EA008998B1 - Крекинг-печь - Google Patents

Abstract

Данное изобретение относится к новому типу крекинг-печей, содержащих топку, снабженную крекинг-змеевиками, при этом крекинг-змеевики имеют по меньшей мере один вход, по меньшей мере одну входную секцию, по меньшей мере один выход и по меньшей мере одну выходную секцию и горелки, при этом части змеевиков экранированы. Изобретение дополнительно относится к способу крекинга углеводородного сырья с использованием печи согласно изобретению.

Description

Изобретение относится к печи для (термического) крекинга углеводородного сырья в паровой фазе, в присутствии водяного пара. Кроме того, изобретение относится к способу (термического) крекинга углеводородного сырья в паровой фазе, в присутствии газа-разжижителя, в частности, водяного пара.

Крекинг-печь является центральной частью установки для производства этилена. В этих печах сырье, содержащее один или несколько типов углеводородов, преобразуется в крекинг-газ посредством крекинга углеводородов. Типичными примерами углеводородного сырья являются этан, пропан, бутан, лигроины, керосины и атмосферные и вакуумные газойли.

Процессы преобразования углеводородов при высоких температурах известны многие десятилетия. В И8 2182586, опубликованном в 1939 г., описаны реактор и способ для пиролитической конверсии жидких углеводородов нефти.

Используется расположенная горизонтально единственная реакторная труба (в публикации указываются «трубы», но они соединены последовательно и, таким образом, образуют единственную трубу), что приводит к относительно длительному времени пребывания, которое является обычным в процессе термического крекинга жидких углеводородов нефти для улучшения качества моторного топлива, такого как понижение вязкости нефтепродуктов. Использование описанного нагревателя для процесса, подобного парофазному крекингу, или для крекинга парообразного сырья не упоминается. Вместо этого исключаются чрезмерный крекинг и чрезмерное образование газа.

В И8 2324553, опубликованном в 1943 г., показан другой нагреватель для пиролитической конверсии углеводородов, в котором реакторная труба образована из последовательно соединенных труб, которые расположены горизонтально в нагревателе. В описанном способе нефть пропускают через трубу при температуре ниже температуры активного крекинга.

В XVО 97/28232 приведено описание крекинг-печи для термического крекинга жидкого углеводородного сырья в спиральной трубе. Указано, что печь имеет уменьшенную чувствительность к образованию кокса и увеличенное время пребывания жидкости. Использование установки для парофазного крекинга не раскрывается.

Парофазный крекинг является специфической формой термического крекинга углеводородов в присутствии водяного пара со специфической кинематикой процесса и другими характеристиками процесса. При этом углеводородное сырье подвергается термическому крекингу в паровой фазе в присутствии водяного пара. Крекинг выполняется намного более жестко, чем в умеренном крекинге жидких углеводородов нефти, для улучшения качества жидкости. Печь для парофазного крекинга содержит по меньшей мере одну топку (также известную как излучающая секция), которая содержит несколько горелок для нагревания внутреннего пространства. Несколько реакторных труб (известных как крекинг-трубы или крекинг-змеевики), через которые может проходить сырье, расположены внутри топки. Подаваемый в трубы пар нагревают до такой высокой температуры, что происходит быстрый распад молекул, который вызывает выделение желаемых легких олефинов, таких как этилен и пропилен. Смесь углеводородного сырья и водяного пара обычно входит в реакторные трубы в виде пара при температуре около 600°С. В трубах смесь обычно нагревается до около 850°С теплом, выделяемым при сгорании топлива в горелках. Углеводороды вступают в реакцию в нагретых трубах и превращаются в газообразный продукт, богатый первичными олефинами, такими как этилен и пропилен.

В крекинг-печах реакторные трубы могут быть расположены вертикально в один или несколько проходов. В данной области техники используется также понятие крекинг-змеевик. Могут присутствовать один или несколько крекинг-змеевиков, которые могут быть идентичными или не идентичными, с образованием полной реакторной секции излучающей топки. Обычно крекинг-трубы для получения этилена расположены в топке на одной дорожке, при этом дорожка нагревается с двух сторон горелками.

Такая дорожка может использоваться в так называемой линейной системе, в которой все реакторные трубы расположены, по существу, в одной и той же вертикальной плоскости. В качестве альтернативного решения трубы в такой дорожке могут быть расположены в шахматном порядке, когда трубы расположены, по существу, в двух вертикальных параллельных плоскостях, за счет чего трубы расположены с треугольным шагом относительно друг друга. Такой треугольный шаг может иметь равные стороны (т. е. быть равносторонним треугольным шагом), или неравные стороны, который называется растянутым шагом.

Примерами таких конфигураций с растянутым шагом являются равнобедренный треугольный шаг, треугольный шаг с прямым углом и любой другой неравносторонний треугольный шаг. Примером такой печи с растянутым шагом является печь СК6™ (см. фиг. 1), имеющая равнобедренный треугольный шаг в системе с двумя дорожками змеевиков. В печи СК6 комплект из двух дорожек нагревается с двух сторон горелками 5, расположенными в дне и/или боковой стенке. Входные секции (проходящие от входов 4) и выходные секции (проходящие от выходов 3) нагреваются, по существу, одинаково горелками 5.

Было установлено, что это приводит к не оптимальным условиям крекинга. Можно полагать, что это обусловлено плохим распределением тепла. Крекинг-процесс является эндотермическим процессом и требует ввода тепла в сырье. Для рабочих характеристик (избирательности) крекинг-процесса желательно максимизировать ввод тепла во входной секции крекинг-змеевика (трубы). Поэтому требуется

- 1 008998 найти путь для изменения ввода тепла в крекинг-трубы.

Дополнительно к этому было установлено, что использование известной печи для (термического) крекинга углеводородных паров в присутствии водяного пара с образованием этилена, пропилена и/или одного или нескольких других алкенов (называемых также олефинами) приводит к менее благоприятным условиям для механической устойчивости узла крекинг-змеевика.

Было установлено, что за счет того, что входные секции на одной стороне расположенной в шахматном порядке дорожке имеют другие температурные условия и условия распределения тепла, чем выходные секции на другой стороне расположенной в шахматном порядке дорожки, то существуют различные термические напряжения и условия для температурной ползучести между входными секциями и выходными секциями. Ползучесть является необратимым расширением, которое возникает при нагревании металла. Ползучесть является результатом тепловых напряжений внутри металла вследствие нагревания. Тепловые напряжения (вызванные тепловым расширением) являются обратимым явлением при нагревании любого материала. Оба явления необходимо учитывать в конструкции змеевика, и они обуславливают ограничения механической конструкции крекинг-змеевика.

Поэтому такое расположение в шахматном порядке змеевиков обычно считается менее подходящим в печах парофазного крекинга для преобразования легких углеводородных газов, таких как этан. При парофазном крекинге этана, за счет жесткой природы отложений углерода внутри змеевика, слишком большой дисбаланс тепловых напряжений и температурной ползучести может приводить к изгибу трубы или даже к разрыву змеевика. Однако даже при расположении в одну линию, применяемом при крекинге этана, согласно уровню техники, такое расположение требует сложной системы опоры змеевика во входной, выходной и нижней частях для компенсации термических напряжений и температурной ползучести. Это относится также к крекингу паров более тяжелых углеводородов, где необходимо достаточно длинное расположение в шахматном порядке с правильно сконструированной опорной системой для змеевика с изменяемыми параметрами регулирования. Однако требуется непрерывное внимание оператора для регулирования опорной системы в случае изменения рабочих условий и во время срока службы печи при изменении размеров змеевика и прочности вследствие ползучести в течение времени.

Было установлено, что ввод тепла в способе (парофазного) крекинга углеводорода можно изменять за счет специальной конструкции входной и выходной секций крекинг-змеевика.

Кроме того, было установлено, что тепловую устойчивость змеевиков можно улучшить за счет специальной конструкции крекинг-печи, в частности, входной и выходной секций крекинг-змеевиков в топке печи.

В соответствии с этим данное изобретение относится к способу крекинга углеводородного сырья, содержащему пропускание сырья, содержащего углеводород и разжижающий газ, в частности, водяной пар по меньшей мере через один крекинг-змеевик (в приоритетной заявке называемый также крекингтрубой) в топке при условиях крекинга, при этом выходная секция каждого змеевика более термически экранирована, чем входная секция змеевика.

В способе парофазного крекинга, согласно изобретению, сырье, содержащее водяной пар и углеводород, обычно подают в змеевик в виде пара или газа. В данном случае, если не указывается другое, понятие «пар», соответственно, «парообразный» включает газ, соответственно, газообразный.

Дополнительно к этому изобретение относится к крекинг-печи, подходящей для крекинга углеводородов, в частности, с помощью способа, согласно изобретению.

В соответствии с этим данное изобретение дополнительно относится к крекинг-печи (для парофазного крекинга углеводородного сырья), содержащей по меньшей мере одну топку, снабженную множеством крекинг-змеевиков, при этом змеевики содержат по меньшей мере одну дорожку выходных секций крекинг-змеевиков, по меньшей мере две дорожки входных секций крекинг-змеевиков и по меньшей мере две дорожки горелок, при этом по меньшей мере одна дорожка выходных секций расположена между по меньшей мере двумя дорожками входных секций, а дорожки входных секций расположены по меньшей мере между двумя дорожками горелок.

Дорожки горелок обычно, по существу, параллельны друг другу. Горелки обычно установлены в дне и/или боковых стенках, и/или потолке топки.

На чертежах схематично изображено:

фиг. 1 - обычная крекинг-печь (ОК6™);

фиг. 2А - типичный профиль теплового потока печи ОК6™ и профиль при аналогичных условиях печи, согласно изобретению (моделированный с помощью 8ΡΥΚΟ®);

фиг. 2В - температура процесса вдоль змеевика печи ОК6™ и профиль при аналогичных условиях печи, согласно изобретению (моделированный с помощью 8ΡΥΚΟ®);

фиг. 2С - температура стенки змеевика вдоль длины змеевика;

фиг. ЗА - разрез крекинг-печи, согласно изобретению, с компоновкой елочкой, на виде сверху;

фиг. ЗВ - разрез печи, согласно фиг. ЗА, на виде спереди;

фиг. 4 - альтернативное расположение змеевиков того же типа и узел змеевиков, как на фиг. 3, но с треугольным шагом с прямым углом между отдельными секциями змеевиков;

- 2 008998 фиг. 5А - печь согласно изобретению, в которой змеевики имеют расщепленную конструкцию с двумя проходами, на виде сверху;

фиг. 5В - единичный змеевик в печи согласно фиг. 5А, в изометрической проекции;

фиг. 5С - единичный змеевик согласно фиг. 5В, на виде сбоку;

фиг. 5Ό - единичный змеевик согласно фиг. 5В, на виде спереди;

фиг. 6А - печь со змеевиком с 4 проходами;

фиг. 6В - змеевик печи согласно фиг. 6А;

фиг. 7 - печь согласно изобретению, в которой выходные секции расположены в шахматном порядке;

фиг. 8 А - разрез печи согласно изобретению с сильно симметричной компоновкой 4-1 змеевиков в трех дорожках, на виде сверху;

фиг. 8В - разрез другой печи с симметричной компоновкой 4-1 змеевиков, на виде сверху;

фиг. 8С - разрез печи согласно фиг. 8А и 8В, на виде спереди.

Подходящие крекинг-змеевики (называемые также крекинг-трубами) в целом известны. Змеевики могут быть образованы из одного или нескольких трубчатых каналов, предпочтительно с круговым или овальным поперечным сечением. Каналы могут быть соединены с помощью соединительных устройств, таких как, но не ограничиваясь этим, соединительные трубы и колена для обеспечения нескольких проходов, например, как показано на фиг. 3В и на фиг. 6А. Крекинг-змеевик может быть образован из нескольких трубчатых каналов, соединенных вместе, например, имеющих т-образную форму или теобразную форму, при этом наружные плечи представляют входные секции, которые переходят в единственную выходную секцию, представленную средним плечом т/\у. Особенно подходящие примеры, в которых трубы соединены друг с другом с образованием крекинг-змеевика, показаны на фиг. 5Ό и на фиг. 8 (те-образный). В данной области техники такие крекинг-змеевики широко известны как змеевики с расщепленной конструкцией.

Обычно каждый из змеевиков имеет по меньшей мере один вход и по меньшей мере один выход. Вход змеевика является каналом, через который во время использования сырье входит в крекинг-змеевик и тем самым обычно в топку; выход является каналом, через который во время использования продукт выходит из крекинг-змеевика и тем самым обычно топку. Выход может быть соединен с другим обрабатывающим оборудованием, таким как, но не ограничиваясь этим, теплообменники и/или тушители.

Входная секция змеевика является первой частью (в продольном направлении) змеевика, которая находится внутри топки, начиная от входа змеевика в топку. Она может проходить до начала выходной секции. В частности, она является частью, которая менее термически экранирована, чем выходная секция. В предпочтительном варианте выполнения входная секция является частью змеевика, которая термически экранирует выходную секцию змеевика во время работы печи.

Выходная секция змеевика является последней частью (в продольном направлении) змеевика, которая находится внутри топки, заканчиваясь у выхода змеевика, выходящего из топки. В частности, она является частью, которая более термически экранирована, чем входная секция. Она может проходить вплоть до конца входной секции или до промежуточной секции, соединяющей входную секцию и выходную секцию (такой как обратные колены, описание которых будет приведено ниже).

Обычно множество крекинг-труб соединены друг с другом с образованием параллельного пути прохождения для сырья. Таким образом, в противоположность конструкции, в которой трубы соединены последовательно и в которой сырье входит сначала в первую трубу, частично преобразуется и после этого входит в следующую трубу, данная конструкция обеспечивает, по существу, одинаковый состав потока на входе каждой трубы. Это обеспечивает короткое время пребывания и тем самым высокую производительность. При желании, во время использования множество крекинг-труб могут питаться из единственного резервуара или канала, который разделен на несколько потоков подачи, каждый из которых подается на вход крекинг-трубы, и/или поток продукта, выходящий из множества труб через выход, можно снова объединять в единственный канал или резервуар.

Понятие термического экранирования объекта (такого как секция змеевика) означает в данном случае, что создается препятствие для переноса тепла в объект. Это понятие используется здесь, в частности, для указания степени, в которой теплу, создаваемому горелками во время работы крекинг-печи, создается препятствие для переноса в экранированный объект. Относительно большее термическое экранирование выходных секций змеевика, чем входных секций змеевика, означает, в частности, что перенос тепла в крекинг-змеевики у выходной секции змеевика сдвинут для переноса тепла в крекинг-змеевики у входной секции змеевика во время работы горелок по сравнению с конфигурацией змеевика, в которой не происходит или происходит в меньшей степени экранирование.

Понятие, по существу, вертикально используется в данном случае для указания того, что объект (такой как змеевик, труба, дорожка, стенка и т.д.), по меньшей мере, во время использования находится под углом более 45° к горизонтальной поверхности (обычно пола топки), в частности, под углом более 80°, предпочтительно под углом около 90°.

Понятие, по существу, горизонтально используется в данном случае для указания того, что объект

- 3 008998 (такой как змеевик, труба, дорожка, стенка и т.д.), по меньшей мере, во время использования находится под углом менее 45° к горизонтальной поверхности (обычно пола топки), в частности, под углом менее 10°, предпочтительно под углом около 0°.

Понятие, по существу, параллельно используется в данном случае для указания того, что объект (такой как змеевик, труба, дорожка, стенка и т.д.), по меньшей мере, во время использования находится под углом менее 45° к другому объекту, относительно которого объект назван параллельным, в частности, под углом менее 10°, предпочтительно под углом около 0°.

Понятие «около» и т.п., используемое здесь, означает отклонение до 10%, в частности, до 5%.

Способ, согласно изобретению, применительно к печи, согласно изобретению, может обеспечивать несколько преимуществ.

В частности, выходная секция змеевика термически экранирована от горелок входной секцией, что является преимуществом по причинам, подробно указанным ниже. За счет увеличения термической нагрузки входной секции, которое происходит за счет термической нагрузки выходной секции крекингзмеевика, необходимо меньшее время пребывания для достижения определенной конверсии сырья. Это позволяет конструктору печи применять конструкцию змеевика с меньшим временем пребывания при выполнении печи с применением изобретения. За счет более короткого времени пребывания кинетика реакций способствует образованию желаемых продуктов, таких как этилен, за счет образования нежелательных побочных продуктов. Следовательно, требуется меньшее количество сырья для создания заданного количества желаемого продукта, например, этилена.

Экранирование может обеспечивать уменьшение образования кокса в выходной секции змеевика, что является ограничивающим фактором нахождения времени потока в печи.

В результате, печь может работать более длительно перед необходимостью остановки операции крекинга печи для обеспечения удаления кокса из печи. В качестве альтернативного решения, вместо увеличения времени работы печи можно увеличить производительность печи.

Было установлено, что экранирование выходных секций входными секциями, не обязательно, в комбинации с другими факторами (которые будут указаны ниже) способствует улучшенной механической устойчивости змеевиков, также при повышенной температуре, в частности, при использовании в условиях, обычных для парофазного крекинга, таких как нагревание змеевиков до температуры около 850°С или выше (т.е. температуры на наружной поверхности стенки змеевика). Температура может повышаться даже до около 1100°С или выше, в частности, когда печь приближается к условиям окончания работы, и становится необходимой операция удаления кокса из печи. Такая высокая температура змеевиков обычно относительно близка к точке плавления материала, из которого изготовлен змеевик (такого как материал с высоким содержанием сплава никеля и хрома). В частности, в условиях такой высокой температуры ползучесть, вызванная термическими напряжениями, становится важным фактором, усложняющим конструкцию устойчивого узла змеевика в обычной крекинг-печи. Небольшие изменения температуры металла, такие как 10°С, уже являются важными параметрами конструкции при таких повышенных температурах.

Без привязки к теории считается, что поскольку входные секции ближе к горелкам, то температура стенки змеевика у входной секции повышается. При более высокой температуре входной секции, ползучесть, а также тепловое расширение входной секции увеличивается и приближается к ползучести и тепловому расширению выходной секции змеевиков (в которой температура стенки обычно выше, чем во входной секции). За счет различия ползучести и/или теплового расширения между входными секциями и выходными секциями уменьшается деформация излучающего змеевика во время работы.

Такие дорожки входных секций змеевиков, выходных секций змеевиков и горелок в топке предпочтительно расположены геометрически, по существу, параллельно друг другу.

Выходные секции и входные секции труб предпочтительно расположены геометрически, по существу, параллельно друг другу и расположены, по существу, вертикально, по меньшей мере, во время использования.

Понятно, что частные промежуточные секции (их части) (такие как обратные колена 8 на фиг. 8С) змеевиков, соединяющие входные секции и выходные секции, могут быть расположены, по существу, не вертикально.

Крекинг-змеевики предпочтительно расположены в шахматном порядке, в частности, в нерастянутом или растянутом шахматном порядке.

Дорожки горелок обычно расположены, по существу, параллельно друг другу. Горелки обычно могут быть установлены на полу и/или боковых стенках, и/или потолке топки. Таким образом, все горелки могут быть расположены на полу, боковых стенках или потолке топки, или же горелки могут присутствовать на полу и боковых стенках, на полу и потолке, на боковых стенках и потолке, или же горелки могут присутствовать на боковых стенках у пола и у потолка.

В предпочтительной печи, по меньшей мере, несколько горелок расположены на полу и/или на потолке.

Крекинг-змеевики могут быть расположены подходящим образом в шахматном порядке или растя

- 4 008998 нутом шахматном порядке, так что в компоновке змеевиков обеспечивается высокая степень симметрии.

Помимо улучшенного экранирования и/или улучшенной термической устойчивости можно реализовать повышенную производительность относительно объема топки, за счет возможности уменьшения пространства между трубами в конфигурации с тремя или более дорожками. В частности, возможно увеличение производительности на 10-20% в том же объеме топки по сравнению с печью обычной конструкции.

Кроме того, было установлено, что печь, согласно изобретению, имеет хорошую механическую устойчивость также при воздействии больших изменений температуры. В результате, требуются более простые и менее зависящие от оператора опоры труб для крепления труб на стенке топки.

В частности, печь, в которой входные секции расположены, по существу, симметрично относительно соответствующих выходных секций, могут быть снабжены крекинг-змеевиками, в которых не требуются опоры с направляющими средствами к низу (когда входы/выходы находятся на потолке топки или вблизи него), соответственно, к верху (когда входы/выходы находятся на дне топки или вблизи него). Таким образом, змеевики в топке могут быть свободно подвешенными, соответственно, свободно стоящими.

Для хорошей механической симметрии (и за счет этого улучшенной термической устойчивости) топка предпочтительно содержит змеевики, которые являются так называемыми расщепленными змеевиками, т.е. крекинг-змеевики содержат несколько входных секций на одну выходную секцию, при этом входные секции расположены (приблизительно) симметрично относительно выходных секций.

Такие расщепленные змеевики предпочтительно выбираются из змеевиков, содержащих четное число входных секций на одну выходную секцию, при этом одна часть (предпочтительно половина) выходных секций образует первую дорожку выходных секций, а другая часть (предпочтительно другая половина) выходных секций образует вторую дорожку выходных секций, при этом дорожки расположены по противоположным сторонам дорожки входных секций.

Предпочтительными примерами расщепленных змеевиков являются крекинг-змеевики, содержащие 2 входные секции и 1 выходную секцию (система 2-1, такая как, более или менее, т-образный или теобразный змеевик), и крекинг-змеевики, содержащие 4 входные секции и 1 выходную секцию (система 4-1).

В конструкции расщепленных змеевиков, согласно изобретению, изгиб змеевиков, вызванный различием расширения и ползучести между входной секцией (входными секциями) и выходной секцией (выходными секциями), уменьшается, частично вследствие указанного выше действия экранирования, частично вследствие жесткости механической конструкции, которая обуславливается змеевиком, когда в каждом отдельном змеевике входные концы расположены в двух наружных дорожках, а выходная секция этого змеевика расположена во внутренней дорожке, что приводит к высоко симметричной конструкции змеевика. Поэтому такие системы могут очень хорошо работать без направляющей системы для крекинг-змеевиков, которые обычно используются, согласно уровню техники, для направления крекингзмеевика к полу (в случае расположения входа/выхода у потолка или вблизи него) или к потолку (в случае расположения входа/выхода у пола или вблизи него).

Расщепленный змеевик предпочтительно выполнен так, что предусмотрены по меньшей мере две входные секции, по существу, в одной плоскости на противоположных сторонах каждой выходной секции, что обеспечивает, по существу, симметричную конструкцию змеевиков (такую, как показана на фиг. 8А и 8В, описание которых будет приведено ниже).

Изобретение является пригодным для использования в крекинге углеводородного сырья в присутствии водяного пара, т. е. в парофазном крекинге.

Способ, согласно изобретению, можно выполнять посредством смешивания углеводородного сырья с водяным паром и пропускания смеси через трубы в указанной выше печи.

Было установлено, что, согласно данному изобретению, углеводородное сырье может хорошо подвергаться крекингу, при желании, с более высокой плотностью тепла, чем в известной печи. В частности, изобретение с большим преимуществом можно применять при получении этилена с пропиленом, бутадиеном и/или ароматическими веществами в качестве побочных продуктов.

Углеводородное сырье, подлежащее крекингу, может быть любым газообразным, парообразным, жидким углеводородным сырьем или их комбинацией. Примеры подходящего сырья включают этан, пропан, бутаны, лигроины, керосины, атмосферные газойли, вакуумные газойли, тяжелые дистилляты, гидрированные газойли, газовые конденсаты и их смеси. Изобретение является особенно пригодным для крекинга газа, выбранного из этана, пропана и смеси газообразных углеводородов. Изобретение также является пригодным для крекинга испаренного тяжелого сырья, такого как сжиженный нефтяной газ, тяжелый бензин или газойль.

Было дополнительно установлено, что печь может работать, согласно изобретению, при намного более высокой плотности тепла по сравнению с печью для парофазного крекинга, согласно уровню техники. Это особенно предпочтительно для капитальных затрат при той же производительности, при этом можно уменьшить размеры топки или же, в качестве альтернативного решения, при тех же размерах можно получать больше этилена (или другого продукта), что приводит к уменьшению числа печей, не

- 5 008998 обходимых для питания соответствующей мировому уровню установки парофазного крекинга. Например, в установке парофазного крекинга мирового уровня на основе лигроинового сырья с годовой производительностью этилена 1,4 млн метрических тонн число печей, согласно уровню техники (таких как СК6™) должно составлять по меньшей мере 9 (8 в работе, одна в резерве). 7 печей, согласно изобретению, достаточны для той же годовой производительности этилена (6 в работе, одна в резерве). Было установлено, что печь, согласно изобретению, может работать с относительно низкой разницей температур в выходной секции и тем самым имеет относительно высокую степень изотермичности. В обычном процессе в обычной печи подъем температуры газа в последней трубе выходной секции змеевика в процессе крекинга обычно составляет 60-90°С, в то время как в аналогичном процессе, выполняемом в печи, согласно изобретению, увеличение температуры обычно меньше примерно 50-80°С. Таким образом, изобретение позволяет уменьшить подъем температуры на около 10°С, что является преимуществом с энергетической точки зрения.

Таким образом, средняя температура обработки может быть относительно высокой, что обеспечивает относительно короткое время пребывания для получения удельного выхода из сырья по сравнению с аналогичной печью без экранирования выходной секции. Например, время пребывания для печи СК6™ составляет обычно 0,20-0,25 с, в то время как в аналогичном процессе, применяемом в печи, согласно изобретению, время пребывания может быть уменьшено до 0,17-0,22с. Таким образом, данное изобретение позволяет уменьшить время пребывания на около 15% для обеспечения конверсии, сравнимой с печью 6К6™.

Было также установлено, что в печи, согласно изобретению, соответственно, в способе, согласно изобретению, возможно осуществление очень хорошей избирательности с относительно низкой тенденцией образования не желательных побочных продуктов.

Типичный профиль потока тепла печи СК6™ и профиль при аналогичных условиях печи, согласно изобретению, показаны на фиг. 2А (моделированные с помощью 8ΡΥΚ.Ο®, инструмента моделирования, широко используемого в получении этилена для моделирования крекинг-печей). Согласно изобретению было вычислено, что производительность змеевика увеличивается в этом примере (по сравнению с СК6™) на около 10-15% по пропускной способности, 40% по длине прохождения и/или 1-3% по олефиновой избирательности при крекинге всего диапазона лигроина при одинаковой жесткости крекинга или конверсии.

Кроме того, было установлено, что печь, согласно изобретению, может работать с меньшей тенденцией к образованию кокса внутри змеевика по сравнению с некоторыми известными печами, особенно у выходного конца крекинг-змеевика. Таким образом, изобретение обеспечивает высокую готовность печи, поскольку интервалы между последовательными операциями технического обслуживания для удаления кокса могут быть увеличены.

В печи, согласно изобретению, выходные секции змеевиков предпочтительно расположены в топке, по меньшей мере в одной дорожке, при этом такая по меньшей мере одна дорожка расположена между первой дорожкой горелок и второй дорожкой горелок. По практическим соображениям дорожки предпочтительно, по существу, параллельны.

Как указывалось выше, очень подходящей является печь, в которой входные секции змеевиков действуют в качестве теплового экрана и/или механического стабилизатора для выходных секций, как, например, в крекинг-печи, в которой входные секции расположены между выходными секциями и горелками. Было установлено, что эта конфигурация является очень эффективной относительно распределения тепла, симметрии и/или достижения желаемого теплового профиля по длине змеевиков.

В соответствии с этим, в наиболее предпочтительном варианте выполнения данное изобретение относится к крекинг-печи, содержащей топку, в которой имеются по меньшей мере одна дорожка выходных секций змеевиков, по меньшей мере две дорожки входных секций змеевиков и по меньшей мере две дорожки горелок, при этом в топке по меньшей мере одна дорожка (О) выходных секций расположена между по меньшей мере двумя дорожками (I) входных секций, а дорожки входных секций расположены (при этом входные секции действуют в качестве теплового экрана во время крекинга) между по меньшей мере одной дорожкой выходных секций и по меньшей мере двумя дорожками горелок (В). Таким образом, при рассматривании топки сверху или снизу эта конфигурация может быть представлена как конфигурация Β-Ι-Ο-Ι-Β.

Примеры очень подходящих вариантов выполнения показаны на фиг. 3-8. Эти примеры все показывают конфигурацию с входом и выходом змеевиков у потолка или вблизи него, а горелки расположены противоположно входным/выходным концам труб на полу и/или боковых стенках. Следует отметить, что можно использовать печь, которая перевернута относительно показанной конфигурации, в частности, печь, в которой входные/выходные концы расположены на полу или вблизи пола печи. В этом случае горелки на полу предпочтительно заменяются горелками, расположенными на потолке или вблизи него.

Система выходных секций и входных секций предпочтительно может быть выполнена в виде системы елочкой. Было установлено, что в таком варианте выполнения можно обеспечить очень эффективное экранирование и механическую симметрию.

- 6 008998

На фиг. 3 показана крекинг-печь с компоновкой в елочку. На этой фигуре каждый крекинг-змеевик содержит один вход (4 на фиг. 3) и один выход (3 на фиг. 3). Крекинг-змеевики выполнены, по существу, вертикальными в узле с тремя дорожками. Отдельные входные/выходные секции расположены с равнобедренным треугольным шагом напротив друг друга. В качестве альтернативного решения, отдельные входные/выходные секции могут быть расположены с равносторонним треугольным шагом или, в качестве другого альтернативного решения, прямоугольным треугольным шагом. На фиг. 3 горелки 5 показаны на полу (горелки 5а пола) и боковых стенках (горелки 5Ь боковых стенок), хотя горелки могут быть расположены лишь на полу 12 или лишь на боковых стенках 9. В целом, если имеются в печи, согласно изобретению боковые горелки, то они предпочтительно расположены в верхней половине боковых стенок в случае нахождения входа и выхода на потолке или вблизи него и расположены в нижней половине боковых стенок в случае расположения входа и выхода на полу или вблизи него.

Как показано на фиг. 3 (при этом на фиг. 3А показан разрез на виде сверху, а на фиг. 3В - разрез на виде спереди), крекинг-змеевик 2 имеет вход 4 и выход 3 на потолке 11 топки 1 или вблизи него. Входная секция змеевика (6 на фиг. 3В) обычно начинается у входа и проходит в данном варианте выполнения до части змеевика, где входная секция соединена с обратным коленом (8 на фиг. 3В) вне плоскости, образованной входными секциями, прочь от горелок в направлении центральной оси крекинг-печи. Выходные секции (7 на фиг. 3В) обычно начинаются у конца обратного колена (8 на фиг. 3В). В принципе, выходная секция может проходить до места, где заканчивается входная секция. В частности, выходной секцией считается часть змеевика между выходом и частью змеевика, где змеевик изгибается из плоскости, образованной выходным концом змеевика.

Лучшая механическая устойчивость обеспечивается за счет того, что в (геометрически) параллельной системе из трех или более дорожек, образованных секциями крекинг-змеевика, входные секции и выходные секции более изотермичны, чем в системе с одной или двумя дорожками.

На фиг. 4 показано альтернативное расположение змеевика того же типа и узла змеевиков, как и на фиг. 3, но с прямоугольным треугольным шагом между отдельными секциями змеевика. Главное отличие с фиг. 3 состоит в расположении змеевиков, при этом каждый змеевик теперь по существу перпендикулярен дорожкам с горелками.

На фиг. 5 показана еще одна очень предпочтительная конструкция, при этом главное отличие от фиг. 3 и 4 состоит в конструкции змеевиков, которые в данном случае являются расщепленными змеевиками с двумя проходами. Змеевики имеют два входа 4 (разделенный поток) и один выход 3. На фиг. 5 А показана такая печь на виде сверху. На фиг. 5В показан в изометрической проекции единственный змеевик в такой печи. На фиг. 5С и 5Ό показан единственный змеевик, соответственно, на виде сбоку и на виде спереди. На виде спереди (фиг. 5Ό) вид трубы (змеевика) более или менее т-образный или теобразный. В случае т-образной формы горелки предпочтительно расположены на сторонах (на нижней половине) и/или на потолке вместо пола.

На фиг. 6 показан змеевик с 4 проходами. В данном случае лучшая тепловая устойчивость достигается за счет более высокого уровня изотермичности и экранирования, в частности, с помощью части змеевика от а до б, при этом экранированная секция содержит, в частности, часть змеевика от б до д. Было установлено, что печь со змеевиком с 4 проходами, такая как, например, показана на фиг. 6, является особенно подходящей для крекинга сырья, требующего относительно длительного времени пребывания для реализации конкретной конверсии, например крекинга этана.

Два примера высоко симметричной компоновки змеевиков по схеме 4-1 в системе из трех дорожек, согласно изобретению, показаны на фиг. 8 (при этом на фиг. 8А и 8В показаны разрезы двух вариантов выполнения на виде сверху, а на фиг. 8С показан разрез на виде спереди, который применим к обоим вариантам выполнения, показанным на фиг. 8А и фиг. 8В). Как показано на фиг. 8А, крекинг-змеевик 2 имеет четыре входа 4 и один выход 3 (на потолке 11 топки 1 или вблизи него). Входные секции каждого змеевика обычно начинаются у входа и проходят в этом варианте выполнения до части змеевика, где змеевик соединен с обратным коленом, которое изгибается из плоскости, образованной входными трубами, в направлении центральной оси печи от горелок.

Выходные секции (7 на фиг. 8С) обычно начинаются у конца обратного колена 8.

В принципе, выходная секция может проходить до места, где заканчивается входная секция. В частности, в качестве выходной секции можно считать часть змеевика между выходом змеевика и концом обратного колена.

В этом случае секция между выходной секцией и входной секцией называется обратным коленом 8.

На фиг. 8С входная секция 6 расположена между горелками 5 и выходной секцией 7, за счет чего обеспечивается частичное термическое экранирование выходных секций 7.

Было установлено, что (в основном) симметричное распределение входных секций на противоположных сторонах выходных секций является предпочтительным с точки зрения стойкости к нежелательной деформации труб в результате термических напряжений и может продлевать срок службы змеевиков.

В результате, крекинг-змеевики могут находиться в топке без опоры (направления) к полу (в случае, когда вход и выход не предусмотрены на полу, а выходят из топки через потолок или вблизи потол

- 7 008998 ка), соответственно, к потолку (в случае, когда вход и выход находятся на полу или вблизи пола). Таким образом, змеевики могут висеть свободно, соответственно, стоять свободно в топке без крепления с помощью направляющей к полу или направляющей к потолку.

Для специалистов в данной области техники понятно, как выполнить устройство с подходящими размерами на основе идей данного изобретения и общих знаний.

В принципе, конструкция устройства, согласно данному изобретению, может основываться на критериях, обычно используемых при конструировании крекинг-печи. Примерами таких критериев являются расстояния между змеевиками, между горелками и между горелками и змеевиками, входы/выходы змеевиков, выход для топочных газов, конструкция топки, горелок и других частей.

Горелки, которые сжигают газообразное топливо, являются особенно пригодными.

Горелки могут быть расположены в любом месте внутри топки, вдоль пола и/или боковых стенок.

Очень хорошие результаты получены с помощью такой крекинг-печи, в которой горелки расположены у пола топки, а выходные секции змеевиков проходят через потолок топки или, по меньшей мере, через боковую стену вблизи потолка. Не обязательно, имеются дополнительные горелки на боковых стенках, предпочтительно, по меньшей мере, в верхней половине.

Было также установлено, что горелки предпочтительно должны находиться на каждой (радиально) противоположной стороне двух наружных дорожек, содержащих выходные секции змеевиков, находящихся в топке.

Это приводит к более изотермическому распределению температуры по длине каждого змеевика.

Для симметричной схемы сгорания по ширине топки, дополнительно предпочтительно, чтобы в топке, согласно изобретению, каждая противоположная дорожка горелок создавала приблизительно одинаковое количество тепла во время крекинга. Аналогичным образом, в способе, согласно изобретению, предпочтительно, чтобы во время крекинга каждая противоположная дорожка или противоположный набор горелок имели одинаковые или аналогичные механические характеристики и характеристики процесса.

В качестве крекинг-змеевиков (крекинг-труб) можно использовать крекинг-змеевики, известные из уровня техники. Подходящий внутренний диаметр выбирается, например, в диапазоне 25-120 мм, в зависимости от качества сырья и количества проходов на один змеевик. Крекинг-змеевики предпочтительно расположены, по существу, вертикально в топке (т.е. змеевики предпочтительно расположены так, что плоскость, проходящая через трубу, по существу, перпендикулярна полу топки). Змеевики могут быть снабжены признаками, такими как, но не ограничиваясь этим, большая внутренняя поверхность, которая увеличивает коэффициент внутреннего переноса тепла. Примеры таких признаков известны из уровня техники и коммерчески доступны.

Входы для подачи сырья в змеевики предпочтительно содержат распределительную головку и/или трубку Вентури критического сечения. Подходящие примеры для них и подходящие пути их использования известны из уровня техники.

Выходные секции могут быть предпочтительно расположены в линейной конфигурации (см., например, фиг. 3-6), в которой выходы расположены вдоль одной дорожки в топке (обычно вдоль или параллельно центральной оси топки) или же в шахматном порядке (см., например, фиг. 7). Расположение в шахматном порядке может быть полностью ступенчатой конфигурацией (т.е. в которой три последовательные выходные секции расположены по схеме треугольника с равными сторонами (длина сторон а, Ь и с одинакова, см. фиг. 7), известной также как равносторонний треугольный шаг, или же растянутой ступенчатой конфигурацией (т. е. в которой выходные секции расположены с равнобедренным треугольным шагом, образованным сторонами а, Ь и с (как показано на фиг. 7), при этом сторона с отличается от сторон а и Ь и при этом стороны а и Ь одинаковы, или же по схеме неравностороннего треугольника, образованного сторонами а, Ь, с (как показано на фиг. 7), при этом каждая сторона а, Ь, с (как показано на фиг. 7) растянутого треугольника отличается по длине от других сторон.

Было установлено, что для очень эффективного экранирования выходных секций очень хорошо подходит линейная конфигурация.

В крекинг-печи, согласно изобретению, отношение шага к наружному диаметру предпочтительно выбрано в диапазоне от 1,5 до 10, более предпочтительно в диапазоне от 2 до 6. В данном контексте шаг является расстоянием между центральными осями двух смежных труб, лежащих в одной плоскости («с» на фиг. 7).

Процесс крекинга, согласно изобретению, обычно выполняется в отсутствии катализатора. В соответствии с этим крекинг-трубы в печи, согласно изобретению, в основном не содержат каталитического материала (такого как каталитический слой).

Рабочее давление в крекинг-змеевике обычно относительно низкое, в частности, ниже 10 бар, предпочтительно ниже 3 бар. Давление на выходе предпочтительно находится в диапазоне 1,1-1,3 бар, более предпочтительно в диапазоне 1,5-2,5 бар. Давление на входе выше давления на выходе и определяется разницей давлений. Разница давлений между входом и выходом крекинг-змеевика составляет от 0,1 до 5 бар, предпочтительно 0,5-1,5 бар.

Углеводородное сырье обычно смешивают с водяным паром. Весовое соотношение водяного пара и

- 8 008998 углеводородного сырья можно выбирать внутри широких пределов в зависимости от используемого сырья. На практике соотношение обычно составляет по меньшей мере около 0,2, в частности, между примерно 0,2 и примерно 0,5. Для крекинга этана эта величина предпочтительно меньше примерно 0,5 (в частности, около 0,4). Для более тяжелого углеводородного сырья обычно используют более высокие отношения.

Предпочтительными, в частности, являются следующие соотношения: примерно 0,6 для тяжелых бензинов, примерно 0,8 для атмосферного газойля и гидроочищенной вакуумной газойли и примерно 1 для вакуумной газойли.

Углеводородное сырье, обычно смешанное с разжижающим газом, предпочтительно подают в змеевики после нагревания до температуры свыше 500°С, более предпочтительно до температуры 580700°С, даже более предпочтительно до температуры в диапазоне 590-680°С. В случае использования (по меньшей мере, частично) жидкого сырья это предварительное нагревание обычно приводит к испарению жидкой фазы.

В крекинг-змеевике сырье предпочтительно нагревается так, что температура на выходе составляет до 950°С, более предпочтительно до выходной температуры в диапазоне 800-900°С. В крекинг-трубах углеводород подвергается крекингу с образованием газа, который обогащен ненасыщенными компонентами, такими как этилен, пропилен, другие олефиновые соединения и/или ароматические соединения. Продукты крекинга выходят из топки через выходы и затем направляются в теплообменники, где они охлаждаются, например, до температуры менее 600°С, обычно в диапазоне 450-550°С. В качестве побочного продукта охлаждения может создаваться водяной пар с естественной циркуляцией в паросборник.

Примеры

Был моделирован крекинг-процесс для печи, согласно изобретению, и для печи ОК6™ с использованием 8ΡΥΚΘ® (для условий, приведенных в таблице). На фиг. 2А-2С показаны профили теплового потока, температура обработки вдоль змеевика и стенки трубы вдоль змеевика.

При применении изобретения при одинаковых размерах змеевиков в печи, согласно изобретению, и в печи ОК6™, и при сохранении одинаковыми всех параметров обработки, таких как расход, жесткость крекинга и т.д., длительность работы (максимальное время работы без необходимости остановки установки для технического обслуживания) увеличилась с 60 до 80 дней. Результаты приведены в таблице в колонке «Одинаково». Сохранении одинаковых размеров змеевиков и применение изобретения с сохранением всех параметров процесса, за исключением производительности, одинаковыми, а также при увеличении производительности для сохранения одинаковой длительности работы по сравнению с печью ОК6™, приводит к увеличению производительности с 40 до 45 метрических тонн, т.е. к получению на 12,5% больше этилена, чем с помощью печи ОК6™. Результаты приведены в таблице в колонке «Производительность». Применение изобретения в печи, содержащей змеевики, которые выполнены так, чтобы обрабатывать одинаковое количество сырья при работе с одинаковой жесткостью крекинга при одинаковой длительности работы по сравнению с печью ОК6™, приводит к увеличению выхода этилена с 27,7 до 28,1 мас.% относительно углеводородного сырья, что означает экономию в 1,4% сырья при одинаковом количестве основного продукта этилена и пропилена.

			Изобретение
		СКб	Одинаково	Производительность	Избирательность
Общий поток	т/ч	40	40	45	40
Тстенки В конце работы	°С	1100	1100	1100	1100
Длительность работы	сутки	60	80	80	80
Выход СН4 (сухой)	масс. %	15,7	15,7	15,7	15, 6
Выход С2Н4 (сухой)	масс. %	27,7	27,7	27,7	28, 1
Выход СЗН6 (сухой)	масс. %	14,1	14,1	14,1	14,3
Относительная длительность работы	*	100%	+ 13%	100%	100%

- 9 008998

Относительная производительность	%	100%	100%	+ 13%	100%
Относительная избирательность	%	100%	100%	100%	+ 1,4%

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Claims (18)

1. Способ крекинга углеводородного сырья, содержащий пропускание сырья, содержащего углеводород и разжижающий газ, в частности водяной пар, через крекинг-змеевик в топке при условиях крекинга, при этом змеевик содержит по меньшей мере одну выходную секцию и по меньшей мере одну входную секцию, причем выходная секция змеевика более термически экранирована, чем входная секция змеевика.

2. Способ по п.1, при котором топка содержит по меньшей мере одну дорожку выходных секций змеевиков, по меньшей мере две дорожки входных секций змеевиков и по меньшей мере две дорожки горелок, при этом по меньшей мере одна дорожка выходных секций расположена между по меньшей мере двумя дорожками входных секций, а дорожки входных секций расположены между по меньшей мере двумя дорожками горелок.

3. Способ по п.1 или 2, при котором змеевики располагают, по существу, вертикально и, по существу, параллельно друг другу.

4. Способ по любому из пп.1-3, при котором сырье пропускают через змеевики в параллельном потоке, по меньшей мере в части змеевиков.

5. Способ по любому из пп.1-4, при котором углеводородное сырье, включая разжижающий газ (водяной пар), нагревают до температуры свыше температуры испарения перед входом в крекингзмеевик или в крекинг-змеевике.

6. Способ по любому из пп.1-5, при котором сырье содержит углеводород, выбранный из группы, состоящей из этана, пропана, бутана, лигроинов, керосинов, атмосферных газойлей, вакуумных газойлей, тяжелых дистиллятов, гидрированных газойлей, газовых конденсатов и их смесей.

7. Способ по любому из пп.1-6, при котором получают по меньшей мере один продукт, выбранный из группы, состоящей из этилена, пропилена и бутадиена.

8. Крекинг-печь для парофазного крекинга углеводородного сырья, содержащая топку, снабженную множеством крекинг-змеевиков, при этом топка содержит по меньшей мере одну дорожку выходных секций змеевиков, по меньшей мере две дорожки входных секций змеевиков и по меньшей мере две дорожки горелок, при этом по меньшей мере одна дорожка выходных секций расположена между по меньшей мере двумя дорожками входных секций, а дорожки входных секций расположены между по меньшей мере двумя дорожками горелок.

9. Крекинг-печь по п.8, в которой дорожки, по существу, параллельны друг другу.

10. Крекинг-печь по п.8 или 9, в которой выходные секции и входные секции расположены, по существу, вертикально, по меньшей мере, во время использования.

11. Крекинг-печь по любому из пп.8-10, в которой входные секции, соответственно, выходные секции в дорожке расположены с линейным расположением или с расположением в шахматном порядке напротив друг друга и в шахматном порядке относительно выходных секций, соответственно, входных секций, присутствующих в смежной параллельной дорожке или дорожках выходных секций, соответственно, входных секций.

12. Крекинг-печь по п.11, в которой расположение секций выполнено с равносторонним треугольным шагом, равнобедренным треугольным шагом, прямоугольным треугольным шагом или неравносторонним треугольным шагом.

13. Крекинг-печь по п.12, в которой трубы проходят без направляющих к полу.

14. Крекинг-печь по любому из пп.8-13, в которой, по меньшей мере, несколько горелок расположено на полу, и/или потолке топки, и/или на боковых стенках топки, и змеевики проходят через потолок топки.

15. Крекинг-печь по любому из пп.8-14, в которой по меньшей мере часть крекинг-змеевиков расположена в системе, обеспечивающей параллельный поток сырья через каждый из змеевиков во время использования.

16. Крекинг-печь по любому из пп.8-15, в которой змеевики выбраны из змеевиков, содержащих две входные секции для обеспечения параллельного потока во время использования и одну выходную секцию, соединенную с возможностью прохождения потока с входными секциями; и змеевиков, содержащих четыре входные секции, расположенные с обеспечением параллельного потока во время использования, и одну выходную секцию, соединенную с возможностью прохождения потока с входными секциями.

17. Крекинг-печь по любому из пп.8-16, в которой выходные секции расположены в линейной кон

- 10 008998 фигурации или в шахматном порядке, и при этом отношение шага к наружному диаметру выбрано в диапазоне от 1,5 до 10, предпочтительно в диапазоне от 2 до 6.

18. Способ крекинга углеводорода, по выбору, способ по любому из пп.1-7, в котором используют крекинг-печь по любому из пп.8-17.