CS266821B1 - Pec pro tepelné štěpení uhlovodíků - Google Patents

Abstract

Pec sestává z alespoň jedné radiační komory a ze společné konvekční komory. V radiační komoře je umístěna řada svislých procesních trubek vytvořených jako souosé dvoutrubky, horní částí vyvedené z radiační komory. Vnitřní trubky procesních trubek jsou prostřednictvím alespoň jednoho výstupního kolektoru napojeny na jeden nebo několik výměníků odpadního tepla. Vnější trubky jsou přes alespoň jeden vstupní kolektor spojeny s příslušným konvekčním trubkovým svazkem, sloužícím k předehřevu směsi uhlovodíkové suroviny s ředicí párou. V nejnižší části procesních trubek je vytvořen směŠovač, do něhož ústí alespoň jedna přívodní trubka pomocného teplonosného média, kupř. páry. SměŠovač je situován v úrovni dna radiační komory či pod ním. V případě, kdy je do směšovače jedné procesní trubky zaústěn větší počet přívodních trubek, je možno kombinovat odlišná teplonosná média. Při použití jediného teplonosného média je naopak možno použít jediné přívodní trubky pro alespoň dvě sousední procesní trubky. Účelné je zejména uspořádání, při němž jsou přívodní trubky teplonosného média či médií za účelem ohřevu vedeny radiační komorou. K částečnému předehřevu teplonosného média či médií může kromě toho sloužit alespoň jeden trubkový svazek umístěný ve výstupním kolektoru pyroplynu. Teplonosné médium může však být v tomto případě nahrazeno či kombinováno s jiným chladicím médiem.

Description

Vynález se týká pece pro tepelné štěpení uhlovodíků, za normální teploty kapalných či plynných, za účelem výroby nižších olefinů, zejména etylénu.

Olefiny se v průmyslovém měřítku vyrábějí většinou tepelným štěpením a dehydrogenací alkánů a jejich směsí (pyrolýzou). Tyto reakce probíhají zpravidla při teplotách 600 až 1 000 °C a jsou endotermní. Výtěžek užitečných olefinů závisí jednak na složení suroviny vstupující do reakce, jednak na reakčních podmínkách ovlivňujících rovnováhu. K nim patří především teplota, parciální tlak uhlovodíků zúčastněných a reakci a zdržná doba suroviny v reakčním prostoru.

Tlak ovlivňuje tvorbu olefinů negativně, nebot podporuje průběh nežádoucích polymeračních a polykondenzačních reakcí. Podobně ovlivňuje negativně výtěžnost olefinů i zdržná doba, zatímco teplota působí na tvorbu olefinů pozitivně, nebot podporuje průběh žádoucích endotermních reakcí se selektivitou na nejnižší olefiny. Pro optimální průběh pyrolýzy a potlačení nežádoucích vedlejších reakcí je proto vhodný strmý nárůst reakční teploty a rychlé snížení teploty ihned poté, jakmile potřebné štěpné procesy proběhnou.

V současné době se pro výrobu užitečných olefinů užívají nejčastěji trubkové pece, v jejichž radiační komoře či komorách jsou umístěny svislé či vodorovné trubkové hady. Trubkovými hady, vyhřívanými spalinami z bezplamenných hořáků, prochází uhlovodíková surovina, zředěná za účelem snížení parciálního tlaku uhlovodíků parou. Obvyklé množství páry se pohybuje v rozmezí 0,3 až 1,0 hmot, dílů páry na 1,0 hmot, díl suroviny. Zdržná doba činí při obvyklých rozměrech trubkového hadu (vnitřní průměr 75 až 160 mm, celková délka hadu 42 až 120 m) 0,3 až 0,6 sec. Reakční teplota se udržuje v rozmezí 760 až 860 °C.

Jsou známa rovněž řešení, při nichž se pro pyrolýzu uhlovodíků využívají reakční prvky typu trubka v trubce. V tomto případě se směs předehřáté suroviny s párou vede do horní části mezikruhového prostoru mezi vnější a vnitřní trubkou dvoutrubky. Při průchodu tímto prostorem je směsi dodáváno potřebné množství tepla jak pro ohřev suroviny, tak i pro průběh štěpné reakce, a to jednak vnější stěnou dvoutrubky, jednak stěnou vnitřní trubky, kterou v protiproudu postupuje teplejší pyroplyn. Při přestupu z vnější do vnitřní trubky je přitom z větší části již zreagovaná směs usměrněna obracečem umístěným v nejnižší části dvoutrubky.

Zreagovaný pyroplyn, který byl již v radiačním prostoru pece částečně ochlazen v nepřímém styku s v protiproudu do reakce vedenou relativně chladnou čerstvou směsí, opouští vnitřní trubku její výstupní částí, která se nachází mimo radiační komoru a v níž je tudíž vystaven chladicímu účinku okolního prostředí. Odtud je částečně ochlazený pyroplyn veden bud přímo, anebo přes jeden či několik výstupních kolektorů do jednoho nebo několika vysokotlakých výměníků.

Při shora uvedeném postupu se zdržná doba suroviny v reakční zóně sníží pod 0,1 sec. a reakční teplota se zvýší na 820 až 920 °C. Poměr uhlovodíkové suroviny k ředicí páře zůstává přitom stejný jako při klasické trubkové pyrolýze. Intenzívní ohřev suroviny, vedené do reakce mezitrubkovým prostorem dvoutrubky, z povrchu obou trubek zajišťuje podstatně strmější nárůst teploty než u klasické pyrolýzy, což přispívá ke zvýšení hnacích sil reakce. Předností tohoto postupu je i relativně nízká teplota pyroplynu na výstupu z reakčního prostoru, která obvykle odpovídá 750 °C. Nevýhodou této metody je naopak skutečnost, že v oblasti extrémně vysokých teplot reakční směsi, tj. teplot přesahujících 880 °C, dochází i při vysoké rychlosti proudění k průběhu nežádoucích sekundárních reakcí, provázených tvorbou nerozpustných vysokomolekulárních sloučenin s nízkým obsahem vodíku a tvorbou koksu. Současně se projeví i místní přehřívání stěn reakčního prvku se všemi negativními důsledky, tj. zvýšenou difúzí uhlíku ze suroviny do materiálu stěny, následným snížením nosnosti stěny a rizikem creepového poškození.

Je rovněž známo uspořádání, při němž se zkrácení zdržné doby suroviny v reakční zóně dosahuje tím, že vnitřní trubkou reakčního prvku ve tvaru dvoutrubky proudí ve směru shora·

CS 266 821 Bl dolů část ředicí páry, vstupující do reakbe jako pára sytá či v různé míře přehřátá, zatímco uhlovodíková surovina se zbytkem ředicí páry se přivádí do spodní části mezitrubkového prostoru, kde se mísí s podílem páry vedené středovou trubkou. Jestliže se teplota páry postupující vnitřní trubkou obvykle volí v rozmezí 900 až 1 000 °C, pak teplota pyroplynu . na výstupu z mezitrubkového prostoru činí cca 800 až 900 °C. Pyroplyn se pak obvyklým způsobem prudce ochladí na teplotu 350 až 450 °C. .

K přednostem popsaného postupu patří krátká zdržná doba, strmý nárůst teploty reakční směsi a nízký parciální tlak uhlovodíků. Za nevýhodu je možno považovat nežádoucí snížení teploty přehřáté páry při průchodu vnitřní trubkou před jejím smísením s reakční směsí a následujícím opětovným ohřevem při průchodu výsledné směsi mezitrubkovým prostorem. Důsledkem této skutečnosti je nízké využití teplosměnné plochy vnitřní trubky k přestupu tepla. Dalším nepříznivým jevem je vysoká výstupní teplota pyroplynu, která je prakticky totožná s reakční teplotou pyrolýzy. Nevýhodou je rovněž malý rozdíl mezi teplotou přehřáté páry vstupující do reakčního systému a teplotou při níž pára tento systém opouští. Nízká hodnota tohoto rozdílu, pohybující se kolem cca 100 °C, ukazuje na malé množství tepla dodaného párou do reakce. Reakční prvek pracující popsaným způsobem přechází již z typu trubka v trubce spíše na typ reaktoru s jádrem.

Nevýhody posledně popsaného postupu byly potlačeny u způsobu tepelného štěpení uhlovodíků, při němž se čerstvá uhlovodíková surovina mísí s ředicí parou v poměru 0,1 až 1,0 hmot, dílu páry na 1,0 hmot, díl suroviny, načež se výsledná směs, předehřátá na teplotu 560 až 650 °C, vede do reakčního prvku ve tvaru dvoutrubky, kde protéká sestupně vnějším prostorem prvku a vzestupně jeho vnitřním prostorem, přičemž na přechodu z vnějšího do vnitřního prostoru se k surovině zahřáté na 860 až 900 °C přivádí další podíl páry přehřáté na teplotu kolem 1 000 °C, a to v množství 0,2 až 1,0 hmot, díl suroviny.

Charakteristickým znakem posledně popsaného postupu je výhodnější průběh teplot a tlaků spolu se skutečností, že v zájmu zvýšení kapacity reakčního systému se štěpení suroviny přesouvá převážně do prostoru vnitřní trubky. Smísením částečně zreagované směsi na vstupu do prostoru vnitřní trubky s přehřátou parou dochází k prudkému nárůstů teploty směsi až na cca 950 °C, provázeného uvolněním vodíkových iontů, a současně o ke snížení parciálního tlaku uhlovodíků přibližně na polovinu. Reakční podmínky se takto přiblíží optimálním podmínkám radikálových reakcí a dosáhne se maximalizace vzdálenosti od rovnovážného stavu a tedy velké hnací síly reakcí.

Důsledkem snížení parciálního tlaku uhlovodíků je i omezení tvorby koksu a zanášení povrchu teplosměnných stěn uhlíkatými úsadami. Velký teplotní rozdíl mezi relativně chladnou směsí vedenou do reakce prostorem mezi oběma trubkami a horkým pyroplynem proudícím vnitřní trubkou podporuje intenzívní přestup tepla stěnou vnitřní trubky. Výsledkem tohoto vnitřního recyklu tepla je pak nižší výstupní teplota pyroplynu, lepší využití tepla ředicí páry a nižší tepelné zatížení vnější trubky, které vyplývá ze skutečnosti, že část tepla potřebného k ohřevu suroviny se dodává parou přehřátou na vysokou teplotu mimo vlastní reakční systém. K výhodám nového postupu patří posléze i možnost regulovat prostřednictvím regulace množství dodané uhlovodíkové suroviny v širokém rozmezí složení výsledného pyroplynu.

Vynález rozvíjí dále princip, na němž je založen posledně popsaný postup tepelného štěpení uhlovodíkových surovin, a řeší konstrukční provedení pece, umožňující přívod přídavného množství přehřáté páry či jiného pomocného teplonosného média k surovině vedené do reakce. Pec určená k realizaci tohoto postupu sestává z alespoň jedné radiační komory obsahující řadu svislých procesních trubek, horní částí vyvedených z radiační komory a napojených na -nejméně jeden výměník odpadního tepla, a dále z konvekční komory napojené na odvod spalin z radiační komory či komor, kde procesní trubky jsou vytvořeny jako souosé dvoutrubky, jejichž vnitřní trubky jsou na příslušný výměník napojeny prostřednictvím alespoň jednoho výstupního kolektoru, zatímco vnější trubky jsou prostřednictvím vstupního potrubí napojeny

CS 266 821 Bl na nejméně jeden vstupní kolektor, který je spojen s výstupem příslušného konvekčního svazku. Podstata vynálezu spočívá přitom v tom, že v nejnižší části procesních trubek, resp. dvoutrubek je vytvořen směšovač, do něhož je zaústěn alespoň jeden přívod pomocného teplonosného média, kupříkladu páry. Teplonosným médiem však může být kupříkladu i dusík, vodík, etan, atp. Ve zvláštním případě, kdy jsou do směšovače jednotlivých dvoutrubek zaústěny dva přívody pomocného teplonosného média, je možno volit i kombinaci dvou rozdílných médií.

Přívod pomocného teplonosného média je v nejjednodušším případě tvořen jednoduchou trubkou vedenou radiační komorou souběžně se svazkem procesních trubek, s výhodou v rovině proložené tímto svazkem. Toto uspořádání je výhodné nejen z hlediska konstrukčního provedení alé i z hlediska provozní ekonomiky. K předehřevu teplonosného média před jeho smísením se surovinou vedenou do reakce se takto využije tepla spalin v radiační komoře.

Jako optimální pro přívod jediného teplonosného média se dále z konstrukčního hlediska jeví uspořádání, při němž každá z přívodních trubek je společná pro alespoň dvě sousední procesní trubky.' Všechny přívodní trubky jsou přitom vstupním koncem zaústěny do nejméně jednoho společného kolektoru, přičemž jsou v zájmu kompenzace ohybového momentu zavěšeny na nosném ramenu uchyceném prostřednictvím pružného závěsu, popřípadě kluzné opěrky k ocelové konstrukci pece. V zájmu snížení tepelného namáhání je dále účelné uspořádání, při němž je spojení trubky pro přívod pomocného teplonosného média se směšovačem procesní trubky provedeno mimo prostor radiační komory. '

V zájmu optimalizace tepelného recyklu a docílení tepelně-energetické nezávislosti pece je posléze výhodné uspořádání, při němž je v nejméně jednom výstupním kolektoru procesních trubek umístěn alespoň jeden trubkový svazek, napojený na přívod pomocného teplonosného média a/nebo dalšího chladicího média. Teplonosné či chladicí médium se takto v trubkovém svazku před vstupem do společného kolektoru a rozdělením do jednotlivých přívodních trubek předehřeje v nepřímém styku s pyroplynem opouštějícím reakční systém, přičemž se pyroplyn současně před výstupem ochladí. Alternativně anebo souběžně s teplonosným médiem je pak možno zavádět do trubkových svazků i další chladicí médium, kupříkladu proud uhlovodíků.

Příkladné provedení pece pro tepelné štěpení uhlovodíků podle vynálezu je dále blíže znázorněno na připojeném výkrese, kde obr. 1 představuje v axonometrickém pohledu část svazku procesních trubek s trubkami pro přívod pomocného teplonosného média a příslušnými kolektory, obr. 2 ve svislém řezu a v detailu provedení jedné procesní trubky s trubkou pro přívod pomocného teplonosného média, zatímco na obr. 3 je schematicky znázorněn způsob uchycení přívodní trubky pro pomocné teplonosné médium prostřednictvím nosného ramene a pružného závěsu k ocelové konstrukci pece a obr. 4 představuje řez částí výstupního kolektoru s vestavěným trubkovým svazkem.

Pec znázorněná na obr. 1 sestává z radiační komory 2/ v níž jsou v jedné svislé řadě ve střídavém uspořádání umístěny jednak procesní trubky 2, jednak trubky 2 P^ro přívod pomocného teplonosného média. V bočních stěnách radiační komory 1, které jsou stejně jako zbývající stěny a dno 2 i strop 2 komory ,1 na vnitřní straně opatřeny vrstvou ohnivzdorného materiálu 12, jsou nad sebou umístěny stěnové hořáky 13 pro bezplamenné spalování plynného či kapalného paliva. Spaliny z hořáků 13, které předaly část tepla jednak procesním trubkám 2, jednak přívodním trubkám 2 P^ro pomocné teplonosné médium, odcházejí do konvekční komory 11. ^v konvekční komoře 11 jsou umístěny běžné konvekční trubkové svazky, které na výkrese pro jednoduchost nejsou znázorněny. V konvekčních trubkových svazcích se kupříkladu uskuteční ohřev napájecí vody pro vysokotlaký výměník odpadního tepla 18, ohřev uhlovodíkové suroviny a ohřev předehřáté suroviny s ředicí parou. Předehřátá směs suroviny s vodní parou, vystupující z konvekčního trubkového svazku, se pak Vede do jednoho či několika výstupních kolektorů 4, z nichž se pomocí vstupních potrubí 10 rozděluje do jednotlivých procesních trubek 2. Pyroplyn opouštějící procesní trubky 2 vytéká do výstupního kolektoru 5, z něhož je přestupným hrdlem s přírubou 6 veden do výměníku odpadního tepla 2®.· Pomocné teplonosné médium se přivádí z vnějšího zdroje do společného kolektoru 2, odkud se rozděluje do jednotlivých

CS 266 821 Bl. 5 přívodních trubek _3· V obr. 1 je naznačeno uspořádání, při němž je jedna přívodní trubka 3 společná pro dvě sousední procesní trubky 2·

Procesní trubka 2, znázorněná v detailu na obr. 2, sestává ze dvou souose v sobě umístěných trubek - vnější trubky 14 a vnitřní trubky 16. Mezi oběma trubkami 14 a 16 je vytvořen mezitrubkový prostor 1.5, do jehož horní části se Vstupním potrubím 10 ze vstupního kolektoru 2 přivádí směs uhlovodíkové suroviny s ředicí parou, předehřátá v příslušném trubkovém svazku konvekční sekce. Směs postupující mezitrubkovým prostorem 15 směrem dolů se dále ohřívá přes stěnu vnější trubky 14 spalinami ze stěnových hořáků 13 a přes stěnu vnitřní trubky 16 pyroplynem postupujícím vzestupně touto trubkou. Po dosažení nejnižšího bodu mezitrubkového prostoru 15 se předehřátá směs ve směšovači 17 mísí s pomocným teplonosným médiem vedeným přívodní trubkou 2 ^z kolektoru 2· Směšovač je umístěn v úrovni dna 2 radiační komory 2^ takže jeho spojení s přívodní trubkou 5 í^e situováno mimo radiační komoru i·

Pomocné teplonosné médium se při průchodu radiační komorou 2 v nepřímém styku se spalinami ohřívá na teplotu blízkou reakční teplotě. Takto získané teplo pak při smísení předává surovině přiváděné mezitrubkovým prostorem 15. Výsledná směs postupuje vnitřní trubkou 16 zdola nahoru, přičemž část svého tepla předává stěnou vnitřní trubky 16 čerstvé směsi vedené meziprostorem 15.· Plynný produkt reakce vystupuje z vnitřní trubky 16 do výstupního kolektoru 5, spojeného přírubou s výměníkem odpadního tepla 18.

Na obr. 3 je schematicky znázorněn způsob uchycení přívodní trubky 2 prostřednictvím nosného ramene 19 a pružného závěsu 20 k ocelové konstrukci pece. Pružný závěs může být nahrazen pochopitelně i jiným kompenzačním opěrným či závěsným členem, jako kupříkladu kluznou opěrkou. Toto uspořádání slouží ke kompenzaci ohybového momentu přenášeného ze zavěšení kolektoru 2 pomocného teplonosného média do přívodních trubek 2·

Z obr. 4 je patrno umístění trubkového svazku 21 ve výstupním kolektoru 2 horkého pyroplynu. Trubkový svazek 21 je vstupním koncem napojen na zdroj či přívod chladicího média. Výhodné je zejména uspořádání, při němž funkci chladicího média plní pomocné teplonosné médium, které se takto v trubkovém svazku 21 před vstupem do kolektoru 2 ^a přívodních trubek 2 při současném chlazení vystupujícího pyroplynu předehřívá.

Pyrolyzní pec podle vynálezu není ovšem omezena jen na provedení znázorněné na výkrese. Obměňovat je především možno poměr počtu přívodních trubek 2 P^ro pomocné teplonosné médium k počtu procesních trubek 2. To znamená, že jedna přívodní trubka 2 může být společná i pro více než dvě procesní trubky 2 anebo naopak mohou být do směšovače 17 jedné procesní trubky 2 zaústěny kupříkladu dvě přívodní trubky 2r jimiž je vedeno shodné nebo odlišné teplonosné médium.

Podobně může být obměňován i počet výměníků odpadního tepla 18. Jiným způsobem může být proveden také trubkový svazek 21 umístěný ve výstupním kolektoru 2 pyroplynu. Jediný svazek 21 prosazený celým kolektorem 2 může být kupříkladu nahrazen dvěma svazky, které jsou protékány shodným anebo odlišným chladicím médiem.

Vstupní kolektor 2 P^ro pomocné teplonosné médium nemusí být nezbytně umístěn nad stropem 2 radiační komory 2· Alternativně je možno jej umístit i pode dnem 2 radiační komory anebo uvnitř této komory. Přímé přívodní trubky 2 nemusí být rovněž nezbytně umístěny ve stejné rovině jako procesní trubky 2, třebaže je toto provedení z hlediska konstrukčního i z hlediska tepelné izolace nejvýhodnější. V některých případech je dokonce možno provést přívodní trubku 2 jako U-trubku či trubkový had, zavedený za účelem ohřevu teplonosného média do radiační komory 2 ^a zaústěny volným koncem do směšovače 17 jedné či několika procesních trubek 2. Stejně tak může být předehřev páry či jiného pomocného teplonosného média uskutečněn nejen v radiační komoře ale i v konvekci či mimo pec. Měnit se může pochopitelně i celková koncepce pece, tj. počet radiačních komor, umístění konvekce, hořáků, atp., aniž by tím byla ovlivněna hlavní myšlenka vynálezu.

Claims (7)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   1. Pec pro tepelné štěpení uhlovodíků a jejich směsí, za normální teploty kapalných či plyřflf^ch, sestávající z alespoň jedné radiační komory obsahující řadu svislých procesních trubek, horní částí vyvedených z radiační komory a napojených na nejméně jeden výměník odpadního tepla, a z konvekční komory napojené na odvod spalin z radiační komory či komor, kde procesní trubky jsou vytvořeny jako souosé dvoutrubky, jejichž vnitřní trubky jsou na příslušný výměník napojeny prostřednictvím alespoň j< ⁷ ho výstupního kolektoru, zatímco vnější trubky jsou prostřednictvím vstupního potrubí napojeny na nejméně jeden vstupní kolektor, který je spojen s výstupem příslušného konvekčního- trubkového svazku, vyznačená tím, že v nejnižší části procesních trubek (2) je vytvořen směšovač (17), do něhož je zaústěn alespoň jeden přívod pomocného teplonosného média, kupříkladu páry.
2. 2. Pec podle bodu 1, vyznačená tím, že přívod pomocného teplonosného média tvoří alespoň jedna trubka (3) vedená radiační komorou (1) souběžně se svazkem procesních trubek (2), s výhodou v rovině proložené tímto svazkem,
3. 3. Pec podle bodů 1 a 2, vyznačená tím, že trubka (3) pro přívod pomocného teplonosného média je společná pro alespoň dvě sousední procesní trubky (2).
4. 4. Pec podle bodů 1 až 3, vyznačená tím, že trubky (3) pro přívod pomocného teplonosného média jsou vstupním koncem zaústěny do nejméně jednoho společného kolektoru (7).
5. 5. Pec podle bodů 1 až 4, vyznačená tím, že trubky (3) pro přívod pomocného teplonosného média jsou zavěšeny na nosném ramenu (19) zakotveném prostřednictvím pružného závěsu (20), popřípadě kluzné opěrky v ocelové konstrukci pece.
6. 6. Pec podle bodů 1 až 5, vyznačená tím, že spojení přívodní trubky (3) pomocného teplonosného média se směšovačem (17) procesní· trubky (2) je provedeno mimo prostor radiační komory (1).
7. 7. Pec podle bodů 1 až 6, vyznačená tím, že v nejméně jednom výstupním kolektoru (5) procesních trubek (2) je umístěn alespoň jeden trubkový svazek (21) napojený na přívod pomocného teplonosného média a/nebo chladicího média.