CN118139949A - 用于电热裂解过程的热能回收装置 - Google Patents

Abstract

一种生产烯烃的方法可以包括：将碳氢化合物进料供应到热能回收组件的外管；在该热能回收组件的该外管中加热该碳氢化合物进料以输出经预热的碳氢化合物进料；将该经预热的碳氢化合物进料供应到包括反应区的电动裂解炉以加热该经预热的碳氢化合物进料；使用由电产生的热量在该电加热裂解炉的该反应区中裂解该经预热的碳氢化合物进料以输出包含经裂解的碳氢化合物和烯烃的热反应器流出物；将该热反应器流出物供应到该热能回收组件的内管；以及通过将热量传递到该碳氢化合物进料来冷却该热能回收组件的该内管中的该热反应器流出物。

Description

用于电热裂解过程的热能回收装置

技术领域

本公开涉及用于传递热能的系统和方法，并且更具体地，涉及用于将热能从热流出物传递到用于反应器炉的进料的能量回收装置。

背景技术

碳氢化合物进料在燃气蒸汽裂解炉中的蒸汽裂解是用于生产烯烃的主要商业方法。在此类方法中，将碳氢化合物，诸如乙烷、丙烷、丁烷、冷凝物、轻石脑油、重石脑油、瓦斯油、热解油、衍生自加工炼油厂料流的材料、费-托产物、塑料废物或生物原料从大约650℃加热至有时接近850℃的温度，以促进向轻烯烃(诸如乙烯和丙烯)转化。因为裂解反应是吸热的，所以必须提供大量的热量。

为了提供常规蒸汽裂解方法所需的能量，可以在燃气蒸汽裂解炉中燃烧天然气和/或轻质气体。碳氢化合物在燃气蒸汽裂解炉中燃烧形成二氧化碳，该二氧化碳作为烟气的一部分从燃气蒸汽裂解炉中排放出来。鉴于目前的环境考虑，此类排放可能是不期望的。烯烃是主要的化学结构单元，并且通常可以大量生产，从在小型裂解器中每年几十万吨到在单个大型烯烃生产设施中每年两百万吨或更多。因此，使用燃气蒸汽裂解炉生产烯烃可能导致不期望的高二氧化碳排放。

在常规的燃气烯烃生产炉中，燃烧气体可只在当温度超过反应的温度(例如650℃至850℃)时向裂解反应供应热量。一旦气体已经冷却到低于这个温度，就可能期望提取尽可能多的剩余热量以实现设备的节能操作。这种热量通常在所谓的对流段中回收。能量经常用于将反应器进料和稀释剂蒸汽预热至发生裂解反应所需的温度。

在烯烃生产中，一旦进料被裂解，就应在经裂解的气体的进一步处理之前冷却反应器流出物。理想地，初始冷却快速发生以减少或防止反应器流出物中的副反应，与此同时该反应器流出物仍处于相对较高的温度。此外，对于能量有效的过程，应尽最大可能回收反应器流出物的热量并在该过程中的其他地方使用。

在一些系统中，这种淬火和冷却在传送管线交换器(TLE)中发生，其中反应器流出物通过与液态水交换热量以产生高压蒸汽来冷却。通过与沸水交换热量进行冷却具有以下优点：热传递通常比当用气体进行冷却时更快，有时对于相同的交换器几何形状快五倍或甚至十倍。这种蒸汽可用于为蒸汽涡轮机或其他辅助设备提供动力。例如，蒸汽通常用于为裂解气压缩机、制冷压缩机中的一个或多个制冷压缩机、或一个或多个泵提供动力。使用蒸汽来驱动旋转设备(诸如压缩机和泵)是使用从冷却反应器流出物中回收的能量的方便方式，但是将热量形式的能量(例如，蒸汽中含有的热量)转化为机械功的效率通常是低的，在30％至50％的范围内。

减少由常规蒸汽裂解过程产生的大量二氧化碳的一种解决方案是电气化蒸汽裂解。电气化蒸汽裂解包括使用至少部分地直接或间接由电加热的裂解炉。与燃气裂解炉相比，电气化蒸汽裂解炉具有减少的排放。

然而，电气化蒸汽裂解炉引入了必须克服的新的技术挑战。使用电气化蒸汽裂解炉的一个结果是从燃气裂解炉中的燃料燃烧中消除了热烟道气，使得通常由热烟道气供应的加热(包括进料预热)必须以另一种方式供应。第二个结果是在裂解过程内需要不同的能量集成。旋转设备(诸如压缩机和泵)容易由电提供动力；此外，利用电的此类设备的操作效率远高于用蒸汽的设备的操作效率，与当使用蒸汽时通常获得的30％至50％相比，当使用电时通常实现大于90％的能量效率。因此，在电蒸汽裂解过程中，存在相当大的动机使用电为这些装置提供动力。这意味着当冷却反应器流出物时当前回收的能量不再可用于为泵和压缩机提供动力；相反地，需要找到这种能量的不同用途，使得该过程的总能量效率可以保持在高水平。

对于电动过程，本申请人已经确定需要这样的系统和方法，这些系统和方法用于使用从对热反应器流出物进行淬火获得的能量，与此同时仍然足够快地对经裂解气进行淬火以防止进一步反应。本申请人还认识到需要用于预热电动炉的进料的系统和方法。

发明内容

在本公开的一个实施方案中，提供了一种生产烯烃的方法，该方法包括：将碳氢化合物进料供应到热能回收组件的外管；在热能回收组件的外管中加热该碳氢化合物进料以输出经预热的碳氢化合物进料；将该经预热的碳氢化合物进料供应到包括反应区的电动裂解炉以加热该经预热的碳氢化合物进料；使用由电产生的热量在电加热裂解炉的反应区中裂解该经预热的碳氢化合物进料以输出包含经裂解的碳氢化合物和烯烃的热反应器流出物；将该热反应器流出物供应到热能回收组件的内管；以及通过将热量传递到碳氢化合物进料来冷却热能回收组件的内管中的热反应器流出物。

在某些实施方案中，该方法还可以包括：将不同于碳氢化合物进料的附加进料供应到热能回收组件的外管；以及通过经由热能回收组件将热量从热反应器流出物传递到附加进料来加热该附加进料。在某些实施方案中，该方法可以包括：从热能回收组件的外管中取出经部分预热的碳氢化合物进料；将该经部分预热的碳氢化合物进料进料到热能回收组件；以及通过经由热能回收组件从热反应器流出物传递热量来进一步加热该经部分预热的碳氢化合物进料，以输出经预热的碳氢化合物进料。在某些实施方案中，该方法可以包括以至少2.5开氏度/毫秒、至少3.5开氏度/毫秒、或至少4.5开氏度/毫秒的速率冷却热反应器流出物。

在某些实施方案中，穿过热能回收组件的热反应器流出物的压降小于0.35巴、小于0.30巴、小于0.25巴、小于0.20巴、或小于0.15巴。热反应器流出物在热能回收组件内的停留时间可以小于100毫秒、小于95毫秒、小于90毫秒、小于85毫秒、小于83毫秒、或小于80毫秒。穿过热能回收组件的进料的压降可以是2巴至15巴、2.5巴至10巴、3巴至8巴、3巴至10巴、4巴至9巴、或5巴至8巴。

在某些实施方案中，热能回收组件可以包括内管，该内管具有第一入口，该第一入口被构造为接收来自电动裂解炉的热反应器流出物；以及外管，该外管围绕该内管设置以包围围绕内管的环带，该环带包括第二入口，该第二入口被构造为接收碳氢化合物进料。该环带可以包括至少一个热传递增强件以增强从内管到环带的热传递。该环带可以包括第一级，并且该至少一个热传递增强件包括冲击、湍流促进、高剪切诱导几何形状或增加的表面积中的一者或多者。该环带可以包括在上游端与下游端之间的板冲击件，该板冲击件可以包括：第一通道，该第一通道在上游端处具有级入口并且在下游端处对流动是封闭的；第二通道，该第二通道在下游端处具有级出口，该第二通道设置在该第一通道与内管之间；壁，该壁将第一通道与第二通道分开，该壁限定流体连接第一通道和第二通道的开口；并且板冲击件被构造为通过级入口接收进料，使进料经由壁的开口从第一通道流动到第二通道，并且使进料的流动冲击到内管的外表面上并通过第二通道的级出口排出进料。该环带可以包括一个短笛冲击件(piccolo impingement)，该短笛冲击件可以包括：上游分隔器，该上游分隔器围绕内管设置并设置在外管内；下游分隔器，该下游分隔器围绕内管设置并设置在外管内，该下游分隔器位于环带内的上游分隔器的下游，该下游分隔器限定至少一个级出口；室，该室限定在外管内并在上游分隔器与下游分隔器之间围绕内管；以及短笛管(piccolo tube)，该短笛管从内管偏移，该短笛管通过室从上游分隔器延伸到下游分隔器，该短笛管包括用于接收进入的进料的级入口，该短笛管包括限定在其中的多个开口，该短笛冲击件被构造为从级入口接收进料，使进料经由该多个开口从短笛管流入室，并且经由至少一个级出口从室排出进料。该环带可以包括至少第一级和第二级，其中该第一级和该第二级可以串联，其中该两个级可以包括至少一个热传递增强件。内管可以包括热传递增强件，该热传递增强件包括冲击、湍流促进、高剪切诱导几何形状或增加的表面积中的一者或多者。热能回收组件可以包括彼此平行的多个内管，其中每个内管设置在外管内，每个外管可以具有冲击、湍流促进、高剪切诱导几何形状或增加的表面积中的一者或多者以增强从内管到限定在外管内的环带的热传递。

在本公开中详细讨论了这些示例性实施方案和其他实施方案的仍其他方面和优点。此外，应当理解，前述信息和以下详细说明书两者仅提供各个方面和实施方案的说明性示例，并且旨在提供用于理解所要求保护的方面和实施方案的性质和特性的概述或框架。因此，通过参考以下描述和附图，本公开的这些和其他目的以及优点和特征将变得显而易见。此外，应当理解，本文描述的各种实施方案的特征不是相互排斥的，并且可以以各种组合和排列存在。

附图说明

包括在本公开中以提供对本公开的实施方案的进一步理解的附图被并入并构成本说明书的一部分，示出了本公开的实施方案，并且与详细的描述一起用于解释本文讨论的实施方案的原理。不打算以超过基本理解本文所讨论的实施方案及其各种实践方式所必要程度的更详细方式来示出本公开的结构细节。根据惯例，下面讨论的附图的各种特征不一定按比例绘制。可以扩大或缩小附图中的各种特征和元件的尺寸，以更清楚地示出本公开的实施方案。

图1是根据本公开的实施方案的用于加热进料以提供热反应器流出物的示例性炉组件的一部分的示意图；

图2A是根据本公开的实施方案的示例性热能回收组件的局部示意性截面侧视图；

图2B是根据本公开的实施方案的沿着图2A所示的示例性热能回收组件的线B-B截取的局部示意性截面端视图；

图3A是根据本公开的实施方案的另一示例性热能回收组件的局部示意性透视图；

图3B是根据本公开的实施方案的沿着图3A所示的示例性热能回收组件的线B-B截取的局部示意性截面端视图；

图4A是根据本公开的实施方案的示例性内管的示意性剖视图，该示例性内管包括在内管的内表面上的示例性倒圆的突起；

图4B是根据本公开的实施方案的另一示例性内管的示意性剖视图，该另一示例性内管包括在内管的内表面上的示例性矩形突起；

图5是根据本公开的实施方案的生产烯烃的示例性方法的框图。

具体实施方式

附图包括相同的数字来在数个视图中表示相同的零件。提供了以下描述作为示例性实施方案的可行教导，并且相关领域的技术人员将认识到，可以对所描述的实施方案进行许多改变。同样显而易见的是，可以通过选择实施方案的一些特征而不使用其他特征来获得所描述的实施方案的一些期望的益处。因此，本领域技术人员将认识到，对所描述的实施方案的许多修改和改变是可能的，并且在某些情况下甚至可能是期望的。因此，提供以下描述作为对实施方案原理的说明，而不是对其进行限制。

本文使用的措辞和术语是为了描述目的，而不应被认为是限制性的。如本文所使用的，术语“多个”是指两个或更多个项目或部件。无论是在书面描述中还是在权利要求中等等，术语“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“含有”和“涉及”都是开放式术语，即，除非另有说明，否则意指“包括但不限于”。因此，此类术语的使用意指涵盖其后列出的项目及其等同物，以及附加的项目。过渡性短语“由......组成”和“基本上由......组成”分别是关于任何权利要求的封闭式或半封闭式过渡性短语。在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”、“第三”等序数术语来修饰权利要求元素本身并不意味着一个权利要求元素相对于另一个权利要求元素的任何优先级、优先序或顺序或者执行方法的动作的时间顺序，而是仅用作标签来区分具有特定名称的一个权利要求元素与具有相同名称的另一个元素(序数术语使用除外)以区分权利要求元素。

此外，虽然本文可以参考定量测量、值、几何关系等，但是除非另有说明，否则这些中的任何一个或多个(如果不是全部的话)可以是绝对的或近似的，以考虑可能发生的可接受的变化，诸如由于制造或工程公差等引起的变化。

图1示意性地示出了根据本公开的实施方案的用于加热进料以提供热反应器流出物的示例性炉组件10；在一些实施方案中，炉组件10可以用于从碳氢化合物生产烯烃。如图1所示，炉组件10可以包括电动炉20和热能回收组件30。如本文所用，短语“热反应器流出物”是指在炉20的下游并且从反应器流出物离开炉20的温度被冷却的反应器流出物。在一些实施方案中，热能回收组件30可以包括一个或多个级，例如，第一级31a、第二级31b、和第三级31c，例如，如图1所示。在包括多于一个级的一些实施方案中，级可以具有基本上相同的结构构造，并且在包括多于一个级的一些实施方案中，级中的一个或多个级可以具有不同于其他级的结构构造的结构构造。在包括多于一个级的一些实施方案中，级中的两个或更多个级可以相对于彼此串联(例如，物理上和/或相对于处理)(参见例如图1)，并且在包括多于一个级的一些实施方案中，级中的两个或更多个级可以相对于彼此并联(例如，物理上和/或相对于处理)。

在一些实施方案中，炉20可以被构造为接收进料并将该进料加热至反应温度以提供热反应器流出物。在一些实施方案中，进料和/或流出物可以是液体、气体或它们的组合的形式。例如，炉20可以是电动裂解炉，并且进料可以是或包括用于在炉20中裂解的碳氢化合物，以提供包括例如在至少部分气态(例如，完全气态)下的经裂解的碳氢化合物的热反应器流出物。在一些实施方案中，炉20可以被构造为将进料加热至裂解温度以将碳氢化合物分解成所需产物，这些所需产物可以作为热反应器流出物从炉20排出。进料可以包括例如乙烷、丙烷、丁烷、冷凝物、轻石脑油、重石脑油、瓦斯油、热解油、衍生自加工炼油厂料流的材料、费-托产物、塑料废物和/或生物原料。另外，进料可以包括蒸汽。在一些实施方案中，炉20可以被构造为经由反应器进料管线22将进料接收到一个或多个反应区或反应室25(例如，裂解器管或裂解盘管)中，并经由反应器流出物管线28排出热反应器流出物。在一些实施方案中，炉20可以被电加热到裂解温度，例如，使得进料基本上连续地经由反应器进料管线22流入反应器室25中，并作为热反应器流出物经由反应器流出物管线28流出反应器室25。反应器室25可以通过电力直接或间接加热。为了提高炉20的效率，进料可以在进入反应器室25之前(例如，相对的上游)预热至更接近进料的裂解温度的温度。反应器进料管线22和反应器流出物管线28可以被构造为横穿附加的设备，例如图1中未描绘的热传递设备。

在一些实施方案中，热能回收组件30可以是或包括气体与气体能量回收装置或热交换器。热能回收组件30可以被构造为接收来自反应器室25的热反应器流出物并将热反应器流出物淬火至经淬火温度，以保持反应器流出物内的所需产物和/或防止在反应器流出物内发生副反应，例如，在热反应器流出物冷却时。在一些实施方案中，单个热能回收组件30可以接收来自多个反应器室25的热反应器流出物。在某些实施方案中，单个反应器室25可以将热反应器流出物提供给多个热能回收组件30。反应器室25的数量与热能回收组件30的数量之间的比率可以在0.1至10的范围内，例如在0.5至2的范围内。

热反应器流出物在至少575℃、至少600℃、至少610℃、至少620℃、至少625℃、至少630℃、至少640℃、至少650℃、至少700℃、至少750℃、至少800℃、或至少850℃的温度下进入热能回收组件30。为了对热反应器流出物进行淬火，热能回收组件30可以利用进料作为冷却介质，例如，在进料进入反应器室25之前(例如，在反应器室25的上游)。由于在热能回收组件30内冷却热反应器流出物，所以进料可以被预热到更接近其裂解温度的温度(例如，被预热到至少350℃、至少375℃、至少400℃、至少450℃、至少500℃、或至少550℃的温度)。在一些实施方案中，热能回收组件30可以被构造为将进料预热超过裂解温度，例如，使得例如当进料被预热到大于650℃的温度时，在热能回收组件30中开始发生裂解。如本文所用，“经淬火的反应器流出物”是指已经穿过热能回收组件30的反应器流出物。在一些实施方案中，热反应器流出物可以在穿过热能回收组件30之前或之后另外地被部分冷却或淬火。在一些实施方案中，经预热的进料可以在进入反应器室之前被进一步加热(例如，借助于燃烧加热器或电加热器)。

在一些实施方案中，热能回收组件30可以被构造为从热反应器流出物中回收热能，以加热到电动反应器炉的进料。如本文关于图2A至图3B所解释的，在一些实施方案中，热能回收组件30可以包括内管34和外管40。内管34可以包括第一入口，该第一入口被构造为接收来自电动反应器炉的热反应器流出物。外管40可以围绕内管34设置以包围围绕内管34的环带44。尽管本文使用了术语“环带”和“环形”(及其派生词)，但是“环带44”可以或可以不由内圆和外圆限定，以产生具有内圆形边界和外圆形边界的环形横截面。在一些实施方案中，横截面的内边界和/或外边界可以具有除圆形之外的形状，诸如三角形、矩形、多边形、椭圆形、卵形等。在一些实施方案中，内管的中心轴线可以与外管的中心轴线重合。在一些实施方案中，内管的中心轴线可以偏离外管的中心轴线。术语“环形”(及其派生词)可以类似地解释。环带44可以包括第二入口，该第二入口被构造为接收到电动反应器炉的进料。环带44可以被构造为使用电动反应器炉的进料作为冷却介质，以在进料被供应到电动反应器炉之前从热反应器流出物中回收热能。环带44可以被构造为增强从热反应器流出物到进料的热传递。在一些实施方案中，热反应器流出物可以经由流出物气体入口室或其他连接器到达第一入口。在一些实施方案中，可以向进料气体入口室或其他连接器供应冷却。在一些实施方案中，流出物气体入口室可以将一个或多于一个反应室连接到一个或多于一个内管。在一些实施方案中，可以提供集箱(header)以将进料连接到多于一个环带44。在一些实施方案中，可以使用集箱收集来自多于一个内管34的经冷却裂解的气体。在一些实施方案中，来自多于一个环带44的经加热的进料可以经由集箱组合。在一些实施方案中，多个环带44可以被包含在单个机械装置中，该单个机械装置可以经由气体入口室或其他连接器接收来自多个裂解盘管的热流出物，以及来自进料集箱的冷进料。

在一些应用中，反应器流出物在热能回收组件30中的停留时间和/或压降可能对通过炉组件10中的加热过程实现的过程和/或产物有影响。当热反应器流出物穿过热能回收组件30时发生的停留时间和压降两者可能对由炉组件10产生的产物的乙烯选择性有影响。停留时间可以被定义为热反应器流出物超过大于其裂解温度的温度(例如，大于650℃)的时间。在一些实施方案中，停留时间和压降两者可以在热反应器流出物的淬火期间平衡，例如以保持反应器流出物的乙烯选择性。例如，由于炉组件10的裂解盘管中的压力增加，所以热能回收组件中增加的压降可能影响选择性，这改变了炉组件10中裂解反应的选择性。关于停留时间，较长的停留时间可以允许热能回收组件30中的附加副反应。

在一些实施方案中，热能回收组件30可以被构造为例如使用到炉20的进料作为热反应器流出物的冷却介质来对从炉20接收的热反应器流出物进行淬火，并且使得进料在进入反应器室25之前被热反应器流出物预热。例如，如图1所示，热能回收组件30可以通过冷进料管线32接收进料并通过反应器进料管线22向反应室25提供经预热的进料。热能回收组件30可以接收来自反应器流出物管线28的热反应器流出物，并将经淬火的反应器流出物提供给经淬火流出物管线38。

在一些实施方案中，热能回收组件30可以被构造为作为气体与气体热交换器进行操作，以将热量从热反应器流出物交换到进料。由于气体之间交换热量，所以与液体与气体热交换器(例如，使用沸水作为相对低温的冷却介质的产生蒸汽的热交换器，通常与燃气裂解炉一起使用)相比，更难以在期望的停留时间内对反应器流出物进行淬火，这是由于例如气体与气体交换器中通常较低的热传递系数以及热流体与冷流体之间的较低温差。因此，可能需要热能回收组件30的附加设计特征，如下面的示例性实施方案中的一些示例性实施方案中所述。

参考图2A和图2B，示出了具有管中管设计的示例性热能回收组件30的一部分，其中热反应器流出物流动通过内管34(例如，中心管)，并且进料流动通过至少部分地由内管34和外管40限定的环带44。如图所示，内管34围绕热能回收组件30的中心轴线设置。在一些实施方案中，内管34可以围绕热能回收组件30的中心轴线设置或从该热能回收组件的中心轴线偏移。

热能回收组件30可以是顺流热交换器或逆流热交换器(例如，如图所示)，其中热反应器流出物在第一方向上流动通过热能回收组件30，并且进料在与第一方向相反的第二方向上流动通过热能回收组件30。在一些实施方案中，内管34可以包括入口33和出口35，其中热反应器流出物通过入口33进入，流动通过内管34，并通过出口35离开。环带44可以包括入口43和出口45，其中进料通过入口43进入，流动通过环带44，并通过出口45离开作为经预热的进料。在此类实施方案中，在通过向进料进行热传递而被冷却以预热进料之前处于其最高温度的热反应器流出物，在入口33处在与在被反应器流出物加热之后处于其最高温度的进料通过出口45离开热能回收组件30作为经预热的进料的位置相邻的点处进入热能回收组件30。在加热进料之后处于其最低温度的反应器流出物(例如，经淬火的反应器流出物)在出口35处作为经淬火的反应器流出物在与在被热反应器流出物加热之前处于其最低温度的进料通过入口43进入热能回收组件30的位置相邻的点处离开热能回收组件30。在一些此类实施方案中，热反应器流出物在进料以其最高温度离开热能回收组件30的点处以其最高温度进入热能回收组件30，并且在进料以其最低温度进入热能回收组件30的情况下，反应器流出物以其最低温度离开热能回收组件30。在一些实施方案中，热能回收组件30可以是顺流热交换器，其中反应器流出物和进料在热能回收组件30内在相同方向上流动。在一些实施方案中，如果热能回收组件30由多于一个级组成，则一些级可以是顺流的，而其他级可以是逆流的。

在一些实施方案中，内管34可以是或包括带有光滑内表面的裸管或光管。在一些实施方案中，内管34可以包括促进湍流或增加内管34的表面积的热传递增强件。例如，内管34可以包括速度杆或其他湍流促进结构。在一些实施方案中，内管34可以包括翅片(例如，直翅片和/或螺纹翅片，横截面为矩形和/或圆形)或其他表面，以增加与流动通过内管34的反应器流出物接触的表面积。在内管34内的此类热传递增强件可以减少反应器流出物的停留时间。热传递增强件可以增加反应器流出物内的压降。在一些实施方案中，可以平衡在内管34内热传递增强件的包括，例如，以减少可能由热传递增强件引起的压降。在某些实施方案中，可能预期结垢，使得可能需要频繁清洁内管34。在此类实施方案中，内管34可以是直的或裸露的，以帮助清洁。在特定实施方案中，内管34的区段可以是裸露的，并且内管34的区段可以包括热传递增强件，诸如上述湍流促进结构和/或面积增加特征。

在一些实施方案中，环带44可以包括湍流促进结构，诸如例如小翼、人造粗糙度、洗涤板/凹槽、钉状翅片和/或凹坑。此类结构可以增加从内管34的外表面的热传递速率，和/或可以增加横穿环带44的进料的压降。此类结构本身可以用作热传递增强件，或者可以与其他热传递增强件(诸如例如本文所述的板冲击件和短笛冲击件)组合使用。

在一些实施方案中，环带44可以包括高剪切诱导几何形状，该高剪切诱导几何形状被构造为促进高剪切流动，例如，如可以由以高速流动的进料所产生的，诸如大于50米/秒(m/s)、或大于60m/s、或大于70m/s、或大于80m/s。在一些实施方案中，高剪切进料流动通过环带的方向基本上平行于内管。在一些实施方案中，高剪切诱导几何形状可以包括构造外管，使得内管34的外表面与外管40的内表面之间的间隔是10毫米(mm)或更小、8mm或更小、6mm或更小、或4mm或更小。高剪切速率可以通过促进从流动进料到内管34的外表面的高热传递速率来用作热传递增强件。

在一些实施方案中，通过冲击进行的热传递增强件可以指穿过外管的流体流，当从入口行进到出口时，该流体流的平均方向可以基本上平行于内管，例如，使用引入到环带中的几何特征有意地被引导朝向内管流动。在一些实施方案中，这种被引导(冲击)的流动可以例如垂直于内管，或者相对于内管的轴线以大于三十度的角度被引导朝向内管，而其速度可以相对大于外管流体的表观速度(例如，外管流体的体积流量除以内管与外管之间的环形横截面的面积)。在一些实施方案中，促进冲击的几何特征可以包括例如朝向内管定向的喷嘴和/或开口，和/或放置在流动路径中的障碍物，这些障碍物可以将流体从更平行于内管的方向更直接地朝向内管的外表面重定向。这些示例性特征可以以周期性方式实现，例如，导致沿着内管的长度和/或圆周间隔出现的冲击区。本申请人已经发现，相对于平行流动通过外管将获得的速率，引入此类冲击特征可以增加热传递速率。此外，本申请人已经发现，对于合适水平的热传递增强件，冲击流动的速度与表观速度的比率可以大于二、大于五、或大于十。在喷嘴或开口的情况下，冲击流动的速度可以近似为体积流量除以由流被引导通过的喷嘴或开口所限定的总流动面积。另外，可以发现热传递增强件更适合在冲击诱导特征(例如，喷嘴或开口54之间)与内管之间的各距离处，这些距离是从约直径到喷嘴或开口54的直径的约十二倍、从约直径到该直径的约十倍、或从该直径的约两倍到该直径的约八倍。冲击特征的示例可以包括板冲击件和/或短笛冲击件。在某些实施方案中，第一级中的至少一种热传递增强件可以与第二级中的至少一种热传递增强件相同或不同。

现在参考图2A、图2B、图3A和图3B，热能回收组件30的环带44(参见图2A和图2B)可以包括一个或多个结构，以促进从内管34中的反应器流出物到热能回收组件30的环带44中的进料的热传递。例如，热能回收组件30可以包括在热能回收组件30的环带44中的板冲击件50，例如，如图2A和图2B所示，和/或热能回收组件30可以包括在热能回收组件30的环带44(也参见图3B)中的短笛冲击件60(也参见图3A)。

特别参考图2A和图2B，板冲击件50可以包括冷却介质(例如，进料)，该冷却介质经由级入口43进入第一通道52，该级入口可以与内管34间隔开，例如，在热能回收组件30的环带44的外侧或外圆周上与内管间隔开。冷却介质经由壁55中的一个或多个喷嘴或开口54离开第一通道，进入与内管34接触的第二通道56。例如，第一通道52可以终止于下游端58，使得冷却介质可以被迫进入第二通道56以流动通过环带44并通过第二通道56的下游端处的级出口45离开。壁55将第一通道52与第二通道56分开。热能回收组件30可以包括沿其长度设置的一个或多个板冲击件50。如图2A和图2B所示的每个板冲击件50可以被认为是板冲击件级，其中热能回收组件30包括彼此串联或并联的一个或多个板冲击件。

在一些实施方案中，喷嘴或开口54中的一个或多个喷嘴或开口可以具有圆形横截面。在一些此类实施方案中，一个或多个喷嘴或开口54的直径可以在约1毫米(mm)至约15mm，例如，约2mm至约10mm、约3mm至约8mm、或约4mm至约7mm的范围内。在不具有圆形横截面的喷嘴或开口54中，喷嘴或开口54的横截面的面积可以基本上对应于具有圆形横截面的喷嘴或开口54的面积。在一些实施方案中，喷嘴或开口54可以沿着壁55的纵向长度在不同点处周向对齐，或者它们可以沿着壁的纵向长度周向交错，例如以螺旋延伸的方式周向交错。在一些实施方案中，壁55可以与内管34的外表面间隔开一定距离，该距离的范围是例如当喷嘴或开口54具有圆形横截面时从等于喷嘴或开口54的直径的约距离到喷嘴或开口54的直径的约十二倍，或从约该直径到该直径的约十倍、从该直径的约两倍到该直径的约八倍。

在一些实施方案中，喷嘴或开口54可以围绕壁55的圆周间隔开。例如，在沿着壁55的纵向长度的给定点处，壁可以包括例如一个至十五个喷嘴或开口54，这可以至少部分地取决于内管34的尺寸，例如，相对更多的喷嘴或开口54用于相对更大的内管34。在一些实施方案中，喷嘴或开口54可以围绕内管34周向地间隔开，例如，使得间距等于pi(即，3.14159)乘以内管34的外表面的直径与从喷嘴或开口54到内管34的外表面的距离的两倍的总和，所有这些除以围绕圆周的喷嘴或开口54的数量。在一些实施方案中，喷嘴或开口54可以沿着壁55的纵向长度基本上相等地和/或围绕壁55周向地基本上相等地彼此间隔开。

参考图3A和图3B，短笛冲击件60可以包括进入一个或多个短笛管或外管62和围绕内管34限定的室66的冷却介质(例如，进料)。在一些实施方案中，室66通常可以限定环带，诸如例如图2A和图2B中所示的环带44。外管62可以包括级入口43，并且可以包括一个或多个喷嘴或开口64，该一个或多个喷嘴或开口被构造为允许冷却介质从外管62流入室66，例如，使得冷却介质与内管34接触。在一些实施方案中，喷嘴或开口64中的一个或多个喷嘴或开口可以指向内管34的外表面，例如，如图3B所示。室66可以限定在第一或上游分隔器65与第二或下游分隔器67之间。上游分隔器65可以包括允许冷却介质进入外管62的开口。下游分隔器67可以终止于外管62中的每个外管的下游端，并且可以包括限定在其中的出口，这些出口允许冷却介质离开室66并流入另一组外管62或离开热能回收组件30。热能回收组件30可以包括沿其长度设置的一个或多个短笛冲击件60。如图3A和图3B所示，每个短笛冲击件60可能被认为是短笛冲击级，其中热能回收组件30包括彼此串联或并联的一个或多个短笛冲击件。

在一些实施方案中，喷嘴或开口64中的一个或多个喷嘴或开口可以具有圆形横截面。在一些此类实施方案中，一个或多个喷嘴或开口64的直径可以在约1毫米(mm)至约15mm，例如，约2mm至约10mm、约3mm至约8mm、或约4mm至约7mm的范围内。在不具有圆形横截面的喷嘴或开口64中，喷嘴或开口64的横截面的面积可以基本上对应于具有圆形横截面的喷嘴或开口64的面积。在一些实施方案中，喷嘴或开口64可能相对于相应外管62周向对准，使得穿过喷嘴或开口64中的每个喷嘴或开口的流体被引导在内管34的外表面处，例如，相对于内管34的外表面成约九十度的角度。在一些实施方案中，喷嘴或开口64中的一个或多个喷嘴或开口可以相对于其相应外管62周向定向，使得穿过喷嘴或开口64的流体相对于内管34的外表面成非垂直角度，该非垂直角度的范围为例如约十度至约八十度、二十度至约八十度、三十度至约八十度、或约四十五度至约八十度。在一些实施方案中，喷嘴或开口64可以位于不同点处并且沿着外管62的长度(例如，在沿着纵向轴线的方向上)周向对准。在一些实施方案中，喷嘴或开口64可以与内管34的外表面间隔开一定距离，该距离的范围为例如当喷嘴或开口64具有圆形横截面时从等于喷嘴或开口64的直径的约距离到喷嘴或开口64的直径的约十二倍、或从约该直径到该直径的约十倍、从该直径的约两倍到该直径的约八倍。

在一些实施方案中，外管62中的每个外管可以在沿着外管62的长度的多个位置中的每个位置处包括单个喷嘴或开口64。在一些实施方案中，外管62中的每个外管可以包括多个喷嘴或开口64，该多个喷嘴或开口的范围是一个至十五个喷嘴或开口64、一个至十个喷嘴或开口64、一个至五个喷嘴或开口64(例如，四个喷嘴或开口64)或五个至十个喷嘴或开口64。在一些实施方案中，例如在相应外管62上的喷嘴或开口64之间的距离可以被限定，使得相邻喷嘴或开口64之间的距离除以喷嘴或开口64的直径大于或等于一并且小于或等于二十。级中的外管62的数量可以在一个与十二个之间，或者在两个与六个之间。

热能回收组件30可以具有沿其长度带有多个级的模块化设计。例如，热能回收组件30可以包括一个或多个板冲击级50和一个或多个短笛冲击级60。在一些实施方案中，热能回收组件30可以仅包括板冲击级50或者可以仅包括短笛冲击级60。在特定实施方案中，热能回收组件30可以包括板冲击级50、短笛冲击级60、和湍流促进(TP)特征或TP级。

热能回收组件30可以与传统的气体到液体蒸汽提升TLE结合使用。例如，可以使用常规TLE来执行反应器流出物的初始淬火，并且然后接着是热能回收组件30，只要反应器流出物在至少575℃、至少600℃、至少610℃、至少620℃、至少630℃、至少640℃、至少650℃、至少700℃、至少750℃、或至少800℃、或至少850℃的温度下进入热能回收组件30即可。另选地，例如，如果热能回收组件30将进料预热到至少350℃、至少375℃、至少400℃、至少425℃、至少450℃、至少475℃、至少500℃、至少525℃、至少550℃、至少575℃、至少600℃、至少625℃、或至少650℃，则热能回收组件30之后可以是常规TLE。例如，炉组件10可以包括在热能回收组件30之前或之后的常规TLE。例如，反应器流出物管线28和/或经淬火流出物管线38可以包括常规TLE。在一些实施方案中，传统的气体到液体蒸汽提升TLE可以是与热能回收组件30相同的组件的一部分。在一些实施方案中，根据一些实施方案的热能回收组件30可以与使蒸汽料流过热相结合。

热能回收组件30的级的特性可以取决于例如级在热能回收组件30内的位置来调谐。例如，当热能回收组件30包括板冲击级50时，通道52和/或56、喷嘴或开口54、和/或板冲击级50的长度可定大小并定尺寸以针对沿着热能回收组件30的那个位置处的条件优化热传递。因此，在沿着热能回收组件30的第一位置处的级50的第一通道56的径向高度可以大于在沿着热能回收组件30的第二位置处的级50的第一通道56的径向高度。类似地，第一位置处的级50的喷嘴或开口54的直径可以小于第二位置处的级50的喷嘴或开口54的直径。在一些实施方案中，径向高度可以在一个或多个级之间保持基本上相等。在一些实施方案中，当热能回收组件30包括短笛冲击级60时，外管62的直径、喷嘴64的大小和/或数量、和/或短笛冲击级60的长度可定大小和定尺寸为针对沿着热能回收组件30的那个位置处的条件优化热传递。在一些实施方案中，从级到级的喷嘴或开口54的数量可以更高、更低或相同。在一些实施方案中，喷嘴或开口54的行的数量可以从级到级变化。沿着热能回收组件30的条件可以包括反应器流出物的温度、进料的温度、反应器流出物的入口和/或出口压力、进料的入口和/或出口压力、反应器流出物沿着组件压力的长度的压降、进料沿着热能回收组件30的长度的压降、进料与反应器流出物之间的温差、反应器流出物的速度、和/或进料的速度。

如上所述，热能回收组件30可以包括彼此平行的级。热能回收组件30可以基于进入热能回收组件30的热反应器流出物的温度或离开热能回收组件30的经淬火的反应器流出物的温度来激活或停用这些并联级中的一个或多个并联级。当级被激活时，热反应器流出物流动通过该级，并且当级被停用时，防止热反应器流出物流动通过该级。例如，当离开热能回收组件30的经淬火的反应器流出物高于期望温度时，热能回收组件30可以激活另一个或多个级，并且当离开热能回收组件30的经淬火的反应器流出物低于期望温度时，该热能回收组件可以停用一个或多个级。

如上所述，热能回收组件30可以包括彼此串联的级。热能回收组件30可以基于例如进入热能回收组件30的热反应器流出物的温度、离开热能回收组件30的经淬火的反应器流出物的温度、进入热能回收组件30的进料的温度和/或离开热能回收组件30的进料的温度来激活或停用这些级中的一个或多个级。在一些实施方案中，当级被激活时，进料可以流动通过被激活的级，并且当级被停用时，进料被防止流动通过被停用的级。例如，当离开热能回收组件30的经淬火的反应器流出物高于期望温度时，热能回收组件30可以激活一个或多个附加级，使得离开热能回收组件30的经淬火的反应器流出物的温度朝向期望温度降低，和/或当离开热能回收组件30的经淬火的反应器流出物低于期望温度时，热能回收组件30可以停用一个或多个级，使得离开热能回收组件30的经淬火的反应器流出物的温度朝向期望温度增加。在一些实施方案中，热能回收组件30可以包括一个或多个控制器，该一个或多个控制器被构造为控制级中的一个或多个级的操作，例如，如本领域技术人员将理解的。例如，热能回收组件30可以包括与控制器通信的多个温度传感器、压力传感器、流速传感器等，并且控制器可以使用计算机软件和/或硬件程序形式的控制逻辑来做出与控制热能回收组件30(例如，包括一个或多个级)的操作相关联的控制决策。在一些实施方案中，热能回收组件30可以包括与管线和/或导管相关联的阀，并且控制器可以至少部分地基于控制决策将控制信号传输到与阀相关联的致动器以控制流体(例如，气体和/或液体)和/或热量的流动，并且可以根据所传输的控制信号操作致动器以操作热能回收组件30的零件。在一些示例中，控制器可以由人类操作者补充或替换，该人类操作者至少部分地手动控制热能回收组件30以至少部分地基于效率考虑来满足期望的性能参数。

在一些实施方案中，热能回收组件30可以被构造为在与燃气裂解炉的其他淬火装置一致的停留时间内和/或压降下对热反应器流出物进行淬火。在一些实施方案中，热能回收组件30可以被调谐或优化为基本上等同于其他类型的淬火装置或相对于其他类型的淬火装置得到改进。例如，热能回收组件30可以被构造为使得通过热能回收组件30内的时间测量的停留时间小于100毫秒(ms)，例如小于90ms、或小于85ms(例如小于83ms)；反应器流出物的压降小于0.35巴，例如小于0.30巴、小于0.25巴、或小于0.20巴(例如小于0.15巴)；和/或冷却速率大于2.5开氏度(K)/ms，例如，大于3.5K/ms、大于4.0K/ms、大于4.5K/ms、至少5K/ms或至少5.5K/ms，例如，其中冷却速率可以被定义为热反应器流出物的入口温度(以开氏度为单位)减去923K，除以从热反应器流出物的温度冷却至923K所需的停留时间，除非热反应器流出物的入口温度(以开氏度为单位)小于923K或经冷却的反应器流出物的温度大于923K，在这种情况下，冷却速率可以被定义为热反应器流出物的入口温度(以开氏度为单位)减去经冷却的反应器流出物当离开热能回收组件时的温度，除以流出物在组件中的停留时间。除了流出物侧压降和冷却速率性能之外，热能回收组件30还可以被构造为实现2巴至15巴，例如2.5巴至10巴、3巴至8巴、3巴至10巴、或4巴至9巴(例如，5巴至8巴)的进料的压降，例如以管理进料进入热能回收组件30之前所需的加压量，与此同时促进从内管到进料的足够高的热传递速率。

在一些实施方案中，热能回收组件30可被构造和/或控制以对热反应器流出物进行淬火并将碳氢化合物进料预热至反应器进料温度。例如，热能回收组件30可以被构造有一个或多个级以将热量从热反应器流出物传递到碳氢化合物进料，该碳氢化合物进料可以不被预热，或至少未被充分预热以供应到裂解炉进行裂解。在一些实施方案中，级可以具有管中管设计，其中热反应器流出物流动通过内管并且碳氢化合物进料流动通过外管。外管可以包括具有一个或多个热传递增强件的级，该一个或多个热传递增强件为诸如例如板冲击件、短笛冲击件、与外管和/或内管相关联的一个或多个湍流促进特征、和/或与外管和/或内管相关联的增加的表面积。例如，内管可以包括一个或多个热传递增强件，该一个或多个热传递增强件被构造为促进来自热反应器流出物的热传递。构造一个或多个级和内管可以包括选择级以实现热反应器流出物的所需性质，与此同时将热量传递到冷进料。例如，级可经选择以改善或最大化热反应器流出物的冷却速率、改善或最小化热反应器流出物的压降、改善或最小化热反应器流出物的停留时间、和/或改善或最小化碳氢化合物进料的压降。

在一些实施方案中，热能回收组件可以包括多个彼此平行的内管，其中每个内管设置在外管内，并且每个外管具有一个或多个热传递增强件以增强从内管到限定在外管内的环带的热传递。在一些实施方案中，热能回收组件可以包括彼此平行的多个内管，其中每个内管设置在外管内，并且其中外管和可选地内管具有一个或多个热传递增强件以增强从内管到限定在外管内的环带的热传递。

图4A是根据本公开的实施方案的示例性内管34A的示意性剖视图，该示例性内管包括在内管34A的内表面72A上的示例性倒圆的突起70A。如图4A所示，在一些实施方案中，内管34的内表面72a可以包括湍流促进结构和/或用于增加内表面72a的表面积的结构。例如，如图4A所示，内管34a的内表面72a可以包括一个或多个倒圆的突起70a。在一些实施方案中，一个或多个倒圆的突起70a可以朝向内管34a的中心延伸和/或可以沿着内管34a的长度纵向地、部分地、间歇地或完全地延伸。在一些实施方案中，倒圆的突起70a可以彼此相同或不同。在一些实施方案中，一个或多个倒圆的突起70a可以沿着内管34a的纵向长度螺旋地延伸，例如，以促进通过内管34a的流的涡旋。在一些实施方案中，内管34的内表面上的突起可以具有非倒圆的构造。例如，图4B是根据本公开的实施方案的另一示例性内管34B的示意性剖视图，该另一示例性内管包括在内管34B的内表面72B上的示例性矩形突起70B。在一些实施方案中，内管34的内表面可以包括倒圆的突起和矩形突起的组合。可以设想突起的其他构造。在一些实施方案中，内管34可以包括湍流促进结构和/或用于增加内管34的外表面的表面积的结构。例如，湍流促进结构和/或用于增加内管34的外表面的表面积的结构可以包括至少类似于内管34的内表面上的上述突起的突起。在一些实施方案中，用于增加内管34的外表面的表面积的结构可以被构造为增强湍流促进结构和/或冲击特征的有效性。在一些实施方案中，外管40的内表面可以包括表面积增强件，例如诸如上述的那些。

图5是加热碳氢化合物进料的示例性方法500的框图，该碳氢化合物进料包括例如以下中的一者或多者：乙烷、丙烷、丁烷、冷凝物、轻石脑油、重石脑油、瓦斯油、热解油、衍生自加工炼油厂料流的材料、费-托产物、塑料废物和/或生物原料。碳氢化合物进料可以另外包括蒸汽。碳氢化合物进料可经预热，并且然后在电加热裂解炉中裂解，这可以输出包括烯烃的经裂解的碳氢化合物。根据一些实施方案，示例性方法500在图5中被示出为逻辑流程图中的框的集合，这些框表示一连串操作。描述操作的顺序不旨在被解释为限制，并且任何数量的所描述的框可以以任何顺序和/或并行地组合以实现该方法。此外，在框中的一个或多个框中描述的操作(诸如例如，由框512和/或514描述的操作)可以是可选的和/或从示例性方法500中省略，但是由其他框描述的操作中的一个或多个操作也可以或另选地从示例性方法500中省略。

在502处，示例性方法500可以包括将碳氢化合物进料供应到热能回收组件的外管。例如，热能回收系统可以包括本文所述的任何热能回收系统。如上所述，碳氢化合物进料可以包括例如以下中的一者或多者：乙烷、丙烷、丁烷、冷凝物、轻石脑油、重石脑油、瓦斯油、热解油和/或衍生自加工炼油厂料流的材料、费-托产物、塑料废物或生物原料，或可以在裂解过程中转化为烯烃的任何其他碳氢化合物，并且可以另外包括蒸汽。在一些实施方案中，碳氢化合物进料可以包括或者是由碳氢化合物进料的源供应的碳氢化合物进料。

在504处，示例性方法500可以进一步包括在热能回收组件的外管中加热碳氢化合物进料以输出经预热的碳氢化合物进料。例如，如本文所解释的，碳氢化合物进料可以经由热能回收系统中的热传递预热，其中热能至少部分地由裂解过程的热反应器流出物供应。

在506处，示例性方法500还可以包括将经预热的碳氢化合物进料供应到包括反应区的电加热裂解炉以加热经预热的碳氢化合物进料，例如，如本文先前所述。

在508处，示例性方法500可以进一步包括在反应区中裂解经预热的碳氢化合物进料以输出包括经裂解的碳氢化合物和烯烃的热反应器流出物，例如，如本文先前所述。

在510处，示例性方法500还可以包括将热反应器流出物供应到热能回收组件的内管，例如，如本文先前所述。例如，在一些实施方案中，将热反应器流出物供应到热能回收组件的内管可以包括在至少350℃、至少375℃、至少400℃、至少425℃、至少450℃、至少475℃、至少500℃、至少525℃、至少550℃、至少575℃、至少600℃、至少625℃、至少650℃、至少700℃、至少750℃、至少800℃、或至少850℃的温度下将热反应器流出物供应到热能回收组件的内管。

在512处，示例性方法500可以进一步包括将附加进料供应到热能回收组件的外管。在一些实施方案中，附加进料可以是在502处从碳氢化合物进料源供应碳氢化合物进料的继续、不同的碳氢化合物进料、水或蒸汽。可以将附加进料供应到与碳氢化合物所进料到的级不同的级。附加进料可以与碳氢化合物进料混合，经混合的进料在共同出口处离开热能回收组件。附加进料可以横穿与碳氢化合物进料不同的级，并通过不同的出口离开。

在514处，示例性方法500还可以包括通过经由热能回收组件将热量从热反应器流出物传递到附加的碳氢化合物进料来加热附加进料，例如，如本文先前所述。加热热能回收组件的外管中的附加进料以输出经预热的进料可以包括将进料加热到至少350℃、至少375℃、至少400℃、至少425℃、至少450℃、至少475℃、至少500℃、至少525℃、至少550℃、至少575℃、至少600℃、至少625℃、或至少650℃的温度。在一些实施方案中，将热反应器流出物供应到热能回收组件的内管可以包括经由热传递到附加的碳氢化合物进料来对热反应器流出物进行淬火，例如，如本文先前所述。在一些实施方案中，加热热能回收组件的外管中的进料可以包括经由从热反应器流出物向进料进行热传递来预热进料。在一些实施方案中，示例性方法500可以进一步包括通过在外管或内管中的一者或多者上提供热传递增强件来增强到附加进料的热传递。热传递增强件可以包括板冲击件、短笛冲击件、湍流促进、或增加的表面积中的一者或多者，例如，如本文先前所述。

实施例

将根据本公开的实施方案的包括热传递增强件的几个热能回收组件的热传递性能与常规管中管式气-气热交换器的性能进行比较。常规热交换器被设计用于1.76巴的进料侧压降，并且不包括在内管或环带中的增强件。根据本公开的实施方案的热能回收组件如下：(1)管中管式热能回收组件，该管中管式热能回收组件在内管中没有热传递增强件并且在环带中具有高剪切几何形状；(2)热能回收组件，该热能回收组件包括内管中的翅片和环带中的湍流促进特征；(3)热能回收组件，该热能回收组件包括内管中的翅片和环带中的板冲击件；(4)热能回收组件，该热能回收组件包括内管中的翅片和环带中的短笛冲击件；(5)热能回收组件，该热能回收组件包括在环带中的光管(没有内部翅片)和湍流促进特征；(6)热能回收组件，该热能回收组件包括在环带中的光管和板冲击件；以及(7)热能回收组件，该热能回收组件包括在环带中的光管和短笛冲击件。

为了比较的目的，常规热交换器(“比较例”)和根据本公开的实施方案的七个示例性热能回收组件(1至7)中的每个示例性热能回收组件的边界条件如下建立：使由乙烷的蒸汽裂解产生的热流出物穿过内管，并且使包括乙烷和蒸汽的冷进料穿过外管。热流出物质量流量是351.6千克/小时，并且内管的外径是60.3mm，其中管壁厚度是3.6mm。热流出物和冷进料根据逆流流动流动，具有以下入口温度和出口温度：T_in,hot等于827℃；T_out,hot等于486℃；T_in,cold等于236℃；并且T_out,cold等于650℃。

使用被设计用于计算热传递的软件工具来评估常规热交换器(“比较例”)和根据本公开的实施方案的七个实施例的性能。下表A显示了就下面解释的各种度量而言的比较性能。对于每个度量，相对于常规热交换器的对应值列出了根据本公开的实施方案的热能回收组件(1至7)中的每个热能回收组件的值。提供用于比较的示例性度量是流出物冷却速率、加热表面积、对应装置的进料侧和流出物侧上的压降、以及流出物停留时间。

表A

如表A所示，与没有此类热传递增强件特征的热交换器相比，根据本公开的实施方案的热能回收组件可以提供改善的性能，例如，就冷却速率、停留时间、流出物压降、和/或所需的冷却表面积而言。如从本公开将清楚地看出，冷却速率的较高值和所需表面积、流出物压降和流出物停留时间的较低值就工艺性能和/或设备成本而言通常可为有利的。

实施例2(a)至实施例2(e)

使用过程模拟软件工具，连同蒸汽裂解反应的能量需求，产生876.8吨/小时(t/h)的炉混合进料(即，蒸汽加石脑油)和反应区流出物流(876.8t/h)的加热和冷却轮廓。构建了使用和不使用热能回收组件的可行能量平衡。根据全设备的模型，裂解器下游的单元操作具有163兆瓦(MW)的净热量输入需求。此外，确定压缩机和泵需要151MW的功，该功可以使用冷凝蒸汽涡轮机通过回收的蒸汽以41％的效率来供应或通过电以95％的效率来供应。

实施例2(a)是比较例，其中在常规传送管线交换器(TLE)中产生120巴蒸汽。混合进料温度最初是180℃，因为从设备下游回收的可用热量可以提供这种起始温度。可以使用120巴蒸汽将混合进料从180℃加热到300℃，因为饱和蒸汽温度是324℃。构成从TLE去除的314MW热量中的244MW的剩余蒸汽用于供应163MW的下游加热负荷和33MW的机械功(即，如下计算：(244MW-163MW)乘以0.41，等于33MW)；剩余的118MW功由124MW的电供应(即，如下计算：118除以0.95等于124MW)。在这个比较例2(a)中，没有直接进料-流出物热交换。将进料从300℃电加热至650℃，并且通过电加热驱动裂解反应。在这个比较例中，除了反应之外，预热还需要682MW的电，导致这个比较例中的总用电量是806MW。

实施例2(b)，根据本公开的实施方案的一个实施例，使用根据本公开的实施方案的热能回收组件通过进料-流出物热交换将混合进料预热至450℃。经裂解的气体的剩余冷却通过蒸汽产生实现，回收145MW，这可以为下游加热的除18MW之外的所有提供能量；所有机械功可以电气地执行，根据这个实施例，这需要159MW的电。将进料从450℃电加热至650℃，并且通过电加热驱动裂解反应。在这个实施例中，除了炉加热之外，进料还需的总电是583MW，导致总用电量是760MW。

在实施例2(c)，根据本公开的实施方案的另一实施例中，可以使用根据本公开的实施方案的热能回收组件将混合进料加热到550℃的相对较高的温度。随着从热能回收组件传递到进料的热量的量增加，蒸汽产生的量减少，并且进料和裂解反应所需的电的量减少。在实施例2(c)中，将进料从550℃电加热至650℃，并且通过电加热驱动裂解反应。在这个实施例中，产生72MW的蒸汽，该蒸汽可用于供应下游加热中的一些下游加热；所有机械功可以电气地执行。在这个实施例中，除了炉加热之外，进料还需的总电是511MW，导致总用电量是760MW。

在实施例2(d)，根据本公开的实施方案的另一实施例中，将进料预热增加到650℃并且消除蒸汽产生。热侧目标温度从400℃向下至392℃的小调节标志着用这种进料和目标预热条件时的焓平衡点。在实施例2(d)中，在炉处需要433MW的电。不产生蒸汽，因此下游加热需要163MW的电，并且机械功需要159MW的电，导致总用电量是755MW。

在实施例2(e)，根据本公开的实施方案的仍另外实施例中，仅在蒸汽用于将混合进料预热到300℃的程度上使用蒸汽产生；使用根据本公开的实施方案的管中管式交换器来实现预热的剩余部分。没有蒸汽输出。在炉处的总电加热负荷是433MW，这与实施例2(d)相同，并且比比较例(即，实施例2(a))小250MW。在实施例2(e)中，下游加热需要163MW的电，并且机械功需要159MW的电，导致总电力消耗是755MW，或比比较例(即，实施例2(a))小51MW。

下表B中提供了实施例2(a)至实施例2(e)的热和电使用量的总结。将比较例2(a)与实施例2(b)至实施例2(e)进行比较，根据本公开的实施方案的实施例显示出，当使用根据本公开的实施方案的示例性热能回收组件将进料预热到至少450℃的温度时，操作裂解过程所需的电的总量减少。这表明，与本公开的实施方案一致的热能回收组件可以促进提高的效率，例如，当实现足够高水平的预热时。在实施例2(b)至实施例2(e)中，电需求可以保持基本上相同，显示出与本公开的实施方案一致的热能回收组件可以灵活地使用而不损失效率，例如，只要实现最低水平的预热即可。

表B实施例3(a)至实施例3(e)

实施例3(a)至实施例3(e)类似于上述实施例2(a)至实施例2(e)，不同之处在于热裂解气体冷却料流的热交换顺序逆转。蒸汽产生用于冷却的第一部分，并且进料-流出物热交换用于二冷却。实施例3(a)实施例至3(e)的结果的总结给出在下表C中。与实施例2(a)至实施例2(e)一样，结果显示出：通过使用与本公开的实施方案一致的热能回收组件，可以减少裂解过程所消耗的总电。

表C

此外，表B和表C中的结果的比较显示出：在宽范围的条件下，可以使用组合蒸汽升高和与本公开的实施方案一致的热能回收组件的使用的不同顺序来实现等效的电消耗。

现在已经描述了本公开的一些说明性实施方案，对于本领域技术人员显而易见的是，前述内容仅仅是说明性的而非限制性的，仅以示例的方式呈现。许多修改和其他实施方案在本领域普通技术人员的范围内，并且被认为落入本公开的范围内。特别地，尽管本文呈现的许多示例涉及方法动作或系统元件的特定组合，但是应当理解，这些些动作和元件可以以其它方式组合以实现相同的目的。本领域技术人员应当理解，本文描述的参数和构造是示例性的，并且实际参数和/或构造将取决于使用本公开的系统和技术的具体应用。仅使用常规实验，本领域技术人员还应认识到或能够确定本公开的具体实施方案的等同实施方案。因此，应当理解，本文描述的实施方案仅作为示例呈现，并且在任何所附权利要求及其等同物的范围内，本公开的实施方案可以以不同于具体描述的方式实践。

此外，本公开的范围应被解释为覆盖上述实施方案的各种修改、组合、添加、变更等，这些修改、组合、添加、变更等应被视为在本公开的范围内。因此，如本文所讨论的各种特征和特性可以选择性地互换并且应用于其他示出和未示出的实施方案，并且在不脱离如所附权利要求中阐述的本公开的精神和范围的情况下，可以进一步对其进行许多变化、修改和添加。

从热反应器流出物中回收热能以加热到电动反应器炉的进料的示例性热能回收组件A可以包括内管和外管，该内管具有第一入口，该第一入口被构造为接收来自电动反应器炉的热反应器流出物，并且该外管围绕内管设置以包围围绕内管的环带。该环带可以具有第二入口，该第二入口被构造为接收到电动反应器炉的进料，并且该环带可以被构造为使用用于电动反应器炉的进料作为冷却介质，以在进料被供应到电动反应器炉之前从热反应器流出物中回收热能。环带可以被构造为增强从热反应器流出物到环带中的进料的热传递。

在一些实施方案中，热反应器流出物可以经由气体入口室或其他连接器到达第一入口。在一些实施方案中，可以向气体入口室或其他连接器供应冷却。在一些实施方案中，气体室可以将一个或多于一个裂解盘管连接到一个或多于一个内管。在一些实施方案中，可以提供集箱以将进料连接到多于一个环带。在一些实施方案中，可以使用集箱来收集来自多于一个内管的经冷却裂解的气体。在一些实施方案中，来自多于一个环带的经加热的进料可以经由集箱组合。在一些实施方案中，多个环带可以倍包含在单个机械装置中，该单个机械装置可以经由气体入口室或其他连接器接收来自多个裂解盘管的热流出物，以及来自进料集箱的冷进料。

上述示例性组件A，其中外管包括至少一个热传递增强件以增强从内管到环带的热传递。

上述示例性组件A，其中外管包括第一级，并且至少一个热传递增强件包括板冲击件、短笛冲击件、湍流促进、或增加的表面积中的一者或多者。

在上述示例性组件A中，通过冲击进行的热传递增强件可以指穿过过外管的流体流，当从入口行进到出口时，该流体流的平均方向可以基本上平行于内管，例如，使用引入到环带中的几何特征有意地引导朝向内管流动。在一些实施方案中，这种被引导(冲击)的流动可以例如垂直于内管，或者相对于内管的轴线以大于三十度的角度被引导朝向内管，而其速度可以相对大于外管流体的表观速度(例如，外管流体的体积流量除以内管与外管之间的环形横截面的面积)。在一些实施方案中，促进冲击的几何特征可以包括例如朝向内管定向的喷嘴和/或开口，和/或放置在流动路径中的障碍物，这些障碍物可以将流体从更平行于内管的方向更直接地朝向内管的外表面重定向。这些示例性特征可以以周期性方式实现，例如，导致沿着内管的长度和/或圆周间隔出现的冲击区。本申请人已经发现，相对于平行流动通过外管将获得的速率，引入此类冲击特征可以增加热传递速率。此外，本申请人已经发现，对于合适水平的热传递增强件，冲击流动的速度与表观速度的比率可以大于二、大于五、或大于十。在喷嘴或开口的情况下，冲击流动的速度可以近似为体积流量除以由流被引导通过的喷嘴或开口所限定的总流动面积。另外，可以发现热传递增强件更适合在冲击诱导特征(例如，喷嘴或开口54之间)与内管之间的各距离处，这些距离是从约直径到喷嘴或开口54的直径的约十二倍、或从约直径到该直径的约十倍、或从该直径的约两倍到该直径的约八倍。冲击特征的示例可以包括板冲击件和/或短笛冲击件。

上述示例性组件A，其中外管包括设置在上游端与下游端之间的板冲击件。板冲击件可以包括第一通道，该第一通道在上游端处具有级入口，该级入口在下游端处对流动是封闭的。板冲击件还可以包括第二通道，该第二通道在下游端处具有级出口。第二通道可以设置在第一通道与内管之间。板冲击件可以进一步包括将第一通道与第二通道分开的壁。壁可以限定开口以流体地连接第一通道和第二通道。板冲击件可以被构造为通过级入口接收进料，使进料经由壁的开口从第一通道流动到第二通道以冲击到内管的外表面上，并且通过第二通道的级出口排出进料。

上述示例性组件A，其中外管包括短笛冲击件。短笛冲击件可以包括围绕内管设置并在外管内的上游分隔器，围绕内管设置并在外管内的下游分隔器，该下游分隔器在环带内位于上游分隔器的下游。下游分隔器可以限定至少一个级出口。该短笛冲击件还可以包括限定在外管内并且在上游分隔器与下游分隔器之间围绕内管的室，以及平行于内管或相对于内管成角度的短笛管，和/或可以是直的、弯曲的或弯折的，和/或从内管偏移。短笛管可以通过室从上游分隔器延伸到下游分隔器。短笛管可以包括用于接收进入的进料的级入口，以及限定在其中的多个开口，并且开口可以朝向内管的外表面定向。该短笛冲击件可以被构造为从级入口接收进料，使进料从短笛管经由多个开口流入室，使流冲击到内管的外表面上，和/或经由至少一个级出口从室排出进料。

上述示例性组件，其中：至少一个级包括第一级和第二级；以及以下中的一者或多者：(1)第一级的内管具有第一出口并且被构造为使热反应器流出物从第一入口流动到第一出口，第一级的外管具有第二出口并且被构造为使进料从第二入口流动到第二出口，并且第一级的第二入口邻近第一级的第一出口，并且第一级的第二出口邻近第一级的第一入口；(2)第二级包括至少一个热传递增强件，该热传递增强件包括板冲击件、短笛冲击件、湍流促进、或增加的表面积中的一者或多者，第二级与第一级串联，或者(3)第二级包括具有第一入口和第一出口的内管和具有第二入口和第二出口的外管，该内管被构造为使反应器流出物从第二级的第一入口流动到第二级的第一出口，该外管被构造为使进料从第二级的第二入口流动到第二级的第二出口；并且第二级的第二入口与第二级的第一入口相邻，并且第二级的第二出口与第二级的第一出口相邻。

上述示例性组件A，其中第一级的至少一个热传递增强件包括具有第一直径的第一冲击孔，并且第二级的至少一个热传递增强件包括具有第二直径的第二冲击孔，该第二直径不同于该第一直径。

上述示例性组件A，其中内管包括热传递增强件。

上述示例性组件，其中内管具有第一出口并被构造为使热反应器流出物从第一入口流动到第一出口，外管具有第二出口并被构造为使进料从第二入口流动到第二出口，并且进行以下中的一者：第二入口与第一出口邻近，并且第二出口与第一入口邻近；或者第一入口与第二入口相邻，并且第一出口与第二出口相邻。

上述示例性组件A，其中热能回收组件包括彼此平行的多个内管，其中每个内管设置在外管内，每个外管具有板冲击件、短笛冲击件、或湍流促进中的一者或多者以增强从内管到限定在外管内的环带的热传递。在一些实施方案中，热能回收组件可以包括彼此平行的多个内管，其中每个内管设置在外管内，并且其中外管和可选地内管具有一个或多个热传递增强件以增强从内管到限定在外管内的环带的热传递。

上述示例性组件A，其中热能回收组件被构造为：以例如至少2.5开氏度/毫秒、至少3.5开氏度/毫秒、至少4.5开氏度/毫秒、至少5开氏度/毫秒、或至少5.5开氏度/毫秒的速率冷却热反应器流出物，其中冷却速率可以被定义为热反应器流出物的入口温度(以开氏度为单位)减去923K，除以从热反应器流出物的温度冷却至923K所需的停留时间；除非热反应器流出物的入口温度(以开氏度为单位)小于923K或者经冷却的反应器流出物的温度大于923K，在这种情况下，冷却速率可以被定义为热反应器流出物的入口温度(以开氏度为单位)减去经冷却的反应器流出物离开热能回收组件时的温度，除以流出物在组件中的停留时间。在一些实施方案中，热能回收组件可以被构造为使得通过热能回收组件的热反应器流出物的压降小于0.35巴、小于0.30巴、小于0.25巴、或小于0.20巴，使得热反应器流出物在热能回收组件内的停留时间小于100毫秒、小于95毫秒、小于90毫秒、小于85毫秒、小于83毫秒、或小于80毫秒；或者使得穿过热能回收组件的进料的压降小于15巴、小于12巴、小于10巴、小于8巴、或小于6巴。

上述示例性组件A，其中热能回收组件被构造为将进料预热到至少350℃、至少375℃、至少400℃、至少425℃、至少450℃、至少475℃、至少500℃、至少525℃、至少550℃、至少575℃、至少600℃、至少625℃、或至少650℃。

上述示例性组件A，其中热反应器流出物在大于575℃、大于600℃、大于610℃、大于620℃、大于630℃、大于640℃、或大于650℃的温度下进入热能回收组件。

一种用于加热进料以提供热反应器流出物的炉组件可包括上述示例性热能回收组件A；和电动反应炉，该电动反应炉包括反应区，该反应区被构造为将以下中的一者或多者的进料加热至其裂解温度：乙烷、丙烷、丁烷、冷凝物、轻石脑油、重石脑油、瓦斯油、热解油、衍生自加工炼油厂料流的材料、费-托产物、塑料废物或生物原料。

一种用于生产烯烃的方法B可以包括将碳氢化合物进料供应到热能回收组件的外管，以及在热能回收组件的外管中加热碳氢化合物进料以输出经预热的碳氢化合物进料。示例性方法B还可以包括将经预热的碳氢化合物进料供应到包括反应区的电加热裂解炉中以加热经预热的碳氢化合物进料，以及在反应区中裂解经预热的碳氢化合物进料以输出包含经裂解的碳氢化合物和烯烃的热反应器流出物。示例性方法B可以进一步包括：将热反应器流出物供应到热能回收组件的内管，以及将附加的碳氢化合物进料供应到热能回收组件的外管。示例性方法B还可以包括：通过将热量经由热能回收组件从热反应器流出物传递到附加的碳氢化合物进料来加热该附加的碳氢化合物进料。

上述示例性方法B，其中进行以下中的一者或多者：(1)将热反应器流出物供应到热能回收组件的内管包括经由向附加的碳氢化合物进料进行热传递来对热反应器流出物进行淬火；或者(2)在热能回收组件的外管中加热碳氢化合物进料包括经由从热反应器流出物向碳氢化合物进料的热传递来预热该碳氢化合物进料。上述示例性方法B进一步包括：通过在外管或内管中的一者或多者上提供热传递增强件来增强向附加的碳氢化合物进料的热传递，该热传递增强件包括板冲击件、短笛冲击件、或湍流促进中的一者或多者。

上述示例性方法B，其中将热反应器流出物供应到热能回收组件的内管包括在至少350℃、至少375℃、至少400℃、至少425℃、至少450℃、至少475℃、至少500℃、至少525℃、至少550℃、至少575℃、至少600℃、至少625℃、或至少650℃的温度下将热反应器流出物供应到热能回收组件的内管。

上述示例性方法B，其中加热热能回收组件的外管中的碳氢化合物进料以输出经预热的碳氢化合物进料包括将碳氢化合物进料加热到至少350℃、至少375℃、至少400℃、至少425℃、至少450℃、至少475℃、至少500℃、至少525℃、至少550℃、至少575℃、至少600℃、至少625℃、或至少650℃的温度。

Claims (16)

1.一种生产烯烃的方法，所述方法包括：

将碳氢化合物进料供应到热能回收组件的外管；

在所述热能回收组件的所述外管中加热所述碳氢化合物进料以输出经预热的碳氢化合物进料；

将所述经预热的碳氢化合物进料供应到包括反应区的电动裂解炉以加热所述经预热的碳氢化合物进料；

使用由电产生的热量在所述电加热裂解炉的所述反应区中裂解所述经预热的碳氢化合物进料以输出包含经裂解的碳氢化合物和烯烃的热反应器流出物；

将所述热反应器流出物供应到所述热能回收组件的内管；以及

通过将热量传递到所述碳氢化合物进料来在所述热能回收组件的所述内管中冷却所述热反应器流出物。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：

将不同于所述碳氢化合物进料的附加进料供应到所述热能回收组件的所述外管；以及

通过经由所述热能回收组件将热量从所述热反应器流出物传递到所述附加进料来加热所述附加进料。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法进一步包括：

从所述热能回收组件的所述外管中取出经部分预热的碳氢化合物进料；

将所述经部分预热的碳氢化合物进料进料到所述热能回收组件；以及

通过经由所述热能回收组件从所述热反应器流出物传递热量来进一步加热所述经部分预热的碳氢化合物进料，以输出所述经预热的碳氢化合物进料。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法进一步包括以至少2.5开氏度/毫秒、至少3.5开氏度/毫秒、或至少4.5开氏度/毫秒的速率冷却所述热反应器流出物。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中穿过所述热能回收组件的所述热反应器流出物的压降小于0.35巴、小于0.30巴、小于0.25巴、小于0.20巴、或小于0.15巴。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述热反应器流出物在所述热能回收组件内的停留时间小于100毫秒、小于95毫秒、小于90毫秒、小于85毫秒、小于83毫秒、或小于80毫秒。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中穿过所述热能回收组件的所述进料的压降是2巴至15巴、2.5巴至10巴、3巴至8巴、3巴至10巴、4巴至9巴、或5巴至8巴。

8.一种用于操作根据前述权利要求中任一项所述的方法的热能回收组件，所述热能回收组件包括：

外管；和

内管；

其中将碳氢化合物进料供应到包括反应区的电动裂解炉以加热所述碳氢化合物进料；其中所述内管包括第一入口，所述第一入口被构造为接收来自所述电动裂解炉的所述热反应器流出物；并且

其中所述外管围绕所述内管设置以包围围绕所述内管的环带，所述环带包括第二入口，所述第二入口被构造为接收所述碳氢化合物进料。

9.根据权利要求8所述的热能回收组件，其中所述环带包括至少一个热传递增强件以增强从所述内管到所述环带的热传递。

10.根据权利要求9所述的热能回收组件，其中所述环带包括第一级，并且所述至少一个热传递增强件包括冲击、湍流促进、高剪切诱导几何形状或增加的表面积中的一者或多者。

11.根据权利要求10所述的热能回收组件，其中所述环带包括在上游端与下游端之间的板冲击件，所述板冲击件包括：

第一通道，所述第一通道在所述上游端处具有级入口并且在所述下游端处对流动是封闭的；

第二通道，所述第二通道在所述下游端处具有级出口，所述第二通道设置在所述第一通道与所述内管之间；

壁，所述壁将所述第一通道与所述第二通道分开，所述壁限定流体连接所述第一通道和所述第二通道的开口；并且

所述板冲击件被构造为通过所述级入口接收进料，使进料经由所述壁的所述开口从所述第一通道流动到所述第二通道，并且使所述进料的流动冲击到所述内管的外表面上并通过所述第二通道的所述级出口排出进料。

12.根据权利要求10所述的热能回收组件，其中所述环带包括短笛冲击件，所述短笛冲击件包括：

上游分隔器，所述上游分隔器围绕所述内管设置并且在所述外管内；

下游分隔器，所述下游分隔器围绕所述内管设置并且在所述外管内，所述下游分隔器在所述环带内位于所述上游分隔器的下游，所述下游分隔器限定至少一个级出口；

室，所述室限定在所述外管内并且在所述上游分隔器与所述下游分隔器之间围绕所述内管；以及

短笛管，所述短笛管从所述内管偏移，所述短笛管通过所述室从所述上游分隔器延伸到所述下游分隔器，所述短笛管包括用于接收进入的进料的级入口，所述短笛管包括限定在其中的多个开口，所述短笛冲击件被构造为从所述级入口接收进料，使进料经由所述多个开口从所述短笛管流动进入所述室，并且经由所述至少一个级出口从所述室排出进料。

13.根据权利要求9所述的热能回收组件，其中所述环带包括至少第一级和第二级，其中所述第一级和所述第二级串联，其中两个级均包括至少一个热传递增强件。

14.根据前述权利要求中任一项所述的热能回收组件，其中所述内管包括热传递增强件，所述热传递增强件包括湍流促进、高剪切诱导几何形状或增加的表面积中的一者或多者。

15.根据权利要求9至14中任一项所述的热能回收组件，其中所述热能回收组件包括彼此平行的多个内管，其中每个内管设置在外管内，每个外管具有冲击、湍流促进、高剪切诱导几何形状或增加的表面积中的一者或多者以增强从所述内管到限定在所述外管内的环带的热传递。

16.根据权利要求8至15中任一项所述的热能回收组件用于进行根据权利要求1至7中任一项所述的方法的用途。