CN111019691B - 低碳烯烃裂解设备以及裂解方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油裂解领域，公开了低碳烯烃裂解设备以及裂解方法。所述低碳烯烃裂解设备包括依次连通的对流段(2)、辐射段(5)、急冷锅炉(6)、分离塔(8)、以及减压装置(10)，所述减压装置将所述对流段(2)、所述辐射段(5)、所述急冷锅炉(6)以及分离塔(8)的流经物料的管路处于负压状态。本发明通过减压装置，将对流段、辐射段以及急冷锅炉的流经物料的管路均处于负压状态，因此，重质裂解原料(如原油)进入对流段时，在负压条件下其气化温度降低，从而能够快速且充分地气化，重质裂解原料在对流段能够充分气化，能够节省工艺成本，同时，由于在相对常压更低的温度下气化，不会达到结焦温度，有效降低裂解炉的结焦。

Description

低碳烯烃裂解设备以及裂解方法

技术领域

本发明涉及石油裂解领域，具体涉及在减压环境下裂解原油的低碳烯烃裂解设备以及采用该低碳烯烃裂解设备制备低碳烯烃的裂解方法。

背景技术

低碳烯烃通常指碳四及碳四以下的不饱和碳氢化合物的总称，主要包括乙烯、丙烯、异丁烯、丁二烯等具有高经济价值的有机化工原料。随着我国经济的发展，这些有机化工原料的需求量逐年增大，尽管低碳烯烃的生产规模也在逐年增长，但还无法满足日益增长的需求量。有效提高低碳烯烃产量的技术有着广泛的应用前景。

长期以来，主要采用石油烃裂解制备低碳烯烃产品。随着石化企业生产装置规模的大型化，单套炼油装置的处理能力早已超过1000万吨/年，而与之配套的乙烯装置的乙烯生产能力也达到了百万吨/年。随着清洁能源的发展，人们对化石燃料的需求量在减少，并伴随经济发展，石油化工产品的需求量却日益增长，传统炼厂的燃料路线兼顾裂解原料方式已难以满足要求。

也就是说，将重质烃类，特别是未经加工处理的原油作为裂解原料，利用相对简化的工艺单元加工得到裂解装置的原料，能够规避传统大型炼油厂多套流程装置的高投资和运行成本，有利于降低烯烃生产装置原料成本和能源消耗，适应市场供需的变化。

在裂解装置中，核心是管式裂解炉(以下简称“裂解炉”)，裂解原料如石油烃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、丙烯和丁二烯等目的产物。

专利商为了降低建设投资和生产成本，进行了裂解炉的大型化、改善和提高裂解炉的选择性及产品收率、延长裂解炉的运行周期等研究。特别是随着乙烯装置规模的扩大，裂解炉大型化的不断发展。

专利CN921048882描述了一种热解加热炉，该炉辐射段中各垂直炉管呈多个平行列排列，各管排由与各管排平行的底部烧嘴加热，辐射段最好呈立方形，即其高度长度宽度基本相等。

专利CN038135825描述了一种加热更均匀的裂解炉，该裂解炉包括沿着辐射段对侧设置的两个对流段，其裂解炉管布置成平行的排，各排互相平行布置在辐射段炉膛中，管排之间设置燃烧器。

专利CN200710118074提出了一种乙烯裂解炉，该裂解炉的炉管位于辐射段，每个炉管由进口管和出口管组成，炉管在辐射段呈两排排列，每一排形成一个管排平面，炉管的进口管和出口管都是以交替间隔的形式分别位于两个不同的管排平面内，通过一个对称的U型连接件在底部连接在一起。其认为这样可以实现裂解炉的大型化，炉管排布方式改善了辐射传热效率，延长了运行周期，降低了产品能耗。

专利CN2014102289158描述了一种裂解炉，其辐射段底部布置四排燃烧器和两组辐射炉管，每组辐射炉管都呈两排排列，从而在辐射段内共设有四排辐射炉管，其认为这样可以实现裂解炉的大型化，减少占地和投资。

专利CN2014102292004描述了一种乙烯裂解炉，其包括辐射段、对流段、急冷换热器以及引风机和烟囱，其中辐射段内设有两排辐射炉管，包括由一排入口管形成的入口管管排和由一排出口管形成的出口管管排，两排辐射炉管两侧布置多个燃烧器，燃烧器被布置为能够不对称地向辐射炉管供热，使得靠近入口管管排的燃烧器放热量大于靠近出口管管排的燃烧器的放热量。其认为这样的裂解炉运行周期长、产品收率高、生产能力大。

专利CN2013102366997公开了一种乙烯裂解炉，其包括辐射段盘管组件，该组件由在辐射段内沿炉体长度方向垂直于底面排布的X型辐射盘管模块构成，每个X型辐射盘管模块由四组辐射盘管构成，每组辐射盘管由炉管构成。四组辐射盘管在X型辐射盘管模块中心共同连有四合一立体聚合管作为物料出口，四组辐射盘管距离X型辐射盘管模块中心最远关口作为物料的入口并共同连有入口集合管，底部燃烧器设置在每两个相邻辐射盘管之间的空隙处。其认为该发明各独立辐射盘管上每个炉管受热均匀，延长了炉管的使用寿命并提高了乙烯生产能力。

然而，上述这些专利的关注点集中于裂解炉辐射段内的炉管如何排布，以保证在炉膛中布置更多的炉管同时提高辐射传热，使得炉管内的物料能够在极短停留时间内快速升温。但其布置无论如何，管排都是处于某个平面之内或者两个垂直交互的平面之内，炉管仍然是呈直线分布，进口炉管和出口炉管存在交叉布置的现象。炉管管排布置在同一个平面内，对于在裂解炉中广泛应用的两程炉管而言，需要对其进口管和出口管进行连接，而在同一平面布置，无疑会带来每个辐射炉管(包括一个入口管和一个出口管)的互相交叉，从而造成每个辐射炉管的长度或者结构不一致，形成炉管间结构上的微小差别，进而影响到炉管内裂解原料的反应。

另外，从裂解炉的传热角度看，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。通常，裂解炉都采用燃料气与空气的混合燃烧来提供裂解反应所需的热量，燃烧反应是燃料中的可燃分子与氧分子之间发生高能碰撞而引起的，所以氧的供给状况决定了燃烧过程。

传统的裂解炉一般采用空气作为助燃气体，由于空气中氧气含量仅有21％，大部分为氮气，因此在燃烧过程中，燃料气的燃烧速度较慢，燃烧火焰较长，在裂解炉膛的高度方向，炉膛温度呈曲线分布，在炉膛底部供热量少，炉膛中部则供热量最多，炉膛上部供热量开始降低。对于多程炉管的裂解炉，由于其停留时间较长，炉膛供热与炉管吸热之间的矛盾尚不突出，但对于单程炉管，这一矛盾便凸显出来。单程炉管中，在炉管的入口端，物料继续快速升温，继续大量的热量，然而传统燃烧系统的底部供热量较少；而在炉管出口端，物料的结焦速率急剧增加，需要控制二次反应的发生，然而传统燃烧系统的中上部供热量开始达到最大。也就是说，燃烧系统和单程炉管之间存在一个匹配的问题。

另外，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。

专利EP0059772提供了一种以原油在绝热反应器中，通过部分原油燃烧产生的热量来裂解剩余原油制备低碳烯烃的方法，该方法可以直接利用未经加工处理的原油来获得低碳烯烃，但是由于采取绝热反应器设计，只能使用间歇式工艺，大大降低了生产效率，并且工艺中需要燃烧部分原油作为燃料，从而大大降低了低碳烯烃的收率，不是一种经济有效的制备低碳烯烃的方法。

专利US3617493和CN1957068则利用现有的石油烃制备低碳烯烃的工艺流程，在裂解炉的对流段设置闪蒸分离器，分离出石油烃中无法充分气化的组分，将得到的轻质组分送入裂解炉的辐射段进行裂解反应，得到低碳烯烃。该方案有效解决了低碳烯烃的连续生产问题，但是需要对原油进行切分，部分原油无法得到充分的利用，也未能解决原油的利用效率问题。

专利WO2008091439/CN101583697提出将原油混入现有的乙烯生产原料中，对原油进行稀释，改善原油的裂解性能，并改善裂解炉的操作性，而提高烯烃的转化率，但是受现有乙烯生产原料来源的限制，无法有效地利用大量原油进行低碳烯烃的生产。

WO2013142605/US2013033156、US20130233766、US20130248417、WO2013142609/US2013033165、WO2013142617/US2013033181和US20130228495等专利提出将现有的蒸汽裂解工艺与淤浆式加氢工艺、加氢裂化工艺、催化裂化工艺以及延迟焦化工艺等进行组合，利用其它工艺改善原油的BMCI值，使之获得较好的裂解性能，有效降低裂解炉的结焦，并能使得原油中重质部分物料得到充分利用，以提高整个工艺过程的收益。但是该技术前期对原油的处理过程复杂，提高了低碳烯烃的生产成本，使得该技术生产的低碳烯烃很难具有良好的市场竞争能力。

因此，目前需要解决原油无法直接用作裂解原料并且生产低碳烯烃成本高的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的原油无法直接用作裂解原料并且生产低碳烯烃成本高的问题而提出的。

本申请的发明人经过大量的研究创造性地发现，原油在负压环境下能够被快速气化，从而原油无需进行复杂的处理也能够直接用作裂解原料，最终能够比以往更低的成本生产低碳烯烃。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种低碳烯烃裂解设备，所述低碳烯烃裂解设备包括依次连通的对流段、辐射段、急冷锅炉、分离塔、以及减压装置，所述减压装置将所述对流段、所述辐射段、所述急冷锅炉以及所述分离塔的流经物料的管路处于负压状态。

优选地，所述辐射段包括炉膛、设置在所述炉膛内壁上的炉墙以及设置在所述炉膛内部的至少一个管束，所述管束包括以所述管束中心为中心排布成圆形或椭圆形的多个炉管。

优选地，所述管束包括4～20个所述炉管；更优选地，所述管束包括6～12个所述炉管。

优选地，所述炉管距离所述管束中心的距离为350～1500mm；更优选地，所述炉管距离所述管束中心的距离为400～1200mm。

优选地，所述炉管为单程炉管或多程炉管。

优选地，当所述炉管为单程炉管时，所述单程炉管为管径恒定的管或从入口端到出口端管径逐渐变大的管。

优选地，当所述单程炉管为从入口端到出口端管径逐渐变大的管时，所述入口端的管口内径为25～60mm；更优选地，所述入口端的管口内径为35～45mm。

优选地，当所述单程炉管为从入口端到出口端管径逐渐变大的管时，所述出口端的管口内径为35～75mm；优选地，所述出口端的管口内径为45～65mm。

优选地，所述单程炉管之间的间距与所述单程炉管的直径之比为1.2～3.0；更优选地，所述炉管之间的间距与所述炉管的直径之比为1.6～2.2。

优选地，当所述炉管为多程炉管时，所述多程炉管为两程炉管、四程炉管或六程炉管；更优选地，所述多程炉管为两程炉管。

优选地，所述多程炉管包括多个辐射炉管，每个辐射炉管包括一个或多个入口管、一个出口管以及连接所述入口管和所述出口管的连接管。

优选地，所述出口管的内径与所述入口管的内径之比为大于1且小于等于2.5。

优选地，所述入口管的内径为25～60mm；更优选地，所述入口管的内径为35～55mm。

优选地，所述出口管的内径为45～140mm；更优选地，所述出口管的内径为55～95mm。

优选地，所述多程炉管之间的间距与所述多程炉管的直径之比为1.2～5.0；更优选地，所述多程炉管之间的间距与所述多程炉管的直径之比为1.6～3.0。

优选地，所述炉管内设置有强化传热元件。

优选地，所述炉墙的至少部分设置成异型炉墙。

优选地，所述异型炉墙的内表面形成为波纹曲面或凹凸槽。

优选地，与所述炉管的出口相同高度的炉墙设置为异型炉墙。

优选地，所述异型炉墙的面积占所述炉墙的总面积的比例为10～80％；更优选地，所述异型炉墙的面积占所述炉墙的总面积的比例为30～60％。

优选地，所述异型炉墙的辐射面积增加率为1.05～1.4；更优选地，所述异型炉墙的辐射面积增加率为1.1～1.3。

优选地，所述辐射段还包括设置在所述炉膛的侧壁和/或底壁上的多个燃烧器，所述燃烧器以甲烷或甲烷氢气混合物作为燃料，以富氧空气作为助燃气。

优选地，所述富氧空气的浓度为25～40％；更优选地，所述富氧空气的浓度为27-33％。

优选地，设置在所述炉膛的底壁上的燃烧器的供热比例为60～100％；更优选地，设置在所述炉膛的底壁上的燃烧器的供热比例为70～100％。

优选地，所述低碳烯烃裂解设备还包括设置在分离塔的底部的再沸器以及设置于所述分离塔和所述减压装置之间的冷凝器。

本发明的另一方面提供一种裂解方法，所述方法采用本发明提供的低碳烯烃裂解设备实施，所述方法包括：步骤一：使物料进入对流段中进行气化，并使气化后的物料进入辐射段进行裂解；步骤二：使所述步骤一得到的裂解产物进入急冷锅炉进行初步冷却；步骤三：使所述步骤二初步冷却后的裂解产物进入分离塔进行分离以得到焦油和裂解气，其中，通过减压装置使所述气化、所述裂解在负压条件下进行。

优选地，所述方法还包括：步骤四：将所述裂解气进入分离单元进行分离，以得到低碳烯烃。

优选地，所述负压为0.5～101KPa；更优选地，所述负压为1～10KPa。

优选地，物料在所述辐射段的停留时间为50～500ms；更优选地，物料在所述辐射段的停留时间为100～400ms。

本发明通过减压装置，将对流段、辐射段以及急冷锅炉的流经物料的管路均处于负压状态，因此，重质裂解原料(如原油)进入对流段时，在负压条件下其气化温度降低，从而能够快速且充分地气化，与传统常压工艺相比，无需将重质裂解原料进行前处理，直接用作裂解原料也能够在对流段充分气化，因此能够节省工艺成本，同时，由于在相对常压更低的温度下气化，从而不会达到结焦温度，有效降低裂解炉的结焦。

附图说明

图1是本发明的一种实施方式中所用的裂解装置的结构示意图。

图2是传统炉管排布裂解炉俯视示意图。

图3本发明的1-1型两程炉管的裂解炉俯视示意图。

图4是本发明的2-1型两程炉管的裂解炉俯视示意图。

图5是本发明的单程炉管的裂解炉俯视示意图。

图6是本发明的多个管束成排排列的裂解炉俯视示意图。

图7是本发明的四个管束裂解炉俯视示意图。

图8是本发明的椭圆形管束裂解炉俯视示意图。

图9是本发明异型炉墙的示意图。

附图标记说明

1风机 2对流段

3管束 4燃烧器

5辐射段 6急冷锅炉

7再沸器 8分离塔

9冷凝器 10减压装置

11炉墙 12炉管

具体实施方式

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

以下，参照图1至图9，将详细说明本发明提供的低碳烯烃裂解设备以及裂解方法。

参照图1，本发明提供的低碳烯烃裂解设备包括风机1、对流段2、辐射段5、急冷锅炉6、分离塔8、冷凝器9以及减压装置10。裂解原料在风机1的作用下进入对流段2，在对流段2气化之后，在辐射段5进行裂解，之后裂解产物进入急冷锅炉6进行初步冷却，之后进入分离塔8进行分离，并分离成焦油和裂解气，焦油进入下一单元(进一步处理或者包装成产品)，裂解气通过分离单元(例如，常规乙烯装置)进行分离，最终获得低碳烯烃产品。在本发明中，将减压装置10增加到裂解设备中，通过减压装置10，能够将对流段2、辐射段5、急冷锅炉6以及分离塔8的流经物料的管路均处于负压状态。

通过减压装置，将对流段、辐射段、急冷锅炉以及分离塔的流经物料的管路均处于负压状态，重质裂解原料(如原油)进入对流段时，在负压条件下其气化温度降低，从而能够快速且充分地气化，与传统常压工艺相比，无需将重质裂解原料进行前处理，直接用作裂解原料也能够在对流段充分气化，因此能够节省工艺成本，同时，由于在相对常压更低的温度下气化，从而不会达到结焦温度，有效降低裂解炉的结焦。

本发明中，除了辐射段，其他装置采用本领域中常规的产品即可，本发明不做具体说明。因此，以下将针对辐射段进行详细说明。

如图1、图3至图8所示，辐射段5包括炉膛、设置在炉膛内壁上的炉墙11、设置在炉膛内部的至少一个管束3以及设置在炉膛的侧壁和/或底壁上的多个燃烧器4。下面针对管束、炉墙、燃烧器依次进行详细说明。

在本发明中，管束3包括以管束中心为中心排布成圆形(如图3至图7)或椭圆形(如图8)的多个炉管12，且优选为多个炉管12均匀分布。裂解炉的炉膛中可以设置一个管束(如图3至图5)，也可以设置多个管束(如图6和图7)，每个管束结构相同(炉管结构与个数)，但本发明不限于此。作为优选实施方式，本发明中，管束3可以包括4～20个炉管12，更优选地，管束3包括6～12个炉管12。另外，炉管距离管束中心的距离为350～1500mm，更优选为400～1200mm。

传统炉管是呈直线分布(如图2所示)，从而具有占地面积大、炉管之间受热等存在差异等问题。然而，采用本发明提供的炉管排布，由于炉管在炉膛内以圆形或椭圆形均匀分布，从而不仅使炉管之间受热等差异减少，并且单位占地面积的裂解炉生产能力大大提高(换句话说，在相同投料量的情况下，裂解炉的占地面积减少)。

本发明中，炉管可以是单程炉管，也可以是多程炉管。

当炉管为单程炉管时，单程炉管为管径恒定的管或从入口端到出口端管径逐渐变大的管。当单程炉管为从入口端到出口端管径逐渐变大的管时，入口端的管口内径优选为25～60mm，更优选为35～45mm；出口端的管口内径优选为35～75mm，更优选为45～65mm。另外，单程炉管之间的间距与单程炉管的直径之比为1.2～3.0，更优选为1.6～2.2。

当炉管为多程炉管时，多程炉管为两程炉管、四程炉管或六程炉管，更优选为多程炉管为两程炉管。多程炉管包括多个辐射炉管，每个辐射炉管优选形成为包括一个或多个入口管、一个出口管以及连接入口管和出口管的连接管。当然，在制造工艺允许的条件下，每个辐射炉管也可以采用管径逐渐变大的形状。在此基础上，出口管的内径与入口管的内径之比优选为大于1且小于等于2.5。另外，入口管的内径为25～60mm，更优选为35～55mm；出口管的内径为45～140mm，更优选为55～95mm。另外，多程炉管之间的间距与多程炉管的直径之比为1.2～5.0，更优选为1.6～3.0，具体地，上述比例是指多程炉管中的入口管之间的间距与入口管的直径之比以及多程炉管中的出口管之间的间距与出口管的直径之比。

另外，为了提高炉管中的传热效率，可以在炉管内设置强化传热元件。强化传热元件可以是螺旋片内插件、扭带内插件、交叉锯齿形内插件、线圈芯体内插件、绕花丝多孔体、球状基体内插件等，或者可以将不同强化传热元件组合设置在炉管的不同部分，对于强化传热元件以及其布置形式，本发明不做具体限制。

在本发明中，炉墙11采用耐火砖或者陶瓷纤维等材料，并且炉墙11的至少部分优选构成为异型炉墙。优选地，与炉管出口相同高度的炉墙上可以全部或部分为异型结构炉墙。异型炉墙的面积占炉墙的总面积的比例为10～80％，更优选为30～60％。或者，异型炉墙的辐射面积增加率为1.05～1.4，更优选为1.1～1.3，其中，辐射面积增加率是指异型炉墙实际表面积与其垂直投影面积(即平面炉墙时)比。作为异型炉墙的形状，异型炉墙的内表面形成为波纹曲面或凹凸槽或及其结合，本发明不做具体限制，只要所述异型结构炉墙方向与裂解炉烟气流动方向一致，降低由于炉墙异型结构所带来的烟气压降的增加即可。作为一种实施方式，如图9所示，异型炉墙设置呈凸起形状，宽度D小于长度L，并且宽度D在竖直方向上从上至下逐渐减小。

但在此需要注意的是，异型结构炉墙不在裂解炉燃烧系统的火焰高度范围内使用，原因在于：裂解炉燃烧系统的火焰的燃烧状况与其燃料气和空气的混合状况相关，如果采用异型结构炉墙，将会影响到燃料气与空气的混合，从而影响火焰的正常形状，进而改变燃烧系统的热通量分布，影响裂解炉的运行。

另外，本发明中，燃烧器4可以设置在炉膛的底壁和/或侧壁上，其中，优选地，设置在炉膛的底壁上的燃烧器的供热比例为60～100％，更优选为70～100％，此处，底壁上的燃烧器的供热比例是指底壁上的燃烧器的供热量占炉膛侧壁上的燃烧器和炉膛底壁上的燃烧器的供热量之和所占比例，例如，底壁上的燃烧器的供热比例为100％时，整个炉膛仅在底壁上设置燃烧器，侧壁上没有设置燃烧器。另外，燃烧器4以甲烷或甲烷氢气混合物作为燃料，以富氧空气作为助燃气，其中，富氧空气的浓度优选为25～40％，更优选为27-33％。

本发明通过采用比空气含氧浓度高的富氧空气进行燃烧，相比于空气燃烧而言，具有较多优点：一是由于辐射换热是裂解炉传热的主要方式，按照气体辐射的特点，只有三原子气体和多原子气体具有辐射能力，双原子气体几乎没有辐射能力，常规空气助燃的情况下，无辐射能力的氮气所占比例很高，烟气的黑度很低，影响了烟气对炉管管排的辐射传热过程，采用富氧空气助燃，因氮气含量少，空气量和烟气量均显著减少，故火焰温度和黑度随着燃烧空气中氧气比例的增加而显著提高，进而提高火焰辐射强度和强化辐射传热；二是采用富氧空气助燃，燃烧的火焰变短，燃烧强度提高，燃烧速度加快，这样将有助于燃烧反应完全，提高燃料的使用效率，进而提高裂解炉的热效率；三是采用富氧空气助燃，可以适当降低过剩空气系数，减少排烟体积，减少燃烧后的烟气量，进而降低排烟损失，促进裂解炉的节能。

此外，本发明的低碳烯烃裂解设备还包括设置在分离塔8的底部的再沸器7以及设置于分离塔8和减压装置10之间的冷凝器9。再沸器7使裂解产物中的气体物料充分气化，从而不带走液体物料，冷凝器用于进一步去除从分离塔8流出的气体产物(裂解气)中的液体成分。总之，再沸器和冷凝器均用于辅助分离塔，使裂解产品中的气体和液体充分分离。

综上所述，本发明的优选实施方式的低碳烯烃裂解设备具有如下优点：

1)通过减压装置将对流段、辐射段以及急冷锅炉的流经物料的管路均处于负压状态，能够直接将如原油等重质石油烃类用作裂解原料，能够节省工艺成本，能够有效降低裂解炉的结焦；

2)将炉管在炉膛内以圆形或椭圆形均匀分布，不仅使炉管之间受热等差异减少，并且单位占地面积的裂解炉生产能力大大提高；

3)采用异型炉墙，增加了辐射传热面积，能够提高燃烧效率；

4)燃烧器采用的富氧空气中所携带的氧气量增大，氮气量减小，能够节省燃气的同时，因反应热相对增加而提高低碳烯烃的产率。

以上，详细说明了本发明提供的低碳烯烃裂解设备。下面，本发明又提供一种裂解方法。

本发明提供的裂解方法采用本发明提供如上所述的低碳烯烃裂解设备实现，所述方法包括：步骤一：使物料进入对流段2中进行气化，并使气化后的物料进入辐射段5进行裂解；步骤二：使步骤一得到的裂解产物进入急冷锅炉6进行冷却以得到液体产物；步骤三：使步骤二得到的液体产物进入分离塔8进行分离以得到焦油和裂解气，步骤四：将裂解气进入分离单元进行分离，以得到低碳烯烃，其中，通过减压装置10使气化、裂解在负压条件下进行，优选地，所述负压控制在0.5～101KPa，更优选控制在1～10KPa。另外，物料在辐射段5的停留时间为50～500ms，更优选为100～400ms。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

采用本发明提供的低碳烯烃裂解设备(如图1所示)进行裂解反应。该低碳烯烃裂解设备包括风机1、对流段2、辐射段5、急冷锅炉6、再沸器7、分离塔8、冷凝器9、减压装置10。

首先，启动减压装置10，将设备的压力控制在5KPa，从而使设备处于负压状态；将脱后原油经过对流段2进行气化和预热，之后进入辐射段炉管3进行裂解反应；辐射段5的燃烧系统采用底部燃烧器与侧壁燃烧器结合方式，底部燃烧器的供热比例为80％，燃烧器采用富氧空气燃烧，富氧空气中的氧气浓度为30％(V/V)。脱后原油在对流段预热的温度即裂解炉的横跨温度(XOT)为550℃，裂解炉的辐射段出口温度(COT)为800℃，辐射段炉管采用1-1型炉管，炉管的入口管径为56mm，炉管的出口管径为64mm，炉管管长为26.4m，炉管采用上进上出的方式。炉管排布如图6所示采用新型方式排布。裂解炉炉墙采用图9所示的异型炉墙，炉膛中的异型结构炉墙设置在出口管处，从而炉墙的辐射面对着炉管入口部分，通过计算，辐射传热面积相比平面炉墙增加了10％。裂解原料(脱后原油)的性质见表1，裂解炉工艺参数见表2，裂解炉燃料气的组成见表3。

对比例1

采用常规裂解装置进行裂解反应。具体过程包括：

在常压状态下，脱后原油(性质见表1)经过对流段进行气化和预热后，进入辐射段炉管进行裂解反应，辐射段的燃烧系统采用底部燃烧器与侧壁燃烧器结合方式，底部燃烧器的供热比例为80％，燃烧器采用空气燃烧；脱后原油在对流段预热的温度即裂解炉的横跨温度(XOT)为550℃，裂解炉的辐射段出口温度(COT)为800℃，辐射段炉管采用1-1型炉管，炉管的入口管径为56mm，炉管的出口管径为64mm，炉管管长为26.4m，炉管采用上进上出的方式。炉管排布如图2所示采用传统方式排布。裂解炉的工艺参数见表2，裂解炉燃料气的组成见表3。

表1脱后原油性质

分析项目	分析数据
		20℃密度，kg/m<sup>3</sup>	862.4
水分，％(w)	0.02
		胶质，％(w)	8.8
沥青质，％(w)	0.2
		蜡含量，％(w)	19.2
盐含量，％(w)	2.0

表2

表3燃料气组成

组分	mol％
		氢气	3.6
甲烷	95.8
		乙烷	0.23
丙烷	0.08
		其他	0.29
合计	100.00

从实施例1和对比例1的结果可以看出，本发明的低碳烯烃裂解装置与传统裂解装置下相比，有如下优点：

1)投用原油时，对比例1仅能维持5天运转周期，而实施例1能维持47天，在负压环境下，裂解设备运行周期大大延长，本发明的低碳烯烃裂解装置可以保证原油在裂解设备中正常投用，从而能够节省工艺成本；

2)实施例1与对比例1中采用相同的投料量，但是裂解炉的占地面积从对比例1的72m²减少到实施例1的28m²，在相同工艺条件下，相比对比例1，实施例1由于各组炉管操作状况均一，不仅使炉管之间受热等差异减少，并且单位占地面积的裂解炉生产能力大大提高；

3)本发明采用异型炉墙后，炉膛的辐射传热面积增加，在炉管入口端裂解反应吸热量增加，在炉管出口端的热强度相对降低，从而降低辐射炉管最高管壁温度，从而有效提高了低碳烯烃的产率；

4)采用富氧燃烧后助燃氧气所携带的氮气量降低，在低碳烯烃产率有效提高(反应热增加)的同时，燃料用量相比对比例1(8100Nm³/h)反而显著降低(7867Nm³/h)。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (42)

1.一种低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述低碳烯烃裂解设备包括依次连通的对流段(2)、辐射段(5)、急冷锅炉(6)、分离塔(8)、以及减压装置(10)，所述减压装置将所述对流段(2)、所述辐射段(5)、所述急冷锅炉(6)以及分离塔(8)的流经物料的管路处于负压状态，所述辐射段(5)包括炉膛、设置在所述炉膛内壁上的炉墙(11)以及设置在所述炉膛内部的至少一个管束(3)，所述管束(3)包括以所述管束中心为中心排布成圆形或椭圆形的多个炉管(12)，所述炉管内设置有强化传热元件。

2.根据权利要求1所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述管束(3)包括4～20个所述炉管(12)。

3.根据权利要求2所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述管束(3)包括6～12个所述炉管(12)。

4.根据权利要求1所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述炉管距离所述管束中心的距离为350～1500mm。

5.根据权利要求4所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述炉管距离所述管束中心的距离为400～1200mm。

6.根据权利要求1所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述炉管为单程炉管或多程炉管。

7.根据权利要求6所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，当所述炉管为单程炉管时，所述单程炉管为管径恒定的管或从入口端到出口端管径逐渐变大的管。

8.根据权利要求7所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，当所述单程炉管为从入口端到出口端管径逐渐变大的管时，

所述入口端的管口内径为25～60mm。

9.根据权利要求8所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，当所述单程炉管为从入口端到出口端管径逐渐变大的管时，

所述入口端的管口内径为35～45mm。

10.根据权利要求7所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，当所述单程炉管为从入口端到出口端管径逐渐变大的管时，

所述出口端的管口内径为35～75mm。

11.根据权利要求10所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，当所述单程炉管为从入口端到出口端管径逐渐变大的管时，

所述出口端的管口内径为45～65mm。

12.根据权利要求7所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述单程炉管之间的间距与所述单程炉管的直径之比为1.2～3.0。

13.根据权利要求12所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述单程炉管之间的间距与所述单程炉管的直径之比为1.6～2.2。

14.根据权利要求6所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，当所述炉管为多程炉管时，所述多程炉管为两程炉管、四程炉管或六程炉管。

15.根据权利要求14所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，当所述炉管为多程炉管时，所述多程炉管为两程炉管。

16.根据权利要求14或15所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述多程炉管包括多个辐射炉管，每个辐射炉管包括一个或多个入口管、一个出口管以及连接所述入口管和所述出口管的连接管。

17.根据权利要求16所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述出口管的内径与所述入口管的内径之比为大于1且小于等于2.5。

18.根据权利要求16所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述入口管的内径为25～60mm。

19.根据权利要求18所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述入口管的内径为35～55mm。

20.根据权利要求16所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述出口管的内径为45～140mm。

21.根据权利要求20所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述出口管的内径为55～95mm。

22.根据权利要求16所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述多程炉管之间的间距与所述多程炉管的直径之比为1.2～5.0。

23.根据权利要求22所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述多程炉管之间的间距与所述多程炉管的直径之比为1.6～3.0。

24.根据权利要求1所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述炉墙(11)的至少部分设置成异型炉墙。

25.根据权利要求24所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述异型炉墙的内表面形成为波纹曲面或凹凸槽。

26.根据权利要求24所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，与所述炉管(12)的出口相同高度的炉墙设置为异型炉墙。

27.根据权利要求24所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述异型炉墙的面积占所述炉墙的总面积的比例为10～80％。

28.根据权利要求24所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述异型炉墙的面积占所述炉墙的总面积的比例为30～60％。

29.根据权利要求24所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述异型炉墙的辐射面积增加率为1.05～1.4。

30.根据权利要求29所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述异型炉墙的辐射面积增加率为1.1～1.3。

31.根据权利要求1所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述辐射段(5)还包括设置在所述炉膛的侧壁和/或底壁上的多个燃烧器(4)，所述燃烧器(4)以甲烷或甲烷氢气混合物作为燃料，以富氧空气作为助燃气。

32.根据权利要求31所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述富氧空气的浓度为25～40％。

33.根据权利要求32所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述富氧空气的浓度为27-33％。

34.根据权利要求31所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，设置在所述炉膛的底壁上的燃烧器的供热比例为60～100％。

35.根据权利要求34所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，设置在所述炉膛的底壁上的燃烧器的供热比例为70～100％。

36.根据权利要求1所述的低碳烯烃裂解设备，其特征在于，所述低碳烯烃裂解设备还包括设置在分离塔(8)的底部的再沸器(7)以及设置于所述分离塔(8)和所述减压装置(10)之间的冷凝器(9)。

37.一种裂解方法，其特征在于，所述方法采用根据权利要求1-36中任意一项所述的低碳烯烃裂解设备实施，所述方法包括：

步骤一：使物料进入对流段(2)中进行气化，并使气化后的物料进入辐射段(5)进行裂解；

步骤二：使所述步骤一得到的裂解产物进入急冷锅炉(6)进行初步冷却；

步骤三：使所述步骤二初步冷却后的裂解产物进入分离塔(8)进行分离以得到焦油和裂解气，

其中，通过减压装置(10)使所述气化、所述裂解在负压条件下进行。

38.根据权利要求37所述的裂解方法，其特征在于，所述方法还包括：

步骤四：将所述裂解气进入分离单元进行分离，以得到低碳烯烃。

39.根据权利要求37所述的裂解方法，其特征在于，所述负压为0.5～101Kpa。

40.根据权利要求39所述的裂解方法，其特征在于，所述负压为1～10KPa。

41.根据权利要求37所述的裂解方法，其特征在于，物料在所述辐射段(5)的停留时间为50～500ms。

42.根据权利要求41所述的裂解方法，其特征在于，物料在所述辐射段(5)的停留时间为100～400ms。

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