DE69003920T2

DE69003920T2 - Sättigung von Einsatzgas zum Dampfkracken.

Info

Publication number: DE69003920T2
Application number: DE90114103T
Authority: DE
Inventors: Peter Cherish; Stephen W Morgan; William C Petterson; Thomas A Wells
Original assignee: MW Kellogg Co
Current assignee: MW Kellogg Co
Priority date: 1989-10-13
Filing date: 1990-07-23
Publication date: 1994-02-10
Anticipated expiration: 2010-07-24
Also published as: CA2021513C; CN1050893A; AU5919990A; NO174895C; MX174335B; NO904419L; RU2002792C1; US4940828A; CA2021513A1; DE69003920D1; CN1021339C; NO174895B; EP0422341B1; EP0422341A1; NO904419D0; AU623324B2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf das Dampfkracken von Kohlenwasserstoffen zur Herstellung von niedrigeren Olefinen. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf die Zugabe eines Verdünnungsdampfes zu gasförmigen Kohlenwasserstoff- Aufgabegütern, wie auch auf die Steuerung des Dampf/Kohlenwasserstoffverhäitnisses in dein resultierenden gemischten Einsatzmaterial, das in einen Dampfkrackofen eingeführt wird.
Die grundlegenden Verfahrensschritte zur Herstellung von niedrigeren Olefinen, wie etwa Ethylen und Propylen sind allgemein bekannt und umfassen ein Hochtemperaturdampfkracken von Kohlenwasserstoffen, die im Bereich von Ethan bis zu sehr schweren Gasölen liegen, Abkühlen (Quenching) der entstehenden gekrackten Gase und dann deren weitere Kühlung, Trennung von Verfahrenskondensat und den normalerweise flüssigen Kohlenwasserstoffen, Kompression des verbleibenden gekrackten Gases auf erhöhten Druck, Kühlen der komprimierten Gase und mehrfache Expansion der abgekühlten Gase durch eine Serie von Fraktionierkolonnen, um das Ethylenprodukt und Coprodukte zu trennen.
Der Dampfkrack-Schritt wird üblicherweise in einem röhrenförmigen beheizten Ofen ausgeführt, der einen Strahlungsabschnitt besitzt, worin das Kracken eintritt, und einen Konvektionsabschnitt, worin die Abwärme des Strahlungsabschnitts durch eine Einsatzmaterialvorerwärmung und eine Dampferzeugung zurückgewonnen wird. Dampfkrack-Reaktionen sind bei hoher Temperatur und niedrigem Druck bevorzugt. In der kommerziellen Praxis wird der "Verdünnungsdampf" zu dem Kohlenwasserstoffeinsatzmaterial in einer Menge gegeben, die ausreichend ist, um den niedrigsten Kohlenwasserstoffpartialdruck zu erreichen, der ökonomisch praktikabel ist. Der Verdünnungsdampf unterdrückt auch die Bildung von Koks in den Krackröhren. Typische Dampf/Kohlenwasserstoff-Gewichtsverhältnisse für verschiedene Einsatzmaterialien sind:
Ethan, Propan 0,3 bis 1
Benzin 0,4 bis 1
Gasöl 0,6 bis 1
In der tatsächlichen Praxis wird das Dampf/Kohlenwasserstoff-Verhältnis so variiert, daß die Anforderungen für eine vollständige Verdampfung der Einsatzmaterialien und der vorherrschenden ökonomischen Bedingungen erfüllt sind. Niedrigere Verhältnisse neigen dazu, den Nutzen und den Energieverbrauch in einer Olefinanlage zu senken; hohe Verhältnisse neigen dazu, die Ausbeuteselektivität zu verbesseren und den Verbrauch an Ausgangsmaterial zu senken.
Der Verdünnungsdampf ist ein Produktionskostenfaktor, da er üblicherweise aus einem Verfahrenskondensat durch Hitzeaustausch mit einem Hochdruckdampf oder mit Verbrennungsgas innerhalb des Konvektionsabschnitts des Krackofens erzeugt wird. Es ist offensichtlich, daß der Verdünnungsdampf weniger teuer wäre, wenn er durch eine Sättigung des Kohlenwasserstoffeinsatzmaterialgases mit einem Verfahrenskondensat auf eine Art und Weise bereitgestellt werden könnte, durch welche das erwünschte Dampf/Kohlenwasserstoffverhältnis erreicht wird und welche nur ein niedriges Wärmequellenniveau erfordert, das einen kleinen oder keinen wirtschaftlichen Wert hat.
Gemäß der Erfindung wird der Verdünnungsdampf zum Dampfkracken von gasförmigen Kohlenwasserstoffen bereitgestellt und gesteuert durch ein Wasser, das mit einem gleichlaufend eingespritzten Kohlenwasserstoffeinsatzmaterial aufwärts durch eine beheizte, röhrenförmige Sättigungszone zirkuliert. Ein aus der röhrenförmigen Sättigungszone zurückgewonnenes Zweiphasengemisch wird getrennt in einen Wasserstrom zur Rezirkulation und einen gemischten Einsatzmaterialstrom aus üblicherweise gasförmigem, vollständig mit Wasser gesättigtem Kohlenwasserstoff, der in eine Dampfkrackzone eingeführt wird, ohne, daß es notwendig ist, zusätzlichen Dampf zuzugeben. Die Zusammensetzung des gemischten Einsatzmaterialstromes, d.h. das Dampf/Kohlenwasserstoff-Verhältnis wird durch die Wahl der Betriebssättigungstemperatur, die in dem Sättigungssystem gewählt wird, gesteuert. Die Einspritzung des Kohlenwasserstoffeinsatzmaterialglass in den unteren gefluteten Abschnitt der röhrenförmigen Sättigungszone stellt die vollständige Sättigung des Gases bei der Wassertemperatur sicher. Die Wassertemperatur wird durch die Steuerung der Rate des indirekten Wärmeaustausches in der röhrenförmigen Sättigungszone aufrechterhalten.
Die röhrenförmige Sättigungszone ist geeigneterweise ausgestattet mit einem vertikalen Gehäuse (shell) und einem röhrenförmigen Wärmeaustauscher, der so angeordnet ist, daß das Wasser, des Verfahrenskondensates, aufwärts durch die Röhren zirkuliert und ist weiterhin so angeordnet, daß eine Aufwärtseinspritzung eines gasförmigen Kohlenwasserstoffeinsatzmaterials in die Röhren gleichlaufend mit dem zirkulierenden Wasser erfolgen kann. Das Wasser und das Gas innerhalb der Zone werden mit einer variabel gesteuerten Rate durch einen indirekten Wärmeaustausch mit einem Wärmefluid erhitzt.
Ein Zweiphasen-Gleichgewichtsgemisch aus Wasser und einem mit Wasser gesättigten Kohlenwasserstoffeinsatzmaterial wird aus der Sättigungszone zurückgewonnen und in eine Dampf/Flüssig-Trennungszone eingeführt, die einen statischen Flüssigkeitsdruck hat, der größer ist als derjenige der Sättigungszone. Vorteilhafterweise ist der Separator physikalisch oberhalb des Sättigungswärmeaustauschers gelegen.
Ein Aufwärtsfluß von Wasser durch die Sättigungszone wird durch eine Konvektionszirkulation induziert, die herkömmlicherweise als Thermosiphonzirkulation bezeichnet wird und aus der Hitzezufuhr zu der Zone resultiert. Diese Zirkulation wird durch eine Gasinjektion aufwärts in die Sättigungszone erhöht und kann gegebenenfalls durch eine Umlaufpumpe weiter erhöht werden.
Der von dem Zweiphasengemisch abgetrennte Dampf ist ein gemischter Einsatzmaterialstrom, der den gasförmigen, bei der Temperatur des Stromes vollständig mit Wasser gesättigten Kohlenwasserstoff, umfaßt. Diese Temperatur wird als die Sättigungstemperatur für einen gemischten Einsatzmaterialstrom ausgewählt, der das erwünschte Dampf/Kohlenwasserstoffverhältnis aufweist und wird aufrechterhalten durch die Steuerung des Heizfluids zu der röhrenförmigen Sättigungszone.
Da der gemischte Einsatzmaterialstrom weiterhin herkömmlicherweise in Konvektionsrohrschlangen (convection coils) des Dampfkrackofens vorgeheizt wird, sollte der gemischte Einsatzmaterialstrom frei von Kohlenwasserstoffflüssigkeit sein, um Probleme, die mit dem Erhitzen von Zweiphasengemischen in Ofenrohrschlangen (furnace coils) verbunden sind, zu verhindern. Schwerere Kohlenwasserstoffeinsatzmaterialien, wie etwa Benzine, können im ganzen Sättigungssystem in einem gasförmigen Zustand gehalten werden, indem das System bei höheren Temperaturen gehalten wird, jedoch sind Hitzequellen mit einem höheren Niveau erforderlich, die in entsprechender Weise den wirtschaftlichen Anreiz für die Verwendung des beschriebenen Sättigungssystems senken.
Dementsprechend bevorzugen wir es, einen Dampf als das Wärmefluid bei einem Druck zwischen 0 und 7,2 bar zu verwenden, der die Auswahl der Steuerungstemperatur des gemischten Einsatzmaterialdampfstromes in dem Bereich zwischen 88ºC und 160ºC erlaubt. Bei üblichen Drücken von einem gemischten Einsatzmaterialstrom in dem Bereich von 2,7 bar bis 8,3 bar erlaubt es dieser Sättigungstemperaturbereich, Dampf zu Kohlenwasserstoffgewichtsverhältnisse in dem Bereich zwischen 0,15 und 0,6 zu erreichen.
Bezugnehmend auf die Zeichnung, wird ein bekannter Dampfkrackofen 1 mit einem Konvektionsheizabschnitt 2 und einem Strahlungsheizabschnitt 3 verwendet, um Kohlenwasserstoffe zu Ethylen und anderen erwünschten Produkten zu kracken. Der Konvektionsabschnitt 2 ist mit Rohrschlangen 4, 5, 6, 7 ausgestattet, die überschüssige Wärme aus dem Ofen zurückgewinnen.
In der insbesondere illustrierten Ofenanordnung wird ein gemischter Einsatzmaterialstrom 8 bei 5,5 bar, der Verdünnungsdampf und Propan in einem Gewichtsverhältnis von 0,3 zu 1 enthält, auf die Anfangskracktemperatur in den Ofenrohrschlangen 5 und 7 erhitzt und in die Krackröhren 9 (nur eine Röhre ist gezeigt) eingeführt. Gekrackte Gase aus den Röhren 9 werden in einem Kälteaustauscher 10 rasch gekühlt und dann in ein nicht gezeigtes Produkttrennungssystem eingeführt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das von den gekrackten Gasen getrennte Verdünnungsdampfkondensat durch eine Leitung 12 als Make-up-Wasser für das Kohlenwasserstoffeinsatzgassättigungssystem in den Dampf/Flüssigseparator 11 eingeführt. Wasser aus dem Separator 11 fließt abwärts durch die Leitung 13 in den gefluteten Bodenkopf (bottom head) des Wärmeaustauschers 14 und aufwärts durch die röhrenförmige Sättigungszone, die durch die Röhren 15 gebildet wird. Das Propaneinsatzmaterial wird in das System durch die Leitung 16 eingeführt und in die Röhren 15 injiziert, worin es gleichlaufend aufwärts fließt und gesättigt wird mit dem Wasser, das durch die Leitung 13 eingeführt wird. Das Wasser- und Propangemisch darin wird durch einen indirekten Wärmeaustausch bei einer variabel gesteuerten Rate mit Dampf, der bei 3,5 bar durch das Kontrollventil 17 eingeführt wird, erhitzt. Das Dampfkondensat wird aus der Gehäuseseite des Wärmeaustauschers 14 durch die Leitung 18 entfernt.
Ein Zweiphasen-Gleichgewichtsgemisch aus Wasser und Propan wird aus dem oberen Kopfteil (top head) des Wärmeaustauschers 14 zurückgewonnen und durch die Leitung 19 dem Dampf/Flüssigseparator 11 zugeführt, aus welchem ein gemischter Einsatzmaterialstrom aus vollständig mit Wasser gesättigtem Propan über die Leitung 20 zurückgewonnen wird. Der gemischte Einsatzmaterialstrom hat das erwünschte Dampf/Propan-Gewichtsverhältnis von 0,3 bis 1 aufgrund seiner vollständigen Sättigung mit Wasser bei den Temperatur- und Druckbedingungen, die in der röhrenförmigen Sättigungszone vorliegen, die wiederum durch den Systemdruck und die Temperatur, die an der Regeleinheit 21 ausgewählt werden, gesteuert werden. In diesem Beispiel, in dem der gemischte Zufluß 8 bei 5,5 bar ist, beträgt die Temperatur des den Separator 11 verlassenden gemischten Zuflusses 20, die erforderlich ist, um das Propan bei dem erwünschten Dampf/Propanverhältnis vollständig zu sättigen, 130ºC. Der Dampffluß durch das Ventil 17 wird daher durch eine Temperaturregeleinheit 21 gesteuert, um die ausgewählte Temperatur von 130ºC aufrechtzuerhalten. Der gemischte Einsatzmaterialstrom wird dann gegebenenfalls in einem Wärmeaustauscher 22 vorgeheizt und weiter in den Ofenrohrschlangen 5 und 7 auf die Anfangskracktemperatur von 650ºC erhitzt, vor der Einführung in die Krackröhren 9. Da das erwünschte Dampf/Propanverhältnis des gemischten Einsatzmaterialstromes in dem Einsatzmaterialgassättigungssystem erreicht wird, wird kein zusätzlicher Dampf zu dem Strom gegeben.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung des Verdünnungsdampfes zum Dampfkracken gasförmiger Kohlenwasserstoffe, umfassend:

(a) Zirkulieren von Wasser aufwärts durch eine röhrenförmige Sättigungszone;

(b) Einspritzen eines gasförmigen Kohlenwasserstoffeinsatzmaterials in einen unteren, gefluteten Abschnitt der röhrenförmigen Sättigungszone, in gleichlaufendem Fluß mit dem zirkulierenden Wasser;

(c) Erhitzen des Wassers und des gasförmigen Kohlenwasserstoffeinsatzmaterials, welche mit einer variabel gesteuerten Rate aufwärts durch die röhrenförmige Sättigungszone zirkulieren, durch Wärmeaustausch, mittels eines Heizfluids;

(d) Rückgewinnung eines Zweiphasen-Gleichgewichtsgemisches, das Wasser und ein mit Wasser gesättigtes Kohlenwasserstoffeinsatzmaterial aus der röhrenförmigen Sättigungszone umfaßt;

(e) Einführen des Zweiphasen-Gleichgewichtsgemisches in eine Trennungszone, die einen statischen Flüssigkeitsdruck aufweist, der größer ist als derjenige der röhrenförmigen Sättigungszone;

(f) Rückgewinnen eines Wasserstroms aus der Trennungszone und Rezirkulieren des zurückgewonnen Wasserstroms in die röhrenförmige Sättigungszone;

(g) Rückgewinnen eines gemischten Einsatzgasstromes von gasförmigem Kohlenwasserstoff, der vollständig mit Wasser gesättigt ist und frei von flüssigen Kohlenwasserstoff aus der Trennungszone ist;

(h) Einführen des gemischten Einsatzgasstroms in eine Dampfkrackzone.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Heizfluid Dampf bei einem Druck zwischen 0 und 7,2 bar ist, wobei der Druck des gemischten Einsatzgasstromes zwischen 2,7 bar und 8,3 bar ist und die ausgewählte Steuerungstemperatur des gemischten Einsatzgasstromes zwischen 88ºC und 160ºC ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Wasser durch die röhrenförmige Sättigungszone durch Thermosiphonzirkulation fließt.