TW202338071A

TW202338071A - 供烯烴生產用的電熱蒸汽裂解爐

Info

Publication number: TW202338071A
Application number: TW112105638A
Authority: TW
Inventors: 寶終趙; 大衛蓋蒙; 理察Ｊ吉伯; 學平李; 肯達沙米桑達蘭; 愛德華多哈特雷戴伊; 史蒂芬史丹利
Original assignee: 美商魯瑪斯科技有限責任公司
Priority date: 2022-03-22
Filing date: 2023-02-16
Publication date: 2023-10-01
Also published as: US20230303934A1; WO2023183101A1

Abstract

一種電熱爐包括一或多個單元室。各單元室包括：一輻射加熱段；一或多個處理盤管，其設置在該輻射加熱段內；及一驟冷單元，用於冷卻來自該一或多個處理盤管之一裂解產物及產生一經驟冷之反應產物。該爐亦包括設置在該輻射加熱段內之一或多個電熱元件，該一或多個電熱元件係配置成提供輻射能至該一或多個處理盤管。此外，該電熱爐包括：一第一面積，其對應該一或多個電熱元件之一加熱面積；一第二面積，其對應設置有該一或多個電熱元件之壁的一壁面積；及一第三面積，其對應該一或多個處理盤管之一表面積。

Description

供烯烴生產用的電熱蒸汽裂解爐

本揭示之實施例係大致有關於電熱爐，該電熱爐係用於由一碳氫化合物原料(進料氣體)大規模地生產如乙烯、丙烯及丁二烯以及芳香烴及其他產物(產物氣體)等散裝化學品。

蒸汽裂解器因為生產用於下游製程之散裝化學品，所以它們是石油化學生產設備之核心。但是用於一蒸汽裂解器之能源通常來自燃燒化石燃料且對一世界級石油化學設備而言能量輸入超過900 MW。大規模生產係藉由在一單一爐封閉體中包含多數(例如6至8個)反應「盤管」及使用化石燃料作為用於將碳氫化合物原料轉換成例如烯烴之有用產物之吸熱反應的一能源來達成。該管狀反應器係一較佳組態且有在習知技術中習知之多種組態。該預熱碳氫化合物進料在500至730℃進入該盤管且被迅速地加熱至750至925℃。該管狀反應器(或裂解盤管)係設計成使沿著該輻射盤管之溫度及壓力分布最佳化以藉由在該等裂解盤管之入口段中更迅速之溫度增加及出口段中之低壓降使有價值產物之產率最大化。但是，需要的能量輸入非常大。如果這能量係藉由燃燒燃料來供應，則依據對該蒸汽裂解器之進料，產生範圍係每噸乙烯0.3至1.6噸(t/t)之大量CO ₂。此外，因為熱分解需要高溫，所以在煙道氣體中產生NOx排放物。

用於熱裂解碳氫化合物之一典型燃料燃燒爐顯示於圖1中。該爐100包括具有地板及/或壁燃燒器12之一輻射段10及一對流段14。設置在該對流段14中的是用於由該煙道氣體回收對流熱之加熱盤管，其可用於預熱碳氫化合物進料16、由一鍋爐進料(BF)18產生蒸汽20，且可用於使一蒸汽進料(蒸汽)22過熱成高壓蒸汽(HP蒸汽)20。該進料在一或多個對流段盤管中預熱後，它可被饋至設置在該加熱器之輻射段10中的一反應盤管並被迅速地加熱，致使碳氫化合物有所欲的裂解而產生裂解氣體22。為了防止過度裂解，可提供一傳送管線交換器24以迅速地冷卻該輻射段流出物，提供一經冷卻之裂解氣體產物流26。亦可因適用於特定流程圖而使用一蒸汽鼓28及其他復熱裝置來促進該碳氫化合物及蒸汽進料之加熱、冷卻或混合。

有關用於裂解碳氫化合物之爐的各種公報可包括以下者。WO2020245016A1揭示一或多個耗熱程序(＞500℃)，其中之至少一者被電氣地加熱。耗熱程序之產物被送至具有一5GWh容量之能量載體網路。US5321191A揭示用於在一電爐中熱分解之一程序，該電爐具有由一陶瓷構成之一單體結構。WO2021214256A1及WO2021214257A1係有關於在一反應管損壞且有可燃燒氣體釋入該反應器封閉體的情形下用於電反應器之保護系統。US20090022635A1教示用於熱裂解碳氫化合物之一爐可再分成複數不同區段且熱源可集中在該不同區段中。US9908091B2揭示用於蒸汽重組之一爐，該爐包括至少一燃燒器及與反應器管連接之至少一電壓源。一電流通過該等反應器管以加熱原料。US20210254774A1揭示具有一燃燒室之一蒸汽重組器，該燃燒室包含多個反應器管。一加熱元件放在該等反應器管內。US20210051770A1揭示用於包括丙烷脫氫之吸熱反應(列舉，但未詳細說明)的一可電加熱固體填充裝置。該填充床被分成電氣地隔離之一上、中及下段。加熱係利用安裝在一導電固態填充物中之電極。US20210171344A1揭示具有支持一觸媒塗層之一巨觀結構的一蒸汽重組反應器。一電流通過該巨觀結構以加熱該觸媒之一部份至＞500℃。

US20210113980(’980)揭示包含一電熱爐之一反應器系統，且在該爐內具有至少一電輻射加熱元件(熱藉由輻射傳送至一反應器管)。圖2在此係’980圖1之一重製圖，顯示該加熱機構為包括輻射及對流熱，該輻射熱係由該反應器之壁或絕緣物的熱面(T3)及該加熱元件(T2)發出，且該對流熱係由該反應器內之蒸氣的循環來提供，各輻射及對流熱對該反應器管(T1)提供熱。

這概要係用於介紹以下在詳細說明中進一步說明的一觀念選集。這概要非意圖指出請求標的物之重要或必要特徵，亦非意圖用於協助限制該請求標的物之範圍。

在一態樣中，在此揭露之實施例係有關於一電熱爐。該爐包括一或多個單元室。各單元室包括：一輻射加熱段；一或多個處理盤管，其設置在該輻射加熱段內；及一驟冷單元，用於冷卻來自該一或多個處理盤管之一裂解產物及產生一經驟冷之反應產物。該爐亦包括設置在該輻射加熱段內之一或多個電熱元件，該一或多個電熱元件係配置成提供輻射能至該一或多個處理盤管。此外，該電熱爐包括：一第一面積，其對應該一或多個電熱元件之一加熱面積；一第二面積，其對應設置有該一或多個電熱元件之壁的一壁面積；及一第三面積，其對應該一或多個處理盤管之一表面積。

該請求標的物之其他態樣及優點可由以下說明及所附的申請專利範圍而明白

減少或甚至消除來自大規模生產烯烴之排放物的一方法係使能源電化，較佳地其中該電係由再生能量供應。在此實施例係有關於電爐，該電爐係用於生產石油化學品，例如乙烯、丙烯及丁二烯以及芳香烴及用於下游製程之其他產物。更詳而言之，在此實施例係有關於電熱爐，該電熱爐係用於由一碳氫化合物原料(進料氣體)大規模地生產散裝化學品，例如乙烯、丙烯及丁二烯以及芳香烴及其他產物(產物氣體)。

不倚賴燃燒化石燃料用於需要之能量輸入，在此實施例提供使用電阻加熱並聯之多數反應盤管的一爐。各盤管被收容在一分開單元室封閉體中且一加熱面積A1對應安裝在該單元室封閉體之壁上之電阻元件的加熱面積，一壁面積A2對應安裝該等元件之壁的面積且一盤管面積A3對應該等反應盤管之表面積。該加熱面積A1及該壁面積A2比該反應盤管面積A3大。

該等多數單元室係沿著一軸配置且各單元室中之反應盤管係組配成與這軸垂直或呈90度至45度之一選擇角度。藉由將該等單元室放置成呈例如45度至60度之一角度的一配置，可減少整體反應器之占地空間。

有多種方法供應電能來加熱該盤管及提供必要熱通量至該碳氫化合物進料用於熱裂解程序。這些方法可包括藉由使一電流通過該反應器盤管、藉由用一電磁鐵包圍該等盤管感應產生一電流來直接電阻加熱或由與該等盤管相鄰之電阻加熱元件來輻射加熱。

在此實施例可應用這些方法中之任一方法。某些實施例包括一加熱方法，因為該加熱方法可在未修改之情形下使用現有反應盤管設置，所以它需要包圍該等反應管之一封閉體之壁上的電阻加熱元件。電熱元件在高溫具有熱通量之極限。該等加熱元件在一施加電壓下接收一電流，且依據該元件電阻產生熱。該元件溫度會增加直到該電能消耗成為熱，或該材料到達其溫度極限且失效為止。因此電阻加熱元件會在一預定溫度下具有施加熱通量之一極限。隨著操作溫度增加，最大可達成熱通量減少。

該等加熱元件被支持在一耐火壁上且連接於一電供應源。該電阻加熱元件藉由焦耳加熱及藉由輻射消耗電能。該等電熱元件朝向該等反應盤管及該等爐內表面，例如朝向支持該等元件之壁，輻射能量。有數種適用於乙烯爐中之溫度的加熱元件，包括NiCr、FeCrAl、SiC及MoSi ₂類型的加熱元件。NiCr最便宜但也最受限於1100℃之一最大溫度。FeCrAl係可使用達到大約1300℃之另一種金屬元件類型。SiC元件可使用達到等於或大於1600℃，且MoSi ₂元件達到1750℃。這些值依據參考源改變，但該等引述值是代表例。此外，需要考慮該等元件之老化及適當操作餘裕。若接近其最大可容許溫度地操作該等加熱元件，該元件之使用壽命會減少，且由於操作改變之小增加會導致元件故障。因此對最長使用壽命而言最好儘可能遠離其最大可容許溫度地操作該元件。實務上這表示較佳方式係提供比該散熱器(反應盤管)之表面積大的一壁面積。在某些實施例中，該加熱元件可呈一桿多彎折(ROB)組態或可為剛性碳化矽桿型元件。例如，FeCrAl(金屬)元件可設置成一桿多彎折(ROB)組態或剛性碳化矽桿類型元件。因為剛性SiC元件可使用於1 m至10 m，例如大約5 m之長度中，所以可在一或多個實施例中使用它們。該等長度可配合用於收容個別反應盤管之殼體的尺寸。多數剛性SiC元件可以一單一間距水平地配置成鄰近且被支持在該爐封閉體之壁上(產生一單元室)。該等電熱元件及反應盤管需要定期維修或更換。藉由將該等元件放在該壁上且與該等反應盤管分開，可進入該爐以便進行維修活動。

對一大加熱器設備(例如，8或更多個單元室)而言，該等個別單元室可被組配使得在一單一盤管破裂之事件中，對該受影響單元室之供電可立即停止，同時如果需要的話對其餘單元室之供電可用不使該供電設施破壞之一方式停止。

該等單元室係配置成使得有利盤管組態得以被使用。與該爐被分成多數區段之US20090022635A1不同，在此實施例之各輻射盤管被封閉在一單一單元室中，且有用於盤管更換及維修之通口在各單元室之間。碳沈積物，或焦炭，通常形成在該等反應盤管之內壁上。焦化沈積物減少熱交換效率，造成管壁溫度增加及壓降增加。為了維持管金屬溫度在其最大可容許設計溫度以下及為了限制壓力在該盤管中影響產率之壓力上升，或兩者，需要定期之去焦操作。去焦通常相較熱分解反應用一較低溫度及較小熱輸入實行。習知爐包含多數反應盤管且需要一備用加熱器(例如，複數額外盤管)之容量以容許該去焦操作之排程。依據在此一或多個實施例，該等單元室之去焦係藉由事實上各反應盤管被收容在一分開單元室內而大幅簡化。因此，對一備用加熱器之需求係被消除。在此揭露之單元室亦促進只用蒸汽去焦，其花費較長時間但容許該等流出物通過該熱回收段。

在使用電阻加熱元件輻射加熱之情形中，該等單元室可分成多數組以形成一單一加熱器系統。這配置增加該等封閉體側壁之可用面積使得它理想地比該散熱器面積大1.2至3.0倍，因此減少需要散逸一預定量熱之元件的溫度。重要的是注意「用極限」操作電阻加熱元件一段長時間會減少元件壽命且在某些元件失效之情形下不會提供適當設計餘裕。隨著元件技術之改良，可用面積相對反應器(盤管)表面積可低於1.2且可低至0.5。但是，在此實施例可因為上述理由而用1.0以上之一比率來應用，且該可用面積比率取決於該等加熱元件之最大熱通量，對金屬元件而言該等加熱元件之最大熱通量與陶瓷SiC元件不同。

各單元室包括在空氣中操作之一空氣控制器或具有一經控制之環境，該經控制之環境具有低到足以避免爆炸之危險，但足以維持元件表面上之保護性氧化物層的氧濃度。

對一世界級蒸汽裂解器而言，需要大量管來達成需要之容量。反應管被分組成「多個盤管」。該盤管組態係依據循環時間(在去焦操作之間)、停留時間、壓降及熱傳送小心地選擇以獲得最大產率。

會要維持已發展許多年且具有一長經證實操作紀錄之盤管組態。用於乙烯生產之裂解加熱器可設置輻射盤管成單排之一串聯配置。在許多情形中，配置成偏移配置或錯開配置之兩排。甚至可如在Lummus專利申請案PCT/US2021/59542中所述地使用多數排盤管，其盤管之配置在此加入作為參考。使用這些多排配置以便在必須複製該系統(即，建立一第二、第三加熱器等)前，使可由一單一加熱器系統獲得之乙烯產物的量最大化。通常，多數盤管被一起分組成一單一「加熱器」。在這上下文中，一加熱器中之一組多數盤管可被視為一個別「加熱器系統」，其具有一單一封閉體及一單位之用於該設備的乙烯生產容量(通常在每加熱器100至300 KTA乙烯生產容量之區域中)。可能需要多數個別加熱器系統來達成一期望之容量。在習知技術中，使用電熱方法之加熱器系統只被考慮為在一單一加熱器系統中分組多數盤管。但是，在習知技術中提出之加熱方法未在上下文中考慮藉由電氣裝置提供熱至組配成輻射盤管之大量個別反應管。

有許多不同盤管設計。盤管組態可使用一速記表示法稱為一x-y配置、一x-y-z配置、一x-y-z-w配置等，其中x表示入口管之數目且y表示下一道次中成為一出口道次(x-y)或一第二道次x-y-z之管數目，且z係出口道次。例如，若該配置係一4-1，則四個入口管饋入一個出口管。大量盤管設計可能性係揭露在PCT/US2021/59542中。盤管組態包括簡單x-配置，其中x-管並聯地連接形成一盤管。

依據在此實施例之加熱器系統包括進料預熱、間接驟冷、高壓蒸汽產生及產物冷卻。各單元室具有一專用驟冷裝置以使在該驟冷冷卻器前之絕熱段中的停留時間最小化。該驟冷系統將該裂解氣體冷卻至低到足以停止該反應，但高到足以可回收大量熱之一溫度，理想上係在550至680℃之範圍內。這是重要的，因為如前所述，在一電加熱器中沒有煙道氣體且需要之電能應優先用於提供反應之熱。使用電能(有效地)產生蒸汽或在低溫預熱進料需要一較大供電系統。有時當經濟(或其他理由)決定高程度之蒸汽產生時，可使用低於550℃之蒸汽溫度且在其他實施例中低至300℃。在這些情形中，進料預熱可藉由包括一分開電加熱器之其他裝置來達成。

在某些實施例中，該等單元室係組配成使得水平面中之最長尺寸與元件平面平行。沿著該最長尺寸，該等管被放置成單排或多數排。

對一大加熱器設備(8或更多個單元室)而言，該等個別單元室可被組配使得在一單一盤管破裂之事件中，對該受影響單元室之供電可立即停止，同時對其餘單元室之供電可用不使該供電設施破壞之一方式停止，且使需要排出至一焰燒系統或其他安全系統的氣體量最小化。

在某些實施例中可使用大約3.0×5.0×15.0 m之一單元室尺寸，使得一單一SiC元件可通過水平面中之該最長尺寸來使用。如前所述，這有助於維修及進接該等加熱元件及該等反應盤管。元件可串聯地連接(2)使得全部電氣連接都在該單元室之一側。或者，多組元件可使用一三角形或Y形組態與一三相電供應源連接。該等組態可相較於該等串聯組態優先選擇，特別是在SiC型元件之情形中，因為元件電阻之變化會導致加速老化。爐溫度在大約50至120 kW/m ²之一熱通量(以壁面積為基礎)情形下係在1150至1250℃之範圍內。這遠低於市售SiC加熱元件之最大容量。在一或多個實施例中，該側壁上之加熱元件的面積係該等反應盤管之表面積的大約1.0至1.6倍。但是，在高熱通量SiC或改良元件之情形下，該比率可小於1.2，例如0.8至1.2或1.0至1.2。

在其他實施例中可與金屬元件一起使用大約3.0×10.0×15.0 m之一單元室尺寸。在這組態中，該元件熱通量限制於大約30至40 kW/m ²或33 kW/m ²，因此可在大約1200℃之一溫度使用金屬元件。該等側壁之面積係該等反應盤管之表面積的大約3.0倍。

在上述兩例子中，該加熱負載係大約10MW，其係相對該電供應源之一方便量。可使用兩個5 MVA或一個10 MVA變壓器來供應各單元室。這提供操作時之極大彈性而可獲得以下結果：(i)各盤管可用一不同進料及不同嚴苛度來操作；(ii)個別盤管可用不同去焦循環來操作；(iii)供應至各單元室之電力可依據一預定盤管出口溫度改變；及(iv)個別盤管可具有利用適當流動分布控制之習知蒸汽/空氣去焦程序，或個別盤管可只在蒸汽中操作去焦而其他盤管用裂解模式中操作。

圖3顯示各單元室封閉體300內之盤管的配置及多數單元室300之相對配置。如圖所示地分組之各盤管302係由透過一共用歧管連接之28個入口管及4個出口管組成。但是，亦可為其他盤管設計，包括有由一入口段及一出口段組成之一個別管集合的組態、具有多個小入口盤管集管至一較大出口盤管中之分流盤管、或成型U或W組態。為了說明，示出一分流盤管配置。但是，可使用任一種盤管，包括許多並聯管(在工業中稱為單道次盤管)及多道次蛇形盤管(具有許多串聯管之一單一盤管)。

收容在該單元室封閉體內之各盤管組被一電熱裝置304加熱，且在某些實施例中使用安裝在該單元室封閉體之該(等)壁上的SiC或FeCrAl電阻加熱元件。該單元室封閉體可使用習知耐火絕緣材料絕緣且該耐火絕緣物可具有吊鉤或類似物以將該等加熱元件支持在該壁上。

為了說明該單元室觀念，使用一簡化二表面電阻模型，為由安裝在該壁(表面1)之加熱元件至該反應器管盤管總成(表面2)之輻射熱傳送提供兩個計算例。

例1：考慮在1200℃之一爐溫度及1080℃之一管金屬溫度具有大約33 kW/m ²之一最大熱通量且具有86 kW/m ²之吸收熱通量的金屬FeCrAl加熱元件。該單元室尺寸係3 m×5 m×14 m，因此該等側壁之面積係2.8×10 m×14 m=280 m ²。相反地，該管面積係105 m ²(比率2.7)。若用於該反應之期望熱負載係9.0 MW，且這可使用32.3 MW之一壁熱通量及1175℃之一元件溫度來供應。

例2：考慮在1300℃之爐溫度及1080℃之一管金屬溫度具有大約70 kW/m ²之一熱通量且具有86 kW/m ²之吸收熱通量的陶瓷SiC加熱元件。該單元室尺寸係2.8 m×5 m×14 m，相較於105 m ²之一管面積，該等側壁之面積係140 m ²(比率1.3)。對與例1相同之9.0 MW熱負載而言，該壁溫度將為1237℃

因此各單元室之尺寸可依據在該壁之需要熱通量及在該反應器盤管之吸收熱通量來選擇。

請參閱圖4，多數單元室400係配置成使得水平(x-y)平面中之最長壁與下一個單元室等直接相鄰。該等個別反應管402係設置成一或多排且該等入口管406係放置在朝向該封閉體之中心分組的出口管之任一側。多數單元室400之各單元室係使用電熱裝置404加熱。各單元室可具有一驟冷單元(為了清晰而未示於圖4中)，該驟冷單元由該等出口管接收裂解氣體且迅速地冷卻它至反應溫度以下之一溫度，即由反應溫度冷卻至小於700℃，例如在550至680℃之範圍內的一溫度。

在各單元室400之反應盤管中產生的裂解氣體可被冷卻且饋至專用於一組單元室之一單一傳送管線，且接著饋至用於整個設備之一主要傳送管線以便進行下游分離。用於進一步冷卻來自該驟冷單元之裂解氣體的一較佳方法係在經常被稱為一次要傳送管線交換器(STLE)之一進料-流出物熱交換器中。有許多適合的STLE組態，且一個STLE可冷卻裂解氣體及加熱用於一單元室或多數單元室之進料。會要加熱該進料至一儘可能高之溫度使得需要最小量之電力用於該爐加熱。該進料可在被饋至該反應盤管前被加熱至550℃以上且較佳至600℃以上，甚至高達635℃。

圖5(多數單元室)及5A(單一單元室)顯示使用一碳化矽加熱元件504之單元室500。該等加熱元件504係顯示呈水平配置作為一例子。該等加熱元件504亦可依據特定安裝要求而呈垂直配置或呈不同幾何形狀。在圖5中，多排單元室500係沿著一軸508配置。該等碳氫化合物可沿著這線由該入口側流至該TLE側。

考慮一電熱蒸汽裂解爐之高電流及實體規模，有利的是減少用於提供電力至該等加熱元件所需之電纜長度。在某些實施例中，會選擇可將電纜送至該單元室之一側的一電路。在跨越一單元室之全長的SiC元件的情形中，可使用使用一Y形或一三角形配置之一電路組態。該Y形電路之優點係一簡化配線方案，其中在該單元室之一側上，全部加熱元件末端終止於一共用中性匯流排，同時全部線電壓連接在該單元室之相反側上，限制該等電纜只延伸至該單元室之一側。類似地，可使用一三角形電路，但是，使用串聯地連接之二相鄰元件以避免線電壓電纜延伸至該單元室之兩側。多數元件可被分組在使用一電壓控制單元調節之一電路中。矽控制整流器(SCR)係對電阻負載提供快速、無限可變電力比例控制的固態切換裝置，且特別適合該電流施加。一單一SCR可依據各電路中之元件數目而專用於250A至2100A之電流。在各單元室中有多數個別控制加熱電路。例如，在一10 MW單元室中，可有控制1.66 MW之電力至各電路的6個電路。

圖6及6A係配置成一加熱器系統之一組單元室600的總配置圖，各單元室600具有多個反應盤管602。如圖所示，在某些實施例中，各單元室600具有在這情形中由一蒸汽鼓饋料之一單一專用驟冷單元610。該流出物在一STLE熱交換器612中相對進入之進料、稀釋蒸汽混合物進一步冷卻。該STLE 612可加熱進料及冷卻來自一二或二個以上單元室600之裂解氣體。除了碳氫化合物蒸汽混合物以外，亦可考慮例如單獨蒸汽之其他流體。但是，在其他實施例中，各單元室可具有一個別驟冷系統且進料預熱/流出物冷卻熱交換器可在二或二個以上單元室之間共用，或每單元室可有二或進料預熱/流出物冷卻熱交換器。

圖7及7A顯示一或多個單元室700，其共用包括碳氫化合物704及稀釋蒸汽706之一共同進料702。

在此實施例可包括多個單元室700，各單元室包括：(i)由具有一共同進料之一組反應管組成的一單一反應器盤管；(ii)一驟冷裝置710；(iii)一封閉體；(iv)透過匯流排714(或類似物)與一電供應源連接之加熱元件712；(v)一電力控制器716；及(vi)一變壓器718。此外，多數單元室可具有一共用高電壓電供應源。

在圖7所示之實施例中，進料702及稀釋蒸汽在一第一預熱段720中預熱，接著在一次要TLE 722中相對來自兩單元室之驟冷單元710的驟冷裂解氣體進一步加熱。二或二個以上單元室可共用一共同進料及一共同進料預熱裝置。在圖7/7A所示之實施例中，二單元室與相關預熱及次要傳送管線熱交換共用一共同進料，但是該主要驟冷系統係該單元室系統之一部份。該進料及稀釋蒸汽混合物在該等二單元室之間分開且饋至由一組反應管組成之反應盤管726，該組反應管各獨立地收容在一單元室700封閉體中。該等反應物被加熱至750至925℃之一溫度且熱裂解以在各組反應器盤管中產生一裂解氣體728。在圖7A所示之實施例中，該進料704在與稀釋蒸汽706混合前在一輕油加熱器724中加熱且饋至該第一預熱段720。

該輻射加熱係由在該單元室700封閉體內且較佳地安裝在該封閉體之兩側壁上的電阻加熱元件712提供。該等元件係透過一電力控制器716及一變壓器718被供應有來自例如在13 kV至34.5 kV之範圍內之高電壓的一主供應源(匯流排A 714)之一電流，該變壓器將該較高供應電壓降低至在該反應器盤管之較低者及吸收熱通量。

在各單元室700之反應盤管726中產生的裂解氣體728可被冷卻且饋至專用於一組單元室(驟冷單元710)之一單一傳送管線，且接著饋至用於整個設備之一主要傳送管線以便進行下游分離。某些實施例在經常被稱為一次要傳送管線交換器(STLE)之一進料-流出物熱交換器722中進一步冷卻來自該驟冷單元701的裂解氣體。

在該輻射盤管中，該碳氫化合物進料必須在熱裂解反應前先加熱至反應溫度。已知的是使用多數入口管用於各出口管，使得該流體可在高溫裂解前以一短停留時間(在一單一或較小數目之較大直徑出口管中)迅速地被加熱。該反應段中之這短停留時間增加關於期望產物之選擇性。

在一電熱爐之情形中沒有煙道氣體，因此任何熱回收都主要來自該產物裂解氣體728。進入該反應盤管712之入口的進料溫度會要最大化，因為這會使需要達到該反應溫度之電能的量最小化。理想上該電能應優先用於產生期望產物所需要之吸熱反應熱。

亦會要迅速地驟冷以大約750至925℃離開該輻射盤管之反應產物。理想上該裂解氣體728應瞬間地被冷卻，但實務上這表示該爐出口與該驟冷系統間之絕熱段中的停留時間應具有一短停留時間，理想上小於該輻射盤管中之停留時間的10%。目前已使用直接及間接驟冷方法，且間接驟冷通常係容許產生有價值高壓蒸汽之一較佳方法。基於上述理由，該驟冷冷卻器(亦稱為一主要傳送管線交換器)通常設置成儘可能靠近一反應盤管之出口。適當熱交換器類型係Arvos傳送管線交換器；浴缸型、快速驟冷器型、或Borsig「隧流」或「線型」傳送管線交換器。亦可使用其他超高壓或中等至高壓交換器。該等系統可使用鍋爐進料水730來冷卻該裂解產物728、產生蒸汽732。可使用一蒸汽鼓734來收集該蒸汽，且產生輸出流736及冷凝液738。

對在此之實施例爐而言，該等反應盤管未分組成一「加熱器系統」而是被收容在個別單元室中。因此該封閉體(爐箱)被分為具有用於各單元室之一專用供電及控制的不同段。在此實施例中，各單元室可被視為與收容在各單元室內之盤管完全獨立的一個別控制區域。供應至各單元室之電力可依據一測得之盤管出口溫度來改變。

該單元室概念在該加熱方法係使用電阻元件輻射時特別有用。對由FeCrAl線製成之金屬元件而言，該盤管間距及側壁面積可都增加使得該等元件可安裝在該壁上且在1100至1200℃之一溫度及熱通量30至40 kW/m ²下操作。在習知技術中該等元件必須安裝在一單一非常長側壁(可能超過90 m長)上。在概念上，一單一長爐主要被分為各接著旋轉90度使得一水平x-y平面(z係垂直高度)中之該盤管總成最長尺寸與一軸垂直的數個較小段。

在此實施例中可有利地使用SiC加熱元件，因為該等箱尺寸適合容許例如：(i)可水平地安裝在一爐壁上之剛性元件跨越該水平面中之最長尺寸。該元件安裝可在操作時移除，或在重大維修活動之情形下該等元件可與該等反應盤管獨立地移除(即，不必為了移除該等盤管而移除該等元件或反之亦然)。在習知技術中，該單一加熱器系統封閉體太長而不容許一單一元件跨過該封閉體之最長尺寸；及(ii)多數元件可能由頂至底水平地安裝在分開區域中。

總之，期望之電加熱器系統具有以下特徵：(i)就盤管布置及停留時間而言維持最佳設計實務，且在盤管布置中提供彈性；(ii)容許使用已證實且廣泛使用在該乙烯裂解爐所需之溫度的可用加熱元件；(iii)具有比欲加熱之表面積大的用於加熱元件之一表面積(使元件壽命最大化)；(iv)在不影響反應系統之情形下，即使一盤管破裂亦容許一單一單元室被隔離且迅速地停機，藉此提供安全操作；(v)在進入該輻射段之入口提供最大可能進料入口(交換)溫度以使需要被該等元件消耗之電能的量最小化，因為這是最有價值之加熱源；及(vi)有利於迅速驟冷該等反應產物以使有價值之產物的產率最大化

如上所述，在此實施例提供用於一大規模熱裂解程序之一適當電爐系統。在此實施例可維持已為燃料燃燒爐發展出之最佳盤管布置，因此增加之焦化率應無關緊要。事實上，因為電熱比因熱點而產生燃燒加熱焦化限制更均勻，所以利用一電熱系統焦化事實上還會略少。

在此實施例更提供組配成一連串單元室之一爐，各單元室包含具有對應歧管之一反應器盤管，且各盤管歧管與一軸垂直地對齊。該等加熱元件可附接在該耐火壁上而非沿著該反應器管，或呈同軸輻射薄片之形式，且該等加熱元件之面積A1及與加熱元件相關之耐火面積(A2)比欲加熱之盤管的面積(A3)大。可用之加熱元件類型受限於隨著操作溫度增加而減少之某一熱通量且該等加熱元件之操作壽命亦取決於該元件操作之溫度。例如，若在1200℃之一爐溫度操作，則一FeCrAl類型元件受限於大約30至40 kW/m ²之一熱通量。若該吸熱反應需要之吸收熱通量＞40 kW/m ²，則用於該等加熱元件之表面積必須更大以滿足在所需熱負載之熱通量、溫度的限制。相對在一單一結構中包含多數反應盤管之習知實務，該單元室配置增加耐火面積對反應器盤管面積之比率。在此實施例因此容許在各單元室內增加該管間距。

在此實施例亦有關於個別單元室內之反應器盤管的配置，該配置提供關於每單元盤管面積有較高壁面積及在一盤管破裂之事件中相對供電隔離單元室的好處。應注意的是在此實施例容許使用不同加熱方法，或多個方法之一組合。例如，某些需要之熱可藉由非輻射熱傳送供應，例如藉由使一電流直接地通過該反應器盤管。在辨明該反應器管之電阻比較低而在欲由這方法提供全加熱負載時需要一大電流的情形下，這電流可為一直流電或為一交流電。另一種方式係藉由非輻射加熱提供某些加熱負載。

任選地，將具有減量氧含量(＜10%)之一惰性及氣體饋至該反應器封閉體中以確保在一碳氫化合物釋出之事件中限制一爆炸或燃燒事件。當亦預先採取該等預防措施時，一單元室封閉體之附加好處是在該事件中必須由該封閉體釋出之氣體量明顯地減少且該事件可被控制。在實施例中，可立即停止對該受影響單元室之供能，同時如果需要的話可更逐漸地減少對其餘單元室之供能。

為了依據在此實施例電加熱，對於供應電力而言，一定量之電力係在5至10 MVA之範圍中。一單一盤管總成具有在8至10 MW 吸收電力之範圍中的一類似需要熱輸入。因此，爐熱輸入可藉由將該封閉體分成多個單元室使得各單元室係由一單一變壓器或變壓器對供應來控制。

電阻元件電壓相較於電網供應電壓(30至40 kV)為低(200至600 V)。在工業中，200至600 V被視為低電壓。為了說明，使用低電壓。當可使用中電壓元件(1000至6000 V)時，亦可使用它們。控制裝置之成本及數目受到電流之大幅影響且在該等電壓在300至600 V之範圍內時會更高。在此實施例容許各個別單元室由一少數或甚至一單一降壓變壓器來供應。在該等降壓變壓器SCR(矽控制整流器)之低電壓側控制對SiC電阻元件之電路的電壓供應。一PLC可監測該等電路中之電壓及電流且計算實時流過該等元件之電力。該PLC可接著透過該SCR調整電壓供應以達成一預定電力需求設定點。為了避免該等加熱元件中之一過熱事件，該PLC亦可監測該元件之溫度或限制電力設定點或最後使該電路跳脫。任選地，該PLC可使用一溫度設定點且藉由該等SCR改變電壓以達成一目標爐溫度。

本發明人亦判明為了考慮該等元件之吸收熱通量(例如90 kW/m ²)與最大熱通量(例如，對金屬元件而言係33 kW/m ²且對SiC而言係70 kW/m ²)間之差異，需要一更大壁面積使得該盤管間距必須非常大。

需要一控制環境來考慮一盤管破裂之可能性。藉由隔離一單元室中之各盤管，一更安全之方法係隔離該個別單元室及該系統之其他部份。

例如，若環繞各反應管放置一感應線圈，則在該感應線圈與該反應管之間有絕緣，而非在該封閉體之壁上有與環繞各個別反應管之感應線圈的一電氣連接。需要一高頻交流電。該封閉體可比較冷，但仍需要包含在一盤管破裂之情形下限制燃燒之一惰性氣體環境。

若一電流通過各反應盤管，亦需要進入該封閉體之多數電氣連接。有可與本發明一起使用之多數供電組態。

各單元室可因為各種原因而與其他單元室隔離。即使在一碳氫化合物因一洩漏或破裂而釋放之事件中，亦容許在不必使整體工廠產能有一大增量降低的情形下調整或維修。

該等單元室亦可提供一去焦排程。各單元室可設定成使得有更多個別去焦循環運行(達到每單元室一個之一極限)，但用於各去焦操作之容量降低較少。一單一加熱器之一單元室可呈去焦模式而其他單元室裂解碳氫化合物。這可藉由蒸汽單獨去焦及全部流出物通過該回收段來達成。當一加熱器(全部單元室或盤管或預選擇單元室/盤管)去焦時，該流出物可透過一去焦鼓排出至大氣中。

除非另外定義，使用之全部技術及科學術語具有與這些系統、裝置、方法、程序及組成物所屬技術領域中具有通常知識者一般了解者相同的意義。

除非上下文另外清楚地表示，該等單數形「一」及「該」包括複數指涉對象。

在此及所附的申請專利範圍中使用之字詞「包含」、「具有」及「包括」及其全部文法之變化各意圖具有不排除其他元件或步驟之一開放、非限制意義。

「任選地」表示隨後說明之事件或情況會或不會發生。該說明包括該事件或情況發生之情形及它未發生之情形。

當使用該字詞「近似」或「大約」時，這用語表示可有達到±10%、達到5%、達到2%、達到1%、達到0.5%、達到0.1%、或達到0.01%之一數值變化。

範圍可表示為由大約一特定值至大約另一特定值且內含。當該範圍表示時，應了解的是另一實施例係由大約一特定值至大約另一特定值，且全部特定值及其組合在該範圍內。

雖然本揭示包括一有限數目之實施例，但獲益於本揭示之所屬技術領域中具有通常知識者可了解可想出未偏離本揭示之範圍的其他實施例。因此，該範圍應只受限於隨附的申請專利範圍。

10:輻射段 12:燃燒器 14:對流段 16:碳氫化合物進料 18:鍋爐進料(BF) 20:蒸汽,高壓蒸汽(HP蒸汽) 22:蒸汽進料(蒸汽) 24:傳送管線交換器 26:經冷卻之裂解氣體產物流 28:蒸汽鼓 100:爐 300:單元室(封閉體) 302:盤管 304,404:電熱裝置 400,500,600,700:單元室 402:反應管 406:入口管 504:加熱元件 508:軸 602:反應盤管 610:單一專用驟冷單元 612:STLE(熱交換器) 702:(共同)進料 704:進料,碳氫化合物 706:稀釋蒸汽 710:驟冷裝置,驟冷單元 712:加熱元件,反應盤管 714:匯流排 716:電力控制器 718:變壓器 720:第一預熱段 722:次要TLE,進料-流出物熱交換器 724:輕油加熱器 726:反應盤管 728:裂解氣體,裂解產物 730:鍋爐進料水 732:蒸汽 734:蒸汽鼓 736:輸出流 738:冷凝液 A1:加熱面積,加熱元件之面積 A2:壁面積,與加熱元件相關之耐火面積 A3:盤管面積,欲加熱之盤管的面積 T1:反應器管 T2:加熱元件 T3:熱面

圖1(習知技術)顯示一習知系統，該習知系統係用於由碳氫化合物原料利用藉由燃燒燃料氣體(及/或液體燃料)供應之能量生產乙烯及其他散裝化學品。

圖2(習知技術)係US20210113980中所述之一爐系統，藉此大量電能被供應至具有多數盤管之一反應器，且該供電分成多個區域。

圖3係使用在此實施例中之電熱元件，其中設置一有利盤管間隔且該等盤管分組在多個單元室/封閉體中。

圖4係依據在此實施例之組合形成一單一加熱器系統的多數單元室的一加熱器系統。

圖5及5A係依據在此實施例之使用一SiC加熱元件系統的多個單元室的3D配置。

圖6及6A係依據在此實施例之爐系統的總圖。

圖7及7A係顯示依據在此實施例之具有一共用進料入口之二單元室的布置的示意圖。這圖顯示包含在該界定單元室中之組件(電力控制器/變壓器、封閉體加熱元件及驟冷裝置)。

(無)

Claims

一種電熱爐，其包含：一或多個單元室，各單元室包含：一輻射加熱段；一或多個處理盤管，其設置在該輻射加熱段內；及一驟冷單元，用於冷卻來自該一或多個處理盤管之一裂解產物及產生一經驟冷之反應產物；一或多個電熱元件，其設置在該輻射加熱段內，該一或多個電熱元件係配置成提供輻射能至該一或多個處理盤管，其中該電熱爐包括：一第一面積，其對應該一或多個電熱元件之一加熱面積；一第二面積，其對應設置有該一或多個電熱元件之壁的一壁面積；及一第三面積，其對應該一或多個處理盤管之一表面積。
如請求項1之裝置，更包含一進料入口熱交換器，用於預熱包含一或多種碳氫化合物及稀釋蒸汽之一反應原料而產生一經預熱之反應原料。
如請求項2之裝置，更包含一傳送管線熱交換器，其組配成用於在該經驟冷之反應產物與該經預熱之反應原料之間間接地交換熱。
如請求項1之裝置，其中該一或多個電熱元件具有與一電源連接之一第一端及與一共用接地連接之一第二端，其中該一或多個電熱元件係水平地配置成靠近該輻射加熱段之一或多個壁且各第一端係配置在該一或多個壁之一第一側而各第二端係配置在該一或多個壁之一第二側。
如請求項1之裝置，其中該一或多個電熱元件具有與一電源連接之一第一端及與一共用接地連接之一第二端，其中該一或多個電熱元件係水平地配置成靠近該輻射加熱段之一或多個壁且一第一電熱元件之第二端係與一第二電熱元件之第一端電氣地連接。
如請求項1之裝置，更包含一電力控制器，其組配成用於由一電力網路接收電力。
如請求項6之裝置，更包含一變壓器，其經組配成用於將來自該電力控制器之一電壓調整至該一或多個電熱元件之一操作電壓。
如請求項1之裝置，其中該一或多個電熱元件係由一材料製成，該材料係選自於由NiCr、FeCrAl、SiC及MoSi ₂組成之群組。
如請求項8之裝置，其中該一或多個電熱元件係由SiC製成且具有1 m與10 m間之一長度。
如請求項1之裝置，更包含一氧控制器，其組配成用於維持該輻射段中之一氧濃度，該氧濃度係低到足以防止一爆炸且高到足以在該一或多個電熱元件之一表面上維持一保護性氧化物層。
如請求項1之裝置，其中該第一面積及該第二面積各比該第三面積大。
如請求項1之裝置，其中該一或多個電熱元件係配置在該輻射段中相對該一或多個處理盤管呈45度至90度之一角度。
如請求項1之裝置，其中該一或多個處理盤管係與一共用原料集管流體地連接。
如請求項1之裝置，其中複數個該一或多個單元室係與一共用驟冷單元流體地連接。
如請求項1之裝置，其中該一或多個單元室中之一第一者可在一去焦模式或維修模式中操作而一或多個單元室中之一第二者可在一裂解模式中操作。
一種用於裂解碳氫化合物之裝置，其包含如請求項1之電熱爐。