PT99640A

PT99640A - Forno e processo para pirolise de hidrocarbonetos

Info

Publication number: PT99640A
Application number: PT99640A
Authority: PT
Inventors: Herman N Woebcke
Original assignee: Stone & Webster Eng Corp
Priority date: 1990-11-29
Filing date: 1991-11-28
Publication date: 1994-01-31
Also published as: FI915351A; CA2054600A1; KR920009745A; NO914685L; NO914685D0; MX9102045A; CN1061771A; EP0492678A2; US5147511A; EP0492678A3; FI915351A0; JPH04290836A; BR9105129A

Description

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MEMÓRIA DESCRITIVA

CAMPO DO INVENTO

Este invento refere-se a um processo e a um aparelho para a produção de olefinas. Mais em particular, este invento refere-se a um processo e a um aparelho para a produção de etileno e de outras olefinas leves a partir de hidrocarbonetos.

ANTECEDENTES DO INVENTO A indústria petroquímica tem de há muito usado matérias primas de formação natural de hidrocarbonetos para a produção de materiais olefinicos valiosos como o etileno e o propileno. No caso ideal, as operações comerciais realizam-se usando hidrocarbonetos normalmente gasosos, como o etano e o propano, como matéria prima. Como os hidrocarbonetos mais leves têm vindo a ser consumidos e como a disponibilidade dos hidrocarbonetos mais leves tem decrescido, a indústria tem vindo a necessitar, mais recentemente, de proceder ao "cracJcing" de hidrocarbonetos mais pesados. Estão a ser usados comercialmente hidrocarbonetos como a nafta, gasóleos atmosféricos (AGO) e gasóleos de vácuo (VGO), com pontos de ebulição mais elevados do que os hidrocarbonetos gasosos.

Um processo típico de produção de olefinas a partir de fontes de hidrocarbonetos é o processo de "cracking" térmico. Neste processo, os hidrocarbonetos são cindidos a elevadas temperaturas produzindo hidrocarbonetos com 1 a 4 átomos de carbono, especialmente as olefinas correspondentes. Há actualmente vários processos disponíveis para o "cra-cking" de hidrocarbonetos mais pesados para se obterem olefinas. Normalmente, o hidrocarboneto a ser cindido é enviado para um forno que compreende uma zona de convecção e uma zona radiante. A temperatura do hidrocarboneto é inicialmente aumentada na zona de convecção até uma temperatura abaixo daquela a que se inicia uma reacção significativa; o hidrocarboneto é depois enviado para uma -3- 73 203 696-188 (Portugal) zona radiante onde é submetido ao calor intenso de queimadores radiantes. Um exemplo de um forno convencional e respectivo processo, está indicado na Patente dos Estados Unidos Nfi. 3 487 121 (Hallee).

Para ilustrar o processo, usam-se aquecedores de processamento, com fogo, para fornecerem o calor necessário à reacção. As matérias primas fluem através de diversas serpentinas colocadas dentro do aquecedor com fogo, estando as serpentinas dispostas de modo a intensificar a transferência de calor para o hidrocarboneto que flui através das serpentinas. O efluente já cindido ("cracked") é então arrefecido, directa ou indirectamente, para terminar a reacção. Na pirólise convencional nas serpentinas, usa-se vapor de diluição para inibir a formação de coque nas serpentinas de "cracking". Contudo, na produção de olefinas a partir de matérias primas de hidrocarbonetos, a formação de coque tem sido um problema qualquer independentemente do processo usado. Normalmente a reacção de "cracking" provoca a produção de fuelóleo de pirólise, que é um precursor de materiais tais como o coque e o alcatrão que sujam o equipamento. Um outro benefício do vapor de diluição é a inibição da deposição de coque nos permutadores de calor usa-dos para arrefecer rapidamente a reacção de "cracking".

Mais recentemente, tem-se conduzido o processo de "cracking" térmico num aparelho que permite que as matérias primas de hidrocarbonetos passem através de um reactor na presença de vapor, enquanto se utilizam partículas sólidas aquecidas como o transportador de calor. Após "cracking", o efluente é rapidamente arrefecido para terminar as reacções de "cracking", sendo as partículas sólidas separadas do efluente, pré-aguecidas e recicladas.

No passado, quando se usavam hidrocarbonetos leves, desde o etano à nafta, para produzir olefinas no processo de "cracking" térmico, estes hidrocarbonetos podiam ser cindidos com vapor de diluição entre 0,3 a 0,6 kg de vapor por kg de hidrocarboneto. Os hidrocarbonetos pesados exigem cerca de 0,7 a 1,0 kg de vapor de 73 203 696-188 (Portugal) -4-diluição por kg de hidrocarboneto. Como regra geral são necessárias maiores quantidades de vapor de diluição para os hidrocarbonetos mais pesados, a fim de se obter a desejada pressão parcial da corrente de hidrocarbonetos, necessária para suprimir a taxa de deposição de coque nas serpentinas radiantes durante o "cracking" térmico. Relacionado com isto, a necessidade de vapor de diluição implica aumento de tamanho do forno e maior utilização. É bem sabido que no processo de ,,cracking,, de hidrocarbonetos, a temperatura da reacção, e o tempo de residência da reacção são duas variáveis importantes que afectam a severidade, a conversão e a selectividade. A severidade está relacionada com a intensidade das reacções de "cracking". Está relacionada com a constante da velocidade de reacção do n-pentano em s-1 e com o tempo (t) em segundos. A conversão é a medida da extensão em que a alimentação foi pirolisada (% em que o n-pentano teria sido decomposto ao longo do processamento da alimentação). A conversão da alimentação de hidrocarbonetos comerciais tem sido relacionada com a conversão do pentano normal (c), pela seguinte expressão:

Kt=ln[c/(100-c)]

onde K é a constante da velocidade de reacção do pentano normal em s-1, que duplica aproximadamente em cada 11,1°C; e t é o tempo de reacção em segundos. A selectividade é o grau de conversão dos produtos em etile-no. A selectividade é geralmente expressa como a razão entre produtos olefínicos e produtos fuel. A baixa severidade a selectividade é alta, mas como a conversão é baixa não é económico utilizar uma operação de baixa severidade. Uma operação de baixa severidade é geralmente conduzida a temperaturas entre 649-760°C e a tempos de residência entre 2000 e 10 000 milissegundos. Pode-se conseguir alta severidade e alta conversão a temperaturas entre 816 e 1093eC). Contudo, a selectividade é em geral fraca a temperaturas acima de 73 203 696-188 (Portugal) -5-

816 °C a menos que se possa realizar uma reacção a alta severidade a tempos de residência abaixo dos 200 milissegundos, usualmente entre 20 e 100 milissegundos. Com estes tempos de residência tão baixos podem conseguir-se selectividades entre 2,5-4,0 kg de etileno/kg metano e a conversão está geralmente acima de 95% em peso de alimentação. Na indústria não se utilizam muito as operações a alta severidade, ainda que preferidas, devido às limitações físicas dos reactores, com fogo, convencionais. Uma das limitações é a incapacidade de remover o calor do produto efluente dentro do parâmetro de tempo de residência permitido. Por esta razão, a maior parte.dos sistemas convencionais opera em condições de severidade moderada, estando as temperaturas entre 732 e 843 0 C e os tempos de residência entre 200 a 500 milissegundos. Ainda que a conversão seja mais elevada do que numa operação de baixa severidade, a selectividade é baixa, sendo cerca de 2 kg de etileno por kg de metano. Mas como a conversão é mais elevada, o rendimento real de etileno é maior do que o obtido na operação de baixa severidade. 0 rendimento em fuelóleo de pirólise (PFO) aumenta com a conversão. A taxa de formação de PFO aumenta dramaticamente acima do nível crítico de conversão, onde o nível crítico de conversão é uma função da qualidade da alimentação, ocorre a cerca de 75% da conversão de naftas pesadas e a 85% de conversão de naftas mais leves.

Usando tempos de residência baixos em condições de elevada severidade, é possível obter selectividades de cerca de 3:1 ou maiores. Em resultado disso foram desenvolvidos vários processos que oferecem "cracking” térmico de alta severidade. Por exemplo, desenvolveram-se fornos que contêm um grande número de pequenos tubos onde a saída de cada tubo está ligada directamente a uma caldeira individual de arrefecimento indirecto. Este processo tem a desvantagem de ser de capital intensivo, pois que a caldeira de arrefecimento não é comum às diversas saídas dos tubos dos fornos. Assim, aumenta o número de caldeiras de arrefecimento necessárias. Além disso, o excesso de calor, a elevadas temperaturas, deve ser usado para criar vapor de baixa temperatura e alta pres-

73 203 696-188 (Portugal) -6-são, o que não é desejável sob o ponto de vista de eficiência térmica. Finalmente, as altas temperaturas dos gases de combustão devem ser reduzidas por criação de vapor na reacção de convecção do aquecedor, uma vez mais limitando a flexibilidade do processo.

Em Hallee, Patente dos Estados Unidos Ns. 3 407 789, o forno compreende uma zona de pré-aquecimento por convecção e uma zona radiante de conversão ou zona de "cracking". Na secção radiante, as condutas ou tubos pelos quais passa o fluido a ser tratado, são de comprimento relativamente curto e de pequeno diâmetro, e concebidos para baixa queda de pressão. A zona de arrefecimento está ligada perto da saída de produtos da reacção do forno e faculta um rápido arrefecimento do efluente, desde a temperatura da reacção até à temperatura à qual a reacção fica praticamente parada, e pode ser ainda mais arrefecido através de meios de permuta de calor convencionais.

Assim, à medida que o tempo de reacção é reduzido, é necessário aumentar a temperatura do processo (P) a fim de manter o nível de conversão pretendido. É geralmente aceite que a selecti-vidade e o rendimento aumentam à medida que o tempo de residência é reduzido. As instalações industriais construídas para reduzir os tempos de residência até cerca de 100 milissegundos têm contudo encontrado vários obstáculos. A duração da operação, isto é, o tempo entre limpezas do coque das serpentinas, é reduzido de vários meses para vários dias. Além disso, o capital e os custos de combustível aumentam.

As relações ao dispor do planeador do reactor para reduzir o tempo de reacção estão resumidas na seguinte equação:

t = £. 5. d 4 Q onde D = diâmetro interno da serpentina, em m H = calor absorvido no reactor radiante, em J/kg d = densidade do fluido em processo, em kg/m3 Q = fluxo de calor, em J/(s.m2) 73 203

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Para as instalações convencionais há pouca oportunidade de reduzir D, H ou d. D é fixado por limitações práticas no fabrico de tubos de ligas muito resistentes ao calor. H é controlado por natureza e é igual à quantidade de energia necessária para alcançar uma dada conversão da alimentação. A densidade do fluido em processo d é fixada principalmente pela pressão mínima prática à saída das serpentinas. Alimentar a variável restante Q, fluxo de calor, aumenta a diferença entre as temperaturas do metal (M) e do processo (P). Já foi indicado que reduzir t exige um aumento de P. Assim, reduzir t faz aumentar tanto M como P, pois que o aumento de M é composto. Aumentar M ou P, aumenta a taxa de deposição de coque. Estes dois factores são ainda exacerbados pela prática industrial comum de maximizar a conversão na serpentina com calor radiante e de minimizar a conversão na linha de união entre a saída da serpentina e a entrada da caldeira de arrefecimento.

Aumentar Q exige um aumento da temperatura da câmara de combustão radiante, aumentando assim o valor de J de combustível por J de H, aumentando os custos de combustível por kg de olefina produzida.

Seria portanto satisfeita uma necessidade há muito sentida na arte, se se pudesse obter um sistema de pirólise que mantivesse uma duração de operação por 2 ou 3 meses, a eficiência térmica melhorada e a baixos custos de capital, com uma redução significativa de t.

Surpreendentemente, a requerente verificou que, ao contrário dos ensinamentos da arte anterior, as condições usadas para conversão de hidrocarbonetos normalmente líquidos, abaixo de 10 a 20%, tinham pouco ou nenhum efeito no rendimento em olefina ou na selectividade; que o rendimento em fuelóleo da pirólise, um precursor do coque, aumenta rapidamente acima de uma severidade crítica até conversões de 65 a 75%; que o perfil da temperatura usada para a reacção não tinha influência mensurável sobre o rendimento ou selectividade desde que a conversão almejada seja 73 203 696-188 (Portugal) -8-

alcançada ao mesmo tempo e ao mesmo nível de pressão; e que a temperatura máxima do metal, a uma dada temperatura de câmara de combustão radiante, pode ser reduzida fazendo baixar o comprimento do feixe radiante, com pequena ou nenhuma influência sobre o tempo de reacção, a níveis de conversão acima de 50%.

SUMÁRIO DO INVENTO

Um objectivo do presente invento é apresentar um processo de pirólise melhorado e um aparelho para produção de etileno. É também um objectivo do presente invento apresentar um processo de pirólise melhorado e um aparelho para produção onde as serpentinas com aquecimento radiante são mantidas abaixo do nível crítico de severidade. É ainda objectivo do presente invento apresentar um processo de pirólise melhorado e um aparelho para produção de etileno onde o processo de pirólise pode ser completado acima do nível crítico de severidade em condições adiabáticas na linha de união entre a serpentina radiante e a caldeira de arrefecimento.

Um outro objectivo do presente invento é apresentar um processo melhorado de pirólise e um aparelho para produção de etileno com tempos de residência curtos, enquanto se reduz a temperatura do gás de combustão que entra na secção de convecção abaixo dos níveis convencionais, abaixo de 982°c. É também objectivo do presente invento apresentar um processo de pirólise melhorado e um aparelho que permite a transferência de calor radiante para os tubos pelos quais passa o fluido em processamento, enquanto se mantém uma temperatura mais baixa do gás de combustão. Ê ainda objectivo do presente invento apresentar um processo melhorado e um aparelho que assegura uma variação controlada da temperatura do gás de combustão ao longo do comprimento das serpentinas de pirólise. -9- 73 203 696-188 (Portugal) É ainda outro objectivo do presente invento apresentar um forno com um mínimo de estruturas de serpentina, com a capacidade de obtenção da mesma conversão e rendimento do que os fornos mais pesados, convencionais. É ainda outro objectivo do presente invento apresentar um processo de pirólise melhorado e um aparelho que permite reduzir o nível de pressão à saída do sistema de reacção por redução das altas velocidades usadas no reactor para as que são práticas na caldeira de arrefecimento, através de um Venturi de recuperação de pressão localizado na porção de reacção adiabática do sistema. 0 corpo do forno radiante do presente invento compreende essencialmente uma zona de superaquecedor, sem fogo, e uma zona radiante, com fogo, dentro da estrutura do forno, um reactor adiabático a jusante da zona radiante e fora da estrutura do forno, e um aparelho de arrefecimento indirecto ligado perto e a jusante do reactor adiabático. Serpentinas de processamento prolongam-se da zona do superaquecedor, através da zona radiante, para o aquecedor adiabático. A zona radiante é aquecida por queimadores radiantes e é mais reduzida em largura no extremo da descarga e neste extremo de descarga pode ter o feitio de uma secção afilada. A secção do superaquecedor a montante de preferência não tem fogo, mas pode ser equipada com queimadores. Existe uma comunicação entre a zona radiante e a zona de superaquecedor para permitir a passagem de gases do queimador radiante vindos da zona radiante para a zona de superaquecedor e, por último, através da secção de convecção para descarga na atmosfera. 0 aparelho de arrefecimento compreende um permutador de calor indirecto com um Venturi antes da entrada ou à entrada, que converte a velocidade em pressão. O lado frio do permutador de calor está contido no interior da estrutura com uma câmara anelar de lado frio a rodear o lado frio interno.

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No processo de "cracking", a alimentação de hidrocarbonetos, a cerca de 649°C e a 0% de conversão, é aquecida e enviada para a entrada das serpentinas localizadas na zona de superaquecedor. A temperatura da alimentação é elevada na zona de superaquecedor radiante até temperaturas de pré-aquecimento da ordem dos 718°C pelos gases quentes vindos da zona radiante. A zona de superaquecedor é concebida e operada de modo a manter uma temperatura do gás de combustão de cerca de 982°C. A alimentação vinda da zona de superaquecedor passa para a zona radiante com aquecimento de fogo até cerca de 1260 °c para aquecer a alimentação até cerca de 899°C, num tempo de residência curto, para obter uma conversão entre cerca de 45 e cerca de 65%. O efluente da zona radiante passa depois para o reactor adiabático externo para um tempo de residência inferior a cerca de 20 milissegundos, para continuar a reacção e alcançar 95% de conversão. As caldeiras de arrefecimento estão imediatamente a jusante do reactor adiabático e operam de modo a arrefecer rapidamente os produtos de reacção e terminar as reacções.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS 0 invento será melhor compreendido se tomarmos em consideração os desenhos em anexo onde: a FIGURA 1 é um alçado em corte do forno do presente invento; a FIGURA 2 é um alçado pela linha de corte 2-2 da FIGURA 1; a FIGURA 3 é um plano da FIGURA 1, tomado na linha 3-3? a FIGURA 4 é um plano parcial da FIGURA 1, tomado na linha 4-4; a FIGURA 5 é um alçado em corte das diversas serpentinas de processo ligadas à entrada do reactor adiabático; a FIGURA 6 é um alçado em corte da caldeira de arrefecimento do aparelho; e a FIGURA 7 é um plano parcial da FIGURA 6 tomado na linha 7-7.

DESCRIÇÃO DA CONCRETIZAÇÃO PREFERIDA

Como se vê nas FIGURAS 1, 2 e 3, o forno 2 do presente invento compreende essencialmente uma estrutura de forno 4, um re-

73 203 696-188 (Portugal) -11- actor adiabático externo 6 e as caldeiras de arrefecimento 8. O forno 2 compreende as paredes exteriores 10, um tecto 11, um chão 12, paredes dispostas centralmente 14, diversas serpentinas de processo que compreendem serpentinas de convecção (não indicadas), serpentinas radiantes 16 e uma saída do gás de combustão 18. As paredes centrais 14 definem uma zona de superaquecedor a montante 20 e a combinação das paredes dispostas centralmente 14 com as paredes exteriores 10 definem uma zona radiante a jusante 22. Na concretização preferida, a parede disposta centralmente 14 está. elevada em relação ao chão 12 para proporcionar uma abertura de acesso 24 entre a zona de superaquecedor 20 e a zona radiante 22. As serpentinas de convecção estão dispostas horizontalmente numa secção de convecção à entrada da saída de gás de combustão 18 e prolongam-se até à entrada da serpentina do forno 26 para constituírem as serpentinas radiantes 16. As serpentinas radiantes 16 prolongam-se desde a entrada 26 da serpentina do forno, através da zona de superaquecedor 20, da abertura de acesso 24 e da zona radiante 22, até à saída 28 da serpentina do forno.

Os queimadores convencionais 30 estão dispostos no topo de cada lado longitudinal da zona radiante 22 que se prolonga para baixo a partir do tecto 11. Numa concretização preferida, o topo 25 da zona radiante 22 pode ser configurado de modo a apresentar uma secção recta lateral com uma largura maior no fundo 23 do que no topo 25, como se indica na FIGURA 1. Muito preferivelmente, num forno 2 de 9,14 m de altura, o fundo 23 da zona radiante 22 pode ter 2,44 m de largo e o topo 25 apenas 1,07 m nos 1,52 m de topo. Considera-se também que a zona radiante 22 pode ser afilada começando a afilar num ponto a cerca de um terço a partir do tecto 11. As serpentinas radiantes 16 têm a forma de U e estão dispostas centralmente dentro da zona de superaquecedor 20 e da zona radiante 22 para se obter um máximo de eficiência de aquecimento radiante. Também existem queimadores de equilíbrio 21. -12- 73 203 696-188 (Portugal) 0 forno 2 do presente invento é concebido para operar com temperaturas superiores a 1260°C na zona radiante 22 e superior a 968°C na zona de superaguecedor 20. A temperatura do metal do tubo na zona radiante 22 e na zona de superaquecedor 20 estará na gama de 1018"C a 718°C respectivamente. Verificou-se que o tijolo refractário convencional pode suportar temperaturas superiores a 1260°C) que ocorrem na zona radiante 22. As paredes do forno podem assim ser construídas com os materiais convencionalmente usados para as zonas radiantes, zonas de convecção e gases de combustão.

Além disso, as paredes 14 estão equipadas com membros de reforço 29, de preferência na forma de tubo de 15,24 cm que se prolonga do tecto 11 até ao fundo das paredes 14. As temperaturas no metal das serpentinas na gama de 1018°C (zona radiante 22) e 718°C (zona de superaquecedor 20) apenas necessitam de metais convencionais para tubos de forno.

Imediatamente a jusante da zona radiante 22 está o reactor adiabático 6. Como melhor se pode ver nas FIGURAS 2 e 5, diversas serpentinas 16 formam condutas comuns 34 na zona radiante 22, e as condutas 34 formam um só colector 35 à entrada do reactor adiabático 6. 0 reactor adiabático 6 pode ter várias configurações, contudo o isolamento exterior convencional 36 que rodeia o reactor 6 deve proporcionar o invólucro adiabático necessário para a continuação da reacção da alimentação do processo depois de deixar o forno 2. As temperaturas esperadas no fluido de processo no reactor adiabático 6 variam desde cerca de 899°C à entrada 38 do reactor adiabático até cerca de 885eC à saída 40 do reactor adiabático. 0 reactor adiabático 6 tem a configuração de um Venturi com uma secção 37 a montante, uma secção 39 a jusante e uma garganta 41. Numa concretização preferida, a configuração do Venturi reduz a velocidade do produto gasoso quente de cerca de 244 até cerca de 76 m/s.

Como melhor se pode ver na FIGURA 6, as caldeiras de arrefecimento 8 associadas ao forno 2 são configuradas com um lado interno frio 42, um lado externo anelar frio 52 e um lado quente 73 203 696-188 (Portugal) -13-

44. O lado interno frio 42 compreende uma câmara interior com uma entrada de água de alimentação da caldeira 46 e ima saída de vapor 50. Uma entrada de água de alimentação da caldeira anelar 54 facilita o envio de material arrefecedor para os tubos exteriores do lado frio 52 e o anel 56 recebe o material arrefecedor, já aquecido, para ser usado noutro lado qualquer. As aletas 58 prolongam-se da câmara interior até à passagem do lado quente 44. O lado quente 44 de cada caldeira de arrefecimento 8 compreende a entrada de efluente 64 configurada com uma secção divergente 66, a jusante, e uma saída 68. O processo do presente invento realiza-se aquecendo a alimentação de hidrocarbonetos nas serpentinas de convecção e enviando a alimentação de hidrocarbonetos para as serpentinas radiantes 16 na zona de superaquecedor 20, a cerca de 621°C. A temperatura da alimentação de hidrocarbonetos é elevada na zona de superaquecedor 20 até cerca de 718°C. Durante a passagem da alimentação pela zona de superaquecedor 20, o tempo de residência é de cerca de 80-130 milissegundos, de preferência de cerca de 115 milissegundos, mantendo a temperatura do metal do tubo das setpentinas 16 a cerca de ou abaixo de 816°C na zona de superaquecedor 20. A conversão na zona de superaquecedor 20 é mantida abaixo de 20%, de preferência abaixo de 10%. A alimentação passa depois pelas serpentinas radiantes 16 para a zona radiante 22 a cerca de 718°C, a sua temperatura é elevada para cerca de 899°C, com um tempo de residência de cerca de 40-90 milissegundos, de preferência cerca de 50 milissegundos e sai pela descarga do forno 28, a uma conversão de cerca de 65%. 0 efluente descarregado do forno 4 passa para o reactor adi-abático 6, com um tempo de residência inferior a cerca de 30 milissegundos, de preferência inferior a 20 milissegundos, onde a temperatura do efluente cai para cerca de 885°C, realizando uma conversão de cerca de 90%. 0 efluente convertido sai do reactor adiabático 6 a cerca de

73 203 696-188 (Portugal) -14-885 °C e passa para as caldeiras de arrefecimento 8 onde as reacções são terminadas. 0 refrigerante entra na caldeira de arrefecimento 8 pelas entradas de refrigerante 54 e 46, passa pela caldeira de arrefecimento 8 e sai pelas saídas de refrigerante 56 e 50. A temperatura do efluente é reduzida para menos de cerca de 593°C nas caldeiras de arrefecimento 8.

Na prática verifica-se que ligando os queimadores 30 da zona radiante 22 a cerca de 5815 kJ/kg de hidrocarboneto é possível manter uma temperatura na gama dos 1260°C na zona radiante 22 e de manter uma temperatura de cerca de 982°C na zona de superaquecedor 20. Estas temperaturas da zona do forno ou da câmara de combustão proporcionam uma temperatura no metal do tubo inferior a cerca de 816°C na zona de superaquecedor 20 e uma temperatura no metal do tubo de cerca de 885°C no reactor adiabático 8 durante a conversão do produto. 0 refrigerante preferido para a caldeira de arrefecimento compreende água em ebulição a cerca de 10342 kPa (1500 psig) que entra pela entrada de refrigerante 46 e sai como corrente pela saída de refrigerante 50, arrefecendo a corrente quente de processamento em toda a zona 44, como se indica na FIGURA 6. 0 processo permite economia de combustível e redução do peso do forno. Com o calor radiante que fornece a energia para elevar a temperatura da alimentação na secção de superaquecedor 20, o "cracking" incipiente ocorre em condições muito eficientes, o calor dos gases emanados da secção radiante 22 é usado para iniciar a reacção de "cracking" na zona de superaquecedor 20. No processo do presente invento é preferível que a conversão da alimentação de hidrocarbonetos seja mantida abaixo de 10% na zona de superaquecedor 20. Assim desde que a conversão da alimentação na zona de superaquecedor 20 seja mantida abaixo de 10%, o tempo de residência será função do calor disponível dos gases criados pelos queimadores 30 na secção radiante. Na prática, o tempo de residência da alimentação na zona de superaquecedor 20 pode estar entre cerca de 80 a cerca de 130 milissegundos. 73 203 696-188 (Portugal) -15-

Depois disso a alimentação que entra na zona radiante 22 será portanto rapidamente pirolisada para alcançar a condição de pirólise parcial, isto é, uma conversão de 55% a 70%. Os tempos de residência da alimentação do processo na zona radiante 22 serão de cerca de 40 a cerca de 90 milissegundos.

Com a conversão na zona radiante 22 limitada para menos da conversão completa esta conversão completa (90%) irá ocorrer no reactor adiabático 6. A alimentação do processo vinda da zona radiante 22, de diversas serpentinas 16 é reunida em condutas 34 que por sua vez forma um colector 35, à entrada do reactor adiabático 6, e passa pelo reactor adiabático 6 com um tempo de residência de 20 a 35 milissegundos para realizar a conversão pretendida. O forno 2 do presente invento será consideravelmente mais leve do que os fornos convencionais de pirólise ou "cra-cking" térmico. A zona de superaquecedor radiante 20 facilita com maior eficácia a transferência de calor para a alimentação do que os fornos convencionais onde se usam tubos de convecção para obter a transferência de uma grande quantidade de calor para a alimentação. Além disso, o reactor adiabático 6 permite usar um comprimento de serpentinas na zona radiante 22 menor do que o necessário para o "cracking" completo convencional no forno. Além disso a saída das serpentinas do forno 2 é mantida a uma temperatura mais baixa do que a das saídas das serpentinas de fornos radiantes convencionais, reduzindo portanto o coque produzido no forno. A Tabela 1, seguinte, ilustra uma comparação das economias obtidas com o forno 2 do presente invento e com um forno convencional, tendo cada um a capacidade de produzir 43,359xl03t/ano de c2h4 ·

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TABEIA I

Forno 2

Deste Invento USC Convencional 20,412 158,2 7,62 0,48 0,62 24 948 13,72

Nafta, 1000 kg/h 18,144

Combustível, a igual energia, 106 kJ/h 47,5

Tranferência de Calor

Convectiva 103 m2 4,18

Dimensões do Forno

Vol. Interior, 103 m3 0,23

Superfície Externa, 103 m2 0,32

Caldeiras de Arrefecimento

Peso, kg 1361

Comprimento, m 5,49 A Tabela 2, seguinte, ilustra um exemplo de previsão de parâmetros do presente invento. -17- 73 203 696-188 (Portugal) TABEIA 2

Reactor Radiante 3 Comp. do feixe Reactor Suoeraauecedor 1,22m 0,46m Adiabático Total Ib/h/serpentina Nafta 317,5 317,5 635 1859,7 Vapor 158,8 158,8 317,5 952,5 Comprimento da Serpentina m 10,67 0,14 1,52 1,52 22,86 Diâmetro Interno cm 3,81 3,81 5,41 16,51/19,05 % Conversão n-Pentano ã entrada 0 ó 48 65 b saída 6 48 65 90 90 Tempo de residência milisseoundos Total 115 52 7 20 194 Mais 10% de Conversão de nC^ 0 33 7 20 60 TemDeratura. °C Gás de Combustão 871 1260 1260 Saída do Processo 718 819 893 877 Max.do Metal à Saida 804 1046 1010 877 Rendimento. % d/d nafta CH4 15 C2H4 31,5 C3H6 15 C4H6 4,5 Total 51,0 Combustível 3 Selectividade 2,8

Claims

73 203 696-188 (Portugal) -18- REIVINDICACÕES 1 - Forno para "cracking" de uma alimentação de hidrocarbo-netos para produzir olefinas, caracterizado por compreender: - uma zona de superaquecedor radiante, sem fogo; - uma zona radiante, com fogo, a jusante da zona de superaquecedor radiante; - queimadores radiantes nas zonas radiantes com fogo; - meios para que os gases dos queimadores radiantes passem da zona radiante para a zona de superaquecedor; e - uma serpentina de processamento, que se estende conti-nuamente da entrada da zona de superaquecedor até à saída da zona radiante.
2 - Forno de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender uma zona de convecção em comunicação directa com a zona de superaquecedor radiante; um canal de passagem para des-carga do gás de combustão e tubos de convecção na zona de convecção.
3 - Forno de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por compreender ainda uma parede comum única entre a zona de superaquecedor e a zona radiante e onde o meio de passagem dos gases da zona radiante para zona de superaquecedor é uma abertura no fundo da parede entre a zona de superaquecedor e a zona radiante.
4 - Forno de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por compreender ainda um reactor adiabático na saída da serpentina da zona radiante.
5 - Forno de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por uma parte do referido reactor adiabático ter a configuração de um Venturi.
6 - Forno de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por compreender ainda uma caldeira de arrefecimento indirecto ligada perto da saída do reactor adiabático.

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7 - Forno de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por compreender ainda diversas serpentinas de processamento em posições adjacentes; e meios colectores das diversas serpentinas de processamento numa única cabeça, à entrada do reactor adiabático.
8 - Forno de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por os queimadores radiantes serem um conjunto de queimadores radiantes dispostos ao longo das paredes longitudinais da zona radiante que se estendem para baixo do tecto do forno.
9 - Forno de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por a caldeira de arrefecimento compreender um lado frio exterior anelar e uma câmara com o lado interior frio disposta centralmente.
10 - Processo de produção de olefinas a partir de uma alimentação de hidrocarbonetos, caracterizado por compreender os passos de: - passar a alimentação de hidrocarbonetos para as serpentinas de processamento, através de uma zona de superaquecedor radiante, sem fogo; e - passar a alimentação de hidrocarbonetos da zona de superaquecedor radiante, sem fogo, para uma zona radiante , com fogo, para as serpentinas de processamento que se estendem da zona de superaquecedor para a zona com fogo.
11 - Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por compreender ainda o passo de fazer passar a alimentação de hidrocarbonetos da zona radiante , com fogo, para um reactor adiabático.
12 - Processo de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por compreender ainda o passo de aquecimento por convecção da alimentação de hidrocarbonetos, antes de passar a alimentação para a zona de superaquecedor radiante, sem fogo.
13 - Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por compreender ainda o passo de arrefecimento indirecto do

'* - S~/ :' · 73 203 696-188 (Portugal) -20-efluente do reactor adiabático para terminar as reacções no efluente.
14 - Processo de acordo com a reivindicação 13, caracteriza-do por o referido reactor adiabático ter a configuração de um Venturi e reduzir a velocidade do gás produto quente, da zona radiante com fogo, de cerca de 244 m/s até cerca de 76 m/s (800-250 pés/segundo).
15 - Processo de acordo com a reivindicação 11, caracteriza-do por a temperatura da câmara de combustão no superaquecedor radiante sem fogo ser a 1010 °C (1850 °F), por a temperatura do metal do tubo da serpentina ser inferior a 788 °C (1450 °F) e por a conversão da alimentação de hidrocarbonetos ser inferior a 10%; por a temperatura da câmara de combustão da zona radiante com fogo ser inferior a 1260 °C (2300 °F), por a temperatura do metal do tubo da serpentina ser inferior a 1018 °c (1865 °F) e por a conversão da alimentação de hidrocarbonetos ser inferior a 65%.
16 - Processo de acordo com a reivindicação 13, caracteriza-do por a temperatura do metal do tubo no reactor adiabático ser inferior a cerca de 899 °C (1650 °F) e por a conversão de hidrocarbonetos ser de cerca de 90%.
17 - Processo de acordo com a reivindicação 16, caracteriza-do por o tempo de residência na zona de superaquecedor radiante sem fogo ser de cerca de 80 a 130 milissegundos; por o tempo de residência no aquecedor radiante com fogo ser de cerca de 40 até cerca de 90 milissegundos e por o tempo de residência no reactor adiabático ser inferior a cerca de 30 milissegundos.
18 - Processo de acordo com a reivindicação 17, caracteriza-do por o forno estar ligado de modo a fornecer 5800 kJ/kg (2500 Btu/lb) de hidrocarbonetos e por a conversão da alimentação de hidrocarbonetos ser de pelo menos 90%.
19 - Forno para "cracking", caracterizado por ser constituído por:

73 203 696-188 (Portugal) -21- - uma zona radiante, - um reactor adiabático a jusante da zona radiante; - meios de serpentina de processamento que se estendem por toda a zona radiante; - meios de tubo de processamento dentro do reactor adiabático; e - meios de ligação dos meios de serpentina de processamento, dentro da zona radiante, com os tubos de processamento dentro do reactor adiabático.
20 - Forno para ,,cracking,, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado por os meios de ligação dos meios de serpentina de processamento aos tubos de processamento dentro do reactor adiabático compreenderem o emparelhamento das serpentinas de processamento, em condutas únicas comuns para um colector à entrada do reactor adiabático.
21 - Forno para "cracking" de acordo com a reivindicação 20, caracterizado por o referido reactor adiabático ter a configuração, no todo ou em parte, de um Venturi.
22 - Forno para "cracking" de acordo com a reivindicação 20, caracterizado por compreender ainda uma caldeira de arrefecimento indirecto ligada perto do reactor adiabático a jusante do reactor adiabático.
23 - Forno para "cracking" de acordo com a reivindicação 22, caracterizado por compreender ainda uma câmara lateral, fria, anelar, na caldeira de arrefecimento e um Venturi entre a saída do reactor adiabático e o lado quente anelar da caldeira de arrefecimento .
24 - Forno para "cracking" de acordo com a reivindicação 23, caracterizado por compreender ainda uma câmara lateral fria, disposta centralmente dentro da caldeira de arrefecimento.
25 - Caldeira de arrefecimento, caracterizada por compreender: um lado frio externo, anelar, -22- 73 203 696-188 (Portugal) um lado frio interno.
26 - Caldeira de arrefecimento de acordo com a reivindicação 25, caracterizada por o referido lado frio interno compreender uma câmara interior com uma entrada de alimentação da caldeira e uma saída de vapor.
27 - Caldeira de arrefecimento de acordo com a reivindicação 26, caracterizada por o referido lado frio externo, anelar, compreender uma entrada de água de alimentação da caldeira, anelar, tubos exteriores ligados operativamente à referida entrada de água de alimentação da caldeira anelar e um anel adaptado para recolher o refrigerante aquecido vindo dos referidos tubos exteriores .
28 - Caldeira de arrefecimento de acordo com a reivindicação 26, caracterizada por compreender ainda uma passagem lateral quente numa zona entre o referido lado frio externo, anelar, e o referido lado frio interno.
29 - Caldeira de arrefecimento de acordo com a reivindicação 28, caracterizada por o referido lado frio interno compreender ainda aletas que se estendem a partir da câmara interior até dentro da passagem para o lado quente. Lisboa, 2o. 1991 Por STONE & WEBSTER ENGINEERING CORP. -0 AGENTE OFICIAL-