歧管具有出口和多个入口，其中每个入口均与工艺盘管出口流体连通，所述出口与移动床反应器的工艺物料流入口流体连通，并且其中歧管出口配置在移动床反应器的工艺物料流入口上方0.3m以内的高度处。本发明的一个实施方案是直至这一段中的第二实施方案的这一段中的一个、任一或所有在先实施方案，其中对流管束配置在火焰加热器下方，或火焰加热器的侧方。
本发明的第三实施方案是一种集成了反应器的设备，其包括：移动床反应器，该移动床反应器具有配置在设计高度处的工艺物料流入口、工艺流体出口、催化剂入口和位于反应器底部的催化剂出口，其中工艺物料流入口配置在移动床下方；催化剂收集器，该催化剂收集器具有出口和与反应器出口流体连通的入口；和火焰加热器，该火焰加热器具有烟气出口和至少一个工艺盘管，其中工艺盘管具有至少一个入口和一个出口，其中工艺盘管出口配置在移动床反应器的工艺物料流入口的设计高度上方1m以内。本发明的一个实施方案是直至这一段中的第三实施方案的这一段中的一个、任一或所有在先实施方案，进一步包括出口歧管，该出口歧管具有出口和多个入口，其中每个入口均与工艺盘管出口流体连通，所述出口与移动床反应器的工艺物料流入口流体连通，其中歧管出口配置在移动床反应器的工艺物料流入口上方0.3m以内的高度处。本发明的一个实施方案是直至这一段中的第三实施方案的这一段中的一个、任一或所有在先实施方案，进一步包括具有与火焰加热器的烟气出口流体连通的入口的对流管束，其中该对流管束包括具有入口和出口的加热管。
根据以下详细描述和附图，本发明的其它目的、优点和应用对本领域技术人员而言将变得显而易见。
附图说明
图1a是具有双U形工艺盘管的火焰加热器的截面；
图1b是具有W形工艺盘管的本发明的火焰加热器的截面；
图2是火焰加热器、反应器和对流管束的布局；以及
图3是火焰加热器、反应器和对流管束的替代布局。
具体实施方式
化学过程经常需要加热。工艺加热器被设计为将进料流或中间工艺物料流加热至工艺中的化学反应以合理速率发生所需的温度。工艺加热器可以是单室的或双室的，并且配备有允许加热工艺流体的像“U形”的不同形状盘管。盘管安装在包括燃烧器的火焰加热器中。火焰加热器通常是箱形炉，具有位于箱内的盘管和安装在炉的侧面或底部上的燃烧器。对于工业化过程而言，火焰加热器会是很大的物品。火焰加热器可达设备成本的25％，并且降低成本的设计改善很重要。
直接火操作的加热器通常引起非选择性的反应，例如烃的热转化或裂化。这些非选择性反应降低了产量并且增加了损失。重新设计的加热器可以减少这些损失并且适合更理想的建设成本、运行成本和加热器所需的减小的面积或较小的占用空间。
配置有U形工艺盘管的单室或双室火焰加热器和端壁安装式水平圆形火焰燃烧器广泛用于诸如脱氢和重整的工艺中。在脱氢工艺中，反应包括许多非期望的反应。估计30％至40％的非选择性由火焰加热器中的热裂化引起。除了降低建设费用和火焰加热器占据的覆盖范围或面积以外，加热器的重新设计还可以减少这些非选择性的反应的量。
本发明包括具有新盘管构型的单室火焰加热器100。典型构型在图1a中被示出，其中截面示出外壳10、包括两个U形管22的工艺盘管20、燃烧器12和烟气出口14。典型构型具有两个工艺管入口24和两个工艺管出口26。两个工艺管出口26将工艺流体送至单独的出口歧管34，并且Y形连接器30与出口歧管34连接，这汇合了来自出口歧管34的工艺流体。本发明的一个实施方案在图1b中被示出，其中截面示出外壳10、工艺盘管40、燃烧器12和烟气出口14。工艺盘管40具有处于大致平行的取向上的三个管42的构型，其中两个弯曲区段44将三个管42的端部连接。弯曲区段可以是半圆形的管子区段。这些区段相连接而形成大致W形的盘管。中心管的一个端部与出口端口52连接并且两个外管的一个端部与入口端口54连接。在一个实施例中，为了允许恒定流速，中心管具有比外管大的直径。烟气出口14可以配置在外壳10的上表面或下表面上。
火焰加热器与至少一个入口歧管46和一个出口歧管34流体连通。入口歧管46将要加热的工艺流体带至火焰加热器，并且入口歧管46具有多个出口，其中每个出口均与工艺盘管入口24流体连通。连接出口歧管34的输送管线将经加热的工艺流体运送至下游反应器，并且出口歧管34具有多个入口，其中每个入口均与工艺盘管出口26流体连通。
W形管的使用允许窄得多的火焰加热器，从而允许省掉Y形连接器30，这减小了用于工艺流体从加热器行进至下游装置或典型地反应器的输送管线体积。减小输送管线体积有助于减少了在通向反应器的管线中的热裂化。这允许工艺加热器的更紧凑间距，以及工艺加热器相对于下游反应器的更好定位。在一个实施例中，较小的火焰加热器允许抬高或定位火焰加热器以利用热烟气。离开火焰加热器出口14的热烟气具有在700℃至1100℃的范围内的温度，并且被输送到对流管束。对流管束包括用于蒸汽发生/形成或用于其它热回收装置的加热管。
本发明是火焰加热器与已有的反应器集成/结合以改善工艺流体从火焰加热器向下游反应器的输送，以及从火焰加热器的烟气回收热。通过去掉Y形连接器30，火焰加热器可以更靠近反应器定位，从而使火焰加热器与下游反应器之间的输送管线最小化。
在本发明的一个实施例中，如图2所示，火焰加热器100位于对流管束110上方。在此构型中，火焰加热器100可以提升以抬高出口歧管34。加热器可以被抬高以贴近反应器120的入口122。在本实施例中，加热器抬高取决于反应器入口定位的高度。此设计允许在不必增加大量输送管道的情况下或在不必更换反应器单元的情况下改造具有位于反应器120的顶部的入口的已有反应器。已有的移动床反应器可以具有配置在反应器移动床124上方的工艺物料流入口、位于反应器顶部的催化剂入口126、位于反应器底部的催化剂收集器和工艺流体出口。催化剂收集器具有位于催化剂收集器底部的催化剂出口128。对于移动床反应器，催化剂的移动床位于环形区域中并且催化剂向下流经该环形区域。工艺流体在环形区域的一侧进入反应器，流过环形反应器床，并从环形区域的另一侧流出。
对于该火焰加热器设计，火焰加热器可以被抬高以将工艺流体出口保持在反应器入口上方2米处。优选地，可以使歧管与反应器入口的高差/高度差更小并且可减至1m，或甚至0.3m。
在另一实施例中，当火焰加热器下方用于将对流管束定位在火焰加热器下方的空间不足时，对流管束110可以位于火焰加热器100的侧方。
在另一实施例中，如图3所示，已有的反应器120具有配置在反应器移动床124下方的入口。移动床反应器120包括工艺物料流入口122、催化剂入口126和位于反应器120底部的催化剂出口128。本实施例包括催化剂收集器130，该催化剂收集器具有催化剂收集器出口134和与催化剂出口128流体连通的入口132。在本实施例中，火焰加热器100位于基准高度/标准高度/标高(grade)处或其附近且出口歧管具有较低高度，反应器120可以被抬高以确保工艺盘管出口52可以配置在反应器工艺流体入口122上方1m以内。在本实施例中，反应器抬高取决于加热器出口歧管定位的高度。
W形的工艺盘管减少了火焰加热器的热裂解和建设费用。较小的火焰加热器允许火焰加热器相对于反应器的更好定位和使火焰加热器与反应器之间的输送管线长度最小化。这减少了在输送管线中的热停留时间并且减少了输送管线中的热裂化。
虽然已使用目前被认为是优选实施方案的实施方案描述本发明，但是应理解，本发明不限于所公开的实施方案，而且旨在涵盖被包括在所附权利要求的范围内的各种改型和等同布置结构。

Claims (9)

1.一种在从加热器到反应器的输送管线中具有减少的热流体裂化的设备，包括：
辐射式火焰加热器，所述辐射式火焰加热器具有单个室、至少一个工艺盘管、燃烧器和烟气出口，所述工艺盘管具有一个工艺盘管出口端口和两个工艺盘管入口端口；
至少一个出口歧管，其具有与工艺盘管出口端口流体连通的入口；和
移动床反应器，所述移动床反应器具有配置在反应器移动床上方的工艺物料流入口、工艺流体出口、催化剂入口、位于所述反应器底部的催化剂收集器、和位于催化剂收集器底部的催化剂出口，所述移动床反应器连接到所述至少一个出口歧管以经由所述输送管线将工艺流体运送至所述移动床反应器；
其中，每个工艺盘管具有处于平行取向的三个管的构型，其中两个半圆形的管状区段将所述三个管的端部连接，使得所述三个管和所述两个管状区段形成大致W形的盘管，其中，中心管的一个端部与出口端口连接，并且两个外管的一个端部与入口端口连接。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括对流管束，所述对流管束具有加热管和与所述烟气出口流体连通的入口，其中所述加热管具有入口和出口。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述对流管束在所述火焰加热器的上方或下方。
4.根据权利要求2所述的设备，其中，所述对流管束位于所述火焰加热器的侧方。
5.根据权利要求2所述的设备，其中，所述加热管用于蒸汽发生。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述辐射式火焰加热器被抬高以确保所述移动床反应器的工艺物料流入口配置在所述出口歧管的出口上方0.3m以内。
7.一种在从加热器到反应器的输送管线中具有减少的热流体裂化的设备，包括：
辐射式火焰加热器，所述辐射式火焰加热器具有单个室、至少一个工艺盘管、燃烧器和烟气出口，所述工艺盘管具有一个工艺盘管出口端口和两个工艺盘管入口端口；
至少一个出口歧管，其具有与工艺盘管出口端口流体连通的入口；
移动床反应器，所述移动床反应器具有配置在反应器移动床下方的工艺物料流入口、工艺流体出口、催化剂入口和位于所述反应器的底部的催化剂出口，所述移动床反应器连接到所述至少一个出口歧管以经由所述输送管线将工艺流体运送至所述移动床反应器；和
催化剂收集器，所述催化剂收集器具有催化剂收集器出口和与反应器催化剂出口流体连通的入口，
其中，每个工艺盘管具有处于平行取向的三个管的构型，其中两个半圆形的管状区段将所述三个管的端部连接，使得所述三个管和所述两个管状区段形成大致W形的盘管，其中，中心管的一个端部与出口端口连接，并且两个外管的一个端部与入口端口连接。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述移动床反应器被抬高以使得所述工艺物料流入口配置在所述歧管出口上方1m以内。
9.根据权利要求7所述的设备，其中，所述移动床反应器被抬高以使得所述工艺物料流入口配置在所述歧管出口上方2m以内。
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