DE2824838A1

DE2824838A1 - Thermisches kracken von kohlenwasserstoffen

Info

Publication number: DE2824838A1
Application number: DE19782824838
Authority: DE
Inventors: James David Kearns
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1977-06-07
Filing date: 1978-06-06
Publication date: 1978-12-14
Also published as: BE867860A; IT7824278A0; GB2000181A; JPS6316438B2; SE7806634L; DE2824838C2; FR2393842B1; IT1096620B; NL7806160A; FR2393842A1; JPS543103A; GB2000181B; CA1107220A; SE427755B; US4142963A

Description

PATENTANWÄLTE 282 A 838

DlpL-lng. P. WIRTH · Dr. V. SCHMIED-KOWARZIK Dlpl.-lng. G. DANNENBERG · Dr. P. WEINHOLD ■ Dr. D. GUDEL

335024 ΰ\ SIEGFRIEDSTRASSE 8

TELEFON: C089) ^ " (K " ^_{00 MDNCHEN} 40

SK/SK

C-11 277-G

Union Carbide Corporation

270 Park Avenue

New York, N.Y. 10017 / USA

Thermisches Kracken von Kohlenwasserstoffen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren zum thermischen Kracken von Kohlenwasserstoffen zur Herstellung der gewünschten Olefine.

Im "Advanced Cracking Reaction" (ACR) Verfahren wird ein Strom heißer gasförmiger Verbrennungsprodukte in der Verbrennungszone einer ersten Stufe gebildet. Die heißen gasförmigen Verbrennur.^sprodukte können durch Verbrennen vieler verschiedener fließbarer (z.B. gasförmiger, flüssiger oder verwirbelter, fester) Brennstoffe in einem Oxidationsmittel und in Anwesenheit von überhitztem Wasserdampf entwickelt werden. Dann wird die zu krackende Kohlenwasserstoffbeschickung in einer zweiten Stufe in den heißen, gasförmigen Strom der Verbrennungsprodukte eingeführt und zwecks Krackung gemischt. Nach Abschrecken in einer dritten Stufe werden die Verbrennungc- und Reaktionsprodukte dann vom Strom abgetrennt.

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Bei einem solchen Verfahren hat es sich zur Erzielung entsprechender Reaktionsergebnisse als wesentlich erwiesen, da3 man ein wirksames Mischen von Gas- und flüssiger Phase erreicht, um den notwendigen Kontakt zwischen den beiden reagierenden Phasen zu erhalten.

Es hat bereits viele Versuche gegeben, das Mischen von Gas- und flüssiger Phase in einem solchen Verfahren zu verbessern, die bisherigen Versuche trafen jedoch auf Grenzen. Ein solches bekanntes Mischverfahren ist in der US PS 3 855 339 beschrieben. Dabei wurde der Einführungswinkel der flüssigen Kohlenwasserstoffphase in den heißen gasförmigen Verbrennungsproduktstrom geregelt, um ein noch wirksameres Mischen zu erreichen. Ein Einführungswinkel der flüssigen Phase in den heißen, gasförmigen Verbrennungsproduktstrom zwischen 120 bis 150 wurde aufrechterhalten. Die Verbesserung der Mischergebnisse war durch das erreichbare Maß an Eindringen des flüssigen Stromes in den heißen, gasförmigen Verbrennungsproduktstrom begrenzt.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein verbessertes Maß an Eindringen und damit ein besseren Mischen gegenüber den bekannten Verfahren.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum thermischen Kracken von Kohlenwasserstoffen durch Einführung einer flüssigen Erdölbeschikkung in einen Strom heißer, gasförmiger Verbrennungsprodukte, gebildet durch die Verbrennung von fließbarem Brennstoff und Oxidationsmittel in Anwesenheit von Wasserdampf in einer Vorrichtung mit einer Verbrennungs/Misch-Zone und einer stromabwärts

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davon liegenden Reaktionszone, ist dadurch gekennzeichnet, daß man die Flüssigkeit als mindestens einen Strom in den heißen, gasförmigen Verbrennungsproduktstrom einführt und mischt, wobei gleichzeitig jeder der flüssigen Ströme mit einem gemeinsam -eingeführten, ringförmigen umhüllenden Strom ("shroud stream") eines Schutzgases (im folgenden kurz "Gasmantel" genannt) umgeben und geschützt wird, wobei dieses Gas eine ausreichende Geschwindigkeit besitzt, um den Impuls ohne merkliche Verdünnung des Verbrennungsproduktstromes (d.h. vorzugsweise nicht über 10 %) zu ergänzen und dieses Gas eine Temperatur nicht wesentlich unterhalb derjenigen des flüssigen Stromes besitzt.

Es wurde gefunden, daß der bevorzugte Einführungswinkel für die besten Mischergebnisse derjenige der obigen US PS 3 855 339 ist, d.h. zwischen 120° und 150° zur stromabwärts liegenden Fließachse des heißen, gasförmigen Verbrennungsproduktstromes. Auch der insbesondere bevorzugte Winkel von etwa 135° wurde bestätigt.

Es wurde gefunden, daß man zwar eine Anzahl von Gasen als Gasmantel verwenden kann, daß man jedoch die besten Gesamtergebnisse des Verfahrens erreichen kann, wenn man Wasserdampf als Gasmantel verwendet.

Daten und Berechnungen haben gezeigt, daß sich die mögliche Eindringung um etwa 8 % erhöht und durch einen zusätzlichen Impuls—fluß um 2 %, verursacht durch den Gasmantel, bewirkt wird. Vermutlich ist das Impulsflußverliältnis ("momentum flux ratio") eine wichtige Variable. In Füllen hoher Konzentrationen an flüssiger Beladung, wie sie hier verwendet werden, beschleuigt das Gas die flüssigen Teilchen und erhöht tatsächlich den Im-

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puls derselben und daher das Eindringen. So unterstützt die Verbesserung des flüssigen Eindringen durch den Gasmantel, wenn ein ausreichend hoher Impuls desselben geliefert wird, die Flüssigkeit bei ihren Versuchen, in den in Querrichtung fließenden Gasstrom einzudringen.

Vermutlich erreicht man die günstigste Wirkung aus kleinen Mantelflächen, nämlich

1 +

Q = das "ummantelte" ("shrouded") dynamische Druckverhältnis (dimensionslos)

q = das "nicht ummantelte" ("unshrouded") dynamische Druckverhältnis der eingeführten Flüssigkeit auf das entgegenkommende Gas (dimensionslos)

m = Fließgeschwindigkeit des Mantelgases; lbs./sec m_L Flüssigkeitsfließgeschwindigkeit; lbs./see

U = Gasgeschwindigkeit; ft/sec

U, = Flüssigkeitsgeschwindigkeit; ft/sec

Dies schafft auch eine relativ hohe Gasgeschwindigkeit, U , für

eine gegebene Fließgeschwindigkeit bei Umhüllung, m . Geschwin-

digkeiten des Umühllungs- bzw. Mantelgases über 75 m/sec sind empfehlenswert. Weiter wird darauf hingewiesen, daß die obigen

bezüglich
Ausführungen der Literatur / der (Flüssigkeit in Gas) Ein-

dringung entsprechen, wobei ü = "q ist, wenn m = 0 ist.

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Daher kann das dynamische Druckverhältnis, q", das das Eindringen der Flüssigkeit in ein quer dazu fließendes Gas kontrolliert, auf einen höheren Vert, Q , eingestellt werden, wenn ein Gasinantel mitverwendet und entsprechend betrieben wird. Der entscheidende Vorteil der Umhüllung, d.h..des Gasmantels besteht darin, daß die Flüssigkeitströpfchen (a) eine zusätzliche Menge Impuls bekommen und/oder (b) ihren ursprünglich verliehenen Impuls langer bewahren, was beides das Eindringen der Flüssigkeit in den quer dazu fließenden Gasstrom erhöht. Der Gasmantelimpuls kann durch Ändern der Gasmassenflußmenge, der Gasgeschwindigkeit, des Mantelflußgebietes oder der Gasdichte eingestellt werden. Zweckmäßig entspricht die Form des Mantels derjenigen der Flüssigkeitsdüsenöffnung, so daß er das gesamte flüssige Sprühgut umgibt.

Das erfindungsgomäße Verfahren wird nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht.

In den Zeichnungen ist Fig. 1 ein schematischer Teilschnitt durch den Verbrennungsbrenner, Reaktor und die Abschreckzonen einer zur Durchführung der erfindungsgemäßen thermischen Krakkung von Kohlenwasserstoffen geeigneten Vorrichtung.

Fig. 2 ist eine schematische graphische Darstellung eines Teils der Verbrennungs- und Reaktionszonen einer zur Durchführung der erfindungsgemäßen thermischen Krackung von Kohlenwasserstoffen geeigneten Vorrichtung.

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-s-

Fig. 3a und 3b sind ein schematischer Längsschnit bzw. Querschnitt von erfindungsgemäß verwendbarem Düsen zur Einführung von Flüssigkeit.

Fig. 4a und 4b sind ein schernatischer Längs- bzw. Querschnitt von modifizierten, erfindungsgemäß verwendbaren Einführungsdüsen.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung umfaßt eine Verbrennungszone 10, die durch die Halsteilzone 12 mit einer sich nach außen erweiternden Reaktionszone 14 in Verbindung steht. Eine Abschreckzone 16 ist am stromabwärts liegenden Ende der Reaktionszone 14 angeordnet. Diese Drei-Stufen-Reihe von Behandlungszonen ist in einer Vorrichtung enthalten, die aus wärmefestem Material 18 besteht und innere, wärmefeste Auskleidungen 20 der Zonenwände hat.

Im sich verengenden Basisteil der Verbrennungszone 10 ist eine YM-

von
zahl/ Einführungsdüsen 22 für die flüssige Phase angebracht. Die Düsen liegen um die Peripherie der Verbrennungszone 10, die vorzugsweise einen ringförmigen Querschnitt hat, was auch für die anderen Zonen der Vorrichtung gilt.

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Die Einführungsdüse 22 der flüssigen Phase hat einen abgestuften, (»stepped»)
/ringförmigen zentralen Durchgang 24 für den Fluß der im ACR Verfahren zu krackenden, flüssigen Kohlenwasserstoffbeschikkung. Ein ringförmiger Durchgang 26 umhüllt den zentralen Durchgang 24 und dient dem Fluß eines ringförmigen Gasmantels aus einem schützenden Gas, wie Wasserdampf, das aus der Düse um den BeSchickungsstrom abgegeben wird./ ("shroud·stream")

Die Eingangsströme aus Beschickung und Schutzgas werden vor Einführung zu den flüssigen Einführungsdüsen 22 auf die gewünschte Temperatur vorerhitzt (nicht gezeigt).

Nach Ausstoßen der Ströme 30 aus der Düse 22 werden die.Gasmäntel der Beschickung in den heißen, gasförmigen Verbrennungsproduktstrom (Brennergas) eingeführt, der von der Verbrennungszone 10 zur Mischhalszone 12 läuft, wo das anfängliche Mischen erfolgt. Die ausgestoßenen Ströme 30 werden nach Eintritt in den Strom der heißen, gasförmigen Verbrennungsprodukte der Im-•pulswirkung der letztgenannten Stromes unterworfen und in der in Fig. 2 der Zeichnungen gezeigten Weise gebogen oder gekurvt .

Wie ersichtlich, folgt der gemeinsame Strom aus ummantelter, flüssiger, aus Düse 22 augestoßener Beschickung einer sich nach außen erweiternden, gekurvten Bahn, die in einem Fall im Gebiet zwischen den Kurven 32a und 32b liegt. Es wird darauf hingewiesen, daß der Hauptanteil des eingeführten Stromes den heißen, gasförmigen Verbrennungsproduktstrom nicht wesentlich über den Punkt der Zentrallinie der Abschnitte der Verbrennungszone 10 oder der Mischhalszone 12 hinaus durchdringt. Für eine andere

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Kombination von Einführungsbedingungen mit etwas niedrigerem Impuls durch den flüssigen Mantelstrom definieren die gestrichelten Kurven 34a und 34b das Gebiet, über welches die Einführung erfolgt. Wie ersichtlich, ist die Biegung aufgrund der Wirkung des höheren Impulses des heißen Verbrennungsproduktstromes relativ zum Impuls des flüssigen Stromes stärker ausgebildet.

Wie in Fig. 1 dargestellt, wird das fließbare Abschreckmaterial durch die Einlaßleitungen 36 und die entsprechenden öffnungen 38 in die Abschreckzone 16 eingeführt.

Die in Fig. 3a und 3b gezeignten Flüssigkeitseinführungsdüsen 22 haben einen abgestufte, zentrale Leitung 24 für die flüssige Beschickung und eine äußere, ringförmige Leitung 26 für das schützende Gas, das durch Einlaßleitung 28 eingeführt wird. In den Düsenausführungsformen gemäß Fig. 4a und 4b sind der Düsenkörper, die zentrale Leitung 24 und die äußere, ringförmige Schutzgasleitung 26 alle fächerförmig und liefern einen flacheren, ausgestoßenen Strom als bei der Ausführungform von Fig. 3a und 3b.

Es wird darauf hingewiesen, daß die abgestufte Verengung des zentralen Durchganges der flüssigen Beschickung bei den Düsen der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen mit anderen Merkmalen des inneren Durchganges in bekannter Weise zusammenarbeitet, um einen Wirbelfluß der Flüssigkeit durch und aus dem Durchgang heraus zu ergeben. Dieser Wirbelfluß hat sich

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als günstig erwiesen, um später ein wirksameres Mischen der Flüssigkeit im heißen, gasförmigen Verbrennungsproduktstrom nach Einführung in denselben zu erhalten.

Beispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens zum besseren Eindringen beim fließbaren Mischen in thermischen Kohlenwasserstoff-Krackverfahren sind in der folgenden Tabelle I aufgeführt.

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U Φ

ν +5

> O CQ U

H Φ Pn-P

•Η

VO

O co

u α

ο ο

σ»

<Ν

CO

bo	O	ο	r-H
•Η	r--
CO	cn	cn *	Cl
Cu	Γ-ί

Μ—
C
•Η

P-i

σ« in

m o*

ON

ca co

OO

ο σ*

co

i-l

P^

	O^	ON	ON
•rl	r-l	CN	CN
co			Ψ
O.	m
	CN	CM	CN

C Pa

CN

cn

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In Jedem der drei Versuche von Tabelle I wurde dieselbe Flüssigkeit seinführdüse mit demselben EinfUhrungswinkel, senkrecht zur stromabwärts liegenden Fließachse des heißen, gasförmigen Verbrennungsproduktströmes, verwendet. In jedem Fall wurde eine Düse mit den folgenden Eigenschaften verwendet: Wirbel-Typ ("swirl type"), Zentraler Öffnungsdurchmesser, D = 0,079 inches; Ausstoßkoeffizient (dimensionslos), C, = 0,70, Erweiterungswinkel des Sprühgutes, θ = 23,01°.

Es wird darauf hingewiesen, daß innerhalb von weniger als 1 % und P^_n-? für alle drei Versuche konstant sind. Dies bedeutet, daß die querfließenden Gasflüsse und Flüssigkeitsflüsse gleich sind, und daß der einzige Unterschied im Eindringen auf der Wirkung des Gasmantels beruht.

In Versuch 1 ist die eingeführte Flüssigkeit nicht ummantelt, während in Versuch 2 und 3 die flüssigen Ströme durch einen unterschiedlichen Manteldruck geschützt sind, während die flüssigen Ströme praktisch denselben Druck haben.

Dme folgende Tabelle II giM; Daten zur Berechnung der nicht ummantelten dynamischen Druckverhältnisse (q), wie sie in den drei Versuchen von Tabelle I erreicht wurden.

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Tabelle II

Versuch 1, 2 und 3

0,59

1370-1371

^Ttotal · ²⁹⁸°^K

^Ttest '255,9⁰K Mach-Zahl 0,91

Schallgeschwindigkeit 1051 ft/sec

Gasgeschwindigkeit 954 ft/sec

q Gas 8,51 psia

q Flüssigkeit 671 psia

— dynamisches Druckverhältnis 79

Die folgenden Tabelle III gibt für die drei Versuche von Tabelle I den Eindringabstand für zwei vorher ausgewählte» stromabwärts liegende Abstände bei jedem der Versuche. Es wird darauf hingewiesen, daß der Ausgangspunkt der Abstandmessungen an der Düsenöffnung liegt und daß die Daten des maximalen Eindringens des Sprühgutes durch photographische Funkenschattendaten erhalten wurden. Die Erhöhung des Eindringabstandes und das damit verbundene wirksame Mischen für die aufeinanderfolgenden Versuche zeigt sich aus den Daten von Tabelle III, in welchen das nicht ummantelte Eindringen von Versuch 1 vom ummantelten Strom mit höherem Impuls von Versuch 2 überboten wurde, wobei wiederum der ummantelte Strom von Versuch 3 mit noch höherem Impuls die vorherigen Werte überstieg.

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	Tabelle	III
Versuch Nr.	stromabwärts liegender Abstand; mm	Eindringabstand mm
1	60	81,00
1	120	103,23
2	60	85,36
2	120	106,09
3	60	90,27
3	120	106,91

Die folgenden Berechnungen für die beiden ummantelten Versuche 2 und 3 von Tabelle I zeigen die Verbesserung der ummantelten dynamischen Verhältnisse für jeden Versuch.

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Berechnungen

Basis: Rötometeräquivalentfluß bei 100% (scfh) ·= 1150 ft /hr

-Vers.2 0.29 χ 1150 - 333.50 Äquivalentfluß @ 29% -Vers.3 0.341 χ 1150 - 392.15 Äquivalentfluß <§ 34.K

₀ (scfh) -Äquivalentflu& (scfh)

14.7 Λ 460 + ⁰F

U14.7 + psig y 530

Vers.2 Q«, ^β 587.56 scfh @ 19⁰C, 30.6 psig Vers.3 Q^ - 762.65 scfh @ 19⁰C, 40.5 psig

f ⁴

Vers.2 Q - 189.30 cfh
Vers.3 Q - 201.64 cfh

äußerer Manteldur ehm., D - 0.361 inch. - 9.17 ram

äußerer Düsendurciimesi'Cihnerer Manteldurchm. },D_SI « 7.5 im

\ 2

.Querschnittsmantelgebiet, ^A _s"? so" SI '«21.86 mm

U (ft/sec) - Q(IOO)(2.54²)(144)

(21.86)(3600)

.Vers. 2 U - 223.47 ft/sec Vers.3 U - 238.04 ft/sec

19⁰C, 30.6 psig*\ aus Gesetz für

Vers. 2 f (lb/ft^) « 0.23 @ 19⁰C, 30.6 psig I aus Gesetz ,Vers. 3 ^(lb/ft³) - 0.28 e 19⁰C, 40.5 psig j ideale Gase

m_g (lb/sec)

scfh = standard cuft per hour = bei

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-1S-

Vers.2 m_g = 0.0121 lb/sec Vers.3 m_g - 0.0157 lb/sec

m_T = 0.665 lb/sec

⁽°-⁶)"⁴U:ä?9») -³¹⁵·^{61 ft/se}°

ge ε schätzte Wirkung:. 3 ¹^ q 1 + --g-²

Vers. 2 Ά ^ 1.0129 <[ Vers. 3 Q « 1.0178 q

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Leerseife

Claims

Patentansprüche

Thermisches Kracken von Kohlenwasserstoffen durch Einführung einer flüssigen Erdölbeschickung in einen Strom heißer, gasförmiger Verbrennungsprodukte, gebildet durch Verbrennen eines fließbaren Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in Anwesenheit von Wasserdampf in einer Vorrichtung mit einer Verbrennungs/ Misch-Zone und einer stromabwärts davon liegenden Reaktionszono, dadurch gekennzeichnet, daß man die Flüssigkeit als mindestens einen Strom in den heißen, gasförmigen Verbrennungsproduktstron einführt und mischt, wobei man gleichzeitig jeden der Flüssigkeit sströme mit einem gleichzeitig eingeführten, ringförmigen Mantelstrom eines schützenden Gases mit ausreichender Geschwindigkeit zur Impulisergänzuiiß und einer Temperatur nicht wesentlich unter derjenigen des flüssigen Stromes umgibt und abschirmt.

2,- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein flüssiger Strom in den heißen, gasförmigen Verbrennungsproduktstrom bei einem Einführungswinkel zwischen etwa 120° und 150° zur stromabwärts liegenden Fließachse des heißen, gasförmigen Verbrennungsproduktestromes eingeführt wird,

3.- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einführungswinkel etwa 135° beträgt.

4.- Verfahren nach Anspruch 1 bis 3_t dadurch gekennzeichnet, daß das schützende Gas Wasserdampf ist.

Der Patentanwalt:

8 0 9 8 5 0/1021
ORIGINAL INSPECTED