CN1249202C - 用蒸汽气化重烃原料的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用蒸汽气化重烃原料的设备，上述设备包括：(a)在两端打开的第一管件；(b)在一端打开并环绕第一管件形成一个环形空间的第二管件，上述第一管件和第二管件具有基本相符合的纵轴以及在其下游端具有设置在与上述相符合纵轴相垂直的平面中的开口端；(c)把重烃原料引入第一管件中的供料入口部件；(d)把过热蒸汽引入环形空间的蒸汽入口部件；以及(e)一个截锥形构件，它一端与第二管件的开口端连接并沿着离开第二管件的方向逐渐扩大，并且具有一条与管件纵轴基本相符合的轴线，特征在于：供料入口部件与一个装置连接，装置能够迫使一个旋涡模式加到进入上述装置时的重烃原料的液体部分上，由此把上述液体部分压到供料入口部件的内壁上，使得在第一管件之内建立一个环形流动模式。

Description

用蒸汽气化重烃原料的设备和方法
本发明涉及了一种用蒸汽气化重烃原料的设备和方法。
提高烃原料质量来得到有价值的气态(主要是烯烃)和液态产物的已知方法是通常所说的热解工艺。为了降低在热解阶段的烃的部分压力，在把气化烃原料引入一个炉子的热解区(辐射区)之前，通常用过热蒸汽稀释烃原料来促进烃原料的气化。这种方法也称为蒸汽-热解。如果处理重烃原料，如沸点范围高于230℃的材料，通常在多个阶段中进行液体材料的气化。首先预热烃原料，此后把还是液体的原料与过热蒸汽混合成两相的气/液混合物和同时加热液体。从辐射区排出的气体进一步从外部加热由此形成的蒸汽和液体混合物，以部分地气化液体，此后把另外的过热蒸汽量引入蒸汽和部分气化液体的流中来完全气化余下的液体。例如，依靠一个喷管把另外的蒸汽量添加到烃原料上，其中以环绕烃原料芯的一个环带形式引入蒸汽。重要的是，送进到一个热解炉的辐射区(在那里产生实际的热解反应)的原料是完全气化的，因为存在的液体微滴可能在其余对流管束高温部分的盘管以及辐射盘管中引起严重的结焦和堵塞。
在已知的混合喷管中，可以在流动路线中，特别是在对最后气化步骤引入蒸汽的位置上形成结焦。这可能最终造成在混合喷管中液体和蒸汽通道的缩小，造成沿整个混合喷管压降的增加。在EP-A-95197中也提出了这个问题，并且给出了对结焦形成的一个合理说明。在EP-A-95197中发布的对这个问题的解决办法涉及了一个专用的设备，它包括一个第一(内部)管件和一个环绕第一管件的第二(外部)管件，以形成一个环形的空间，其中设有一个第一入口部件来把重烃原料引入内部管件，以及设有一个第二入口部件来把过热蒸汽引入环形空间。内部管件和外部管件每个均设有一个开口端，用于以环绕重烃原料芯的一个环带形式供应过热蒸汽，开口端造成了设在基本垂直于纵轴的平面中的开口。设备还包括一个截锥形的构件，一端与第二管件的开口端连接，设有一条与管件纵轴基本相重合的纵向轴线，并且沿着离开外部管件的方向逐渐扩大。在过热蒸汽与重烃原料相遇位置的后面设置稍为扩大的截锥形构件防止了液体微滴与管件壁的接触，从而避免了在设备中形成结焦的危险。
本发明提供了对EP-A-95197中发布的混合喷管的改进，这个改进对大尺寸的混合喷管特别有用，以下将做更详细说明。
在首先引入过热蒸汽，由此形成蒸汽和液体原料的混合物之后，最好在到混合喷管的管子中发展成一个环流的方式，以充分湿润其内表面，从而使对流热效率最大化。当原料进入混合喷管时应该已经发展成环流方式。包含烃和蒸汽的混合物的气化物形成了环流的芯。在其内部管件中，原料的环流进入EP-A-95197所发布的混合喷管。在这个混合喷管中，把第二次过热蒸汽量添加到环绕上述内部管件的环带中。在这个内外管件间的环形空间中的蒸汽与在内部管件中的液体环流之间大的速度差建立了剪力，并且在两股流相遇的地点上原料急剧蒸发，产生了为质量和热传导所需的微滴分布。微滴分布将保证有效的气化。在过热蒸汽与液体重烃原料相遇地点的后面设置一个稍为扩大的截锥形构件防止了液滴与该管件壁的接触，由此避免了在混合喷管本身中形成结焦的危险。因此，重要的是，进入混合喷管的内部管件的蒸汽/液体混合物具有一个环流模式。
实际上，混合喷管往往垂直设置，靠近对流区，并且在辐射区的顶上。为了以节省空间的方式适应这种构形，从对流区出口(通常设在其底部)伸出的管子在首先一段短的水平部分之后，应该基本上垂直向上，然后应该弯180度垂直向下，从而可以在顶上进入垂直设置的混合喷管。通常从对流区伸出的管子将作三个约90°的角度来适应这种构形。但是，这些角度可能破坏环流模式而改变成为根据热对流和气化观点所不希望的缓慢流动模式。在第三个90°弯曲(从对流区看)之后的直线长度应该适当地至少为环形宽度(即直径)的5倍，以便在进入喷管之前重新建立充分发展的环流模式，否则细滴分布将被破坏，从而导致喷管的失效。通常长度/直径比(L/D)不超过30。给定喷管本身的尺寸和所需的L/D比，它在第三个90°弯曲之后对一个直管至少为5以保证一个环流的模式，按比例放大一个炉子来保证更大的供料输送量将需要一个更大直径的直管，因而需要在第三个90°弯曲之后一个大得多的管子长度。结果是，在第一个90°弯曲之后从对流区垂直伸出的管子长度应该同样增加。这将是非常不经济的，因为需要更大量的材料来制造直管和附加的管子支架。另外，整个结构可能需要昂贵的地区空间。
本发明改进设备的目的是提供与成比例放大炉子相关的这些问题的解决办法，而仍保证进入混合喷管内部管件的蒸汽/液体混合物具有一个环流模式。
这由采用一个特殊装置来实现，它能够对包含液体的蒸汽引发一个缓和的旋涡模式，装置与混合喷管的供料入口管连接，这个引发旋涡的装置将使烃原料的流动方向弯90°，而同时使它的液体部分产生一个旋涡模式，由此迫使液体靠到向下伸到混合喷管的供料入口管的管壁上，具有一个重新建立环形流动模式的垂直于管子纵轴的速度分量。
因此，本发明涉及了一种用蒸汽气化重烃原料的设备，上述设备包括：(a)在两端打开的第一管件；(b)在一端打开并环绕第一管件形成一个环形空间的第二管件，上述第一管件和第二管件具有基本相重合的纵轴以及在其下游端具有设置在与上述相重合纵轴相垂直的平面中的开口端；(c)把重烃原料引入第一管件中的供料入口部件；(d)把过热蒸汽引入环形空间的蒸汽入口部件；以及(e)一个截锥形构件，它一端与第二管件的开口端连接并沿着离开第二管件的方向逐渐扩大，并且具有一条与管件纵轴基本相重合的轴线，
特征在于：供料入口部件与一个装置连接，装置能够迫使一个旋涡模式加到进入上述装置时的重烃原料的液体部分上，由此把上述液体部分压到供料入口部件的内壁上，使得在第一管件之内建立一个环形流动模式。
按照本发明在设备中气化的重烃原料通常具有高于200℃的初始沸点，特别是更多为230℃或以上，而最终沸点一般不超过650℃，尤其是600℃。适合的原料例子是加氢处理的急聚蒸馏液或加氢裂解的急聚蒸馏液。
有关混合喷管及其各个部分可参考EP-A-95197。在这个专利申请中详细描述了混合喷管，其内容结合这里作为参照。
因此，在一个优选实施例中，本发明设备的第一管件和第二管件均造成设置在垂直于管件纵轴的平面中的开口端。这些开口端把过热蒸汽供应成一个环绕烃原料芯的非旋涡环带。截锥形构件应该具有一个最大为20°和最好为6°的顶角，上述截锥形构件的小端与第二管件的开口端连接，上述截锥形构件的轴线基本上与上述第一和第二管件的轴线相重合。截锥形构件的大端与第三管件的一端适当地连接，第三管件具有一条基本上与第一和第二管件纵轴相重合的纵向轴线。第三管件的另一端与一个沿着离开第三管件方向逐渐收缩的截锥形构件适当地连接。设备还适当地具有多个入口，用于把过热蒸汽引入在第一和第二管件之间的环形空间中，各个入口沿着第二管件的周边基本上均匀分布。最好是，在过热蒸汽入口的下游，在环形空间中设置多个导向叶片，上述导向叶片沿着环形空间的截面基本上均匀分布。
与混合喷管供料入口连接的引发旋涡装置必须能够迫使一个旋涡模式加到进入这个装置时的重烃原料的液体部分上，由此把上述液体部分压到供料入口部件的内壁上，使得在第一管件之内建立一个环形流动模式。
同时，引发旋涡装置还保证了烃供应原料的流动方向弯向混合喷管。往往这将意味着流动方向改变一个60°到100°的角度，通常为90°左右。混合喷管的供料入口部件适当地包括一个通路管，与第一管件的一个开口端连接并且具有一条与第一管件纵轴基本符合的纵向轴线。这个入口部件的L/D比应该至少为5，通常不超过30。
一般说，可以采用在现有技术中能够迫使一个旋涡模式加到进入这个装置时的重烃原料的液体部分上，使得在第一管件之内建立一个环形流动模式的任何已知的装置。这种装置可以具有任何适当的形状和可以包含或不包含用于使供料的液体部分引发适当旋涡模式的内部零部件。一种非常适合的旋涡引发装置是所谓的切向入口装置。这种切向入口装置最好包括：(i)一个截锥或截半球形构件，沿着离开混合喷管供料入口部件的方向逐渐扩大以及(ii)与上述截锥或截半球形构件内壁相切地把重烃原料和蒸汽的气体/液体混合物引入截锥或截半球形构件的部件。这种部件通常是一个管子，它与截锥或截半球形构件的侧壁连接，并且与上述截锥或截半球形构件截面的切线相重合。优选采用截锥形的构件。
在另一个优选的实施例中，切向入口装置的截锥或截半球形构件的大端与另一个管件(或第四管件)连接，这另一个管件具有一条基本与第一管件纵轴符合的纵向轴线，管件的另一端被封闭。这另一个管件包括在其侧壁上的一个开口，可以通过开口把重烃原料沿切向引到上述侧壁的内壁上。
在图1和2中进一步说明了这个设备。图1表示了本发明设备的侧视图。图2是一个适当的切向入口装置的顶视图。
图1表示了一个混合喷管1的侧视图，用于把过热蒸汽供应到部分气化的重烃原料上来完全气化它们。喷管1包括一个内部或第一管件2和一个具有相重合纵轴的外部或第二管件3。内部管件2在一端打开以形成一个出口5，用于部分地气化重烃原料，而入口端4与直的供料入口管20连接，管20具有与内部管件2相同的直径。外部管件3在一端打开，在另一端依靠一个焊接到内部管件2上的法兰6来封闭。设有基本上沿着外部管件3周边均匀分布的多个入口喷管7，用于把过热蒸汽供应到内部管件2和外部管件3之间的环形空间8中。为了防止在环形空间8中产生旋涡，设置了多个导向叶片14，并且沿环形空间8的截面基本上均匀分布。外部管件3的开口端和内部管件2的出口5设置在垂直于管件2和3相重合纵轴的平面中，由此形成一个环形通道9，用于从环形空间8排出过热蒸汽。在其开口端，外部管件3与截锥形构件10连接，构件10设有一条与管件纵轴基本相重合的纵向轴线。截锥形构件10沿着离开外部管件3的方向逐渐扩大。截锥形构件10具有最大为20度的顶角。截锥形构件10的底与一个管件11连接，管件11又与一个沿离开构件11方向逐渐收缩的第二截锥形构件12连接。截锥形构件12在其自由端上设有一个法兰13，用于把喷管1连接到热解设备的供料路线(图中未示)上。
直的供料入口管20连接到切向入口装置15上，切向入口装置15包括一个沿着离开入口管20逐渐扩大的截锥形构件16和一个一端封闭并与构件16连接的管件17。截锥形构件16可以具有一个10到150度的顶角，实际的顶角由诸如供料蒸汽速度范围的工艺参数来确定。在应用条件下选择适当顶角是在熟悉该技术的人员的正常技术范围内。
管件17在其侧壁具有一个开口18，一个供料入口管19与之连接，从而把部分气化的烃原料沿切向引入上述管件17中。
在图2中，表示了一个切向入口装置15的顶视图，供料入口管19在管件17侧壁的开口18上与管件17侧壁连接。由于沿着箭头方向进入切向入口装置15，在部分气化的烃原料中引入一个旋涡，并且通过截锥形构件16，成旋涡的供料将进入供料入口管20，由此在这个供料入口管20中建立了或者重新建立了一个环形流动模式。
在另一个方面，本发明涉及了用蒸汽气化重烃原料的方法，其中采用以上描述的设备。
本发明还涉及了从重烃原料制备低烯烃的一个方法，该方法包括以下步骤：
(a)预热烃原料；
(b)把还是液体的原料与过热蒸汽混合，形成蒸汽和液体原料微滴的两相混合物；
(c)加热这个两相混合物来部分地气化液体原料；
(d)采用以上描述的设备引入另外的过热蒸汽量来完全气化余下的液体原料；
(e)可选择地过热气化的烃原料；以及
(f)使可选择地过热的气化烃原料承受热解处理。
以上描述的设备被设置在把原料送到热解设备之前的一个气化重烃原料的系统中。液体形式的重烃原料首先通过一个预热器来加热液体，加热的液体接着与过热的蒸汽混合，并且通过一个炉子来部分地气化液体烃，形成例如70％的气化物。
部分气化的液体接着与另外的过热蒸汽量混合来气化原料中余下的液体。用于最后气化步骤的蒸汽应该过热到这样温度：使得蒸汽的显热足以气化余下的液体并且给出额外的过热裕量，以避免混合后的凝结危险。由于系统有受侵蚀的危险，应该避免蒸汽的凝结。
至少可以在参照图1和2所描述的设备中进行第二次混合步骤。在上述设备的喷管部分中，通过蒸汽入口喷管7把过热蒸汽引入环形空间8，而在依靠设在上述喷管1上游的切向入口装置15保证进入入口4的部分气化烃原料的环形流动模式之后，部分气化液体通过上述入口4引入内部管件2。
通过环形出口通道9离开环形空间8的蒸汽形成一个环带，环绕着通过出口5离开内部管件2的烃原料芯。
蒸汽的热引起离开内部管件2的部分气化液体中余下液体的气化。为了防止液体微滴从烃原料芯通过到喷管壁而具有上述形成结焦的危险，蒸汽环带和烃原料芯均通过位于外部管件3下游的截锥形构件10。
属于截锥形构件10的锥顶角应该最大为20度，以防止流入截锥形构件10的蒸汽中发生不希望的紊流。由于这种紊流，还未气化的液体微滴可能通过蒸汽环带并且附着在截锥形构件的壁上，导致形成结焦。已经发现，约6度的顶角足以在截锥形构件10中得到希望的流动模式。例如，一个适合的顶角为16度。
设置了截锥形构件10，液体微滴的径向传送将不会使这些微滴达到构件10的壁上。
在截锥形构件10的下游的管件11中完成液体的气化。截锥形构件10和管件11的总长度应该选择成使所有液体在离开上述管件之前被气化。接着通过截锥形连接构件12把蒸汽和气化物的混合物引入一个热解炉，在那里发生热解处理。在炉子中，首先过热气化物，以及在相邻的辐射区中在使烃热解和转换成较轻成分的温度下最终加热，通过适当的压缩和凝结步骤在炉子下游被回收。
应该注意到，选择第二管件的截面积，使得对于给定的蒸汽量得到给定烃原料量所需的在环形空间8中蒸汽的高速度，例如约75-80m/s。
关于工艺条件，可以认为通常用于这类蒸汽热解方法的这些条件是可行的。熟悉该技术的人员可以理解到，实际温度和压力的条件由供料的性质来确定。

Claims (8)

1.一种用蒸汽气化重烃原料的设备，上述设备包括：
(a)在两端打开的第一管件；
(b)在一端打开并环绕第一管件形成一个环形空间的第二管件，上述第一管件和第二管件具有相重合的纵轴以及在其下游端具有设置在与上述相重合纵轴相垂直的平面中的开口端；
(c)把重烃原料引入第一管件中的供料入口部件；
(d)把过热蒸汽引入环形空间的蒸汽入口部件；以及
(e)一个截锥形构件，它在一端与第二管件的开口端连接并沿着离开第二管件的方向逐渐扩大，并且它具有一条与管件纵轴相重合的轴线，
特征在于：供料入口部件与一个装置连接，该装置能够迫使一个旋涡模式加到进入上述装置时的重烃原料的液体部分上，由此把上述液体部分压到供料入口部件的内壁上，使得在第一管件之内建立一个环形流动模式。
2.如权利要求1中的设备，其中供料入口部件包括一个直管，该直管连接到第一管件的一个开口端，并且具有一条与第一管件纵轴相重合的纵向轴线。
3.如权利要求1或2中的设备，其中迫使一个旋涡模式加到重烃原料的液体部分上的装置是一个切向入口装置。
4.如权利要求3中的设备，其中切向入口装置包括一个沿着离开上述供料入口部件的方向逐渐扩大的截锥或截半球形构件，以及一个与上述截锥或截半球形构件内壁相切地把重烃原料引入截锥或截半球形构件的部件。
5.如权利要求4中的设备，其中切向入口装置的截锥或截半球形构件的大端与另一个管件的一端连接，该另一个管件具有一条与第一管件纵轴重合的纵向轴线，管件的另一端被封闭。
6.如权利要求5中的设备，其中另一个管件包括在其侧壁上的一个开口，通过开口把重烃原料沿切向引到上述侧壁的内壁上。
7.用蒸汽气化重烃原料的方法，该方法包括首先引入过热蒸汽，由此形成烃原料与过热蒸汽混合物；使该混合物进入内管件；和将第二次过热蒸汽引入环绕内管件的管形环中；其特征在于：重烃原料和蒸汽的混合物在进入内管件时具有环形流动模式。
8.从重烃原料制备低烯烃的方法，该方法包括以下步骤：
(a)预热烃原料；
(b)把还是液体的原料与过热蒸汽混合，形成蒸汽和液体原料微滴的两相混合物；
(c)加热这个两相混合物来部分地气化液体原料；
(d)利用权利要求7的方法，通过引入另外的过热蒸汽量来完全气化余下的液体原料；
(e)可选择地过热气化的烃原料；以及
(f)使气化烃原料承受热解处理。
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