PT1716379E

PT1716379E - Forno de craqueamento a vapor

Info

Publication number: PT1716379E
Application number: PT47311725T
Authority: PT
Inventors: Maurizio Spoto; Benedetto Spoto
Original assignee: Pycos Engineering Pte Ltd
Priority date: 2004-01-15
Filing date: 2004-05-05
Publication date: 2013-10-29
Also published as: US7503289B2; EP1716379B1; PL1716379T3; RU2353643C2; ITMI20040040A1; WO2005068926A1; ES2427543T3; JP2007517941A; EP1716379A1; US20070160514A1; RU2006129482A

Description

ΡΕ1716379 1 DESCRIÇÃO "FORNO DE CRAQUEAMENTO A VAPOR"

Antecedentes do invento

Campo do invento 0 presente invento diz respeito a um forno de craqueamento a vapor (steam cracking) de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1 e a um método de acordo com o preâmbulo da reivindicação 2.

Descrição da técnica anterior

Os três modos de transferência de calor são condução, convecção e radiação.

Nos permutadores de calor clássicos, o calor é transferido do fluido quente para o fluido frio através da parede de um tubo essencialmente por meio de dois mecanismos: convecção e condução. A taxa de transferência de calor é uma função da superfície através da qual se realiza a transferência de calor, do coeficiente de transferência de calor e da diferença de temperatura entre a parede do tubo e o fluido a 2 ΡΕ1716379 ser aquecido (arrefecido).

Actualmente, as soluções técnicas para melhorar a transferência de calor são a utilização de tubos com alhe-tas para aumentar a superfície de transferência de calor ou o trabalho num regime de fluxo de fluido turbulento desenvolvido nas paredes.

No caso de permutadores de calor que funcionem a temperaturas elevadas, por exemplo > 400°C, e em particular na serpentina radiante dos fornos para o craqueamento a vapor de hidrocarbonetos (em que a temperatura da parede do tubo pode chegar a um valor tão alto como 1.150°C ou ainda mais alto), surgem necessidades adicionais de processamento .

Numa instalação fabril de produção de etileno é fundamental que os fornos de craqueamento a vapor trabalhem com valores de conversão e de selectividade tão elevados quanto possível.

Elevada selectividade significa aumentar a percentagem dos produtos mais valiosos, tais como etileno, propileno, butadieno, à custa de produtos menos valiosos (metano, óleo combustível, etc.). É alcançada uma elevada selectividade se o tempo de residência for baixo e se a temperatura do gás de processamento for suficientemente alta para ter uma boa con- 3 ΡΕ1716379 versão da alimentaçao.

Os objectivos aqui anteriormente referidos são conseguidos através do aumento do fluxo de calor (por consequência, a temperatura do metal atinge um valor próximo da sua restrição metalúrgica).

Uma temperatura mais elevada do metal conduz a acontecimentos indesejáveis: altas taxas de formação de resíduos carbonosos, de fluência e de cementação pelo carbono .

Nestes casos particulares a tecnologia também é orientada para a melhoria do coeficiente de transferência de calor utilizando tubos com alhetas interiores de várias formas (orientadas na direcção transversal, longitudinal ou segundo ângulos particulares). 0 inconveniente do uso de superfícies estendidas é o alto custo de fabrico e a dificuldade em aplicar alhetas no interior da serpentina radiante de fornos de craque-amento de etileno já existentes.

Por vezes protuberâncias internas no tubo de cra-queamento pode ser a causa de formação de resíduos carbonosos devido à estagnação do gás de alimentação, o que conduz a um sobrecraqueamento. A técnica aqui anteriormente referida foca-se na 4 ΡΕ1716379 melhoria da transferência de calor pelo mecanismo de convecção . 0 documento US-A-4.342.642 mostra um forno de pirólise em que os tubos de descarga de cada passagem se acham dotados de um inserto com palhetas que dividem a porção interior do tubo em três ou quatro passagens. 0 documento FR-A-2 688 797 mostra um forno de craqueamento a vapor em que em tubos de maior diâmetro se acham introduzidos corpos com aletas.

Sumário do invento 0 requerente reconheceu que a transferência de calor pode ser consideravelmente aumentada por meio do terceiro mecanismo: a transferência de calor por radiação.

Em particular, quando o processo requer temperaturas elevadas, por exemplo > 400°C, a transferência de calor por radiação desempenha um papel importante porque é proporcional à quarta potência da temperatura absoluta do corpo. Isto é conhecido como lei de Stefan-Bolzmann.

Por outras palavras, a permuta de energia entre duas superfícies de diferentes temperaturas é proporcional à diferença da quarta potência das temperaturas absolutas dos dois corpos. 5 ΡΕ1716379

Nos fornos de craqueamento a vapor (steam crac-king), a temperatura do metal situa-se na gama de valores compreendidos entre 900°C e 1.175°C, enquanto que a temperatura do gás de processamento se situa na gama de valores compreendidos entre 600°C e 900°C.

Nestas condições de funcionamento, a transferência de calor por radiação deve atingir um valor significativo, mas, na prática, na serpentina radiante dos fornos existentes, a transferência de calor por radiação não ocorre devido aos seguintes motivos: 1. 0 tubo, por razões geométricas, irradia sobre si próprio, e por conseguinte o valor liquido da permuta de energia por radiação é desprezável. 2. 0 calor por radiação absorvido pelo gás que está a ser submetido a craqueamento é desprezável porque a densidade do gás é muito pequena.

Um dos objectivos do presente invento consiste em proporcionar um forno de craqueamento a vapor aperfeiçoado capaz de aumentar o coeficiente de transferência de calor por convecção, a área de permuta de calor e, sobretudo, a taxa de transferência de calor devido à contribuição do mecanismo de radiação.

Este objectivo é alcançado através da reivindicação 1. 6 ΡΕ1716379

Outro objectivo do presente invento consiste em proporcionar um método para melhorar a taxa de transferência de calor.

Este objectivo é alcançado através da reivindicação 2. A vantagem do presente invento é a de que ele permite que um forno de craqueamento de etileno possa aumentar drasticamente a permuta de calor, ao mesmo tempo que faz com a temperatura da parede externa do tubo se vá manter com um valor baixo.

Para além do facto do forno ter um comprimento de processamento mais longo, devido à reduzida taxa de formação de resíduos carbonosos é expectável a obtenção de uma selectividade mais elevada (isto é, maiores taxas de produção de etileno e de propileno em comparação com tubos lisos).

Os custos de manutenção também irão ser menores porque aumenta o intervalo de remoção de resíduos carbonosos .

As taxas de fluência e de cementação pelo carbono, relacionadas com a TMT e a formação de resíduos carbonosos, deverão ser minimizadas, com a consequente vantagem para a economia da produção. 7 ΡΕ1716379

Um método para melhorar a transferência de calor entre um tubo e o fluido que flui no interior do próprio tubo, e em particular na serpentina radiante do forno de craqueamento a vapor, é o objecto da reivindicação 2. 0 permutador de calor por radiação aperfeiçoado (ERHE, acrónimo do inqlês "Enhanced Radiant Heat Exchanqer") inclui um tubo aquecido por uma fonte externa.

Este tubo acha-se equipado, no seu interior, com pelo menos um cilindro que recebe energia por radiação por parte do tubo envolvente e transfere essa energia por convecção para o gás de processamento que flui no espaço anular . 0 presente invento será melhor compreendido e outros objectivos sem ser os que aqui foram anteriormente mencionados tornar-se-ão evidentes através da leitura da descrição pormenorizada do mesmo que irá ser apresentada a seguir. Essa descrição será feita com referência aos desenhos em anexo em que: a Figura 1 mostra esquematicamente um forno de craqueamento a vapor com uma serpentina radiante equipada com vários permutadores de calor por radiação aperfeiçoados, de acordo com o presente invento; as Figuras 2a e 2b são vistas esquemáticas em alçado principal e em planta de uma possível aplicação do ERHE de acordo com o presente invento. ΡΕ1716379

Descrição pormenorizada dos modos de realizaçao preferidos 0 forno de craqueamento a vapor representado na Figura 1 foi escolhido para descrever os benefícios da utilização do ERHE. 0 forno 1 mostra uma fornalha 2, os queimadores de soleira 3 e a tubagem de combustível 4 própria para a distribuição de gás combustível aos queimadores.

No interior da fornalha 2 acha-se instalada a serpentina radiante 5 e o fluido F flui de acordo com as exigências específicas do processo (aquecimento e craqueamento) . A serpentina radiante 5 acha-se ligada ao permu-tador por convecção 6.

No permutador 6, o fluido F é pré-aquecido por convecção pelo gás de combustão quente 8 que sai da fornalha em direcção à chaminé B. A serpentina radiante 5 é constituída por vários aparelhos permutadores de calor por radiação aperfeiçoados 10, dispostos em série, e é concebido com a superfície adequada para absorver a quantidade de energias térmica requerido pelo gás de processamento que flui no seu interior.

As Figuras 2a e 2b mostram parte do ERHE. 9 ΡΕ1716379 0 aparelho permutador de calor 10 de acordo com o presente invento inclui um tubo cilíndrico 11.

Dentro do tubo 11 acha-se instalado pelo menos um corpo 12 que recebe a energia radiante emitida pelo tubo envolvente 11. A serpentina de radiante absorve energia (proveniente dos queimadores, do gás de combustão e das paredes refractárias) e aquece o fluido F.

No invento (Fig. 2a e Fig. 2b), o corpo 12 é um cilindro equipado nas duas extremidades com ogivas, uma das quais 15 se acha disposta na extremidade que fica voltada para um fluido de entrada, extremidade de montante, e a outra das quais 15' se acha disposta na extremidade oposta, extremidade de jusante. O perfil aerodinâmico das duas ogivas reduz a queda de pressão do fluido que se escoa no espaço anular no ponto de entrada e no ponto de saída do tubo 11. O reduzido volume da serpentina radiante dá origem a um tempo de contacto reduzido, que permite uma melhor selectividade (quantidade de produtos de alto valor vs. efluentes totais). O diâmetro e o comprimento do cilindro 16 são calculados a fim de reduzir a queda de pressão do ERHE, ao mesmo tempo que a velocidade do fluido F no espaço anular se vai manter dentro da gama de valores adequadamente 10 ΡΕ1716379 requeridos .

Por conseguinte, a energia gerada na fornalha vai ser transferida para o seio do fluido F de uma maneira mais eficaz porque: a) A superfície disponível para a transferência de calor é aumentada: tanto o tubo 11 como o corpo 12 são activos e eficazes. b) O coeficiente de transferência de calor é melhorado. 0 corpo 12 é centrado no interior do tubo 11, a fim de se ter uma área de secção transversal regular do espaço anular, a fim de se obter um fluxo de calor bem distribuído .

Esta centragem é realizada por meio de pelo menos um espaçador 13, de preferência um par de espaçadores, cada um deles constituído por três elementos dispostos a 120 graus, a fim de evitar perturbações irregulares no fluxo do fluido. 0 corpo 12 deve de preferência ter suportes 14 situados na proximidade da extremidade de jusante 15'.

Além disso, no interior do tubo 11 podem ser instalados vários corpos 12 próprios para aumentar a permuta 11 ΡΕ1716379 térmica ao longo de toda a serpentina radiante 5.

No interior das serpentinas de fornos já existentes podem eventualmente ser instalados vários corpos 12 de acordo com o presente invento.

Lisboa, 22 de Outubro de 2013

Claims

ΡΕ1716379 1 REIVINDICAÇÕES 1. Forno de craqueamento a vapor incluindo uma fornalha (2), queimadores de soleira (3) e uma serpentina radiante (5) que compreende vários dispositivos (10) de permuta de calor por radiação dispostos em série no interior da fornalha (2) e em que cada um dos dispositivos (10) de permuta de calor por radiação compreende um tubo (11) próprio para ser aquecido pelos queimadores (3) e no interior do tubo (11) se acha localizado pelo menos um corpo (12), de maneira que o fluido (F) que flui no interior do referido tubo vai fluir em torno do referido corpo (12) que é próprio para receber energia de radiação emitida pelo tubo envolvente (11), caracterizado por o referido corpo (12) ser um cilindro (16), equipado nas duas extremidades com ogivas, uma das quais (15) se acha disposta na extremidade que fica voltada para um fluido de entrada e a outra das quais (15') se acha disposta na extremidade oposta, extremidade de jusante, por o referido tubo (11) definir juntamente com o referido cilindro (16) um espaço anular (18) através do qual irá fluir o fluido (F) , e em que o referido cilindro (16) se acha centrado no interior do tubo (11), a fim de determinar a formação de um espaço vazio anular (18) de largura constante próprio para permitir uma transferência de calor uniforme para o seio do fluido (F), por a posição centrada ser efectuada por meio de pelo menos um espaçador (13), de preferência uma pluralidade de espa-çadores, cada um dos quais é constituído por três elementos 2 ΡΕ1716379 dispostos segundo um ângulo de 120 graus, a fim de evitar perturbações irregulares do fluxo de fluido, e por o referido cilindro (16) ser suportado por um suporte (14), de preferência na proximidade da extremidade de jusante (15')·
2. Método para aumentar a selectividade e para reduzir a formação de resíduos carbonosos, a fluência e a cementação pelo carbono num forno de craqueamento a vapor de uma instalação de etileno através do aumento da taxa de transferência de calor com um tempo de contacto mais curto e uma temperatura mais baixa do metal dos tubos, em que o metal é aquecido a uma temperatura de 900°C a 1.175°C e a temperatura do gás de processamento situa-se entre 600°C e 900°C e a serpentina radiante (5) do forno compreende vários dispositivos (10) de permuta de calor por radiação, dispostos em série, cada um destes dispositivos compreendendo um tubo (11) que é próprio para ser aquecido até à temperatura da serpentina radiante e que se acha equipado com pelo menos um corpo que se acha localizado no interior do referido tubo (11), de maneira que o fluido (F) que flui no interior do referido tubo vai fluir em torno do referido corpo (12) que é próprio para receber energia de radiação proveniente do tubo aquecido (11) e para transferir essa energia por convecção para o seio do gás de processamento que flui no interior do tubo, caracterizado por referido corpo (12) ser um cilindro (16) equipado nas duas extremidades com ogivas, uma das quais (15) se acha disposta na extremidade que fica voltada para um fluido de entrada e a outra das quais (15') se acha disposta na extremidade opos-
3 ΡΕ1716379 ta, extremidade de jusante, por o referido tubo (11) definir juntamente com o referido cilindro (16) um espaço anular (18) através do qual irá fluir o fluido (F), e em que o referido cilindro (16) se acha centrado no interior do tubo (11), a fim de determinar a formação de um espaço vazio anular (18) de largura constante próprio para permitir uma transferência de calor uniforme para o seio do fluido (F), por a posição centrada ser efectuada por meio de pelo menos um espaçador (13), de preferência uma pluralidade de espa-çadores, cada um dos quais é constituído por três elementos dispostos segundo um ângulo de 120 graus, a fim de evitar perturbações irregulares do fluxo de fluido, e por o referido cilindro (16) ser suportado por um suporte (14), de preferência na proximidade da extremidade de jusante (15')· Lisboa, 22 de Outubro de 2013