PL193681B1

PL193681B1 - Sposób rozkładu termicznego ropy naftowej i/lub frakcji ropy naftowej, zawierających pak

Info

Publication number: PL193681B1
Application number: PL01358686A
Authority: PL
Inventors: Arthur James Baumgartner; Pui-Yuen Jeffrey Chan; Danny Yuk-Kwan Ngan
Original assignee: Shell Int Research
Priority date: 2000-03-08
Filing date: 2001-03-08
Publication date: 2007-03-30
Also published as: CN1210376C; BR0109051A; WO2001066672A1; PL358686A1; DE60137490D1; EP2077307A1; CA2402290C; AU2001240689B2; BR0109051B1; MY131266A; CA2402290A1; JP2003525999A; KR100760720B1; EP1261680B1; CN1422323A; AU4068901A; ATE421565T1; TW503259B; US6632351B1; KR20020086615A

Abstract

1. Sposób rozkladu termicznego ropy naftowej i/lub frakcji ropy naftowej, zawierajacych pak w olefinowym piecu pirolitycznym, znamienny tym, ze doprowadza sie surowiec w postaci ropy naftowej i/lub frakcji ropy naftowej, zawierajacych pak do podgrzewacza pierwszego stopnia, umieszczonego w obszarze konwekcyjnym pieca, podgrzewa sie surowiec wewnatrz podgrzewacza pierwszego stop- nia do temperatury wyjsciowej, wynoszacej przy- najmniej 375°C w celu wytworzenia rozgrzanej mie- szaniny gazu i cieczy, wyprowadza sie rozgrzana mieszanine gazu i cieczy z podgrzewacza pierwsze- go stopnia do separatora pary i cieczy, wydziela sie i usuwa sie gaz z cieczy w separatorze pary i cieczy, oraz doprowadza sie usuniety gaz do podgrzewacza drugiego stopnia, polozonego w obszarze konwek- cyjnym, nastepnie zwieksza sie temperature gazu do temperatury wiekszej niz temperatura gazu, opusz- czajacego separator pary i cieczy, wprowadza sie podgrzany gaz do obszaru promiennikowego pieca pirolitycznego, a takze rozklada sie pirolitycznie gaz na olefiny i zwiazane z tym produkty uboczne. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Wynalazek ten odnosi się do sposobu rozkładu termicznego ropy naftowej i lub frakcji ropy naftowej, zawierających pak w olefinowym piecu pirolitycznym.

Olefiny, w szczególności etylen, wytwarzane są konwencjonalnie w procesie termicznego krakowania węglowodorów ropy naftowej przy użyciu cieczy gazu ziemnego (NGL), takich jak etan lub też przy użyciu frakcji ciężkiej benzyny lub oleju napędowego, wytworzonych w kolumnie destylacyjnej, pracującej powyżej ciśnienia atmosferycznego. Istnieje ostatnio tendencja w pewnych obszarach do projektowania instalacji krakujących, pozwalających na użycie cięższych surowców, takich jak próżniowe oleje napędowe. Jednakże takie cięższe surowce zanieczyszczają rury w podgrzewaczach obszaru konwekcyjnego i leżącą niżej instalację w wyniku osadzania się koksu. Typowa temperatura robocza na wyjściu podgrzewaczy pierwszego stopnia obszaru konwekcyjnego leży w zakresie od około 200 do 400°C, co powoduje całkowite odparowanie surowca wewnątrz obszaru konwekcyjnego lub też, w przypadku ciężkiego surowca, takiego jak olej napędowy i próżniowy olej napędowy, ostateczne i całkowite odparowanie surowca na zewnątrz, gdy zmierza on w kierunku podgrzewaczy drugiego stopnia poprzez dyszę mieszającą z przegrzaną parą, jak opisano w zgłoszeniu patentowym US-A-4 498 629.

Opis patentowy US-A-5 580 443 ujawnia sposób krakowania surowca o niskiej jakości, takiego jak ciężka ciecz gazu ziemnego, która stanowi ropę występującą w niewielkich ilościach przy wydobyciu gazu ziemnego z pól gazowych. Proces ten jest opisany jako przejście surowca przez podgrzewacz pierwszego stopnia wewnątrz obszaru konwekcyjnego do separatora pary i cieczy na zewnątrz obszaru konwekcyjnego po wymieszaniu go z przegrzaną parą, przejście przez podgrzewacz drugiego stopnia wewnątrz obszaru konwekcyjnego i ostatecznie przejście do strefy promiennikowej. Surowiec krakowany jest poprzez oddzielenie i usunięcie w separatorze pary i cieczy części frakcji ciężkich z obszaru podgrzewacza pierwszego stopnia, a następnie zawrócenie odparowanej części surowca do podgrzewacza drugiego stopnia przed poddaniem surowca pirolizie. Temperatura i ciśnienie wewnątrz rur podgrzewacza pierwszego stopnia utrzymywane są w takim zakresie, że te frakcje surowca, które powodowałyby problemy, związane z koksowaniem, są w pełni odparowane. Typowe temperatury na wyjściu z obszaru pierwszego podgrzewacza leżą w zakresie od 150 do 350°C w celu uniknięcia parowania w rurach frakcji, wytwarzających koks.

Mieszanina gazu i cieczy, opuszczająca obszar pierwszego podgrzewacza, opisana w powołanym opisie US-A-5 580 443, jest mieszaniną o stosunku od 60/40 do 98/2. Stosunek ten może być dobrany poprzez dodatek przegrzanej, rozcieńczającej pary wodnej w punkcie między otworem wyjściowym obszaru pierwszego podgrzewacza a wejściem do separatora pary i cieczy. Po dostaniu się do separatora pary i cieczy, ciężkie, nieodparowane frakcje ciekłe są usuwane z systemu, podczas gdy frakcja gazowa przechodzi przez linię doprowadzania gazu, mieszana jest ponownie z przegrzaną parą rozcieńczającą, a następnie wpuszczana do drugiego podgrzewacza. W drugim podgrzewaczu gaz ten jest rozgrzewany do temperatury nieco poniżej temperatury, w której aktywowany jest proces krakowania, po czym wchodzi on do obszaru promiennikowego i poddawany jest krakowaniu.

Pożądane byłoby w celu wytwarzania etylenu, przetwarzanie w piecu pirolitycznym surowców innych niż ciężkie ciecze gazu ziemnego. Do pożądanych surowców należą ropa naftowa lub długołańcuchowe resztki z dna kolumny atmosferycznej do przerobu ropy naftowej. Ropa naftowa otrzymywana jest z pól naftowych, gdzie 60% lub więcej produktu w postaci ciekłej stanowi ropa naftowa. Ciężka ciecz gazu ziemnego znajduje się w ziemi w stanie gazowym lub nadkrytycznym, który kondensuje w miarę osiągania temperatur i ciśnień powierzchniowych. Przetwarzanie ropy naftowej lub długołańcuchowych resztek z atmosferycznej kolumny do przerobu ropy naftowej w temperaturach, opisanych w powołanym opisie US-A-5 580 443, a zwłaszcza w zakresie temperatury od 150 do 350°C w podgrzewaczu pierwszego stopnia lub w każdej temperaturze, w której frakcje, mogące powodować problemy z koksowaniem, pozostają w stanie ciekłym, a frakcje, które nie powinny powodować zakoksowania rur są całkowicie odparowane, byłoby niekorzystne, ponieważ w niższych temperaturach, w których przetwarzane są ciężkie ciecze gazu ziemnego, to jest 150-350°C, odzyskuje się niewystarczającą ilość frakcji odparowanej ropy naftowej lub pozostałości długołańcuchowych, co obniża uzysk pożądanej olefiny, wytwarzanej z tych surowców.

Ciężkie frakcje ropy naftowej oraz pozostałości długołańcuchowe nie mogą być odparowywane w typowych warunkach obszaru konwekcyjnego olefinowego pieca pirolitycznego. Ciężkie frakcje ropy naftowej i pozostałości długołańcuchowe są zwykle usuwane poprzez destylację, a lżejsze, parujące

PL 193 681 B1 frakcje, pochodzące z procesu destylacji, najczęściej frakcje ciężkiej benzyny lub oleju napędowego, stosowane są jako surowiec olefinowych instalacji pirolitycznych. Taki etap przygotowania destylacyjnego ropy naftowej i pozostałości długołańcuchowych wymaga dodatkowych nakładów i zwiększa koszt procesu.

Ujawnia się obecnie sposób rozkładu pirolitycznego ropy naftowej i/lub frakcji ropy naftowej, zawierających pak, w olefinowym piecu pirolitycznym, charakteryzuje się tym, że doprowadza się surowiec w postaci ropy naftowej i/lub frakcji ropy naftowej, zawierających pak do podgrzewacza pierwszego stopnia, położonego w obszarze konwekcyjnym pieca, rozgrzewa się surowiec wewnątrz podgrzewacza pierwszego stopnia do temperatury wyjściowej, wynoszącej przynajmniej 375°C, w celu wytworzenia rozgrzanej mieszaniny gazu i cieczy, wyprowadza się rozgrzaną mieszaninę gazu i cieczy z podgrzewacza pierwszego stopnia do separatora pary i cieczy, wydziela się i usuwa się gaz z cieczy w separatorze pary i cieczy oraz doprowadza się usunięty gaz do podgrzewacza drugiego stopnia, położonego w obszarze konwekcyjnym, podnosi się temperaturę tego gazu powyżej temperatury gazu, opuszczającego separator pary i cieczy, wprowadza się przegrzany gaz do obszaru promiennikowego pieca pirolitycznego i przeprowadza się pirolizę gazu na olefiny i związane z nimi produkty uboczne.

Powyższy proces może być stosowany do przetwarzania długołańcuchowych pozostałości i dowolnych frakcji ropy naftowej, zawierających pak.

Sposób według wynalazku umożliwia wprowadzanie ropy naftowej lub frakcji ropy naftowej, zawierających pak do obszaru konwekcyjnego pieca pirolitycznego bez konieczności dekoksowania rur w obszarze konwekcyjnym częściej niż rur promiennikowych pieca. Sposób według wynalazku rozszerza możliwość stosowania pieca olefinowego do odparowywania surowca (ropy naftowej lub frakcji ropy naftowej, zawierających pak) w wyższej temperaturze (na przykład w 480°C), która nie jest zwykle możliwa do osiągnięcia w próżniowej kolumnie destylacyjnej w normalnych warunkach pracy (około 415°C), umożliwiając odzyskanie większej części ropy naftowej lub frakcji ropy naftowej, zawierających pak w postaci fazy parowej, użytecznej do krakowania w promiennikowym obszarze transferu ciepła w piecu pirolitycznym, niż ilość odzyskiwana w atmosferycznych lub próżniowych kolumnach destylacyjnych. Sposób według wynalazku posiada również zaletę, polegającą na przetwarzaniu ropy naftowej lub frakcji ropy naftowej, zawierających pak bez wstępnego poddawania tego surowca frakcjonowaniu, umożliwiając tym samym przerób tańszego surowca w piecu pirolitycznym. Ostatecznie, duża ilość wrzących w wyższej temperaturze frakcji ropy naftowej lub frakcji ropy naftowej, zawierających pak, w odróżnieniu od ciężkich cieczy gazu ziemnego, zwilża wewnętrzne powierzchnie rur w obszarze konwekcyjnym z odpowiednimi prędkościami liniowymi w zakresie opisanych w niniejszym temperatur roboczych, co czyni ropę naftową lub frakcje ropy naftowej, zawierające pak odpowiednim surowcem i minimalizuje powstawanie koksu wewnątrz rur obszaru konwekcyjnego.

Surowiec przeznaczony do stosowania wraz z niniejszym wynalazkiem jest korzystnie surowcem, którego 85% wagowych lub mniej odparowuje się w temperaturze 350°C, a 90% wagowych lub mniej odparowuje się w temperaturze 400°C, zgodnie z pomiarem według normy ASTM D-2887.

Korzystne surowce w postaci ropy naftowej, stosowane w wynalazku, odznaczają się następującymi właściwościami. Każda właściwość surowca mierzona jest według normy ASTM D-2887:

- 85% wagowych lub mniej surowca odparowuje się w temperaturze 350°C,

- 90% wagowych lub mniej surowca odparowuje się w temperaturze 400°C.

Surowce o właściwościach leżących w powyższych zakresach, minimalizują procesy koksowania wewnątrz rur obszaru konwekcyjnego pieca pirolitycznego w opisanych tutaj warunkach pracy. Udział procentowy masy surowców lżejszych, takich jak większość ciężkich cieczy gazu ziemnego, odparowany w temperaturach 300°C, 350°C lub 400°C jest tak duży, że odparowanie frakcji koksującej spowodowałoby szybkie zakoksowanie rur w podgrzewaczu pierwszego stopnia w stosowanych wtym wynalazku temperaturach.

W korzystnym przykładzie wykonania, ropa naftowa, przeznaczona jako surowiec, odznacza się następującymi właściwościami:

- 65% wagowych surowca lub mniej odparowuje się w temperaturze 300°C,

- 80% wagowych surowca lub mniej odparowuje się w temperaturze 350°C,

- 88% wagowych surowca lub mniej wrze w temperaturze 400°C.

W korzystniejszym przykładzie wykonania,

- 60% wagowych lub mniej surowca i pozostałości długołańcuchowych odparowuje się w temperaturze 300°C,

PL 193 681 B1

- 70% wagowych surowca lub mniej odparowuje się w temperaturze 350°C,

- 80% wagowych surowca lub mniej odparowuje się w temperaturze 400°C.

W najkorzystniejszym przykładzie wykonania surowiec odznacza się następującymi właściwościami:

- 55% wagowych lub mniej surowca ropy naftowej odparowuje się w temperaturze 300°C,

- 65% wagowych lub mniej surowca ropy naftowej odparowuje się w temperaturze 350°C,

- 75% wagowych lub mniej surowca ropy naftowej odparowuje sięw temperaturze 400°C.

Typowe surowce odznaczać się będą gęstością w stopniach APIo wartości nie większej niż 45.

Surowce w postaci pozostałości długołańcuchowych stanowią końcówki z dna atmosferycznej kolumny destylacyjnej, stosowanej do przerobu i frakcjonowania odsolonej ropy naftowej, znane również powszechnie jako dno wieży atmosferycznej. Taka atmosferyczna kolumna destylacyjna wydziela z ropy naftowej olej napędowy, naftę, ciężką benzynę, benzynę oraz lżejsze składniki. Pozostałości długołańcuchowe spełniają powyższe wymagania wykorzystywanego w wynalazku, odpowiedniego surowca i spełniać także będą następujące parametry:

- 35% wagowych lub mniej, korzystniej 15% wagowych lub mniej, a nawet 10% wagowych lub mniej odparowuje się w temperaturze 350°C,

- 55% wagowych lub mniej, korzystniej 40% wagowych, a nawet 30% wagowych lub mniej odparowuje się w temperaturze 400°C.

Ciśnienie i temperatura w jakich ropa naftowa i/lub pozostałości długołańcuchowe doprowadzane są do wlotu podgrzewacza pierwszego stopnia w obszarze konwekcyjnym nie są krytyczne dopóty, dopóki surowiec jest płynny. Ciśnienie to waha się w ogólności pomiędzy 8Ί0⁵ do 28'10⁵Pa, korzystniej od 11Ί0⁵ do 18'10⁵Pa, a temperatura ropy naftowej ustalana jest w ogólności na poziomie od temperatury otoczenia do temperatury niższej niż temperatura gazów spalinowych w obszarze konwekcyjnym, gdzie jest ona rozgrzewana najpierw, zwykle od 140 do 300°C. Szybkości zasilania nie są parametrami krytycznymi, chociaż pożądane byłoby prowadzenie procesu z szybkością od 22 000 do 50 000 kg ropy naftowej i/lub pozostałości długołańcuchowych na godzinę.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematyczną sieć przepływu pieca pirolitycznego, fig. 2 przedstawia widok z boku separatora pary i cieczy, fig. 3 przedstawia widok z góry urządzenia z fig. 2, fig. 4 przedstawia widok perspektywiczny zespołu łopatek separatora pary i cieczy z fig. 2, fig. 5 przedstawia schematyczną sieć przepływu pieca pirolitycznego, fig. 6 przedstawia schematyczną sieć przepływu pieca pirolitycznego.

Wynalazek opisano poniżej, odwołując się do fig. 1 w charakterze ilustracji wynalazku. Należy rozumieć, że zakres wynalazku może obejmować dowolną liczbę i rodzaje etapów procesu pomiędzy każdym z opisanych etapów procesu lub pomiędzy opisanym punktem startowym i punktem docelowym w obrębie danego etapu procesu. Przykładowo, pomiędzy separatorem pary i cieczy a podgrzewaczem drugiego stopnia występować może dowolna liczba dodatkowych urządzeń lub etapów procesu, jak również pomiędzy etapem doprowadzenia usuniętego gazu (z separatora pary i cieczy jako źródła) do podgrzewacza drugiego stopnia (punktu docelowego) występować może dowolna liczba dodatkowych urządzeń lub etapów.

Olefinowy piec pirolityczny 10 zasilany jest surowcem 11 w postaci ropy naftowej, frakcji ropy naftowej, zawierających pak lub pozostałości długołańcuchowych, wchodzącym do podgrzewacza pierwszego stopnia 12 obszaru konwekcyjnego A. Określenie surowce w postaci ropy naftowej odnosić się będzie w niniejszym opisie do surowca, wykorzystywanego w wynalazku, aczkolwiek należy rozumieć, że wszędzie tam, gdzie używa się określenia surowiec w postaci ropy naftowej, odpowiednimi surowcami, które mogą być również wykorzystywane zamiast lub w połączeniu z surowcami w postaci ropy naftowej są pozostałości długołańcuchowe. Ponadto, dla wygody opisu należy rozumieć, że każda wzmianka o ropie naftowej w niniejszym opisie obejmuje ropę naftową oraz frakcje ropy naftowej, zawierające pak. Zgodnie z tym, zakres wynalazku obejmuje pozostałości długołańcuchowe i frakcje ropy naftowej, zawierające pak, gdziekolwiek w niniejszym opisie jest mowa o ropie naftowej w charakterze surowca.

Podgrzewacz pierwszego stopnia 12 w obszarze konwekcyjnym stanowi zazwyczaj zespół rur, których zawartość podgrzewana jest głównie poprzez konwekcyjny transport ciepła, pochodzącego z gazów spalinowych, opuszczających obszar promiennikowy pieca pirolitycznego. Doprowadzany jest korzystnie surowiec, którego 85% wagowych lub mniej odparowuje w temperaturze 350°C oraz 90% wagowych lub mniej surowca odparowuje w temperaturze 400°C, mierząc zgodnie z normą ASTM D-2887. W jednym przykładzie wykonania, w czasie, gdy surowiec w postaci ropy naftowej i/lub

PL 193 681 B1 pozostałości długołańcuchowych przechodzi przez podgrzewacz pierwszego stopnia 12, podgrzewany jest on do temperatury, która uaktywnia parowanie frakcji nie-koksujących oraz parowanie części frakcji koksujących do postaci par, przy jednoczesnym utrzymaniu pozostałych frakcji koksujących w stanie ciekłym. Odkryto, że w przypadku surowca w postaci ropy naftowej i/lub pozostałości długołańcuchowych pożądane jest całkowite odparowanie frakcji ropy naftowej i/lub frakcji pozostałości długołańcuchowych, które nie aktywują procesu koksowania w podgrzewaczach pierwszego stopnia i dodatkowo utrzymanie temperatury, podniesionej wystarczająco do dalszego odparowania części ropy naftowej i/lub pozostałości długołańcuchowych, składających się z frakcji, aktywujących proces koksowania rur w podgrzewaczu pierwszego stopnia i/lub podgrzewaczu drugiego stopnia. Zjawisko koksowania w rurach podgrzewacza pierwszego stopnia jest znacząco ograniczane przez utrzymanie zwilżonych powierzchni ścian rur grzewczych. Dopóty, dopóki powierzchnie grzewcze są zwilżane z wystarczającą liniową prędkością przepływu cieczy, koksowanie tych powierzchni jest powstrzymane.

Optymalna temperatura, w jakiej podgrzewany jest surowiec w podgrzewaczu pierwszego stopnia obszaru konwekcyjnego zależeć będzie od składu danego surowca, ciśnienia surowca w podgrzewaczu pierwszego stopnia, a także wydajności i pracy separatora pary i cieczy. W jednym przykładzie wykonania wynalazku surowiec jest podgrzewany w podgrzewaczu pierwszego stopnia do temperatury wyjściowej przynajmniej 375°C, a korzystniej do temperatury wyjściowej, wynoszącej przynajmniej 400°C. W jednym przykładzie wykonania temperatura wyjściowa surowca z podgrzewacza pierwszego stopnia wynosi przynajmniej 415°C.

Górny zakres temperatury surowca w rurach podgrzewacza pierwszego stopnia 12 ograniczony jest do wartości, przy której pogorszeniu ulega stabilność surowca. W pewnej temperaturze skłonność do koksowania się surowca rośnie, ponieważ asfalteny, zawarte w paku zaczynają wydzielać się z roztworu lub separować fazowo z rozpuszczalnikowych żywic w surowcu. Ta granica temperatury stosuje się zarówno do rur podgrzewacza pierwszego stopnia jak i wszystkich rur łącznikowych, włączając w to również separator pary i cieczy. Korzystnie, temperatura wyjściowa surowca w podgrzewaczu pierwszego stopnia jest nie większa niż 520°C, a najkorzystniej nie większa niż 500°C.

Każda z wyszczególnionych powyżej temperatur w podgrzewaczu pierwszego stopnia mierzona jest jako temperatura, którą osiąga mieszanina gazu i cieczy w dowolnym punkcie wewnątrz podgrzewacza pierwszego stopnia, włączając w to otwór wylotowy podgrzewacza pierwszego stopnia. Zauważając, iż temperatura surowca wewnątrz rur podgrzewacza pierwszego stopnia zmienia się w sposób ciągły, rosnąc w ogólności w miarę jak surowiec przepływa przez te rury, aż do temperatury przy jakiej opuszcza on podgrzewacz pierwszego stopnia, pożądane jest zmierzenie temperatury na wylocie podgrzewacza pierwszego stopnia z obszaru konwekcyjnego. W tych temperaturach wylotowych zarówno frakcja koksująca jak i frakcja nie koksująca surowca ulegną odparowaniu do postaci fazy gazowej, utrzymując jednocześnie pozostałą część frakcji koksującej w stanie ciekłym w celu należytego zwilżenia ścian wszystkich powierzchni grzewczych. Stosunek zawartości gazu do cieczy wynosi odpowiednio od 60/40 do 98/2 w stosunku wagowym, a korzystnie od 90/10 do 95/5 w stosunku wagowym, w celu utrzymania wystarczającego zwilżania ścian rury, minimalizacji procesu koksowania oraz zwiększenia uzysku.

Warunki temperaturowe wewnątrz podgrzewacza pierwszego stopnia są odpowiednio dostosowane do użycia surowca w postaci ropy naftowej i/lub pozostałości długołańcuchowych, a nie są zalecane dla ciężkiej cieczy gazu ziemnego. Przeprowadzenie przez podgrzewacz pierwszego stopnia w warunkach roboczych według wynalazku ciężkiej cieczy gazu ziemnego, zawierającej frakcje koksujące, mogłoby spowodować odparowanie surowca do sucha i w ciągu kilku dni do jednego tygodnia mogłoby spowodować zakoksowanie przewodów rurowych pieca w obszarze konwekcyjnym do takiego stopnia, że konieczne byłoby jego wyłączenie.

Ciśnienie wewnątrz podgrzewacza pierwszego stopnia 12 nie jest szczególnie ograniczone. Ciśnienie w podgrzewaczu pierwszego stopnia leży generalnie w zakresie od 4x10⁵Pa do 21x10⁵Pa, korzystniej od 5x10⁵Pa do 13x10⁵Pa.

W opcjonalnym, ale korzystnym przykładzie wykonania wynalazku, do surowca w podgrzewaczu pierwszego stopnia, w dowolnym punkcie przed wyjściem mieszaniny gazu i cieczy z podgrzewacza pierwszego stopnia, dodany może zostać płyn rozcieńczający, korzystnie gaz rozcieńczający 13. W korzystniejszym przykładzie wykonania gaz rozcieńczający 13 dodawany jest do surowca podgrzewacza pierwszego stopnia w punkcie, położonym na zewnątrz pieca pirolitycznego, w celu łatwiejszej konserwacji i wymiany urządzeń.

PL 193 681 B1

Gaz rozcieńczający stanowi para wodna w punkcie wtryskiwania do podgrzewacza pierwszego stopnia. Zastosowany może być dowolny gaz, który ułatwia odparowanie zawartych w surowcu frakcji nie koksujących oraz części frakcji koksujących. Gaz rozcieńczający pomaga także w utrzymaniu warunków przepływu surowca przez rury, dzięki czemu rury te są zwilżane i unika się przepływu warstwowego. Przykładami gazów rozcieńczających są para wodna, szczególnie rozcieńczająca para wodna (nasycona para wodna w punkcie rosy), metan, etan, azot, wodór, gaz ziemny, gaz suchy, gazy rafineryjne, odparowana ciężka benzyna lub ich mieszanki.

Temperatura gazu rozcieńczającego ma minimalną wartość, wystarczającą do utrzymania pary w stanie gazowym. Jeżeli chodzi o rozcieńczającą parę wodną, dodawana jest ona korzystnie w temperaturze poniżej temperatury surowca, mierzonej w punkcie wtryskiwania, w celu zapewnienia tego, ażeby gaz rozcieńczający nie uległ kondensacji, korzystniej 25°C poniżej temperatury surowca w punkcie wtryskiwania. Typowe temperatury pary wodnej w miejscu łączenia gazu rozcieńczającego i surowca, wahają się w zakresie od 140 do 260°C, korzystniej od 150 do 200°C.

Ciśnienie gazu rozcieńczającego nie jest szczególnie ograniczone, ale korzystnie jest wystarczające, aby umożliwić wtryskiwanie. Typowe ciśnienia gazu rozcieńczającego, dodawanego do su55 rowca, leżą generalnie w zakresie 6x10⁵-15x10⁵Pa.

Pożądane jest dodawanie gazu rozcieńczającego do podgrzewacza pierwszego stopnia w ilości do 0,5:1 kg gazu na kilogram surowca, korzystnie do 0,3:1 kg gazu na kilogram surowca.

Ewentualnie, do surowca w podgrzewaczu pierwszego stopnia, w dowolnym punkcie przed wylotem mieszaniny gazu i cieczy z podgrzewacza pierwszego stopnia, dodany może zostać płyn rozcieńczający 13 (płyn w fazie ciekłej lub fazie mieszanej gazu i cieczy). Przykładami płynów rozcieńczających są ciecze, które są łatwo odparowywane razem z surowcem, takie jak ciekła woda lub ciężka benzyna w połączeniu z innymi rozcieńczającymi cieczami lub gazami. W ogólności płyn rozcieńczający korzystny jest wtedy, gdy punkt wtrysku znajduje się w miejscu, gdzie surowiec wciąż jest w fazie ciekłej, a gazy rozcieńczające korzystne są wtedy, gdy punkt wtrysku znajduje się w miejscu, gdzie surowiec jest częściowo lub całkowicie odparowany. Korzystny jest proces, w którym ilość wody dodawanej do surowca wynosi 1% molowy, w przeliczeniu na liczbę moli surowca.

W innym, alternatywnym przykładzie wykonania, do podgrzewacza pierwszego stopnia dodana może zostać przegrzana para wodna w linii gazu rozcieńczającego 13, w celu ułatwienia dalszego odparowywania surowca wewnątrz rur podgrzewacza pierwszego stopnia.

Po podgrzaniu surowca w celu wytworzenia mieszaniny gazu i cieczy, usuwany jest on z podgrzewacza pierwszego stopnia przez linię mieszaniny gazu i cieczy 14, bezpośrednio lub pośrednio do separatora pary i cieczy, jako rozgrzana mieszanina gazu i cieczy. Separator pary i cieczy usuwa nie odparowaną część surowca, która jest wydzielana i usuwana z całkowicie odparowanych gazów surowca w postaci ropy naftowej i/lub pozostałości długołańcuchowych. Separator pary i cieczy może być dowolnym separatorem, włączając w to separator cyklonowy, wirówkę lub też urządzenie frakcjonujące, powszechnie stosowane w technice przetwarzania olejów ciężkich. Separator może być skonfigurowany tak, aby pobierał surowiec wejściem bocznym, para wylatywała górą separatora, a ciecz wypływała przy jego dnie lub też może być separatorem z wejściem górnym, w którym produkty gazowe wychodzą z boku separatora.

Temperatura pracy separatora pary i cieczy jest wystarczająca, aby utrzymać temperaturę mieszaniny gazu i cieczy w zakresie od 375 do 520°C, korzystnie w zakresie od 400 do 500°C. Temperatura mieszaniny pary i cieczy może być dopasowywana przy użyciu pewnych środków, włączając w to zwiększanie strumienia przegrzanej pary rozcieńczającej do mieszaniny pary i cieczy, przeznaczonej do separatora pary i cieczy, jak opisano to poniżej bardziej szczegółowo w odniesieniu do fig. 5 i/lub poprzez zwiększenie temperatury surowca, doprowadzanego do pieca z zewnętrznych wymienników ciepła.

W korzystnym przykładzie wykonania separator pary i cieczy jest opisany w złożonym jednocześnie zgłoszeniu TH 1497, zatytułowanym „Separator pary i cieczy ze zwilżanymi ścianami. Odwołując się teraz do fig. 2 i 3, przedstawiono separator pary i cieczy 20 w widoku z boku w częściowym przekroju na fig. 2 i w widoku z góry w przekroju na fig. 3. Stan mieszaniny gazu i cieczy 14 na wejściu separatora pary i cieczy 20 zależny jest od właściwości surowca 11. Korzystna jest obecność wystarczającej ilości nieodparowanej cieczy 15 (pomiędzy 2 i 40% w stosunku objętościowym surowca, korzystnie 2-5% w stosunku objętościowym) w celu zwilżania wewnętrznych powierzchni separatora pary i cieczy 20. Wymóg zwilżania ścian ma zasadnicze znaczenie dla zmniejszenia szybkości, jeżeli nawet nie zatrzymania, formowania się i osadzania koksu na powierzchni separatora pary i cieczy 20.

PL 193 681 B1

Stopień odparowania (lub % w stosunku objętościowym nieodparowanej cieczy 15) może być kontrolowany poprzez dostosowanie stosunku zawartości pary rozcieńczającej i surowca oraz temperatury odparowywania mieszaniny gazu i cieczy 14.

Opisany tutaj separator pary i cieczy 20 umożliwia rozdzielenie fazy ciekłej w postaci nieodparowanej cieczy 15 oraz fazy parowej w postaci odparowanego węglowodoru 16 odparowywanej mieszaniny w taki sposób, że nie pozwala się na powstanie cząstek koksu i będące tego skutkiem zapchanie separatora pary i cieczy 20 lub leżących poniżej urządzeń (nie pokazanych). Dzięki swej relatywnie zwartej budowie, separator pary i cieczy 20 ze zwilżanymi ścianami może osiągać wyższą temperaturę odparowywania niż temperatura osiągana w zwykłej kolumnie próżniowej do przerobu surowca, co pozwala na odzysk większej ilości odparowanego węglowodoru 16 z surowca 11, do dalszego przerobu. Zwiększa to ilość frakcji surowca 11, która może zostać wykorzystana do wytwarzania produktów o większej wartości 23 i zmniejsza ilość frakcji ciężkich cieczy węglowodorowych w postaci nieodparowanej cieczy 15 o mniejszej wartości.

Odwołując się teraz do fig. 2, separator pary i cieczy 20 zawiera naczynie, posiadające ściany 20a, wlot 14a napływającej mieszaniny gazu i cieczy 14, wylot pary 16a, służący do kierowania fazy parowej w postaci odparowanego węglowodoru 16 oraz wylot cieczy 15a, służący do kierowania fazy ciekłej w postaci nieodparowanej cieczy 15. W niewielkiej odległości od wlotu 14a znajduje się kielich 25, posiadający pewną liczbę łopatek 25a, rozmieszczonych wzdłuż obwodu kielicha 25, korzystnie w pobliżu końca najbliższego wlotowi 14a. Zespół łopatek pokazano wyraźniej w widoku perspektywicznym na fig. 4. Napływająca mieszanina gazu i cieczy 14 jest rozpraszana poprzez rozpryskanie się na bliższym końcu kielicha 25, a w szczególności na łopatkach 25a, kierujących część fazy ciekłej w postaci nieodparowanej cieczy 15 mieszaniny gazu i cieczy 14 na zewnątrz, w kierunku ścian 20a separatora pary i cieczy 20, utrzymując przez to ściany 20a w stanie całkowitego zwilżenia cieczą i zmniejszając szybkość, jeżeli nawet nie zatrzymując, procesów koksowania się wewnętrznych powierzchni ścian 20a. Podobnie, zewnętrzna powierzchnia kielicha 25 utrzymywana jest w stanie całkowitego zwilżenia przez warstwę cieczy, która spływa w dół zewnętrznej powierzchni kielicha 25, dzięki zbyt małym siłom, aby mogły przenieść nieodparowaną ciecz 15, będącą w styczności z powierzchnią kielicha 25 do wnętrza ścian 20a. Fartuch 25b otacza dalszy koniec kielicha 25 i pomaga w kierowaniu całej cieczy, transportowanej w dół zewnętrznej powierzchni kielicha 25, do wnętrza ścian 20a poprzez osadzanie cieczy do środka wirującej pary. Górna część separatora pary i cieczy 20 jest wypełniona w obszarze górnej głowicy 20b pomiędzy wlotem 14a a kielichem 25 w celu wspomagania zwilżania wnętrza ścian 20a, gdy mieszanina gazu i cieczy 14 wchodzi do separatora pary i cieczy 20. Gdy nieodparowana ciecz 15 transportowana jest w dół, przemywa ona ściany 20a oraz kielich 25 i redukuje, jeżeli nawet nie zatrzymuje, powstawanie koksu na ich powierzchniach. Faza ciekła nieodparowanej cieczy 15 kontynuuje opadanie i opuszcza separator pary i cieczy 20 przez wylot cieczy 15a. Poniżej rury wylotu pary 16a znajduje się para dyszy wlotowych 26, mających na celu dostarczanie oleju chłodzącego do chłodzenia zgromadzonej, nieodparowanej cieczy 15 i ograniczenia powstawania koksu poniżej. Faza parowa w postaci odparowanego węglowodoru 16 wchodzi do kanału wylotu pary 16a w jego najwyższym punkcie wejściem wylotu pary 16c, opuszcza wylot 16a i zmierza do parownika/miksera 17 celem dalszej obróbki przed wejściem do obszaru promiennikowego pieca pirolitycznego, jak pokazano na fig. 1. Fartuch 16b otacza wejście wylotu pary 16c do kanału pary 16 i pomaga w odchylaniu jakiejkolwiek nieodparowanej cieczy 15 na zewnątrz, w kierunku ścian separatora 20a.

Odległość na jaką rozciąga się kielich 25 poniżej łopatek 25a dobrano w oparciu o oszacowanie wielkości kropli cieczy, która zostanie zatrzymana zanim kropla ta przejdzie o więcej niż połowę dystansu poza kielich 25. W dół kielicha 25 spływać będzie znacząca ilość nieodparowanej cieczy 15 (bazując na obserwacjach przy użyciu modelu powietrzno-wodnego), a obecność „fartucha” 25b na kielichu 25 wprowadzi krople cieczy do fazy parowej, dobrze poniżej łopatek 25a, a poniżej fartucha 25b kielicha 25 gromadzenie będzie kontynuowane w wyniku nieprzerwanego wirowania pary odparowanego węglowodoru 16, gdy przechodzi on do rury wylotowej wylotu pary 16a.

Fartuch 25b zwymiarowany został tak, aby przemieszczać ciecz z kielicha 25 tak blisko jak jest to możliwe do zewnętrznej ściany 20a bez zmniejszenia obszaru, przeznaczonego dla strumienia odparowanego węglowodoru 16, poniżej wielkości obszaru, dostępnego na łopatkach 25a. Ze względów praktycznych wprowadzono około 20% więcej powierzchni, przeznaczonej dla przepływu niż znajduje się na łopatkach 25a.

PL 193 681 B1

Odległość między dnem kielicha 25 a najwyższym punktem wejścia 16c rury wylotu pary 16a, zwymiarowano jako czterokrotność średnicy rury wylotu pary 16a. Było to zgodne z modelem powietrzno-wodnym. lntencją tego jest utworzenie przestrzeni do migracji pary w kierunku wylotu pary

16a bez osiągania skrajnie dużych prędkości radialnych.

Odległość od wejścia 16c rury wylotu pary 16a do osi poziomego odcinka wylotu pary 16a obrano jako równą w przybliżeniu trzem średnicom rury. lntencją tego jest uzyskanie odstępu, służącego do utrzymania wiru pionowo powyżej wylotu pary 16a - nie zakłócając go przez bliskość poziomego odcinka strumienia pary odparowanego węglowodoru 16, opuszczającego rurę wylotu pary 16a. Położenie i rozmiar przeciwdziałającego pełzaniu pierścienia w postaci fartucha 16b, położonego na rurze wylotu pary 16a są nieco arbitralne. Znajduje się on w pobliżu, ale poniżej, wargi i jest stosunkowo mały w celu pozostawienia miejsca dla opadania koksu między zewnętrzną ścianą 20a, a fartuchem 16b.

Szczegóły budowy separatora pary i cieczy 20 poniżej rury wylotu pary 16a podyktowane zostały przez zagadnienia, związane z zewnętrznym środowiskiem tego separatora. Tak długo, dopóki nic nie powoduje wytryskiwania cieczy powyżej wejścia 16c do rury wylotu pary 16a, nie powinno być wpływu na wydajność procesu separacji.

Do głównych obszarów koksowania należą odcinki z recyrkulacją pary lub obszary metalu, które nie są dobrze przemywane cieczą. Obszar górnej głowicy 20b wewnątrz górnej głowicy może być ukształtowany lub wypełniony materiałem w celu przybliżenia oczekiwanej strefy recyrkulacji. Wnętrze kielicha 25 stanowi inny, potencjalnie kłopotliwy obszar. W przypadku, gdyby wytworzony ponad wejściem 16c koks wpadł do rury wylotu pary 16a, wystąpić mogłaby znacząca przeszkoda dla przepływu (taka jak na przykład zamknięty zawór zwrotny). Z tego powodu stosowane mogą być klatka lub sito 25c z prętów albo w postaci zaślepki rury. Nie zapobiega to wzrostowi koksu, ale zatrzyma jego większą część, tak iż mało prawdopodobne będzie opadnięcie większej bryłki. Obszary pod fartuchami łopatek oraz fartuchami 16b na rurze wylotu pary 16a również nie są „przemywane i wzrost koksu wtych obszarach jest możliwy.

Zgazowany odparowany węglowodór 16 surowca 11, doprowadzany do separatora pary i cieczy 20 w postaci mieszaniny gazu i cieczy z podgrzewacza pierwszego stopnia 12 jest następnie przeprowadzany przez parownik/mikser 17, w którym para miesza się z przegrzaną parą wodną 18 wcelu podgrzania pary do wyższej temperatury. Para jest korzystnie mieszana z przegrzaną parą wodną w celu zapewnienia tego, iż strumień ten pozostanie w stanie gazowym, poprzez obniżenie ciśnienia cząstkowego węglowodorów w parze. Ponieważ para, opuszczająca separator pary i cieczy jest nasycona, dodatek przegrzanej pary wodnej zminimalizuje ryzyko kondensacji frakcji koksujących na wewnętrznych powierzchniach nie ogrzanych rur zewnętrznych, łączących separator pary i cieczy z podgrzewaczem drugiego stopnia. Źródłem przegrzanej pary wodnej jest doprowadzenie przegrzanej pary wodnej 18 do obszaru konwekcyjnego pieca pirolitycznego, pomiędzy podgrzewaczami pierwszego i drugiego stopnia. Gazy spalinowe z obszaru promiennikowego służą korzystnie jako źródło ciepła do zwiększenia temperatury pary wodnej do stanu przegrzania.

Odpowiednie temperatury przegrzanej pary wodnej nie są szczególnie ograniczone od góry i powinny być wystarczające do przegrzania pary powyżej punktu rosy. W ogólności przegrzana para wodna wprowadzana jest do parownika/miksera 17 w temperaturze w zakresie od około 450°C do 600°C.

Parownik/mikser 17 znajduje się korzystnie na zewnątrz pieca pirolitycznego, ponownie, w celu łatwiejszej konserwacji. Zastosowana może być dowolna, konwencjonalna dysza mieszająca, ale korzystne jest użycie dyszy mieszającej, opisanej w zgłoszeniu US-A 4 498 629, w celu dalszego zminimalizowania skłonności do koksowania wokół wewnętrznych powierzchni dyszy mieszającej. Korzystna dysza mieszająca, jak opisano to w zgłoszeniu US-A 4 498 629, zawiera pierwszy element rurowy oraz drugi element rurowy, otaczający pierwszy element rurowy w celu utworzenia pewnej pierścieniowej przestrzeni. Pierwszy element rurowy i drugi element rurowy posiadają zasadniczo zgodne osie podłużne. Korzystnie, przegrzana para wodna łączona jest z usuniętym gazem przed wejściem do podgrzewacza drugiego stopnia. Z tego względu umieszczono pierwszy wlot, służący do wprowadzania surowca w postaci odparowywanej ropy naftowej i/lub pozostałości długołańcuchowych do pierwszego elementu rurowego, a do wprowadzania do pierścieniowej przestrzeni przegrzanej pary wodnej umieszczono drugi wlot. Pierwszy element rurowy i drugi element rurowy posiadają otwarty koniec, służący do wprowadzania przegrzanej pary wodnej w postaci pierścienia wokół rdzenia pary, przy czym ten otwarty koniec kończy się otworami, rozmieszczonymi w płaszczyźnie, zasadniczo prostopadłej do osi podłużnej. Urządzenie to zawiera również na jednym końcu pewien element o kształcie

PL 193 681 B1 stożka ściętego, połączony z otwartym końcem drugiego elementu rurowego, o osi podłużnej zasadniczo zgodnej z osią podłużną elementów rurowych i odchylający się w kierunku na zewnątrz od drugiego elementu rurowego, przy czym ów element o kształcie stożka ściętego posiada kąt wierzchołkowy o wartości co najwyżej 20 stopni. Rozmieszczenie odchylającego się nieco elementu o kształcie stożka ściętego poza położenie, gdzie przegrzana para wodna spotyka się z surowcem, zapobiega kontaktowi kropel cieczy ze ścianą tego elementu, minimalizując tym samym ryzyko powstawania koksu w dyszy mieszającej.

Mieszanina przegrzanej pary wodnej i gazu, która opuszcza parownik/mikser 17 przez linię mieszaniny 19, doprowadzana jest do podgrzewacza drugiego stopnia 21 i rozgrzewana jest w tym podgrzewaczu przez rury, ogrzewane przez gazy spalinowe, pochodzące z obszaru promiennikowego pieca. W podgrzewaczu drugiego stopnia 21, mieszanina przegrzanej pary wodnej i gazu jest całkowicie podgrzewana do temperatury bliskiej lub nieco niższej niż temperatura, przy której następuje zasadniczy proces krakowania surowca i osadzenie koksu w podgrzewaczu. Mieszany surowiec przepływa następnie do obszaru promiennikowego B poprzez linię obszaru promiennikowego 22 olefinowego pieca pirolitycznego, gdzie gazowe węglowodory są krakowane termicznie do postaci olefin i odpowiednich produktów ubocznych, opuszczających piec przez linię produktów o większej wartości 23. Typowe temperatury wlotowe do obszaru promiennikowego B są wyższe od 480°C, korzystniej wynoszą przynajmniej 510°C, najkorzystniej przynajmniej 537°C, a także przynajmniej 732°C na wyjściu, korzystniej przynajmniej 760°C, a najkorzystniej pomiędzy 760°C a 815°C w celu ułatwienia krakowania molekuł długo- i krótkołańcuchowych do postaci olefin. Do produktów olefinowego pieca pirolitycznego należą, ale też nie są do nich ograniczone, etylen, propylen, butadien, benzen, wodór, a także metan i inne związane produkty olefinowe, parafinowe i aromatyczne. Przeważającym produktem jest generalnie etylen, zazwyczaj w zakresie od 15 do 30% w stosunku wagowym względem masy odparowanego surowca.

W opcjonalnym przykładzie wykonania, przegrzana para wodna może być dodawana do podgrzewacza pierwszego stopnia 12 w obszarze konwekcyjnym poprzez linię gazu rozcieńczającego 13 zamiast pary rozcieńczającej, jak pokazano na fig. 1 lub też może być dodawana pomiędzy otworem wyjściowym podgrzewacza pierwszego stopnia a separatorem pary i cieczy, jak pokazano na fig. 5, wcelu dalszego podniesienia temperatury mieszaniny gazu i cieczy, zwiększając tym samym ilość i udział procentowy odzyskanej z surowca fazy parowej.

Procentowy udział odparowanych składników w mieszaninie gazu i cieczy wewnątrz pierwszego podgrzewacza może być regulowany poprzez kontrolę temperatury odparowywania, ilość dodawanej opcjonalnie rozcieńczającej pary wodnej, a także ilość i temperaturę opcjonalnie dodawanej do surowca przegrzanej pary wodnej w podgrzewaczu pierwszego stopnia 12. Ilość odzyskiwanej z surowca fazy parowej nie powinna przekraczać wyszczególnionego stosunku zawartości gazu i cieczy, to znaczy nie powinna być większa niż 98/2, w celu zminimalizowania zjawiska koksowania.

Sposób według wynalazku może powstrzymywać proces powstawania koksu wewnątrz separatora pary i cieczy 20, parownika/miksera 17, a także w podgrzewaczu drugiego stopnia 21, poprzez nieprzerwane zwilżanie powierzchni grzewczych wewnątrz podgrzewacza pierwszego stopnia oraz separatora pary i cieczy. Sposób według wynalazku osiąga odzysk frakcji ropy naftowej i/lub pozostałości długołańcuchowych, jaki nie jest możliwy do osiągnięcia w przeciwnym wypadku przy temperaturach podgrzewacza pierwszego stopnia rzędu 350°C lub mniej, przy jednoczesnym powstrzymywaniu procesu powstawania koksu.

Piec pirolityczny może być dowolnym, konwencjonalnym olefinowym piecem pirolitycznym, pracującym w celu wytworzenia olefin o mniejszej masie cząsteczkowej, włączając w to zwłaszcza rurowy piec krakujący z parą wodną. Rury wewnątrz obszaru konwekcyjnego pieca pirolitycznego mogą być rozmieszczone w postaci zespołu rur równolegle lub też rury te mogą być rozmieszczone z przeznaczeniem dla jednokrotnego przejścia surowca przez obszar konwekcyjny. Na wlocie, surowiec może być rozdzielony pomiędzy kilka rur o jednokrotnym przejściu lub może być doprowadzony do jednej rury o jednokrotnym przejściu, przez którą cały surowiec przepływa od wlotu do wylotu podgrzewacza pierwszego stopnia, a korzystniej przez cały obszar konwekcyjny. Korzystnie, podgrzewacz pierwszego stopnia składa się z jednego zespołu rur o jednokrotnym przejściu, umieszczonych w obszarze konwekcyjnym pieca pirolitycznego. W tym korzystnym przykładzie wykonania obszar konwekcyjny zawiera rury o jednokrotnym przejściu, w dwóch zespołach, przez które przepływa surowiec.

Wewnątrz każdego z zespołu rury mogą być rozmieszczone w ustawieniu podobnym do cewki lub serpentyny w jednym rzędzie, a każdy zespół może posiadać kilka rzędów rur.

PL 193 681 B1

W celu dalszego zminimalizowania koksowania w rurach podgrzewacza pierwszego stopnia oraz w dalszych rurach, znajdujących się poniżej i wewnątrz separatora pary i cieczy, liniowa prędkość przepływu surowca dobrana jest korzystnie tak, aby zredukować czas przebywania frakcji koksującej odparowanych gazów w rurach. Właściwa prędkość liniowa ułatwi również powstawanie cienkiej, jednorodnej warstwy zwilżającej powierzchnię rury. O ile większe prędkości liniowe przepływu surowca przez rury podgrzewacza pierwszego stopnia zmniejszają szybkość procesu koksowania, istnieje pewien optymalny zakres prędkości liniowej dla danego rodzaju surowca, poza którym korzystne zmniejszenie szybkości powstawania koksu ulega zanikowi, ze względu na dodatkowe wymagania energetyczne, potrzebne do pompowania surowca oraz wymagania co do rozmiarów rur, w celu przyjęcia prędkości, większej niż optymalny zakres. W ogólności, liniowa prędkość przepływu ropy naftowej i/lub pozostałości długołańcuchowych przez rury podgrzewacza pierwszego stopnia w obszarze konwekcyjnym, leżące w zakresie od 1,1-2,2 m/s, korzystniej od 1,7 do 2,1 m/s, a najkorzystniej od 1,9 do 2,1 m/s, dają optymalne rezultaty pod względem kosztu rur w piecu oraz wymagań energetycznych.

Jednym ze środków, służących do prowadzenia surowca z prędkością liniową w zakresie od 1,1 do 2,2 m/s jest dowolny, konwencjonalny mechanizm pompujący. W korzystnym przykładzie wykonania wynalazku prędkość liniowa surowca jest zwiększana poprzez wtryskiwanie do surowca niewielkiej ilości ciekłej wody przed wejściem do podgrzewacza pierwszego stopnia lub też w dowolnym, pożądanym punkcie wewnątrz podgrzewacza pierwszego stopnia. Podczas parowania ciekłej wody w surowcu wzrasta prędkość przepływu surowca przez rury. Do osiągnięcia tego efektu potrzebne są jedynie niewielkie ilości wody, jak na przykład 1% lub mniej w stosunku molowym wody względem liczby moli surowca, przepływającego przez rury podgrzewacza pierwszego stopnia.

W wielu komercyjnych olefinowych piecach pirolitycznych rury obszaru promiennikowego gromadzą wystarczającą ilość koksu, aby uzasadnione było dokonanie operacji dekoksowania tych rur co 3-5 tygodni. Sposób według wynalazku umożliwia operacje podgrzewania i krakowania surowca w piecu olefinowym bez konieczności wyłączania tego pieca w celu dekoksowania częściej niż piec ten i tak musi być wyłączony w celu przeprowadzenia zabiegu dekoksowania w rurach obszaru promiennikowego. Dzięki sposobowi według wynalazku czas pracy obszaru konwekcyjnego jest przynajmniej tak samo długi, jak okres pracy obszaru promiennikowego.

W innym przykładzie wykonania wynalazku, rury obszaru konwekcyjnego są regularnie dekoksowane z wymaganą częstością i w żadnym wypadku nie częściej niż częstość dekoksowania obszaru promiennikowego. Korzystnie, obszar konwekcyjny dekoksowany jest z częstością przynajmniej 5 razy mniejszą, korzystniej od przynajmniej 6 do 9 razy mniejszą niż harmonogram zabiegu dekoksowania obszaru promiennikowego. Dekoksowanie rury może być prowadzone przy użyciu strumienia pary wodnej i powietrza.

W jeszcze innym przykładzie wykonania wynalazku do rur podgrzewacza pierwszego stopnia dodawany jest strumień przegrzanej pary wodnej pomiędzy punktem wyjściowym z obszaru konwekcyjnego podgrzewacza pierwszego stopnia a separatorem pary i cieczy, za pośrednictwem dyszy mieszającej. Dostarcza się zatem przykład wykonania, w którym strumień przegrzanej pary wodnej wchodzi do obszaru konwekcyjnego, korzystnie pomiędzy podgrzewaczem pierwszego i drugiego stopnia, doprowadzając przez to do przegrzania strumienia pary wodnej do temperatury w zakresie od około 450 do 600°C. Jak pokazano na fig. 5 i 6, źródło przegrzanej pary wodnej może zostać podzielone przez pewien rozgałęźnik, w celu doprowadzenia strumieni przegrzanej pary wodnej do separatora pary i cieczy 6 oraz strumień przegrzanej pary wodnej do dyszy mieszającej 5, znajdującej się między wyjściem podgrzewacza pierwszego stopnia, zawierającego zespoły rur wymienników ciepła 2, 3 i 4 a separatorem pary i cieczy 6. W jeszcze innym przykładzie wykonania wynalazku, surowiec może zostać ewentualnie podzielony przez rozgałęźnik 1a, jak pokazano na fig. 6, pomiędzy wymienniki ciepła 2 i 3 lub pomiędzy dowolne inne wymienniki ciepła w obszarze konwekcyjnym podgrzewacza pierwszego stopnia pieca pirolitycznego. Rozgałęźnik taki może być pożądany, gdy surowiec odznacza się dużą zawartością procentową paku i podgrzewany jest do wysokiej temperatury wewnątrz wymiennika ciepła 1, w celu kontroli jego przepływności, usuwając potrzebę przetwarzania całego surowca w pierwszym wymienniku ciepła w obszarze podgrzewacza pierwszego stopnia obszaru konwekcyjnego.

Następujący przykład przewidywań ilustruje jeden z przykładów wykonania wynalazku i nie ma on w zamierzeniu ograniczać zakresu wynalazku. Przykład ten otrzymano w programie do modelowania „Simulated Sciences ProVision Version 5.1”. Wcelu ilustracji tego przykładu czyni się odwołanie do fig. 5. W każdym przypadku mieszanina gazu i cieczy, opuszczająca obszar konwekcyjny posiada

PL 193 681 B1 temperaturę, która przekracza 375°C. W warunkach ciśnienia i temperatury, opisanych w przykładach, lżejsze surowce, takie jak na przykład ciężka ciecz gazu ziemnego, odparowałyby frakcje krakujące, powodując koksowanie się obszaru konwekcyjnego z dużo większą szybkością niż szybkość koksowania w piecu, przetwarzającym surowce w warunkach, opisanych poniżej.

P r zyk ł a d 1

W charakterze materiału podawanego stosowany jest surowiec w postaci ropy naftowej, odznaczający się właściwościami wyszczególnionymi poniżej:

Gęstość APl	37,08

ASTM D-2887 TBP
% w stosunku wagowym	°C
1%	24
10%	111
20%	170
30%	225
40%	269
50%	309
60%	368
70%	420
80%	477
90%	574
97%	696

Taki surowiec w postaci ropy naftowej, który odznacza się gęstością APl o wartości 37,08 oraz średnią masą cząsteczkową 211,5, doprowadzany jest w temperaturze 27°C i z prędkością 38 500 kg/godzinę do zewnętrznego wymiennika ciepła 1, w celu rozgrzania ropy naftowej do temperatury 83°C przy ciśnieniu 15 bar, przed wejściem do pierwszego zespołu rur wymiennika ciepła 2 podgrzewacza obszaru konwekcyjnego. Podgrzany surowiec, znajdujący się ciągle w stanie ciekłym, kierowany jest przez pierwszy zespół rur 2 o jednokrotnym przejściu, posiadający osiem rzędów rur, każdy z rzędów rozmieszczony przestrzennie podobnie do serpentyny, podgrzewany jest tam do temperatury 324°C i wychodzi przy ciśnieniu 11x10⁵Pa. W tym stopniu udział masy frakcji ciekłej wynosi 0,845 ₃ i ciecz ta przepływa z prędkością 32 500 kg/godzinę. Gęstość cieczy wynosi 612 kg/m³ a jej średnia masa cząsteczkowa 247,4. Faza parowa przepływa z prędkością 5950 kg/godzinę i odznacza się średnią masą cząsteczkową 117,9 oraz gęstością 31 kg/m³.

Mieszanina pary i cieczy opuszcza pierwszy zespół rur wymiennika ciepła 2 i doprowadzana jest do drugiego zespołu rur wymiennika ciepła 3, takiego samego jak pierwszy zespół, gdzie mieszanina pary i cieczy podgrzewana jest dalej do temperatury 370°C, po czym opuszcza go przy ciśnieniu 9x10⁵Pa. Udział masy frakcji ciekłej, opuszczającej ten drugi zespół rur wynosi 0,608. Ciecz ta posiada teraz gęstość 619 kg/m³ i średnią masę cząsteczkową 312,7 i przepływa z prędkością 23 400 kg/godzinę. Faza parowa przepływa z prędkością 15 100 kg/godzinę i odznacza się średnią masą cząsteczkową 141,0 oraz gęstością 27,4 kg/m³.

Mieszanina pary i cieczy doprowadzana jest następnie do trzeciego zespołu rur wymiennika ciepła 4, identycznego z pierwszym i drugim, gdzie mieszanina pary i cieczy jest dalej podgrzewana do temperatury 388°C, po czym opuszcza go przy ciśnieniu około 7x10⁵Pa. Do trzeciego zespołu rur wymiennika ciepła 4 doprowadzany jest strumień 1359 kg/godzinę rozcieńczającej pary wodnej 3.5 pod ciśnieniem 10x10⁵Pa i w temperaturze 182°C. Udział masy frakcji ciekłej, opuszczającej ten trzeci zespół rur wymiennika ciepła 4 zmniejszony jest teraz do 0,362. Średnia masa cząsteczkowa fazy ciekłej na wyjściu tego trzeciego zespołu rur zwiększona jest do 419,4 i faza ta posiada gęstość 667

PL 193 681 B1 ₃ kg/m³, płynąc z prędkością 14 400 kg/godzinę. Fraza parowa przepływa z prędkością 25 400 kg/godzinę, odznacza się średnią masą cząsteczkową około 114,0 oraz gęstością 14,5 kg/m³.

Mieszanina pary i cieczy opuszcza trzeci zespół rur wymiennika ciepła 4 w obszarze konwekcyjnym pieca etylenowego i wpływa do dyszy mieszającej 5. Strumień 5a o prędkości około 17 600 kg/godzinę pary wodnej, przegrzanej do 594°C przy ciśnieniu 9 x10⁵Pa, wtryskiwany jest do mieszaniny pary i cieczy, opuszczającej obszar konwekcyjny przez dyszę mieszającą 5. Powstała mieszanina pary i cieczy wpływa do separatora pary i cieczy 6 z prędkością 57 500 kg/godzinę w temperaturze 427°C i ciśnieniu 6x10⁵Pa. Średnia masa cząsteczkowa fazy ciekłej rośnie teraz do 696,0. Udział masy frakcji ciekłej wynosi obecnie 0,070 z uwagi na dodatek przegrzanej pary wodnej.

Mieszanina pary i cieczy jest w separatorze pary i cieczy 6 rozdzielana. Wydzielone ciecze wypływają przez dno separatora. Wydzielona faza parowa 7 opuszcza separator pary i cieczy przez górny lub boczny wylot z prędkością 53 500 kg/godzinę oraz w temperaturze około 427°C i przy ciśnieniu 6x10⁵Pa. Średnia masa cząsteczkowa strumienia fazy parowej wynosi około 43,5 i posiada ona gęstość 4,9 kg/m³. Ciekły strumień przy dnie, opuszczający separator pary i cieczy uważany jest za pak i może być poddany odpowiedniej obróbce. Prędkość przepływu paku wynosi około 4 025 kg/godzinę, ₅ a wypływa on w temperaturze około 427°C przy ciśnieniu 6x10⁵Pa. Ciecz ta odznacza się gęstością 750 kg/m³ oraz średnią masą cząsteczkową o wartości 696.

Strumień fazy parowej 7 łączony jest z parą wodną 8a rozgrzaną w zespole rur 8. Para wodna 8a przepływa z prędkością około 1360 kg/godzinę i przegrzewana jest do temperatury 593°C przy ciśnieniu 9x10⁵Pa. Płynie ona przez dyszę mieszającą 9, gdzie łączona jest ze strumieniem fazy parowej 7 w celu wytworzenia strumienia fazy parowej 9a, przepływającego z prędkością 54 800 kg/godzinę w temperaturze 430°C i przy ciśnieniu około 6x10⁵Pa do obszaru konwekcyjnego podgrzewacza drugiego stopnia 9b, gdzie jest dalej podgrzewana i przepuszczana do obszaru promiennikowego, nie pokazanego. Średnia masa cząsteczkowa strumienia fazy parowej 9a wynosi 42,0, a jej gęstość wynosi 4,6 kg/m³.

Strumień fazy parowej płynie następnie z powrotem do obszaru konwekcyjnego oraz do obszaru promiennikowego pieca etylenowego w celu przeprowadzenia krakowania fazy parowej.

P r zyk ł a d 2

W charakterze surowca stosowane są pozostałości długołańcuchowe, otrzymane z ropy naftowej, które mają swój początek jako denne strumień atmosferycznej kolumny destylacyjnej i odznaczają się parametrami wyszczególnionymi poniżej:

Gęstość APl	25,85

ASTM D-2887 TBP
% w stosunku wagowym	°C
0%	220
10%	356
20%	391
30%	414
40%	432
50%	447
60%	467
70%	492
80%	536
90%	612
98%	770

PL 193 681 B1

Ten surowiec w postaci pozostałości długołańcuchowych, który odznacza się gęstością APl 25,85 oraz średnią masą cząsteczkową 422,2, doprowadzany jest w temperaturze 38°C z prędkością 43 000 kg/godzinę do zewnętrznego (zewnętrznych) wymiennika ciepła (wymienników ciepła) 1 w celu rozgrzania pozostałości długołańcuchowych do temperatury 169°C przy ciśnieniu 18x10⁵Pa przed wejściem do pierwszego zespołu rur wymiennika ciepła 2 obszaru konwekcyjnego. Surowiec w postaci pozostałości długołańcuchowych, zachowujący w tym miejscu ciągle stan ciekły, kierowany jest poprzez pierwszy zespół rur wymiennika ciepła 2 o jednokrotnym przejściu, zawierający osiem rzędów rur, z których każdy rozmieszczony jest przestrzennie w układzie podobnym do serpentyny i podgrzewany jest tam do temperatury 347°C, po czym opuszcza go w postaci cieczy pod ciśnieniem 13x10⁵Pa.

₃

Pozostałości długołańcuchowe odznaczają się gęstością 710 kg/m³ w momencie opuszczania pierwszego zespołu rur wymiennika ciepła 2 i doprowadzane są do drugiego zespołu rur wymiennika ciepła 3, identycznego z pierwszym zespołem, gdzie są one dalej podgrzewane do temperatury 394°C, a opuszczają go pod ciśnieniem 10x10⁵Pa. Nie następuje parowanie, a cały strumień wypływa w postaci cieczy o gęstości 670 kg/m³, płynącej z prędkością 43 000 kg/godzinę.

Pozostałości długołańcuchowe są następnie doprowadzane do trzeciego zespołu rur wymiennika ciepła 4, identycznego z pierwszym i drugim zespołem rur, w którym są one dalej podgrzewane do temperatury 410°C, po czym opuszczają ten trzeci zespół oraz obszar konwekcyjny w tejże temperaturze i pod ciśnieniem około 7x10⁵Pa. W trzecim zespole rur wymiennika ciepła 4 doprowadzany jest do niego strumień 1360 kg/godzinę rozcieńczającej pary wodnej 3.5 pod ciśnieniem 10 bar w temperaturze 182°C. Opuszczają one trzeci zespół rur wymiennika ciepła 4 w postaci mieszaniny pary i cieczy o udziale masy frakcji ciekłej, wynoszącym 0,830. Średnia masa cząsteczkowa fazy ciekłej na ₃ wyjściu trzeciego zespołu rur wynosi 440,5 a gęstość 665 kg/m³, przy czym prędkość przepływu wynosi 36 850 kg/godzinę. Faza parowa płynie z szybkością 7540 kg/godzinę, posiada średnią masę cząsteczkową 80,5 oraz gęstość 9,6 kg/m³.

Mieszanina pary i cieczy opuszcza trzeci zespół rur wymiennika ciepła 4 w obszarze konwekcyjnym pieca etylenowego i płynie do dyszy mieszającej 5. Do mieszaniny pary i cieczy, opuszczającej obszar konwekcyjny wtryskiwany jest w dyszy mieszającej 5 strumień 5a około 17 935 kg/godzinę pary wodnej, przegrzanej do temperatury 589°C pod ciśnieniem 9x10⁵Pa. Powstała mieszanina pary i cieczy płynie do separatora pary i cieczy 6 z prędkością 62 330 kg/godzinę, przy temperaturze 427°C i ciśnieniu 6x10⁵Pa. Średnia masa cząsteczkowa fazy ciekłej zostaje teraz zwiększona do 599,0. Udział masy fazy ciekłej wynosi obecnie 0,208, ze względu na dodatek przegrzanej pary wodnej.

Mieszanina pary i cieczy rozdzielana jest w separatorze pary i cieczy 6. Wydzielone ciecze wypływają przez dno separatora. Wydzielona faza parowa 7 opuszcza separator pary i cieczy górnym bądź bocznym wylotem z prędkością 49 400 kg/godzinę, w temperaturze około 427°C i pod ciśnieniem 6x10⁵Pa. Średnia masa cząsteczkowa strumienia fazy parowej wynosi około 42,9 i posiada ona gęstość 4,84 kg/m³. Denny strumień fazy ciekłej, opuszczający separator pary i cieczy, uważany jest za pak i może być poddawany odpowiedniemu przetworzeniu. Prędkość przepływu paku wynosi około 13 000 kg/godzinę i opuszcza on separator w temperaturze około 427°C pod ciśnieniem 6x10⁵Pa. Ciecz ta odznacza się gęstością 722 kg/m³ oraz średnią masą cząsteczkową o wartości 599.

Strumień fazy parowej 7 łączony jest ze strumieniem pary wodnej 8a podgrzanej w zespole rur 8. Para wodna 8a płynie z prędkością około 1360 kg/godzinę i przegrzana jest do temperatury 589°C pod ciśnieniem 9x10⁵Pa. Płynie ona przez dyszę mieszającą 9, gdzie łączona jest ze strumieniem fazy parowej 7 w celu utworzenia strumienia fazy parowej 9a, płynącego z prędkością 50 730 kg/godzinę w temperaturze około 430°C i pod ciśnieniem około 6x10⁵Pa do podgrzewacza drugiego stopnia 9b obszaru konwekcyjnego, gdzie jest on dalej podgrzewany i przepuszczany do obszaru promiennikowego, nie pokazanego. Średnia masa cząsteczkowa strumienia fazy parowej 9a wynosi 41,3, a jego gęstość 4,5 kg/m³.

Strumień fazy parowej płynie następnie z powrotem do obszaru konwekcyjnego oraz do obszaru promiennikowego pieca etylenowego w celu przeprowadzenia procesu krakowania fazy parowej.

Claims

1. Sposób rozkładu termicznego ropy naftowej i/lub frakcji ropy naftowej, zawierających pak w olefinowym piecu pirolitycznym, znamienny tym, że doprowadza się surowiec w postaci ropy naftowej i/lub frakcji ropy naftowej, zawierających pak do podgrzewacza pierwszego stopnia, umieszczonego w obszarze konwekcyjnym pieca, podgrzewa się surowiec wewnątrz podgrzewacza pierwszego stopnia do temperatury wyjściowej, wynoszącej przynajmniej 375°C w celu wytworzenia rozgrzanej mieszaniny gazu i cieczy, wyprowadza się rozgrzaną mieszaninę gazu i cieczy z podgrzewacza pierwszego stopnia do separatora pary i cieczy, wydziela się i usuwa się gaz z cieczy w separatorze pary i cieczy, oraz doprowadza się usunięty gaz do podgrzewacza drugiego stopnia, położonego w obszarze konwekcyjnym, następnie zwiększa się temperaturę gazu do temperatury większej niż temperatura gazu, opuszczającego separator pary i cieczy, wprowadza się podgrzany gaz do obszaru promiennikowego pieca pirolitycznego, a także rozkłada się pirolitycznie gaz na olefiny i związane z tym produkty uboczne.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że 85% w stosunku wagowym lub mniej surowca odparowuje się w temperaturze 350°C, a 90% w stosunku wagowym lub mniej surowca odparowuje się w temperaturze 400°C, mierząc zgodnie z normą ASTM D-2887.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że surowiec doprowadza się do podgrze5 5 wacza pierwszego stopnia pod ciśnieniem w zakresie od 11'10 do 18'10 Pa i w temperaturze od 140 do 300°C.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że surowiec w podgrzewaczu pierwszego stopnia podgrzewa się do temperatury wyjściowej, wynoszącej przynajmniej 400°C.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek zawartości gazu i cieczy leży w zakresie od 60/40 do 98/2.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w podgrzewaczu pierwszego stopnia do surowca dodaje się gaz rozcieńczający.

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że z usuniętym gazem przed wejściem do podgrzewacza drugiego stopnia łączy się przegrzaną parę wodną.

8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że olefiny zawierają etylen w ilości od 15 do 30% w stosunku wagowym, względem masy odparowanego surowca.

9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w podgrzewaczu pierwszego stopnia dodaje się płyn rozcieńczający, który znajduje się w stanie ciekłym lub stanie mieszanym cieczy i gazu.