CN1429798A - 反向射流混合加热裂解装置及生产乙烯的方法 - Google Patents

Abstract

一种反向射流混合加热裂解装置及生产乙烯的方法，以氢或甲烷为燃料，和氧以化学当量比流入燃烧室，使其完全燃烧形成载体气，由水蒸汽调节降低载体气至所需的温度，载体气流通过拉伐尔喷管加速至超音速后流入裂解段。原料气升温到接近开始裂解温度后流入原料喷射器射入裂解段，与反向超音速载体气流快速混合升温，开始裂解。停留所需时间后，混合物流被水冷热交换器冷却，将裂解得到的产品冻结下来。本发明可用于裂解制造乙烯和其它化工产品，其升温快，并且不受器壁材料耐高温性能的限制，裂解温度可提高，乙烯产量较管式裂解炉大幅度提高。

Description

反向射流混合加热裂解装置及生产乙烯的方法

技术领域

本发明涉及一种将原料裂解制造乙烯的设备和利用该设备生产乙烯的方法。

背景技术

化学动力学与工业实践均得出：石油或天然气裂解时，提高乙烯产率的条件是(1)短时间内供大量热；(2)高的裂解温度和(3)短的停留时间。

目前，全世界乙烯产量中的99％均由管式裂解炉产出，原料升温和裂解所需热量是从管外燃气通过管壁传递给管内流动的原料。受管壁材料耐高温性能的限定，原料裂解温度还不够高；受管壁传热强度所限，升温过程缓慢，停留时间太长。实际产品产率较理想条件下能达到的产率差距还相当大。从六十年代起，采用减小炉管直径和缩短炉管长度，增加传热强度并降低停留时间，使乙烯产率逐步提高。八十年代设计的“毫秒裂解炉”其炉管内径已从开始时的254mm降低至25.4mm，停留时间从秒量级降至数十毫秒。当采用乙烷作原料时，乙烯产率较常规管式炉提高5-10％；而采用重原料时，乙烯产率甚至可提高20-30％。如能进一步缩短停留时间，提高裂解温度，乙烯产率还可提高。然而，由于炉管内截面积小，单管产量低，为了达到大的产量，炉管组数和根数很多，难以使原料均匀分配。还由于炉管直径小，阻力大，且稍有结焦，裂解条件急剧恶化。因此，这种“毫秒裂解炉”难以推广使用。目前工业大量应用的裂解炉炉管内径大于50mm，以缩小炉管内径提高乙烯产率的潜力已基本挖掘殆尽。

美国专利NO 3,146,015(1997年6月7日)发明了一种新的将原料加热到裂解温度的方法。燃料(氢或甲烷)与水蒸汽混合后点火燃烧，产生的高温燃气以亚音速流向喷管喉部。液体原料刚好在喉部上游处以雾状喷入燃气流中，与燃气混合并蒸发，发生初步裂解。混合物在喉部下游扩张管内加速到超音速，该超音流穿过激波后，温度急剧升高，原料进一步裂解至淬冷区。淬冷后的气流通过热交换器回收有用的热能。该方法的乙烯产率可较当时的管式炉提高7％。

苏联专利SU 392723(1983年7月15日)发明了氧化裂解甲烷生成乙炔和乙烯的方法，将甲烷加热到820℃与200℃的氧相混合，认为进入周期短不会直接点燃。富甲烷混合物通过拉伐尔喷管加速到超音速，该超音速气流在喷管出口外与靶体相撞，在靶前形成脱体激波。激波下游气流温度急剧上升，甲烷被点火燃烧，温度进一步大幅度升高。富余的甲烷裂解生成乙炔和乙烯。

上述两个专利中都采用了激波加热控制停留时间。当原料气以超音速流过激波，气流减速为亚音速，温度在极短的时间内升高，为缩短停留时间创造了必要条件。然而在前述的美国专利中，当液体燃料喷入高温燃气中，已经被加热裂解，随后的激波加热控制裂解究竟能起多大作用难以确定。在前述的苏联专利中，当820℃的甲烷与200℃的氧混合时，难以防止点火燃烧。激波下游混合物温度低于初始混合温度。如果激波加热升温能点火引燃，则初始混合亦能点火。激波加热控制停留时间的作用亦难确定。

为了克服上述两个专利的不足，美国专利NO 5,219,530(1993年6月15日)提出新的激波加热方法，采用过热水蒸汽作载体气，载体气通过列阵喷管加速成多股超音速流。原料气预热后通过列阵喷管内通道与超音速载气流相平行地射入各股气流中间。两者在混合段中湍流混合形成超音速混合流。在混合过程中，原料气要始终保持其温度位于亚裂解温度范围，不发生裂解。超音速混合流通过激波后，温度急速升高开始裂解生成所需产品。这种加热方法能严格控制停留时间，因而可明显提高产品产率。然而由于载体气与燃料气混合时，既要避免混合过程中原料气温度超过亚裂解温度，又要将载体气能量传递给原料气，难度很大。为此采用了过量载体气(水蒸汽超过96％)。当以乙烷作原料，裂解生成乙烯时，乙烯产率较管式炉高出约20％。然而，耗用过量水蒸汽，导致运行费昂贵，阻碍它在工业上的实用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种反向射流混合加热裂解装置，其造价低廉，抗结焦能力强，产品产率高。

本发明的又一目的在于提供一种利用上述装置生产乙烯的方法。

为实现上述目的，本发明提供的反向射流混合加热裂解装置，其整体呈一风洞管状，包括有：

一个燃烧室，用于产生高温载体气；

一个雾化喷嘴，用于喷射水蒸汽，将载体气调节成所需温度；

一个拉伐尔喷管，使载体气通过该喷管时加速至超音速并进入裂解段；

一个预热热交换器，用于将原料气升温到接近开始裂解的温度；

一个原料喷射器，设有喷射孔，用于将接近开始裂解温度的原料气喷射至裂解段；

一个水冷热交换器，用来冻结并接受裂解产品；

一个燃料气稳压器和一个氧气稳定器，置于炉体外部，分别用来稳定燃料气和氧气的压力，并通过各自的临界喷管进入燃烧室。

所述原料喷射器上设有一排喷射孔，置于超音速载体气流的轴线上，形成的原料气射流与载体气流方向互成180°。

所述原料喷射器上设有两排喷射孔，其角度β为10-90°，形成的原料气射流与载体气流互成(180-β)°。

所述原料喷射器与预热热交换器之间的距离可以调节。

本发明提供的一种利用上述装置生产乙烯的方法，以高温水蒸汽或水蒸汽和二氧化碳混合气为载体气，在燃烧室内的压力为0.5-2.0Mpa；用雾化喷嘴喷出的水蒸汽调节降低载体气温度，其载体气流过拉伐尔喷管形成超音速载气流，其马赫数Ma＝1.5-4；被预热到接近开始裂解温度的原料气在裂解段中反向射入超音速载体气流中；停留所需时间后被淬冷，将所需产品冻结下来。

所述高温水蒸汽是采用氢和氧混合燃烧生成。

所述水蒸汽和二氧化碳混合气是采用甲烷和氧混合燃烧生成。

所述调节降低载体气温度是用雾化水。

本发明提供的上述装置，使原料气反向射入高焓超音速载体气流中，互相混合后使原料气急速上升。载体气采用氢和氧或甲烷和氧混合燃烧生成高温水蒸汽或水蒸汽和二氧化碳混合气。通过喷入燃烧室中的雾状水降低载体气温度，调节到所需温度的载体气流过拉伐尔喷管形成超音速载气流。被预热到接近开始裂解温度的原料气在裂解段中反向射入超音速载气流中。原料气射流与速音速载体气流强烈互相干扰，混合后的混合气降至亚音速，温度急速升高开始裂解。停留所需时间后被淬冷，将所需产品冻结下来。

附图说明

下面结合附图对本发明的结构和原理进行详细描述，其中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的原料喷射器结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，燃料(氢或甲烷)和氧分别通过稳压器1和2，使压力保持恒定，然后分别通过临界喷管3和4进入燃烧室5。只要临界喷管喉部为音速流，则燃料和氧的流率将不受燃烧室背压大小而影响保持恒定。分别调节燃料和氧稳压压力以及喷管喉部截面积大小，即可使燃料和氧的流率达到成化学当量比流入燃烧室，使其完全燃烧，形成载体气。在燃烧室5下游，由雾化喷嘴6喷入水蒸汽将或雾化水，将载体气调节降低至所需的温度。载体气流通过拉伐尔喷管7加速至超音速后流入裂解段8。

原料气在预热热交换器9中升温到接近开始裂解温度后流入原料喷射器10，并通过该喷射器10上的喷射孔11反向或斜向射入裂解段8，原料气射流与反向超音速载体气流强烈干扰，快速混合升温，开始裂解。停留所需时间后，混合物流先被预热热交换器9，继而被水冷热交换器12冷却，将裂解得到的产品冻结下来。混合物流在裂解段8停留时间可通过改变原料喷射器10与预热热交换器9之间的距离加以调节。

请参阅图2，该图是原料喷射器10的截面图。前面的叙述中提到原料气从原料喷射器10上的喷射孔11反向或斜向射入裂解段8，这取决于原料喷射器10上的喷射孔11的设置。图2a和图2b显示了喷射孔11的两种设置。图2a显示的是单排喷射孔11，位于超音速载气流的轴线上，形成的原料射流与载气流方向正相反，互为180°。图2b显示的是两排喷射孔11，这两排喷射孔11的角度β为10-90°，形成的原料气射流与载气流互成(180-β)°。

实施例：室温氢和氧从各自的储气罐分别经过稳压器1和2后，控制压力稳定为1Mpa。氢通过喉部直径为3.8cm的临界喷管3，氧通过喉部直径为5.5cm临界喷管4，同时射入燃烧室5混合后点火燃烧。燃烧产生的水蒸汽的质量流率为6.5Kg/sec。燃烧室的后部，喷入经预热的水蒸汽，其质量流率5.5Kg/sec，温度范围为500-600K(该温度远低于燃料燃烧后产生的水蒸汽的温度，为便于叙述，分别称为高温水蒸汽和低温水蒸汽)。高、低温水蒸汽混合后的温度为1800K，总流率为12Kg/sec；拉伐尔喷管7喉部直径为18.5cm，水蒸汽总压为0.6Mpa。水蒸汽在拉伐尔喷管7出口处加速到Ma＝3。以乙烷为原料，从原料喷射器10的喷射孔11斜向喷入直径为50cm的裂解段8。原料喷射器10椭圆截面横轴长3cm，长轴长5cm，壁厚0.5cm；喷射孔11为两排，每排5孔，共10孔，孔直径2cm。乙烷经预热交换器9加热到亚裂解温度(该温度控制在小于700K)，加热到600K，压力为0.5Mpa，每秒可喷入3Kg乙烷。喷入量随压力上升而上升，随温度上升而下降。

本发明按68％乙烷转化为乙烯，以工作周期为80％(年工作7000小时)计算，利用本发明可年产乙烯50,000吨。

Claims (9)

1、一种反向射流混合加热裂解装置，其整体呈一风洞管状，包括有：

一个燃烧室，用于产生高温载体气；

一个雾化喷嘴，用于喷射水蒸汽，将载体气调节成所需温度；

一个拉伐尔喷管，使载体气通过该喷管时加速至超音速并进入裂解段；

一个预热热交换器，用于将原料气升温到接近开始裂解的温度；

一个原料喷射器，设有喷射孔，用于将接近开始裂解温度的原料气喷射至裂解段；

一个水冷热交换器，用来冻结并接受裂解产品；

一个燃料气稳定器和一个氧气稳定器，置于炉体外部，分别用来稳定燃料气和氧气的压力，并通过各自的临界喷管进入燃烧室。

2、如权利要求1所述的反向射流混合加热裂解装置，其特征在于，所述原料喷射器上设有一排喷射孔，置于超音速载体气流的轴线上，形成的原料气射流与载体气流方向互成180°。

3、如权利要求1或2所述的反向射流混合加热裂解装置，其特征在于，所述原料喷射器上设有两排喷射孔，其角度β为10-90°，形成的原料气射流与载体气流互成(180-β)°。

4、如权利要求1、2或3所述的反向射流混合加热裂解装置，其特征在于，所述原料喷射器与预热热交换器之间的距离可以改变。

5、一种利用上述装置生产乙烯的方法，以高温水蒸汽或水蒸汽和二氧化碳混合气为载体气，在燃烧室内的压力为0.5-2.0Mpa；用雾化喷嘴喷出的水蒸汽调节降低载体气温度，其载体气流过拉伐尔喷管形成超音速载气流，其马赫数Ma＝1.5-4；被预热到接近开始裂解温度的原料气在裂解段中反向射入超音速载体气流中；停留所需时间后被淬冷，将所需产品冻结下来。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述高温水蒸汽是采用氢和氧混合燃烧生成。

7、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述水蒸汽和二氧化碳混合气是采用甲烷和氧混合燃烧生成。

8、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述雾化喷嘴喷出的水蒸汽温度为400-700K。

9、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述调节降低载体气温度是用雾化水。

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