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CALENTADOR DE PIRÓLISIS Antecedentes de la Invención La presente invención se refiere a un calentador para la pirólisis de hidrocarburos y particularmente a un calentador para la desintegración o pirólisis catalítica a presión con vapor, de parafinas para producir olefinas. La desintegración con vapor o pirólisis de hidrocarburos para la producción de olefinas, se lleva a cabo casi exclusivamente en bobinas tubulares ubicadas en calentadores quemados. El proceso de pirólisis se considera el corazón de una planta de olefinas y tiene influencia significante en la economía de la planta total. El material de alimentación de hidrocarburos puede ser cualquiera de la amplia variedad de materiales de alimentación de pirólisis catalítica típicos tales como metano, etano, propano, butano, mezclas de estos gases, naftas, gasóleos, etc. La corriente de productos contiene una variedad de componentes de los cuales la concentración depende en parte de la alimentación selecta. En el proceso de-pirólisis convencional, materiales de alimentación evaporados se suministran un conjunto con vapor de dilución a un reactor tubular ubicado dentro del calentador quemado. La cantidad de vapor de dilución requerida depende del material de alimentación selecto; materiales de alimentación más ligeros tales como etano requieren menor vapor, (0.2 kg/kg (0.2 Ib/Ib) de alimentación), mientras que materiales de alimentación más pesados tales como nafta y gasóleo requieren proporciones de vapor/alimentación de 0.5 a 1.0. El vapor de dilución tiene la función dual de reducir la presión parcial del hidrocarburo y reducir la velocidad de carburización de las bobinas de pirólisis.
En un proceso de pirólisis típica, la mezcla de vapor/alimentación se precalienta a una temperatura justo por debajo del inicio de la reacción de pirólisis catalítica, típicamente 650EC. Este precalentamiento ocurre en la sección de convección del calentador. La mezcla luego pasa a la sección de radiación en donde ocurren las reacciones de pirólisis. En general, el tiempo de residencia en la bobina de pirólisis está en el rango de 0.2 a 0.4 segundo y las temperaturas de salida par la reacción están en el orden de 700E a 900EC. Las reacciones que resultan en la transformación de hidrocarburos saturados a olefinas, son altamente endotérmicas, de esta manera requiriendo altos niveles de alimentación de calor. Esta alimentación de calor debe ocurrir a temperaturas de reacción elevadas. En general se reconoce en la industria que para la mayoría de los materiales de alimentación y especialmente para materiales de alimentación más pesados tales como nafta, tiempos de residencia más cortos llevarán a superior selectividad a etileno y propileno ya que se reducirán reacciones de degradación secundarias. Además, se reconoce que entre menor sea la presión parcial del hidrocarburo' dentro del ambiente de reacción, mayor será la selectividad. Las temperaturas de gas de combustión o de chimenea en la sección radiante del calentador quemado, típicamente están sobre 1.100EC. En un diseño convencional, aproximadamente 32 a 40% del calor quemado como combustible en el calentador, se transfiere a las bobinas en la sección radiante. El balance del calor se recupera en la sección de convección, ya sea como precalentamiento de alimentación o como generación de vapor. Dada la limitación del pequeño volumen de tubos para lograr cortos tiempos de residencia y las altas temperaturas del proceso, la transferencia térmica en el tubo de reacción es difícil. Altos flujos térmicos se emplean y las temperaturas del metal de tubo de operación son cercanas a los límites mecánicos, incluso para metalurgias exóticas. En la mayoría de los casos, las temperaturas de metal del tubo limitan la extensión a la cual puede reducirse el tiempo de residencia como resultado de una combinación de superiores temperaturas de proceso requeridas en la salida de bobina y la longitud reducida del tubo (por lo tanto área superficial del tubo) que resultan en superior flujo y de esta manera superiores temperaturas en el metal del tubo. Los tubos de reacción de metal exóticos ubicados en la sección radiante del calentador de pirólisis catalítica representan una porción substancial del costo del calentador, de manera tal que es importante que se utilicen completamente. El empleo se define como la operación a lo más alto y uniforme del flujo térmico y temperatura de metal posibles, consistente con los objetivos de diseño del calentador. Esto reducirá el número y longitud de los tubos y el metal total resultante requerido para una capacidad de pirólisis determinada.. En la mayoría de los hornos de pirólisis catalítica, el calor se suministra por calentadores de hogar que se instalan en el piso de la cámara decombustión y se queman verticalmente sobre las paredes. Debido a la forma de flama característica de estos quemadores, se crea un perfil de flujo térmico no uniforme. El perfil típico muestra un flujo pico cerca de la elevación central de la cámara de combustión, con las porciones superior y de fondo de la cámara de combustión que quedan relativamente frías. En calentadores selectos, quemadores de pared radiantes se instalan en la parte superior de las paredes laterales para igualar el perfil de flujo térmico en la parte superior. Perfiles de flujo térmico de superficie típicos y perfiles de temperatura de metal para un quemador de hogar y para una combinación de quemadores de hogar y de pared a la misma velocidad de liberación de calor, muestran bajo flujo térmico y temperatura de metal en la porción inferior de la cámara de combustión, lo que significa que la bobina en esta porción está sub-utilizada. El mejorar el perfil de flujo de quemador de hogar es difícil debido a los adicionales requerimientos de NOx, y debido a la cada vez creciente demanda de superiores liberaciones de calor del quemador. Otra forma de igualar el perfil de flujo es utilizar quemadores de pared solamente, pero ya que la liberación máxima de calor de un quemador de pared es aproximadamente 10 veces menos que la de un quemador de hogar, el número de quemadores seria excesivo. Compendio de la Invención La presénte invención se relaciona a calentadores de pirólisis, particularmente para desintegración o pirólisis catalítica de hidrocarburos para la producción de olefinas, con un arreglo de quemadores en la cámara de combustión, para mejorar el flujo térmico y el perfil de temperaturas de metal. El objetivo es proporcionar un montaje de quemadores que incluye quemadores para calentar el piso de la cámara de combustión, de manera tal que actúe como una superficie radiante para incrementar el flujo térmico a los tubos de reacción en la parte inferior-de la cámara de combustión y producir un perfil de flujo térmico vertical más uniforme sobre la elevación de la cámara de combustión. Estos quemadores de piso se denominan quemadores base y trabajan junto con quemadores de hogar de quemado vertical y opcionalmente con quemadores de pared en la porción superior de la cámara de combustión. Un objetivo adicional es incrementar el calor total transferido a la bobina de pirólisis catalítica radiante, sin incremento . en la temperatura de metal de la bobina. Breve Descripción de los Dibujos La Figura 1 es una representación en sección transversal simplificada de un calentador de pirólisis de la técnica previa típico.
La Figura 2 es una gráfica que muestra un perfil de flujo térmico de superficie típico a través de la elevación del calentador de pirólisis de la técnica previa. La Figura 3 es una gráfica que muestra un perfil de temperatura en metal típico, a través de la elevación de un calentador de pirólisis de la técnica previa. Las Figuras 4B y 4B son representaciones en sección transversal simplificadas de calentadores de pirólisis que ilustran dos variaciones de configuraciones de quemador de acuerdo con la presente invención. La Figura 5 es una vista en perspectiva de la porción inferior de una parte de un calentador de pirólisis que ilustra los quemadores base y quemadores de hogar. La Figura 6 ilustra un ejemplo de un quemador base de acuerdo con una modalidad de la invención. La Figura 7 es una vista en sección transversal de un quemador base-alterno que comprende un quemador cerámico poroso. Las Figuras 8A a 8D son gráficas que muestran el flujo térmico de superficie a través de la elevación de un calentador de pirólisis para cuatro pasos diferentes que compara un calentador de tipo de la técnica previa con un calentador de la presente invención que tiene quemadores base. Las Figuras 9A a 9D son gráficas que muestran la temperatura de metal promedio también a través de la elevación del calentador para los cuatro pasos comparando un calentador de la técnica previa con el calentador de la invención como una función de la posición sobre la longitud de bobina para la técnica previa.
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Descripción de las Modalidades Preferidas Antes de describir los detalles de las modalidades preferidas de la presente invención, un calentador de pirólisis de la técnica previa típico se describirá, junto gráficas que muestran los parámetros de operación de estos calentadores. La Figura 1 muestra una sección transversal de este calentador de la técnica previa. Este calentador tiene una zona de calentamiento radiante 14 y una zona de calentamiento por convección 16. Ubicadas en la zona de calentamiento por convección 6 están las superficies de intercambio térmico 18 y 20 que en este caso se ilustran para precalentar la alimentación de hidrocarburos 22. Esta zona también puede contener la superficie de termo intercambio para producir vapor. La alimentación precalentada de la zona de convección se suministra en 24 a la bobina de calentamiento generalmente designada 26 ubicada en la zona de calentamiento radiante 14. El producto desintegrado de la bobina de calentamiento 26 sale en 30. Las bobinas de calentamiento pueden ser de cualquier configuración deseada incluyendo bobinas verticales y horizontales como es común en la industria. La zona de calentamiento radiante 14 comprende paredes designadas 34 y 36 y piso u hogar 42. Montados en el piso están quemadores de hogar de quemado vertical 46, que se dirigen hacia arriba sobre las paredes y que se suministran con aire 47 y combustible 49. Usualmente montados en las paredes están los quemadores de pared 48 que son quemadores de tipo radiante diseñados para producir patrones de flama planos, que se dispersan a través de las paredes para evitar incidencia de flama en los tubos de bobina. La Figura 2 muestra un perfil de flujo térmico de superficie típico para un calentador de la técnica previa tal como se ilustra en la Figura 1 , tanto con los quemadores de hogar como quemadores de pared que están encendidos en un 7
caso y con los quemadores de hogar que están encendidos y los quemadores de pared apagados en el otro caso. La Figura 3 muestra la temperatura de metal de tubo bajo las mismas condiciones. Estas figuras muestran bajo flujo térmico y bajas temperaturas de metal tanto en la parte inferior de ia cámara de combustión como la parte superior de la cámara de combustión y muestran una gran diferencia entre la temperatura mínima y máxima o flujo térmico. Claramente muestran un hogar frío y sugieren la sub-utilización de los tubos de bobina cerca del hogar. La Figura 3 también muestra la importancia del perfil de quemado sobre la temperatura pico del metal en el tubo. Cuando los quemadores de pared de apagan, se requiere un quemado incrementado de los quemadores de hogar. Debido a la forma del perfil de liberación de calor en el quemador de hogar, las temperaturas del metal en el tubo se incrementan en aproximadamente 20EC. Este incremento tiene un impacto negativo directo en la longitud de ciclo debido a incrustaciones o atascamientos en un calentador de desintegración o pirólisis catalítica convencional. Las Figuras 4A y 4B ilustran calentadores de pirólisis, con" quemadores configurados de acuerdo con una modalidad de la presente invención, con la zona de calentamiento radiante 14 de la Figura 4A que muestra una primer variación con quemadores de pared 48 en la porción superior de la zona de calentamiento radiante y la zona de calentamiento radiante 14 de la Figura 4B muestra una segunda variación sin quemadores de pared. Aunque estas Figuras 4A y 4B ilustran un calentador de celda sencilla, el concepto puede aplicarse igualmente a calentadores de desintegración o de pirólisis catalítica o calentadores de múltiples celdas con una configuración más abierta. Como se ve en estas Figuras 4A y 4B y en la Figura 5 que muestran una porción de la zona 14, los quemadores base 50 se ubican en el piso u hogar 42. Estos calentadores base 50 se construyen para quemarse horizontalmente a través del piso a fin de calentar el propio piso con lo que se vuelve una superficie radiante. En ia modalidad preferida, estos quemadores base 50 son iguales o similares a los quemadores de pared 48 ya que se queman en un patrón de flama radial o elíptica alrededor del quemador. Un ejemplo se ilustra en la Figura 6, en donde la mezcla de combustible/aire se introduce en el quemador generalmente designado 50 a través del conducto 52. La mezcla de combustible/aire circula a través de las ranuras 54 bajo la tapa 56 y se enciende. La flama de esta manera se dirige horizontalmente por las ranuras y tapa a través del piso. Los quemadores base pueden operarse a diferentes velocidades de liberación de calor para proporcionar más calor a los pasos más fríos de la bobina y menos calor a los pasos más calientes. También, la ranuras que dan frente a las bobinas pueden ser bloqueadas u omitidas para evitar que la flama incida en las bobinas. Una modalidad alterna de la presente invención utiliza bloques quemadores cerámicos o refractarios porosos que también forman al menos una * porción del piso u hogar. Una corriente de combustible/aire premezclados que alimenta al quemador y pasa a través del medio poroso. Se lleva a cabo combustión esencialmente en la superficie del quemador, de manera tal que la cara del quemador y por lo tanto el propio piso de pirólisis se vuelve una superficie altamente radiante. Un quemador cerámico típico se ilustra en la Figura 7 y comprende una cubierta 58 que contiene el bloque cerámico poroso 60 y tiene una entrada 62 para la mezcla de combustible/aire. La mezcla de combustible/aire circula a través del bloque 60 y se quema en la superficie 64 formando la flama 66. Estos quemadores también pueden contener material catalítico. La ventaja de estos quemadores cerámicos porosos es que no hay flama directa en el piso, ya que está contenido dentro de la superficie radiante cerámica. Una ventaja adicional es que el calor se agrega a niveles de NOx extremadamente bajos. Estos quemadores son quemadores esencialmente de corriente forzada en oposición a los quemadores de pared que usualmente son quemadores de inspiración o de tiro natural. Esto contribuye a la baja capacidad de NO* de los quemadores base de piso cerámicos. Habrá de notarse que mientras se describen dos ejemplos de quemador específicos, el alcance de la invención no se limita a estos quemadores particulares. Se conoce que operar bajo condiciones estequiométricas (niveles de oxígeno reducidos) reducirá NOx al reducir la temperatura de flama. Las condiciones estequiométricas también crean un ambiente reductor para NOx. Además, se conoce que el escalonar el combustible (combustión de combustible a diversos niveles) reducirá NOx al reducir también las temperaturas de flama. En una opción para operar este sistema combinado, el quemador base puede operar estequiométrico produciendo un efluente con combustible no quemado y esencialmente sin oxígeno y mínimo de NOx. Luego, este gas, debido a su posición-en el piso y en proximidad con los quemadores de hogar será atrapado en la flama vertical desde los quemadores de hogar. El quemador de hogar verticalmente quemado puede operarse intencionalmente con aire en exceso. Esto en sí mismo reducirá la temperatura de flama y reducirá NOx. El combustible atrapado de los quemadores base será quemado conforme se atrapa en el flujo del quemador de hogar. Esta combinación de condiciones de operación puede invertirse y los quemadores base operarse con aire en exceso y los quemadores de hogar operarse sub-estequiométricamente. Con cualquier opción, el escalonar el proceso de combustión reduce la formación de NOx. Esta combinación reducirá significativamente el N0X total del calentador de desintegración o pirólisis catalítica para una liberación de calor equivalente. El piso de los calentadores de pirólisis de la técnica previa no se utiliza efectivamente como una superficie radiante. Al calentar el piso con los quemadores base de la presente invención, el piso actúa como una superficie radiante, de esta manera incrementando el flujo de calor en la porción inferior de la cámara de combustión y tendiente a igualar el perfil de flujo térmico a través de la altura de la cámara de combustión. Esto puede verse en las Figuras 8A a 8D. Estas Figuras presentan el perfil de flujo térmico para cada uno de los cuatro pasos de bobina del calentador de pirólisis catalítica de etlleno, para un caso así denominado normal, que utiliza quemadores de pared y quemadores de hogar y el caso de quemador base de la presente invención que utiliza quemadores base, quemadores de pared y quemadores de hogar solo. Los quemadores base se operan a una velocidad de quemado de .253 MM Kcal (1 MM BTU)/hr (cada uno). De esta manera, el quemado total se incrementa por 11 % nominal sobre el caso, normal en donde los quemadores de hogar operan a 1.923 MM Kcal (7.6 MM BTU)/hr y los quemadores de pared a .253 MM Kcal (1 MM BTU)/hr. Bajo estas condiciones, la alimentación de la bobina se incrementa en 11 % al igual que resulta en un incremento neto del 11 % en la capacidad de bobina radiante. Las temperaturas de metal en la superficie del tubo, se ilustran en las Figuras 9A a 9D. La temperatura máxima de metal pico para cualquier paso ha incrementado en solo 6EC, para el caso con 1 % de capacidad adicional. En la práctica, la velocidad de quemado para el quemador base a través de este paso puede reducirse ligeramente para lograr temperaturas de metal equivalentes con capacidad de bobina total substancialmente superior. Si un incremento en capacidad equivalente se fuera a 11
lograr sin un quemador base, el quemador de hogar tendría que aumentarse en .253 MM Kcal (1 MM BTU)/hr. Bajo estas circunstancias, el incremento en la temperatura pico de metal en tubo sería 20EC, equivalente al mostrado en la Figura 3, en donde el quemador de pared de .253 MM Kcal (1 MM BTU)/hr se apagó y el quemador de hogar se incrementó en .253 MM Kcal (1 MM BTU)/hr. Como se estableció anteriormente, esto hubiera tenido un efecto negativo significante en el desempeño del tubo.