CS219211B1

CS219211B1 - Pipe furnace for thermal claving the hydrocarbons

Info

Publication number: CS219211B1
Application number: CS117681A
Authority: CS
Inventors: Eduard Vasicek
Original assignee: Eduard Vasicek
Priority date: 1981-02-19
Filing date: 1981-02-19
Publication date: 1983-03-25

Description

Vynález se týká trubkové pece pro tepelné štěpení uhlovodíků, za normální teploty kapalných či plynných, za účelem výroby olefinů, především etylenu a dalších chemicky využitelných uhlovodíků. Pec je uzpůsobena pro proces pyrolýzy vedený za relativně vysokých reakčních teplot a nízkých parciálních tlaků uhlovodíků, při velmi krátké době prodlení suroviny v procesních trubkách.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a tube furnace for the thermal cracking of hydrocarbons at normal temperature, liquid or gaseous, for the production of olefins, in particular ethylene and other chemically usable hydrocarbons. The furnace is adapted for a pyrolysis process conducted at relatively high reaction temperatures and low hydrocarbon partial pressures, with a very short residence time of the feedstock in the process tubes.

Pyrolýza plynných či kapalných uhlovodíků, s bodem varu až do 360 °C se zpravidla provádí v přítomnosti ředicí páry v trubkových pecích při teplotách 700 až 850 °C a době prodlevy zpracovávané suroviny 0,3 až 1,0 s. Vlastní reakční prostor představuje v těchto klasických trubkových pecích převážně svislý trubkový had, a to buď jednoduchý, anebo rozvětvený. Trubkový had je vyhříván sálavým teplem stěny pece, vytápěné sálavými hořáky různých typů. Vnitřní průměr trubkového hadu se pohybuje obvykle v rozmezí 75 až 160 mm, celková délka hadu v rozmezí 45 až 120 m.Pyrolysis of gaseous or liquid hydrocarbons, boiling up to 360 ° C, is generally carried out in the presence of dilution steam in tube furnaces at temperatures of 700 to 850 ° C and a residence time of the feedstock of 0.3 to 1.0 s. These classic tube furnaces are mostly vertical tube snake, either simple or branched. The pipe coil is heated by the radiant heat of the furnace wall, heated by radiant burners of various types. The internal diameter of the tube coil is usually in the range of 75 to 160 mm, the total length of the coil in the range of 45 to 120 m.

Spaliny z radiační sekce jsou vedeny do sekce konvenční, kde se jejich tepla využije k odpaření a předehřátí uhlovodíkové suroviny, k přehřátí ředicí páry, popřípadě k předehřevu spalovacího vzduchu anebo napájecí vody pro výměníky či kotle, v nichž se odpadní teplo pyroplynů zužitkuje k výrobě vysokotlaké páry, popřípadě k přehřátí této páry. Zreagovaná směs uhlovodíků s párou musí být totiž nezbytně v zájmu potlačení nežádoucích sekundárních reakcí bezprostředně po výstupu z trubkového hadu prudce ochlazena. Tohoto intezívního ochlazení se zpravidla dosáhne v některém typu vysokotlakého výměníku, v němž se tepla odebraného reakční směsi využívá k výrobě páry o tlaku 1,2, až 15 MPa, určené příkladně k pohonu turbokompersorů v procesu nízkoteplotního dělení ochlazených plynných produktů pyrolýzy.The flue gases from the radiation section are led to a conventional section where their heat is used to evaporate and preheat the hydrocarbon feedstock, to overheat the dilution steam, or to preheat the combustion air or feed water for heat exchangers or boilers where the waste heat of pyropas is utilized to produce high pressure steam, optionally to overheat the steam. Indeed, in order to suppress unwanted secondary reactions immediately after leaving the coil, the reacted steam-hydrocarbon mixture must be quenched. This intensive cooling is generally achieved in some type of high-pressure exchanger, in which the heat of the extracted reaction mixture is used to produce steam at a pressure of 1.2 to 15 MPa, designed, for example, to drive turbo-chambers in a low-temperature separation process of cooled pyrolysis gas products.

Vzhledem k tomu, že jak procesní trubky, tak i chladicí či výměníkový systém se během procesu pyrolýzy postupně zanášejí vylučujícími se dehtovými vysokomblekulárními sloučeninami a koksem, je třeba zařízení po určité době odstavit a vyčistit.Since both the process tubes and the cooling or heat exchanger system are gradually clogged during the pyrolysis process with the excremented tar-high-molecular-weight compounds and coke, it is necessary to shut down and clean the device after some time.

U trubkové pece či reaktoru se odkoksování provádí profukováním trubek vysokotlakou párou anebo směsí páry a vzduchu. V chladicích zařízeních se koks odstraňuje obvykle mechanicky či hydraulicky po odstavení a ochlazení chladiče a po demontáži jeho vstupní a výstupní části.In a pipe furnace or reactor, decoking is effected by blowing the pipes through high pressure steam or a mixture of steam and air. In cooling equipment, coke is usually removed mechanically or hydraulically after the cooler is shut down and cooled and the inlet and outlet parts have been removed.

Hlavní nevýhody dosud známých, průmyslově využívaných trubkových pecí spočívají především v tom, že trubkové hady jsou značně členité a jsou opatřeny větším počtem kolen s nátrubky a náliťky, které je možno vyrobit pouze statickým litím, takže jsou nezbytně tlustostěnné a zvyšují celkovou váhu trubkového hadu a nadto jsou i značně nákladné, neboť jsou zhotoveny z vysoce legovaných žáruvzdorných materiálů.The main drawbacks of the known industrial furnaces are, first of all, that the snakes are considerably rugged and have a plurality of sleeves and sleeves which can only be produced by static casting, so that they are necessarily thick-walled and increase the overall weight of the tube. moreover, they are also very expensive, since they are made of high-alloy refractory materials.

K nevýhodám dosud užívaných trubkových pecí patří kromě toho i okolnost, že jsou vesměs řešeny jako jednoúčelové, tj. jsou uzpůsobeny pro zpracování zcela určitého typu suroviny. K tomuto účelu jsou provedny vždy příslušné konstrukční adaptace a změny, které bývají nejrozsáhlejší zejména v úseku výměny a využití odpadního tepla.The disadvantages of the furnaces used hitherto include the fact that they are generally designed as single-purpose, i.e., they are adapted for the processing of a certain type of raw material. For this purpose, the relevant design adaptations and changes are carried out, which are most extensive, especially in the area of heat exchange and recovery.

Podstatnou nevýhodou klasických typů trubkových pecí je pak především skutečnost, že nedávají předpoklady pro vedení pyrolýzy při reakční době kratší než 0,3 s, takže nejsou schopny splnit požadavky současného světového trendu na zvýšení výrobní kapacity pece a výtěžnost etylénu cestou zvyšování „ostrosti” reakčních podmínek tj. zejména zvýšení pracovní teploty při současném zkrácení reakční doby.The main disadvantage of the conventional types of tube furnaces is the fact that they do not give prerequisites for pyrolysis at reaction times less than 0.3 s, so that they are not able to meet the current world trend requirements for increasing furnace production capacity and ethylene yield by increasing the "sharpness" of reaction conditions. i.e. in particular an increase in the working temperature while reducing the reaction time.

Potřebné předpoklady pro ultrakrátkodobý proces pyrolýzy naproti tomu poskytuje trubková pec pro tepelné štěpení uhlovodíků podle vynálezu, která sestává z alespoň jedné radiační komory obsahující řadu svislých procesních trubek, napojených na jeden či více tepelných výměníků, umístěných nad radiační komorou, popřípadě vedle ní, a dále z konvenční sekce napojené na odvod spalin z radiační komory či komor, a která je charakterizována tím, že jednotlivé procesní trubky jsou vytvořeny jako dvoutrubka, která je vyvedena z radiační komory a. plynule přechází ve výměníkovou část, opatřenou' hrdly pro přívod předehřáté suroviny a odvod chlazeného produktu pyrolýzy. ^;Λ·; ,The necessary preconditions for the ultra-short-term pyrolysis process, on the other hand, are provided by the hydrocarbon thermal cracking furnace according to the invention, which consists of at least one radiation chamber containing a series of vertical process tubes connected to one or more heat exchangers located above or next to the radiation chamber. a conventional section connected to a flue gas outlet from the radiation chamber or chambers and characterized in that the individual process tubes are formed as a two-pipe which is discharged from the radiation chamber and continuously passes into a heat exchanger section provided with necks for supplying preheated feedstock; removal of cooled pyrolysis product. ^{; Λ} ·; ,

Tím, že procesní trubka, zejména její reakční část, je vytvořena jako dvoutrubka, se dociluje maximálního zvýšení výhřevné plochy na jednotku objemu protékající suroviny. K tomu přistupují výhody vyplývající z použití přímých trubek, které jsou ve srovnání se složitými trubkovými hady snadněji montovatelné i demontovatelně, a které poskytují nadto i možnost pružné regulace průtoku zpracovávané suroviny trubkou a splňují proto předpoklady pro vedení procesu pyrolýzy za zostřených podmínek, tj. při vyšších reakčních teplotách a velmi krátké reakční době. Důsledkem tohoto opatření je, že výtěžnost etylénu se v peci podle vynálezu zvýší.By providing the process tube, in particular the reaction part thereof, as a double tube, the maximum increase in the heating surface per unit volume of the flowing raw material is achieved. In addition, the advantages of using straight tubes, which are easier to mount and dismount compared to complex pipe snakes, and which also provide the flexibility to regulate the flow rate of the feedstock through the pipe and thus meet the prerequisites for conducting the pyrolysis process under sharpened conditions, i.e. higher reaction temperatures and very short reaction times. The consequence of this measure is that the yield of ethylene in the furnace according to the invention is increased.

Ve srovnání s klasickými trubkovými hady se ve svazku přímých procesních trubek podle vynálezu potlačí rovněž na minimum zanášení trubek koksovitými úsadami, a tím se prodlouží délka pracovního cyklu. Odkoksování je přitom možno provádět velmi jednoduchým způsobem, za použití páry nebo parovzdušné směsi, a to současně jak v radiační, tak i výměníkové části dvoutrubek, aniž by bylo nutno zařízení odstavit z provozu, ochladit a demontovat.Compared to conventional pipe snakes, coke deposits are also reduced to a minimum in the straight process pipe bundle according to the invention, thereby extending the working cycle length. The decoking can be carried out in a very simple manner, using steam or a steam-air mixture, both in the radiation and in the heat exchanger part of the double pipes, without the need to shut down, cool and dismantle the device.

V zájmu maximálního snížení stavební výšky dvoutrubky v úseku výměníkové části může být dvoutrubka dále v tomto úseku s výhodou provedena jako dvojitá dvoutrubka, opatřená hrdlem pro přívod předehřáté suroviny ve vnějším plášti a hrdlem pro odvod chlazeného produktu pyrolýzy ve vnitřním plášti vnější dvoutrubky.In order to maximize the construction height of the two-pipe in the section of the heat exchanger part, the two-pipe can furthermore preferably be designed as a double two-pipe in this section, provided with a throat for supplying preheated feedstock in the outer sheath and a throat for the cooled pyrolysis product.

Zejména výhodné je přitom uspořádání, kdy vnitřní plášť nese na svém spodním konci opěrný element, spočívající na stropní konstrukci pece, zatímco vnější plášť je k vnitřnímu plášti napojen v odstupu, který odpovídá 1/20 až 1/10. celkové délky vnitřního pláště. V tomto odkrytém úseku dochází totiž k prudkému, nárazovému ochlazení reakční směsi bezprostředně po jejím výstupu z radiační zóny.It is particularly advantageous in this case that the inner shell carries at its lower end a support element resting on the ceiling structure of the furnace, while the outer shell is connected to the inner shell at a distance of 1/20 to 1/10. total length of inner shell. In fact, in this exposed section, the reaction mixture suddenly cools down immediately after its exit from the radiation zone.

Vnější trubka dvoutrubky může být dále v úseku obklopeném vnějším pláštěm na své vnější straně opatřena tepelně izolační vrstvou, která zvyšuje chladicí účinek předehřáté směsi suroviny a páry, vedené do reakce prostorem vnějšího pláště, vůči gyroplynu opouštějícímu dvoutrubku v protiproudu prostorem vnitřního pláště.Further, the outer tube of the double tube may be provided with a heat insulating layer on its outer side in a section surrounded by the outer jacket, which increases the cooling effect of the preheated feedstock and steam mixture reacted through the outer jacket space against the gyroplyn leaving the double tube in countercurrent through the inner jacket.

Dvoutrubka je dále v místě přestupu reakční směsi z vnitřní trubky do vnější trubky, popřípadě z vnějšího pláště do vnitřní trubky opatřena usměrňovacím přechodovým dnem ve tvaru půlanuloidu. Tímto uspořádáním se dociluje plynulého obrácení směru toku reakční směsi a předchází se případnému zakoksování mrtvých koutů.The double tube is further provided with a rectangular half-laloid-shaped rectifier transition at the point of transfer of the reaction mixture from the inner tube to the outer tube or from the outer jacket to the inner tube. This arrangement results in a continuous reversal of the direction of flow of the reaction mixture and avoids possible coking of dead corners.

V prostorech mezi jednotlivými trubkami nebo plášti dvoutrubky, popřípadě dvojité dvoutrubky jsou umístěny středicí přepážky ve formě plochých návarků, připojených ke stěně trubky či pláště v takových vzdálenostech a takovém sklonu, aby vykazovaly co nejmenší aerodynamický odpor. V přednostním uspořádání mají přepážky tvar jedno- či vícechodé, spojité či přerušované šroúbovice, jejíž stoupání se po délce dvoutrubky mění v přímé závislosti na teplotě protékající reakční směsi tak, aby rychlost plynné reakční směsi zůstávala i při narůstající teplotě ve všech úsecích dvoutrubky konstantní. Tímto opatřením se sníží zakoksování teplosměnných ploch na minimum.In the spaces between the individual tubes or sheaths of the double tube or double double tube there are centering baffles in the form of flat bosses attached to the wall of the tube or jacket at such distances and inclination as to have as little aerodynamic resistance as possible. In a preferred embodiment, the baffles are in the form of a single or multi-walled, continuous or discontinuous helix, the pitch of which varies along the length of the two-tube in direct dependence on the temperature of the reaction mixture flowing so that the gaseous reaction mixture remains constant. This measure reduces coking of heat transfer surfaces to a minimum.

V zájmu úspory drahých legovaných materiálů je dále účelné uspořádání, při němž dvoutrubka, popřípadě dvojitá dvoptrubka, je zhotovena z většího počtu úseků, vyrobených z ocelí o rozdílném obsahu legovacích přísad. Z vysoce legovaných materiálů je pak možno zhotovit pouze ten úsek vnější trubky, který je v radiační zóně vystaven největší tepelné zátěži. Zbývající část vnější trubky, stejně jako vnitřní trkubka a oba pláště mohou být zhotoveny z materiálů o postupně nižší tepelné odolnosti, tedy méně legovaných, a proto i levnějších.In order to save expensive alloyed materials, it is also expedient to have a double pipe or double pipe made of a plurality of sections made of steels of different alloying agent contents. Only the outer tube section that is exposed to the greatest heat load in the radiation zone can be made of high-alloy materials. The remaining part of the outer tube as well as the inner tube and both shells can be made of materials of gradually lower heat resistance, ie less alloyed and therefore cheaper.

SWITH

K podstatným výhodám konstrukčního uspořádání pece podle vynálezu patří dále i okolnost, že jak v procesní, tak i ve výměníkové části dvoutrubky je zcela odstraněno pnutí z tepelných dilatací. Zůstává pouze namáhání z vnitřního přetlaku a tepelných spádů ve stěně trubek.The essential advantage of the furnace construction according to the invention is furthermore the fact that both the process and the heat exchanger part of the double tube completely eliminate the stresses from the thermal dilatations. Only the stresses from internal overpressure and thermal gradients in the pipe wall remain.

Významné jsou kromě toho i úspory investičních nákladů, které vyplývají z toho, že při stejné půdorysné ploše a stejném výkonu se výška pece v provedení podle vynálezu sníží až o 1/3. Vzhledem k tomu, že se rovněž podstatně zjednoduší i údržba a čištění pece, dosahuje se kromě toho i snížení provozních nákladů až o 25 %.In addition, investment cost savings are significant as a result of the furnace height of the embodiment according to the invention being reduced by up to 1/3 with the same floor area and output. In addition, as the maintenance and cleaning of the furnace is also considerably simplified, operating costs can be reduced by up to 25%.

Shora uvedené okolnosti spolu s konstrukční jednoduchostí pece jsou současně i zárukou provozní spolehlivosti a prodloužení životnosti celé výrobní jednotky.At the same time, the above-mentioned circumstances, together with the design simplicity of the furnace, guarantee operational reliability and extend the life of the entire production unit.

V novém uspořádání pece jsou kromě toho vytvořeny i dobré předpoklady pro odpaření a předehřev uhlovodíkové suroviny, vedené do reakce, za využití odpadního tepla jednak kouřových plynů, jednak horkých pyrolýzních plynů, vystupujících z reakce, tj. z radiační zóny. Tím se podstatně sníží spotřeba tepelné energie a odpadní teplo plynného produktu pyrolýzy se přitom zužitkuje způsobem, který je hospodárnější a méně náročný než způsob využití v provozně choulostivém paroenergetickém zařízení. Vysokého obsahu tepla ve spalinách je možno kromě toho využít v konvekci i k současné výrobě technologické páry, zatímco vysokotlaká pára, potřebná pro pohon turbokompresorů v úseku dělení plynů a ke krytí spotřeby páry při spouštění, zastavování či odkoksování zařízení, se pro celou výrobní jednotku vyrábí ve standardním kotelním zařízení s využitím tepla odpadních pyrolýzních plynů, zejména metanu, kterého je v daném případě k dispozici více, než je zapotřebí k vytápění pecí. Tímto uspořádáním se pak docílí toho, že se celá pyrolýzní jednotka stává energeticky soběstačnou.In addition, in the new furnace arrangement, good conditions are provided for the evaporation and preheating of the hydrocarbon feedstock to be reacted using the waste heat of both the flue gases and the hot pyrolysis gases exiting the reaction zone, i.e. the radiation zone. As a result, the thermal energy consumption is substantially reduced and the waste heat of the gaseous pyrolysis product is utilized in a way that is more economical and less demanding than the use in a delicate steam generating plant. Furthermore, the high heat content of the flue gas can be used in convection and in the simultaneous production of process steam, while the high-pressure steam required to drive turbochargers in the gas separation section and to cover steam consumption when starting, stopping or decoking the plant a standard boiler plant using the heat of the waste pyrolysis gases, in particular methane, which in this case is more available than is necessary for heating the furnaces. With this arrangement, the entire pyrolysis unit becomes energy self-sufficient.

K významným výhodám uspořádání trubkové pece podle vynálezu patří posléze i okolnost, že užití pece není omezeno jen na jediný typ suroviny, ale že pec má univerzální charakter a může zpracovávat jak plynné, tak i kapalné uhlovodíky bez nutnosti provedení konstrukčních změn na zařízení. Mění se pouze technologické parametry, jako nastřikované množství suroviny, poměr suroviny k ředicí páře a vstupní teploty suroviny, popřípadě její směsi s vodní párou.Significant advantages of the furnace arrangement according to the invention include the fact that the use of the furnace is not limited to a single type of raw material, but that the furnace is of a universal nature and can process both gaseous and liquid hydrocarbons without requiring design changes to the apparatus. Only the technological parameters, such as the feed rate of the feedstock, the ratio of feedstock to dilution steam and the inlet temperature of the feedstock, or its mixture with water vapor, change.

Příkladné provedení trubkové pece podle vynálezu je dále blíže znázorněno na připojeném výkrese, kde obr. 1 představuje ve svislém řezu trubkovou pec se dvěma samostatnými radiačními komorami, společnou středovou konvekci a výměníkovými úseky uspořádanými nad radiačními komorami, obr. 2 ve svislém řezu detailní provedení dvoutrubky v reakční i výměníkové části, βAn exemplary embodiment of a tubular furnace according to the invention is further illustrated in the accompanying drawing, wherein FIG. 1 is a vertical cross-section of a tubular furnace with two separate radiation chambers, a common central convection and exchanger sections arranged above the radiation chambers. in the reaction and exchanger part, β

obr. 3 ve svislém řezu, v detailu spodní část vnější dvoutrubky se vstupním a výstupním hrdlem a s naznačenou středící přepážkou, obr. 4 příčný řez vedený rovinou A-A výměníkové části dvoutrubky podle obr. 2 s naznačenými středícími přepážkami a vstupním i výstupním hrdlem, obr. 5 svislý řez částí dvoukomorové pece v uspořádání, při němž jsou výměníkové části dvoutrubky umístěny vedle radiačních komor.Fig. 3 is a vertical cross-sectional detail of the lower part of the outer double tube with inlet and outlet throats and the centering baffle indicated; Fig. 4 is a cross-section taken along the plane AA of the exchanger part of the double tube of Fig. 2 with centering baffles and inlet and outlet throats; 5 is a vertical cross-sectional view of a portion of a two-chamber furnace in an arrangement wherein the two-tube heat exchanger portions are located adjacent to the radiation chambers.

Pec v provedení znázorněném na obr. 1 se v radiační části podstatně neliší od běžného uspořádání vysokovýkonné trubkové pyrolýzní pece. Tvoří ji dvě paralelně zapojené radiační komory 1, vytápěné bezplamennými sálavými hořáky 4, umístěnými v obou bočních stěnách 3 radiačních komorThe furnace of the embodiment shown in FIG. 1 does not differ substantially from the conventional high-performance pyrolysis furnace arrangement in the radiation portion. It consists of two parallel-connected radiation chambers 1, heated by flame-free radiant burners 4, located in both side walls 3 of the radiation chambers

1. Kouřové plyny, které předaly část svého tepla v radiační komoře 1 do procesních trubek 5, 6, uspořádaných v jedné řadě ve středu radiační komory 1, odcházející s dosud značně vysokým tepelným obsahem do konvenční sekce 2, kde se jejich tepla využije k odpaření uhlovodíkové suroviny a vody a částečnému přehřátí jejich par. V zájmu docílení homogenního teplotního pole je odtah 7 kouřových plynů z radiace do konvekce proveden ve spodní části pece.1. Flue gases which have transferred part of their heat in the radiation chamber 1 to process tubes 5, 6 arranged in a row in the center of the radiation chamber 1, leaving with a still very high heat content into a conventional section 2 where their heat is used to evaporate hydrocarbon feedstock and water and partially overheating their vapors. In order to achieve a homogeneous temperature field, the exhaust of 7 flue gases from the radiation to the convection is carried out in the lower part of the furnace.

Konvekční sekce 2, která je umístěna mezi oběma samostatnými radiačními komorami 1 a je zaústěna do komína 8, je ke shora uvedenému účelu vybavena dvěma systémy svislých trubkových hadů: trbkovými hady je vzestupně, v souproudu s tokem spalin, vedena uhlovodíková surovina, přiváděná do pece potrubím 20, zatímco trubkovými hady proudí voda, přiváděná do pece potrubím 21. Jak uhlovodíková surovina, tak i voda se v trubkových hadech 9, 10 odpařují a jejich páry se přehřívají na požadovanou vstupní teplotu, která je dána typem zpracovávané suroviny: při zpracování nižších plyných uhlovodíků, jako metanu, etanu či propanu, postačí obvykle předehřev na cca 200 °C; při zpracovávání lehkého benzinu se odpařené páry uhlovodíkové suroviny předehřívají obvykle na 300 °C, při zpracování těžkého benzinu na 400 °C, při zpracování petroleje na 450 °C a při zpracování ropy cca 550 °C.The convection section 2, which is located between the two separate radiation chambers 1 and opens into the chimney 8, is equipped with two vertical pipe coil systems for the above-mentioned purpose: the pipe snakes are fed in ascending current with the flue gas flow into the furnace Both the hydrocarbon feedstock and the water in the coils 9, 10 evaporate and their vapors overheat to the desired inlet temperature, which is given by the type of feedstock being processed: gaseous hydrocarbons, such as methane, ethane or propane, usually preheating to about 200 ° C is sufficient; in the treatment of light gasoline, the vaporized hydrocarbon feedstocks are usually preheated to 300 ° C, in the case of the treatment of heavy gasoline to 400 ° C, in the case of kerosene to 450 ° C and in the case of petroleum approx.

Po obou stranách pece jsou nad radiačními komorami 1 uspořádány výměníkové části 11 dvoutrubek, které plní současně funkci předehřívače suroviny a chladiče reakčního produktu. Detailní uspořádání dvoutrubky 5, 6, jak v procesní, tak i ve výměníkové části 11, je patrno z obr. 2 a 4. Funkci dvoutrubky S, 6 je možno nejlépe objasnit na popisu činnosti trubkové pece podle vynálezu: z trubkových hadů 9 vystupující páry uhlovodíkové suroviny, předehřáté na potřebnou vstupní teplotu, se ve směšovací 22 mísí s vodní párou, která vystupuje z trubkových hadů 19 a může být přehřátá na přibližně stejnou výstupní teplotu jako uhlovodíková surovina. V zásadě se však teplota vodní páry na výstupu z konvekce řídí především zvoleným ředícím poměrem a dále druhem zpracovávané suroviny.On both sides of the furnace, two-tube exchanger parts 11 are arranged above the radiation chambers 1, which at the same time serve as the preheater of the feedstock and the cooler of the reaction product. The detailed arrangement of the two-pipe 5, 6 in both the process and the heat exchanger part 11 can be seen from FIGS. 2 and 4. The function of the two-pipe S, 6 is best illustrated by the operation of the furnace according to the invention The hydrocarbonaceous feedstock preheated to the required inlet temperature is mixed in the mixing 22 with water vapor that exits the tubular snakes 19 and can be superheated to approximately the same outlet temperature as the hydrocarbonaceous feedstock. In principle, however, the temperature of the water vapor at the outlet of the convection is governed primarily by the selected dilution ratio and the type of raw material to be processed.

Ze směšovače 22 se směs uhlovodíkových par a vodní páry potrubím 23 vede do hrdla 14, vytvořeného ve vnějším plášti 12 dvojité dvoutrubky. Protéká ve směru zdola nahoru prstencovým prostorem mezi vnějším pláštěm 12 a vnitřním pláštěm 13, přičemž se ještě dále předehřívá v nepřímém styku s pyroplyny, vedenými v protiproudu prstencovým prostorem mezi vnitřním pláštěm 13 a vnější trubkou 6 směrem k odvodnému hrdlu 15. Směs předehřáté suroviny a páry, vystupující z vnějšího prstencového prostoru, je horním přechodovým dnem 17 usměrněna do prostoru vnitřní trubky 5, kterou protéká ve směru shora dolů, přičemž se dále předehřívá, takže do radiační komory 1 vstupuje s teplotou nad 600 °C.From the mixer 22, the mixture of hydrocarbon vapor and water vapor is passed through a conduit 23 to a neck 14 formed in the outer casing 12 of the double double tube. It flows in a bottom-up direction through the annular space between the outer casing 12 and the inner casing 13, further preheating in indirect contact with the pyro-gases conducted in countercurrent through the annular space between the inner casing 13 and the outer tube 6 towards the drain 15. The vapor emerging from the outer annular space is directed through the upper transition bottom 17 into the space of the inner tube 5, which flows from the top downwards, further preheating, so that it enters the radiation chamber 1 at a temperature above 600 ° C.

Radiační komorou 1 protéká reakční směs dvoucestně: při průtoku vnější trubkou 6 je přitom ohřívána sálavým teplem stěn 3 radiační komory a zčásti i kouřovými plyny, zatímco při průtoku vnitřní trubkou 5 směsí proudící ve vnější trubce 6, a to na teplotu, při níž proběhne tepelné štěpení v uhlovodíkové surovině obsažených nasycených uhlovodíků za vzniku uhlovodíků nenasycených, převážně etylénu a propylenu. Při přestupu z vnitřní trubky 5 do vnější trubky 6 je přitom reakční směs opět usměrněna spodním přechodovým dnem 16.Radiation chamber 1 flows through the reaction mixture in two ways: when it flows through the outer tube 6 it is heated by the radiant heat of the walls 3 of the radiation chamber and partly also by the flue gases, while flowing through the inner tube 5 flows through the mixture flowing in the outer tube 6 to a temperature at cleavage of the saturated hydrocarbons contained in the hydrocarbon feedstock to form unsaturated hydrocarbons, predominantly ethylene and propylene. When transferring from the inner tube 5 to the outer tube 6, the reaction mixture is again rectified by the lower transition bottom 16.

Pyroplyn, který na výstupu z radiační komory 1 vykazuje teplotu zhruba 800 až 950 stupňů Celsia, je pak při průtoku výměníkovou částí 11 dvoutrubky v zájmu potlačení nežádoucích sekudárních reakcí prudce ochlazen pod kritickou teplotu, tj. pod cca 600 °C. K rozhodujícímu chladicímu impulsu však dochází především v tom úseku dvoutrubky 5, 6, který je bezprostředně po výstupu z radiační komory 1 obklopen pouze vnitřním pláštěm 13 a je vystaven chladicímu účinku již ochlazeného pyroplynu, vedeného tímto pláštěm směrem k výstupnímu hrdlu 15. Chladicí účinek pyroplynu, opouštějícího výměníkovou část 11 dvoutrubky, je navíc v tomto úseku zesílen i chladicím účinkem okolního prostředí. U provozních pecí činí délka tohoto rozhodujícího úseku řádově cca 1 m.The pyro gas, which has a temperature of about 800 to 950 degrees Celsius at the outlet of the radiation chamber 1, is then quenched below the critical temperature, i.e., below about 600 ° C, in order to suppress undesirable secondary reactions. However, the decisive cooling pulse occurs, in particular, in that section of the double-pipe 5, 6 which is immediately surrounded by the inner jacket 13 immediately after leaving the radiation chamber 1 and is subjected to the cooling effect of the already cooled pyroplyn directed through the jacket towards the outlet neck 15. exiting the heat exchanger part 11 of the double tube is additionally reinforced in this section by the cooling effect of the surrounding environment. With operating furnaces, the length of this crucial section is of the order of approximately 1 m.

Ochlazený pyroplyn, který opouští výměníkovou část 11 dvoutrubky hrdlem 15, se dále potrubím 24 odvádí k dalšímu zpracování, popřípadě k dalšímu dochlazení ve sprchových chladičích, kde se jeho teplota sníží ve styku se sprchovým olejem.The cooled pyroplyn, which leaves the exchanger part 11 of the two-pipe through the neck 15, is further led through line 24 for further processing or further cooling in shower coolers, where its temperature decreases in contact with the shower oil.

V zájmu zintenzívnění přestupu tepla mezi čerstvou surovinou, natékající ve směsi s vodní párou prostorem mezi vnějším pláštěm 12 a vnitřním pláštěm 13, a pyroplynem opouštějícím výměníkovou část 11 v protiproudu prostorem mezi vnitřním pláštěm 13 a vnější trubkou 6, je vnější trubka opatřena tepelně izolační vrstvou 18, vytvořenou kupříkladu z oplášťovaných asbestavých desek. V jiném uspořádání může izolační vrstvu nahradit kupříkladu další souosá trubka, vymezující s vnější trubkou 6 prstencový prostor o velmi malé šířce, vyplněný tepelně izolačním materiálem. Je však třeba zdůraznit, že v zájmu docílení potřebného chladicího rázu je izolační vrstva 18 ukončena v úrovni spodního okraje vnějšího pláště 12 a nepřesahuje tedy do úseku obklopeného pouze vnitřním pláštěm 13.In order to intensify the heat transfer between the fresh raw material flowing in a mixture with water vapor through the space between the outer casing 12 and the inner casing 13 and the pyro gas leaving the heat exchanger part 11 in countercurrent space between the inner casing 13 and the outer tube 6, the outer tube is provided with a thermal insulation layer 18, for example made of sheathed asbestos boards. In another arrangement, the insulating layer can be replaced, for example, by another coaxial tube defining an outer space 6 with an annular space of very small width, filled with a thermally insulating material. It should be noted, however, that in order to achieve the necessary cooling impact, the insulating layer 18 terminates at the level of the lower edge of the outer sheath 12 and thus does not extend into a section surrounded only by the inner sheath 13.

Na obr. 3 a 4 je znázorněno v detailu provedení hrdel, tj. přívodního hrdla 14 i výstupního hrdla 15, Obě hrdla jsou zaústěna do příslušného vnějšího či vnitřního pláště dvojité dvoutrubky v tangenciálním směru, a to jak ve vztahu k obvodu pláště, tak i ke směru toku reakční směsi tímto pláštěm, resp. k podélné ose přerušované tříchodé šroubovice, kterou vytvářejí středící přepážky 26. Obr. 5 představuje alternativní provedení pece v podmínkách, kdy není nutno omezovat zastavěnou plochu a požaduje se naopak další snížení celkové stavební výšky pece. Výhodou tohoto uspořádání, při němž je výměníková část 11 dvoutrubky umístěna vedle radiační komory 1, je rovněž snadnější přístup k výměníkové části. Obou shora uvedených předností se však dosahuje za cenu dalších tlakových ztrát a zvýšených investičních nákladů, nehledě k potížím, které jsou spojeny s nutností použití spojovacích kolen u dvoutrubky.FIGS. 3 and 4 show in detail the throats, i.e. the inlet throat 14 and the outlet throat 15. Both throats are connected to the respective outer or inner jacket of the double double tube in tangential direction, both in relation to the circumference of the jacket and to the direction of flow of the reaction mixture through this jacket, respectively. to the longitudinal axis of the intermittent three-helix formed by the centering baffles 26. FIG. 5 shows an alternative embodiment of the furnace in conditions where there is no need to limit the built-up area and, on the contrary, a further reduction of the overall height of the furnace is required. The advantage of this arrangement, in which the exchanger part 11 of the double tube is located next to the radiation chamber 1, is also easier access to the exchanger part. However, both of the above advantages are achieved at the cost of additional pressure losses and increased investment costs, notwithstanding the difficulties associated with the use of connecting elbows in a double tube.

K těmto potížím patří kupříkladu i nezbytnost vyrovnání rozdílných tepelných dilatací v trubkách. Rozhodného, nárazového chladicího účinku se v tomto uspořádání dociluje v odkryté spojovací části dvoutrubky 5, 6, v úseku mezi jejím výstupem z radiační komory 1 a místem napojení dvojitého pláště 12, 13.These problems include, for example, the necessity to compensate for different thermal dilatations in the tubes. A decisive impact cooling effect is achieved in this arrangement in the exposed connecting portion of the double tube 5, 6, in the section between its outlet from the radiation chamber 1 and the point of connection of the double jacket 12, 13.

V následujícím jsou uvedeny příkladně některé z hlavních parametrů dvoukomorové pece o výkonu 100 000 t etylénu/rok, zpracovávající benzin vroucí v rozmezí od 50 do 180 °C:The following is an example of some of the main parameters of a two-chamber furnace with an output of 100,000 tons of ethylene / year, processing gasoline boiling in the range of 50 to 180 ° C:

průměr vnější trubky průměr vnitřní trubky průměr vnitřního pláště průměr vnějšho pláště délka trubek v radiaci počet trubek v peci průtok suroviny jednou trubkou průtok suroviny celkem průtok páry jednou trubkou průtok páry celkem směrná teplota pyrolýzy doba prodlení suroviny v radiaci teplota na vstupu z konvekce teplota na výstupu z konvekce teplota pyroplynu na výstupu tlak pyroplynu na vstupu mm 57 mm 133 mm 159 mm 12 m 100diameter of outer tube diameter of inner tube diameter of outer jacket diameter of outer tube length of tubes in radiation number of tubes in furnace raw material flow through one tube raw material flow total steam flow through one tube steam flow total guide temperature pyrolysis residence time in radiation inlet temperature from convection outlet temperature from convection temperature of pyrop gas at outlet pressure of pyrop gas at inlet mm 57 mm 133 mm 159 mm 12 m 100

400 kg/hod.400 kg / hour

tun/hod.tonnes / hour

200 kg/hod. 20 tun/hod. 870 °C 0,075 s cca 60 °G 300 fC200 kg / hour 20 tons / hour 870 ° C 0.075 with approx. 60 ° G 300 fC

350 až 450 °C350-450 ° C

do výměníku into the exchanger 0,4 MPa 0.4 MPa tlak pyroplynu na výstupu output pressure z výměníku from the exchanger 0,15 MPa 0.15 MPa topný plyn fuel gas metan methane výkon topení na jednu trubku heating capacity per pipe 71 m³/hod.71 m ³ / hour přebytek vzduchu excess air 1,07 1.07 spalovací teplota combustion temperature 1600 °C 1600 ° C teplota vyzdívky pece furnace lining temperature 1300 °C 1300 ° C teplota na jízku pece temperature of the furnace 1100 °C 1100 ° C teplota spalin v komíně flue gas temperature in the chimney 150 °C 150 [deg.] C konverse na etylén conversion to ethylene (s recyklem etanu) (with ethane recycling) 32 % vah. 32% of the scales.

Předmět vynálezu není ovšem omezen jen na provedení znázorněná na výkrese. Trubková pec může zahrnovat pouze jedinou radiační komoru kruhovou či čtyřúhelníkového půdorysu, napojenou na vyoseně umístěnou konvekci, která je umístěna buď ve stejné rovině jako radiační komora, anebo nad ní.However, the invention is not limited to the embodiments shown in the drawing. The tube furnace may comprise only a single radiation chamber of circular or quadrangular plan, connected to an off-axis convection, which is positioned either in the same plane as or above the radiation chamber.

V případě, že je použito radiační komory s kruhovým půdorysem, jsou procesní trubky uspořádány do prstence podél vnitřní stěny této komory. Stěnové hořáky jsou v takovémto případě doplněny ještě o hořáky umístěné ve dně a stropu pece. Stejně tak může být odtah kouřových plynů proveden v horní části radiační komory a je možno volit i jiné uspořádání trubkových hadů v konvekci.When a circular chamber radiation chamber is used, the process tubes are arranged in a ring along the inner wall of the chamber. In this case, the wall burners are supplemented with burners located in the bottom and ceiling of the furnace. Likewise, the flue gas exhaust can be carried out in the upper part of the radiation chamber and a different arrangement of the tube coils in convection can be chosen.

K uhlovodíkové surovině, vystupující z trubkových hadů konvekce, může být kromě ředicí páry přimíšen i etan, který vzniká v průběhu pyrolýzy a recykluje se z úseku nízkoteplotního dělení plynných produktů pyrolýzy. Tím odpadá nutnost jeho zpracování v samostatné peci a poněkud odlišném konstrukčním uspořádání a výtěžky užitečných produktů se tím dále zvýší.Ethane, which is produced during pyrolysis and is recycled from the low-temperature separation section of the pyrolysis gaseous products, can be mixed with the hydrocarbon feedstock emerging from the convection tube coils. This eliminates the need to process it in a separate furnace and somewhat different design, and the yields of useful products are further increased.

Claims

SUBJECT

Tubular furnace for the thermal cracking of hydrocarbons, at normal temperature, gaseous or liquid, consisting of at least one radiation chamber, comprising a series of vertical process tubes which are connected to one or more heat exchangers placed above or adjacent to the radiation chamber, and further a convection section connected to a flue gas outlet from the radiation chamber or chambers, characterized in that the individual process tubes are formed as a double pipe (5, 6), which is led out of the radiation chamber (1) and passes continuously into the exchanger part (11), provided with necks (14, 15) for supplying preheated feedstock and discharging the cooled pyrolysis product.

Tube furnace according to claim 1, characterized in that the exchanger part (11) of the double tube (5, 6) is designed as a double double tube (5, 6, 12, 13) provided with a neck (14) for supplying preheated raw material in the outer jacket. (12) and a neck (15) for discharging the cooled pyrolysis product in the inner casing (13) of the outer double tube.

Tube furnace according to claim 2, characterized in that the inner shell (13) of the double double-pipe (5, 6, 112, 13) carries at its lower end a support element (19) resting on the ceiling structure of the furnace while the outer shell (12). ) is connected to the inner shell at a distance,

Which corresponds to 1/20 to 1/10 of the total length of the inner shell.

Tube furnace according to Claims 2 and 3, characterized in that the outer tube (6) of the double tube (5, 6) is provided with a heat-insulating layer (18) in a section surrounded by the outer jacket (12).

Tube furnace according to Claims 1 to 4, characterized in that the double tube (5,6) is at the point of transfer of the reaction mixture from the inner tube (5) to the outer tube (6) or from the outer jacket (12) to the inner tube (5). 5) provided with a rectangular transition bottom (16, 17) in the shape of a half-lanloid.

Tube furnace according to Claims 1 to 5, characterized in that centering partitions (26) are arranged in the spaces between the individual tubes (5, 6) or the casing (12, 13) of the double tube or double double tube.

Tube furnace according to claim 6, characterized in that the centering partitions (26) are in the form of a single or multi-pass, intermittent or continuous helix whose pitch extends along the length of the double tube (5, 6) or double double tube (5, 6, 12). 13) directly changes the temperature of the reaction mixture flowing through it.

Tube furnace according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the double tube (5, 6) or the double double tube (5, 6, 12, 13) is made of a plurality of sections made of steels of different alloying agent contents.