CS256262B1 - Pec pro tepelné štěpení uhlovodíků - Google Patents

Abstract

Základním reakčním prvkem pece je svislá dvoutrubka, horním koncem vyvedena z radiační komory a nad ní plynule přecházející ve výměníkovou část, kterou tvoří uzavřený trubkový výměník. Výměník je s dvoutrubkou spojen prostřednictvím souosých přechodových dílců, doplněných popřípadě o spojovací dílec. Přechodové dílce spolu se spojovacím díloem vyrovnávají rozměrové rozdíly mezi výměníkem a dvoutrubkou a zprostředkují přestup předehřáté suroviny z mezitrubkového prostoru výměníku do prostoru mezi vnější a vnitřní trubkou. V alternativním provedení mohou přestup suroviny zajistit vybrání provedená v okrajové části spodní trubkovnice, tvarově se shodující s profilem drážek v navazující horní části vnitřního přechodového dílce. Horní trubkovnice je vyjímatelně uložena v přírubě výměníku, takže trubkový svazek spolu se spodní trubkovnicí a na ní napojenou vnitřní trubkou mohou být volně vyjmuty z pláště výměníku. Pec je určena pro milisekundový proces pyrolýzy s tzv. transfer-line oracking", kdy^se štěpná reakoe zahájí při průchodu předehřáté suroviny vnější trubkou, vyhřívanou sálavým teplem stěnových hořáků, a dobíhá v prostoru vnitřní trubky, s částečným ochlazením pyroplynu v horní části vnitřní trubky.

Description

Vynález se týká nového vytvoření pece pro tepelné štěpení uhlovodíkových surovin, za normální teploty plynných či kapalných. Pec je určena zejména pro proces tepelné pyrolýzy uhlovodíků, vedený za relativně vysokých teplot a tlaků, při velmi krátké době zdržení suroviny v reakčním prostoru za účelem výroby nižších olefinů, zejména etylenu.

Klasický proces tepelné pyrolýzy plynných či kapalných uhlovodíků se obvykle provádí v přítomnosti ředící páry, při teplotách 700 až 850° C a době zdržení suroviny 0,3 až 1,0 s v trubkových peoích, jejichž reakční prostor tvoří, nejčastěji trubkový had, bu3 jednoduchý, nebo rozvětvený. Trubkový had je vyhříván sálavým teplem bezplamenných hořáků, umístěných ve · stěnách, případně stropu či dně pece. Vnitřní průměr trubkového hadu se pohybuje v rozmezí 75 <žL 160 mm, celková délka hadu v rozmezí 45 120 m.

Spaliny z radiační sekce trubkové pece jsou vedeny do kon-’ vekční sekce, kde se jejich tepla využívá k odpaření a předehřevu uhlovodíkové suroviny, případně k přehřátí ředící páry či k předehřevu spalovacího vzduchu anebo napájecí vody pro vysokotlaké výměníky, v nichž se plynný produkt reakce, tj. pyroplyn bezprostředně po výstupu z reakčního prostoru ochladí, přičemž se tepla odebraného pyroplynu využije k výrobě vysokotlaké páry, případně k přehřátí této páry. Vysokotlaká párjt z výměníků pak slouží kupříkladu k pohonu kompresorů v procesu nízkoteplotního dělení produktů pyrolýzy.

Nevýhodou klasických trubkových pecí je především značná členitost trubkových hadů, jež jsou opatřeny velkým počtem kolen s nátrubky, které je možno vyrobit pouze statickým litím, takže vycházejí nezbytně tlustostěnné a zvyšují celkovou hmotnost trubkového hadu. Tato skutečnost se nepříznivě projevuje i ve velké spotřebě vysoce legovaných žáruvzdorných ocelí,

- 2 ι 256 282 a tedy ve vysokých investičních nákladech.

Podstatnou nevýhodou klasických trubkových peci je však především skutečnost, že nedávají předpoklady pro další zvýšení výrobní kapacity a výtěžnosti cestou zvyšování ‘'ostrosti” reakčních pódmínek, tj. cestou zvýšení reakčni teploty při zkrácení doby zdržení reakčni směsi v trubkách pod 0,3 s,

V souladu s tímto trendem bylo vyvinuto několik typů pecí pro tzv. milisekundový proces pyrolýzy, u nichž reakčni prostor tvoří svazek přímých svislých trubek relativně malého průměru, tzv. ”single-pass tiibes, které jsou na výstupu z radiační zóny napojeny bezprostředně na vlastní výměníkový úsek, vytvořený například jako duplikované kvenčovací trubky, jejichž pláštěm protéká chladicí médium, ve většině případů voda či parovodní směs.

V nedávné době byla pro milisekundový proces pyrolýzy navržena zcela nová koncepce pece, jejíž reakčni prvek tvoří dvoutrubka. V jednom z uspořádání, které bylo již ověřeno v provozním měřítku, přechází dvoutrubka v prostoru nad radiační komorou plynule ve výměníkovou část, umístěnou nad anebo vedle radiační komory a opatřenou hrdly pro přívod předehřáté čerstvé suroviny do vnějšího pláště a odvod plynného produktu z vnitřní trubky.

V zájmu snížení stavební výšky pece bylo přitom pro průmyslovou realizaci zvoleno provedení, při němž je dvoutrubka ve výměníkové části provedena jako dvojitá dvoutrubka.

Přednosti pece v tomto uspořádání spočívají především v podstatném zvýšení výhřevné plochy na jednotku protékající suroviny a ve zlepšení přestupu tepla do suroviny. Jsou zde rovněž vytvořeny dobré předpoklady pro odpaření a předehřev uhlovodíkové suroviny za využití odpadního tepla jak spalin, tak i horkého pyroplynu, vystupujícího z reakce. Tím se podstatně zlepší tepelněenergetická bilance procesu a odpadní teplo pyroplynu se zužitkuje způsobem, který je hospodárnější a méně náročný

- 3 256 262 než způsob využití v choulostivém parogenerátoru. Vysokého obsahu tepla ve spalinách je možno využít jak v konvekci, tak i k výrobě technologické páry, zatímco vysokotlaká'pára, potřebná pro pohon kompresorů v úseku nízkoteplotního dělení plynů a ke krytí spotřeby páry při spouštění, zastavování Či odkoksování zařízení, se pro celou výrobní jednotku vyrábí ve standartním kotli s využitím tepla odpadních pyrolýzních plynů, zejména metanu, jehož je v daném případě k dispozici více, než je zapotřebí pro vytápění pece. Tím se dosáhne toho, že celá pyrolýzní jednotka se stává energeticky soběstačnou.

Další předností nového uspořádání pece je možnost pružné regulace průtoku zpracovávané suroviny reakčním prvkem a kromě toho i univerzální charakter pece, v níž je možno bez zvláštních konstrukčních úprav zpracovávat jak plynné; tak i kapalné suroviny. Mění se pouze technologické parametry, jako objem nastřikované suroviny, její poměr k ředicí páře a vstupní teplota suroviny, případně její směsi s parou.

Vzhledem k tomu, že rychlost proudění reakční směsi je ve všech úsecích dvoutrubky udržována na konstantní hodnotě, sníží se i zakoksování trubek na minimum. Nová koncepce reakčního ' prvku umožňuje nadto, aby z vysoce legovaných materiálů byly zhotoveny pouze ty úseky vnější trubky, které jsou v radiační zóně vystaveny největší tepelné zátěži.

K přednostem nové koncepce pyrolýzní pece patří i značné úspory investičních nákladů, jež vyplývají z foho, že se při stejné půdorysné ploše a stejném výkonu výška pece sníží o 1/3. Zjednodušení údržby se pak projeví ve snížení provozních nákladů až o 25%.

Určitou nevýhodou nové koncepce je však složitost a výrobní pracnost zejména výměníkové části. Vzhledem k tomu, že přestup tepla v tomto úseku probíhá mezi dvěma plynnými medii, vychází délky trubek ve výměníkové části příliš dlouhé a -souhrnná hmotnost výměníkových částí je často vyšší než hmotnost samostatného

- 4 258 262 výměníku· Nepříznivý je rovněž průběh povrchových teplot po dél^ce trubek, kde nejvyšší teplota se projevuje v místech nejvyššího mechanického namáhání, a nepříznivý je i teplotní profil po délce reaktoru·

Pro odstranění těchto nevýhod bylo navrženo uspořádání, které se vrací k použití samostatných klasických vysokotlakých výměníků, umístěných nad anebo vedle radiační komory· Vnitřní trubky dvoutrubek jsou na trubkový prostor výměníku napojeny prostřednictvím výstupních kolektorů, do nichž jsou zaústěny buá přímq anebo prostřednictvím připojovacích trubek, zatímco vnější trubky jsou prostřednictvím výstupních trubek napojeny na jeden nebo několik vstupních kolektorů, spojených s výstupem trubek konvekční sekce.

Důsledkem tohoto uspořádání je zlepšení podmínek přestupu tepla do štěpené směsi v reakčním useku a skutečnost, že se umožní doběh štěpení reakční směsi ve vnitřní trubce reakčniho prvku, tedy tzv· transfer-line cracking” . Příznivější je zde i průběh povrchových teplot v reakčním prvku, stejně jako průběh teplotního profilu po délce reaktoru, z čehož vyplývá i větší životnost zařízení. Konstrukční jednoduchost pece vede nadto ke snížení výrobní pracnosti i výrobních nákladů.

íýrolýzní pec v provedení podle vynálezu je založena rovněž na nové koncepci reakčniho prvku, vytvořeného jako svislá dvoutrubka, horním koncem vyvedená z radiační komory a nad ní pře'cházející ve výměníkovou část. Účelem vynálezu je pomocí nového uspořádání zejména výměníkové části zlepšit dále funkci pece· Dosahuje se toho tím, že výměníkovou část dvoutrubky tvoří trubkový výměník, jehož pláší je v horní části opatřen vstupním hrdlem pro předehřátou směs suroviny a páry, zatímco spodním koncem je napojen na horní kohec vnější trubky, přičemž trubkový svazek výměníku je horním koncem zaústěn do výstupní komory s hrdlem pro odvod pyroplynu a spodním koncem do výstupního prostoru vnitřní trubky a přičemž horní trubkovnice výměníku je vyjímatelně uložena v přírubě výměníku, zatímco na spodní trubkovnici je napojen horní okraj vnitřní trubky·

256 262

Propojení- spodní části výměníku s dvoutrubkou zprostředkují s výhodou dva souosé přechodové dílce, vnější ra vnitřní, které vyrovnávají rozměrové rozdíly mezi výměníkem a dvoutrubkou. Vnější přechodový dílec, který zprostředkuje spojení dolního konv ce pláště výměníku s horním koncem vnější trubky, zajištuje nadto buá sám> anebo v kombinaci s na něj navazujícím spojovacím dílcem přestup předehřáté suroviny z mezitrubkového prostoru výměníku do prstencového prostoru mezi vnější a vnitřní trubkou.

Při jiném, alternativním provedení mohou přestup předehřáté suroviny zprostředkovat vybrání vytvořená v obvodové části dolní trubkovnice. Vybrání přitom tvarově korespondují s profilem drážek provedených v navazující horní části vnitřního přechodového dílce. V tomto uspořádání je spojovací dílec nadbytečný a vnější přechodový dílec plní jen funkci členu vyrovnávajícího rozměrové rozdíly mezi pláštěm výměníku a vnější trubkou. Výhodou tohoto uspořádání je snížení spotřeby legovaného materiálu a celkové hmotnosti výměníku. Ve srovnání s předchozím provedením je zde kromě toho zajištěn i konstantní průtočný průřez, který nemohou ovlivnit tepelné dilatace jednotlivých spojovacích dílců»

Souhrnně je možno výhody nového uspořádání pyrolýzní pece spatřovat především v tom, že v důsledku umístění většího počtu teplosměnných trubek ve výměníkové Části se zvětší přestupná plocha na jednotku délky. Dosáhne se tak zlepšeného přestupu tepla, výměníková část se zkrátíj a tím se sníží i její hmotnost. Dalšího zlepšení přestupu tepla ve výměníkové části je možno docílit tím, že v mezitrubkovém prostoru výměníku jsou v úseku mezi vstupním hrdlem a spodní trubkovnicí umístěny v přesazeném uspořádání usměrňovači přepážky, například přepážky va tvaru mezikruží, kruhové úseče či výseče atp.

U nového uspořádání reakčního prvku se docílí kromě toho i příznivějšího průběhu teplot ve vnější trubce v úseku radiace. Vzhledem k výhodnějšímu průběhu teplotního gradientu po délce trubky dochází k intenzivnějšímu přestupu tepla do trubky, v důsledku čehož se zvýší stupeň štěpený a tím i kapacita pece.

— 6 ·*

250 262

Značné výhody přináší kromě toho plovoucí uchycení vnitřní trubky. Přispívá nejen k odstranění veškerých pnutí z teplotních dilatací v zařízení, ale současně usnadňuje - dík tomu, že trubkový svazek může být spolu s na něj napojenou vnitřní trubkou velmi snadno vyjmut z pláště výměníku- montáž i demontáž reakčního prvku, stejně jako kontrolu, opravu anebo mechanické čistění jeho jednotlivých částí.

V novém uspořádání pece jsou nadto zajištěny i dobré předpoklady pro realizaci milisekundového procesu pyrolýzy a transfer-line cracking”.‘Uplatní se zde i všechny ostatní výhody, které přináší nové pojetí reakčního prvku ve tvaru dvoutrubky : odpadního tepla kouřových plynů i pyroplynu je účelným způsobem využ-ito k odpaření a předehřevu uhlovodíkové suroviny vedené do reakce, takže se nejen podstatně sníží spotřeba tepelné energie, ale odpadní teplo·- produktu reakce se přitom zužitkuje způsobem, který je plynného ^_OSp_Ojárnější a méně náročný než způsob využití v provozně choulostivém a nákladném parogenerétoru. Vysokého obsahu tepla ve spalinách je kromě toho možno využít k současné výrobě technologické páry, zatímco vysokotlaké péra, potřebná pro pohon kompresorů v úseku dělení plynů a ke krytí spotřeby páry při spouštění a zastavování chodu pece, popřípadě při odkoksování osálávaných teplosměnných ploch se po celou jednotku vyrábí ve standartním kotlovém zařízení, které je levnější, lehčí a provozně méně náročné a v němž se kromě uhlí mohou s výhodou spalovat i vedlejší produkty pyrolýzy, zejména metan.

Příkladné provedení pyrolyzní pece podle vynálezu je dále znázorněno schematicky na připojeném výkresu, kde obr. 1 představuje svislý řez jedním reakčním prvkem ve tvaru dvoutrubky s na ni navazujícím výměníkem, obr₀ 2 půdorysný řez spodní částí dvoutrubky podle obr. 1, vedený rovinou A-A, obr. 3 v detailu, ve svislém řezu vytvoření přechodové části výměníku v provedení podle obr. 1, obr. 4 opět v detailu a svislém řezu způsob vytvoření a uložení horní trubkovnice výměníku v provedení podle obr. 1,

- 7 256 262 obr» 5 půdorysný řez spodní částí výměníku v alternativním provedení, při němž je spodní trubkovnice po obvodu opatřena vybráními; řez je veden rovinou B-B, naznačenou v obr. 3 β

Základní součástí reakčního prvku ve znázorněném uspořádání je dvoutrubka, sestávající z vnější trubky 1 a vnitřní trubky 2. Pod otevřeným spodním koncem vnitřní trubky 2 je ve vnější trubce 1 uložen obraceč toku 2, jehož poloha je výškově stavitelné® Horní konce obou trubek 1 a 2 jsou v prostoru nad radiační komorou bezprostředně napojeny na trubkový výměník a to vnitřní trubka 2 prostřednictvím vnitřního přechodového dílce 8a vnější trubka prostřednictvím vnějšího přechodového dílce 10 a na něj navazujícího spojovacího dílce 2« Spojovací dílec % spolu s vnějším přechodovým dílcem 10 vymezují oproti spodní trubkovnici 7 θ na ni navazujícímu vnitřnímu přechodovému dílci 8 prstencový průtokový kanál, kterým předehřátá směs suroviny a páry z mezitrubkového prostoru výměníku 4 vytéká do prostoru mezi vnější trubkou 1 a vnitřní trubkou 2.

Teplosměnné trubky 6 výměníku 4 jsou spodními konci zaústěny do spodní trubkovnice 2 > zatímco horními konci jsou upevněny v horní trubkovnici 12, která je uložena vyjímatelně v přírubě 13 výměníku Vnitřní trubka 2 je díky tomuto uspořádání provedena jako plovoucí a může být spolu s trubkovým * svazkem a oběma trubkovnicemi 2.12 velmi snadno vyjmuta z vnější trubky liz pláště 2 výměníku

Na přírubu 13 výměníku dosedá shora příruba 14 výstupní komory 15 výměníku. Mezi oběma přírubami je umístěno těsnění 17« V nejvyšší části výstupní komory 15 je provedeno hrdlo 16 pro výstup pyroplynu, které je opatřeno přírubami pro napojení na nenaznačené pyroplynové potrubí. Plášť 2. výměníku je v horní části-opatřen vstupním hrdlem 11, které je prostřednictvím přírub napojeno na nenaznačené potrubí pro přívod předehřáté směsi suroviny a vodní páry z nízkotlakého kolektoru. V mezir trubkovém prostoru výměníku £ jsou nad sebou ve střídavém uspořádání umístěny usměrňovači přepážky 18 ve tvaru kruhových úsečí.

- 8 258 262

Vytvoření přechodové části výměníku, tj· obou přechodových dílců 8 a 10 spolu se spojovacím dílcem 2t J^e dobře patrno z obr.3, zatímco vytvoření horní části výměníku je v detailu znázorněno na obr· 4 . V detailním půdorysném pohledu na obr· 5 je znázorněno nejen rozmístěni teplosměnných trubek 6 výměníku 4, ale především také vytvoření vybrání 19 v obvodové části spodní trubkovnice 2* 7 tomto vyobrazení je pro úplnost zakreslen i spojovací dílec £, třebaže jeho použití není v této kombinaci nezbytně nutné a závisí spíše na technologickém vybavení a možnostech výrobce.

Předehřátá surovina, ňapříklad’ benzín, se ve směsi a vodní parou vstupním hrdlem 11 přivádí do mezitrubkového prostoru výměníku 4» Při průchodu mezitrubkovým prostorem je přitom tok suroviny usměrňován přepážkami 18. Surovina se dále ohřívá” v nepřímém styku s horkým pyroplynem, postupujícím v protiproudu trubkovým svazkem výměníku Po ohřevu v mezitrubkovém prostoru vstupoje reakční směs prstencovým prostorem, vymezeným spojovacím dílcem 2 ^a vnějším přechodovým dílcem 10 na jedné straně a spodní trubkovnicí 2 ^a vnitřním přechodovým dílcem 8 na druhé straně,do prostoru mezi vnější trubkou 1 a vnitřní trubkou 2. Tímto prostorem proudí směrem k obraceči J, přičemž se do ní nepřímým přestupem tepla z vnější trubky 1; vyhřívané spalinami ze sálavých stěnových hořáků , dostává potřebné množství tepla k nastartováni štěpné reakce. Další podíl tepla je reakční směsi v této fázi předáván z pyroplynu, postupůjícího vnitřní trubkou 2·

V obraceči J mění z větší části již zreagovaná směs směr toku a vstupuje do vnitřní trubky 2, v níž štěpná reakce dobíhá· Při průchodu vnitřní trubkou 2 přitom odevzdává část tepla chladnější směsi postulující mezitrubkovým prostorem, přičemž se sama ochlazuje. Z prostoru vnitřní trubky 2 vystupuje částečně ochlazený pyroplyn do prostoru vnitřního přechodového dílce 8 a odtud do jednotlivých trubek 6 výměníku 4» kde se ochladí pod tzv. •'kritickou teplotu” · Ochlazený pyroplyn s teplotou 350oz. 45C°G odchází z výměníku výstupním hrdlem lž do pyroplynového potrubí, kterým je veden k dalšímu zpracování, tj. nízkoteplotnímu dělení·

- 9 256 262

Uspořádání reakčního prvku pyrolýzní pece podle vynálezu není ovšem omezeno jen na znázorněné a popsané provedení. Trub kový svazek výměníku může být například vytvořen z jiného poč tu teplosměnných trubek přiměřené světlosti, Mohou být použity trubky jiného než kruhového průřezu, například trubky s oválv ným průřezem atp. Vodorovné usměrňovači přepážky mohou být při jiném uspořádání nahrazeny přepážkami ve tvaru spojité či přerušované šroubovice, umístěné na obvodu trubkového svazku či jednotlivých trubek.

Claims (4)

1. PŘEDMŽT VYNÁLEZU

   258 262

   I. Pec pro tepelné štěpení uhlovodíků, za normální teploty kapalných či plynných, sestávající z alespoň jedné radiační komory a alespoň jedné konvekční sekce, napojené na odvod spalin z .radiační komory, kde v radiační komoře jsou umístěny reakční prvky ve tvaru svislých dvoutrubek, horním koncem vyvedených z radiační komory a nad ní plynule přecházejících ve výměníkovou část, vyznačená tím, že výměníkovou část dvoutrubky (1,2) tvoří trubkový výměník (4), jehož plášl (5) je v horní části opatřen vstupním hrdlem (11) pro předehřátou směs suroviny a páry, zatímco spodní konec pláště (5) je napojen na horní konec vnější trubky (1), přičemž trubkový svazek výměníku (4) jé horním koncem zaústěn do výstupní komory (15) výměníku (4) s hrdlem (16) pro Wod pyroplynu a spodním koncem do výstupního prostoru vnitřní trubky (2) a přičemž horní trubkovnice (12) výměníku (4) je vyjímatelně uložena v přírubě (13) výměníku (4), zatímco na spodní trubkovnici (7) je napojen horní okraj vnitřní trubky (2) .
2. 2. Pec podle bodu 1, vyznačená tím, že plášl (5) výměníku je na horní konec vnější trubky (1) napojen prostřednictvím vnějšího přechodového dílce (10), popřípadě prostřednictvím kombinace vnějšího přechodového dílce (10) se spojovacím dílcem (9), zatímco spodní trubkovnice (7) je s horním koncem vnitřní trubky (2) spojena prostřednictvím vnitřního přechodového dílce (8).
3. 3. Pec podle bodu 1, vyznačená tím, že spodní trubkovnice (7) je v obvodové části opatřena vybráními (19), jejichž tvar koresponduje s profilem drážek v navazující horní části vnitřního přechodového dílce (8).

   - 11'
4. 4o Pec podle bodů 1 až 3, vyznačená tím, že v mezitrubkovém prostoru výměníku (4) jsou v úseku mezi vstupním hrdlem (11) a spodní trubkovnicí (7) v přesazeném uspořádání umístěny usměrňovači přepážky (18), například přepážky ve tvaru mezikruži, kruhové úseče či výseče.