WO2019045599A1 - Кожухотрубные теплообменники в процессах дегидрирования углеводородов с3-с5 (варианты) - Google Patents

Кожухотрубные теплообменники в процессах дегидрирования углеводородов с3-с5 (варианты) Download PDF

Info

Publication number
WO2019045599A1
WO2019045599A1 PCT/RU2018/000562 RU2018000562W WO2019045599A1 WO 2019045599 A1 WO2019045599 A1 WO 2019045599A1 RU 2018000562 W RU2018000562 W RU 2018000562W WO 2019045599 A1 WO2019045599 A1 WO 2019045599A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat exchanger
shell
tube
bundle
heat exchange
Prior art date
Application number
PCT/RU2018/000562
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Станислав Михайлович КОМАРОВ
Александра Станиславовна ХАРЧЕНКО
Алексей Александрович КРЕЙКЕР
Original Assignee
Акционерное общество "Специальное конструкторско-технологическое бюро "Катализатор"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Специальное конструкторско-технологическое бюро "Катализатор" filed Critical Акционерное общество "Специальное конструкторско-технологическое бюро "Катализатор"
Priority to CN201880038577.8A priority Critical patent/CN110770520A/zh
Publication of WO2019045599A1 publication Critical patent/WO2019045599A1/ru

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C5/00—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms
    • C07C5/32—Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms by dehydrogenation with formation of free hydrogen
    • C07C5/327—Formation of non-aromatic carbon-to-carbon double bonds only
    • C07C5/333—Catalytic processes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation

Definitions

  • the invention relates to the field of petrochemistry, in particular to equipment for the dehydrogenation of hydrocarbons C3-C5 to the corresponding olefinic and diene hydrocarbons used to obtain the basic monomers of synthetic rubber, as well as in the production of polypropylene, methyl tertiary butyl ether and others.
  • a known device for producing butylenes by dehydrating n-butane in a fluidized bed of a fine aluminum chromium catalyst in which a quenching coil located in the separation zone of the reactor heated by the contact gas dehydrogenation is used to heat the vapors of the feedstock (I.L. Kirpichnikov, V.V. Beresnev, L.M. Popov “Album of technological schemes of the main production of the synthetic rubber industry”, Chemistry, Leningrad, 1986, p. 8-12).
  • the low heat transfer coefficient of the quenching coil used determines the high intensity and complexity of the design of the latter, limiting its performance.
  • heating the raw material vapors in the quenching coil in a known method requires additional overheating of the raw material vapors before feeding it into the reactor in a high-capacity furnace when firing the raw coils of the furnace by burning large amounts of gaseous and / or liquid fuels.
  • a large amount of flue gases sent from the furnace to the atmosphere creates significant environmental problems.
  • the closest in technical essence to the present invention is a shell-and-tube countercurrent heat exchanger for heating the raw material vapors with the heat of contact gas leaving the propane dehydrogenation reactor (patent RU 2523537, IPC B01J8 / 18; ⁇ 07 ⁇ 5 / 333, published on 07.20.2014) containing a vertical cylindrical casing, heat exchanger tube bundle with upper and lower tube grids, a nozzle and a dispensing chamber for introducing contact gas into the upper part of the tube space of the heat exchanger, collecting chamber and nozzle for withdrawing the cooled contact gas from the lower part of the tube space, as well as nozzles for introducing raw material vapors into the annular space of the heat exchanger and removing heated vapor from it .
  • the propane dehydrogenation reactor (patent RU 2523537, IPC B01J8 / 18; ⁇ 07 ⁇ 5 / 333, published on 07.20.2014) containing a vertical cylindrical casing, heat exchanger tube bundle with upper and lower tube
  • a well-known shell-and-tube heat exchanger may have transverse horizontal segmental partition walls in the annular space that divide the annular space in height into sections for organizing multiple-transverse movement of raw material vapors relative to heat exchange tubes (A.N. Planovsky, V.M. Ramm, S.Z. Kagan, "Processes and apparatuses of chemical technology", Moscow, Chemistry, 1968, p. 434-428).
  • the outer surface of the pipes in the upper high-temperature part of the annular space of a known heat exchanger during its operation at a temperature of dehydrogenation contact gas of 540-700 ° C is subjected to deposits of a thermopolymer with the subsequent formation of pyrolytic coke.
  • a shell-and-tube countercurrent heat exchanger for cooling the contact gas of the dehydrogenation of hydrocarbons C 4 between the stages of the turbo-compressor of the high-pressure condensation unit of the contact gas under countercurrent with industrial cooling water (SU 1230154, IPC C07C11 / 12, publ. 20.10.
  • a vertical cylindrical housing housing
  • a bundle of heat exchange tubes with upper and lower tube sheets collecting the chamber and the nozzle for withdrawing heated water from the upper part of the tube space, as well as nozzles for introducing the contact gas into the annular space of the heat exchanger, divided into sections by transverse partition walls of the segment type, and withdrawing the cooled contact gas from it;
  • the nozzle of the contact gas in the heat exchanger contains a nozzle for supplying the steam condensate and / or water vapor into the shell space.
  • the steam condensate is obtained by condensation of water vapor.
  • the present invention is to increase the performance of heat exchangers and, accordingly, installations for the dehydrogenation of hydrocarbons Cz-C 5 and reducing costs in production.
  • a shell-and-tube heat exchanger for heating the raw material vapors in the dehydrogenation of C 3 -C 5 paraffin hydrocarbons with contact gas heat with counter-current with contact gas leaving the dehydrogenation reactor, containing a vertical cylindrical casing 1, a bundle of heat exchange tubes 2 from the upper 4 and lower 3 tube sheets, a nozzle 5 and a dispensing chamber 6 for introducing contact gas into the upper part of the tube space 2 of the heat exchanger 11, collecting chamber 7 and a nozzle 8 for outputting the cooled contact
  • This gas from the lower part of the tube space, as well as nozzles 9 for introducing raw material vapors into the annular space of the heat exchanger 11, is divided into sections by transverse horizontal partitions of segment type 13, and removing 10 heated raw material vapors from it, while the heat exchanger 11 contains fittings 12 for supplying in the heat exchanger 11 parts of the feedstock in liquid form in the annular space of the bundle of heat exchange tubes 2 and / or in the annulus of the bundle of heat
  • the width of the channels 18 between sectors 17 may be 0.25-2.0 diameter of heat exchange tubes.
  • this fitting 12 for filing in the annular part of the raw material in liquid form can be located in the upper part of the casing 1 at a distance from the upper tube sheet 4 of the heat exchanger 11, amounting to 15-50% of the height of the casing 1.
  • the bundle of heat exchange tubes 2 in each section may have 1-3 additional transverse horizontal partitions 14, which distribute the arrangement of the heat exchange tubes, while 1–4 spaced transverse baffles 14, located in the upper part of the bundle of heat exchange tubes 2 under the upper tubular grill 4, may have flaps 15 adjacent to the edge of additional spacer transverse baffles 14 at the exit of the raw material vapor from the bundle of heat exchange tubes 2 and bent down at an angle of 20-40 ° along raw material vapor.
  • the fitting 12 for supplying the part of the raw material in liquid form into the annular space can be located opposite the channels 18 between sectors 17 along the raw material vapor.
  • the channels 18 between the sectors 17 may have free entry of the vapors of the raw material and 1 outlet closed by the casing wall.
  • the bundle of heat exchange tubes 2 can have a circle, a rectangle, a trapezoid shape in horizontal section.
  • this sector 17 in the bundle of heat exchange tubes 2 may have in the horizontal section the shape of a triangle, square, rectangle, trapezoid.
  • the bundle of heat exchange tubes 2 may have a corridor (marking on the square) arrangement of the tubes.
  • Shell-and-tube heat exchanger may have removable tube sheets.
  • this fitting 12 for the supply of liquid raw materials can be equipped with nozzles for injection and fine atomization of raw materials.
  • a shell-and-tube heat exchanger is also proposed for cooling the contact gas of C 4 hydrocarbons dehydrogenation between the stages of turbo compressors of a condensation unit of contact gas under pressure with countercurrent with industrial cooling water, containing a vertical cylindrical housing, a bundle of heat exchange tubes with upper 23 and lower 24 tube grids, nozzle 27 and a dispensing chamber for introducing cooling water into the lower part of the tube space of the heat exchanger, collecting chamber and nozzle 28 for outputting heated water from the upper part of the pipe space, as well as nozzles 21 for introducing contact gas into the annular space of the heat exchanger, divided into sections by transverse horizontal partitions of the segment type, and outputting 26 cooled contact gas from it, while the heat exchanger contains nozzles 19 for supplying water condensate the dehydrogenation process, located on the pipeline 20, supplying contact gas to the heat exchanger and / or in the upper part of the heat exchanger casing, into the annular space of the bundle of heat exchanging tubes and / or into the
  • the heat exchanger may contain nozzles 19 at the level of the location of the nozzle 21 of the input gas contact in the heat exchanger.
  • the width of the channels 25 between sectors 22 may be 0.25-2.0 diameter of heat exchange tubes.
  • the channels 25 between the sectors 22 may have a free entrance of contact gas and an outlet closed by the casing wall.
  • the bundle of heat exchange tubes can have a circle, square, rectangle, or trapezoid shape in horizontal section.
  • sectors 22 in the bundle of heat exchange tubes can have a triangle, square, rectangle, or trapezoid shape in horizontal section.
  • the bundle of heat exchange tubes may have a corridor (marking on the square) arrangement of the tubes.
  • the shell-and-tube heat exchanger can have removable tube sheets.
  • connection 19 are equipped with nozzles for injection and fine spraying of water condensate dehydrogenation process.
  • the bundle of heat exchange tubes in horizontal section can have a round shape, and the number of sectors 22 in the bundle of heat exchange tubes can be chosen depending on:
  • K - coefficient of rounding varying from 1.0 to 1.5
  • h is the beam pitch
  • the location of the fittings 12 for supplying the part of the raw material in liquid form into the annular space opposite the channels 18 between sectors 17 along the raw material vapors, as well as free entry into the channels 18 of the raw material part in liquid form and closed by the casing wall 1 output, with channel width 0.25- 2.0 of the pipe diameter provides the conditions necessary to achieve the supplied raw material in liquid form to the pipes in the central part of the bundle of heat exchanging pipes 2.
  • the bundles of heat exchange tubes 2 in the proposed heat exchangers 11 may have in the horizontal section the shape of a circle, rectangle, trapezoid, etc.
  • Sectors 22 may have a horizontal cross-sectional shape of a triangle, square, trapezoid, polygon, etc.
  • the bundle of heat exchange tubes 2 may have a corridor (square layout) arrangement, as well as removable tube grids.
  • the casing 1 of the heat exchanger 11 can be equipped with auxiliary fittings to control the process by measuring the temperature and pressure along the height and cross section of the casing 1.
  • FIG. 1 shows the scheme of the proposed heat exchanger 11 for superheating the raw material vapor when countercurrent with contact gas leaving the C3-C5 paraffinic hydrocarbon dehydrogenation reactor.
  • the heat exchanger 11 has a casing (housing) 1, a bundle of heat exchange tubes (tube space) 2, bottom 3 and top 4 tube sheets, a nozzle 5 and a dispensing chamber 6 for introducing contact gas into the heat exchange tubes 2 of the heat exchanger 11, collecting chamber 7 and a nozzle 8 for the output of the cooled contact gas from the heat exchanger 11, the nozzle 9 for input and the nozzle 10 for the withdrawal of superheated raw material vapor from the annular space of the heat exchanger 11, fitting 12 for introducing into the annular space of the heat exchanger 11 parts of the raw material in liquid form, segment transverse eregorodki 13, further distancing plate 14, the flaps 15 bent downwards at 30 °.
  • the heat exchanger 11 may have a floating head (collecting chamber 7) located in the lower part of the housing 1 with a lens expansion joint of temperature expansions 16.
  • FIG. 2, 3, 4 and 6 presents the cross-section of some variants of the bundles of heat exchange tubes 2.
  • Figure 2 presents a variant with fittings 12 for supplying raw materials in a liquid form without using the separation of the bundle of heat exchange tubes 2 into sectors 17.
  • FIG. 3 shows a variant of a bundle of heat exchange tubes 2, divided into sectors 17 by channels 18 with fittings 12 (not shown) for supplying part of the raw material in liquid form.
  • Figure 4 presents a variant of the bundle of heat exchange tubes 2, divided by channels 18 into sectors 17 with fittings 12 located opposite the open entrance of raw material vapors to the channels 18 and closed by the casing wall 1 the output of the raw material vapors from channel 18.
  • FIGS. 5 and 6 The scheme of the proposed shell-and-tube heat exchanger for cooling the contact gas of the dehydrogenation of hydrocarbons C 4 between the stages of the high pressure condensation unit of the contact gas under countercurrent with industrial cooling water is shown in FIGS. 5 and 6.
  • the fitting 19 for supplying the process water condensate to the annular heat exchanger of the process water condensate is located on pipe 20, supplying contact gas to the heat exchanger and in the upper part of the casing at the level of the location of the nozzle 21 of the input contact gas in the heat bmennik and / or bundles of heat exchange tubes, divided into sectors 22, which are limited to the upper 23 and lower 24 tube grids and channels 25 between sectors 22.
  • the heat exchanger is also equipped with nozzles 26 for cooling contact gas outlet, input 27 and cooling water outlet 28.
  • the work of the proposed heat exchanger for heating the raw material vapors is considered in examples of its use at the isobutylene plant by dehydrating the isobutane in a fluidized bed of an aluminum chromium catalyst followed by the use of the isobutylene obtained in the synthesis of methyl tertiary butyl ether (MTBE).
  • the design of the used heat exchanger is presented in figure 1-4.
  • Dehydrogenation is carried out in a fluidized bed reactor at a volume flow rate of isobutane 165 hr "1 on a fine catalyst containing Cr 2 0 3 - 20%, K 2 0 - 2%, Si0 2 - 2%, A1 2 0 3 - 76%.
  • Composition feedstock is given in table 1.
  • the flow of raw materials in the amount of 28,123 tons / hour in liquid form at a pressure of 885 kPa enters the evaporation station, where it is subsequently evaporated and then is heated by the supplied water vapor and at a temperature of 70 ° C is sent in vapor form for further heating to the proposed shell-and-tube heat exchanger installed on the contact gas pipeline leaving the reactor.
  • the diameter of the heat exchanger casing is 1.4 m with the number of pipes - 1306 pieces and with a pipe diameter of 25.4 mm.
  • the length of the heat exchanger tubes is 10.6 m.
  • the raw material vapor enters the annular space of the heat exchanger 11 through pipe 9. Part of the raw material in liquid form at a temperature of 19.3 ° C is injected through the nozzles into the middle part of the annular space.
  • a heat exchanger 11 was used with a bundle of heat exchange tubes 2 shown in Fig. 2 (prototype).
  • an increase in pressure in the casing 1 of the heat exchanger 11 was observed from 423 kPa at the beginning of the run to 567 kPa at the end of the run (close to the maximum permitted under the terms of compliance with the strength of the heat exchanger), which required to reduce the reactor load on raw materials to 25.7 tons / hour.
  • a heat exchanger 11 was used with a bundle of heat exchanging tubes 2 shown in FIG. 2 with the location of fittings 12 for injecting liquid raw materials at a distance of 50% of the height of the casing 1 from the upper tube sheet 4 when part of the heat exchanger is fed into the annular heat exchanger 45% of the total feedstock feedstock for dehydrogenation, the steady state installation during the entire run time was kept stable (see Table 2). During the run of the installation, an increase in pressure in the heat exchanger housing was not observed. The load of the reactor on raw materials remained unchanged.
  • a heat exchanger 11 was used with a bundle of heat exchange tubes 2 shown in FIG. 2.
  • an increase in the pressure in the heat exchanger casing (at the input of the raw material vapors to the heat exchanger) to 510 kPa was observed.
  • the pressure at the compressor inlet increased and, accordingly, in the upper part of the reactor to 152 kPa. This led to a decrease in the yield of isobutylene on decomposed isobutane to 86.3 wt.%.
  • significant polymer deposits are found in the upper high-temperature part of the annulus of the heat exchanger.
  • a heat exchanger 11 was used with a bundle of heat exchange tubes 2 depicted in FIG. 3 with a width of channels 18 equal to 2.0 of the diameter of the heat exchange tubes.
  • the casing 1 of the heat exchanger 11 contains nozzles 12 for the input of liquid raw materials in the annular space.
  • the fitting 12 for supplying the part of the raw material in liquid form into the annular space is located opposite the channels 18 between sectors 17 along the course of the raw material vapor.
  • a heat exchanger 11 was used with a bundle of heat exchange tubes 2 depicted in FIG. 4 with a width of channels 18 equal to 0.25 of the diameter of the heat exchange tubes.
  • the flow of liquid raw materials in the heat exchanger 11 was not made. Blockage of the annulus with thermopolymer was not observed.
  • the performance of the unit during the run remained stable: the yield of isobutylene on the missed isobutane - 41.1 wt.%, And on the decomposed - 88.3 wt.%.
  • the work of the proposed heat exchanger for cooling the contact gas of the dehydrogenation of C 4 hydrocarbons between the stages of the turbocompressors of the condensation unit of the contact gas under pressure is considered in examples of its use at the butadiene plant by oxidative dehydrogenation of n-butenes.
  • the design of the used heat exchanger is presented in figure 5 and 6.
  • the process of oxidative dehydrogenation of n-butenes to butadiene is carried out in an adiabatic fixed bed reactor with an iron-phosphorus-magnesium-containing catalyst in the presence of water vapor and oxygen in the form of a mixture of oxygen and air.
  • the temperature at the inlet to the catalyst bed is 250 ° C and the output from the bed is 580 ° C.
  • the pressure under the catalyst bed at the beginning of the test is 175 kPa.
  • the reactor is supplied, t / h: n- butenes 15.0, oxygen 4.97, nitrogen 19.83, water vapor 81.6.
  • the contact gas of the process in the amount of 112.4 t / hour at a temperature of 580 ° C is sent to the waste-heat boiler, where its temperature is reduced to 220 ° C and get the secondary water vapor, and then sent to a quenching two-stage scrubber, where it is cooled by direct contact with circulating water to 110 ° C.
  • Alki pin compression gas is directed in the gas contact assembly.
  • the first stage intermediate cooler is a vertical shell-and-tube heat exchanger designed to cool the contact gas entering the inlet of the second compression stage:
  • the second stage intermediate cooler is a vertical shell-and-tube heat exchanger designed to cool the contact gas entering the inlet of the third compression stage:
  • the liquid separator after the first compression stage is designed to separate and remove the process water condensate:
  • the liquid separator after the second stage of compression is designed to separate and output the process water condensate:
  • the length of the cylindrical part of the body mm - 1100.
  • Contact gas is directed from the intake manifold through a pipeline with a diameter of 450 mm with a temperature of 24 ° C and at a pressure of 120 kPa at the inlet a turbocharger at the first compression stage (the first rotor impeller) and with a temperature of 68 ° C and at a pressure of 150 kPa is fed through a 400 mm pipeline for cooling into the annular space of the first stage interstage cooler, where it is cooled to 36 ° C circulating through the tube space countercurrent to the contact gas industrial water.
  • the contact gas is sent to the separator-separator for the withdrawal of the condensed water condensate of the process and served through a pipeline with a diameter of 400 mm at the inlet of the second compression stage of the turbocharger.
  • contact gas with a temperature of 82 ° C and a pressure of 480 kPa through a pipeline of 200 mm is sent to a second-stage interstage cooler, where it is cooled to 32 ° C.
  • the separator-separator to remove the condensed water condensate of the process, after which it is fed through a pipeline with a diameter of 200 mm to the inlet of the third compression stage.
  • the gas enters the discharge manifold, from where it is sent to release butadiene.
  • Example 6 (prototype). Directly after each compression stage and, accordingly, before each interstage cooler (see Fig. 5), steam condensate obtained by condensation of water vapor is introduced into the contact gas flow at a distance of 500 mm from these refrigerators. The condensate is fed at a temperature of 40 ° C and a pressure of 600 kPa in an amount of 0.1 kg per 1 kg of contact gas.
  • the turbocharger ceases to take the load — the motor current decreases 190 A at the beginning of the test to 130 A by the end of the test. This dramatically increases the pressure on the compression steps of the turbocharger and, accordingly, under the catalyst bed in the dehydrogenation reactor.
  • the polymer drives the impellers and guide vanes of the turbocharger, as well as the annular space of interstage heat exchangers.
  • the yield of butadiene on the missing n-butenes was 49.9% by weight.
  • Example 7 The process conditions are the same as in example 6.
  • the difference from example 6 is the use of a heat exchanger with fittings for supplying the process condensate water to the annulus on the pipeline supplying the contact gas to the heat exchanger, and in the upper part of the casing at the level of the location of the nozzle entering the contact gas into the heat exchanger (see Fig. 5).
  • water condensate of the process is injected into the contact gas in an amount of 0.1 kg per 1 kg of contact gas at a temperature of 40 ° C and a pressure of 6 atm.
  • Example 8 The process conditions are the same as in example 6.
  • the difference from example 6 is the use of a heat exchanger with a bundle of heat exchange tubes divided into sectors 22, which are limited to the upper 23 and lower 24 tube sheets and channels 25 between sectors 22 whose width is 1.0 of the diameter of the heat exchange tubes.
  • the schematic diagram of the bundle of heat exchange tubes is presented in Fig.6.
  • the process water condensate was not supplied to the heat exchanger.
  • a slight increase in pressure is observed before the compressor and under the catalyst bed in the dehydrogenation reactor.
  • the current consumed by the electric motor of the compressor decreases somewhat, which indicates a slight decrease in the load on the compressor (that is, the compressor began to receive a slightly smaller amount of gas).
  • the technical result of the claimed invention is to increase the productivity of C3-C5 hydrocarbon dehydrogenation plants and reduce production costs.
  • a shell-and-tube heat exchanger for heating raw material vapors in the dehydrogenation processes of C3-C5 paraffinic hydrocarbons can be used to obtain the basic monomers of synthetic rubber, as well as in the production of polypropylene, methyl tertiary-ugly ether, etc.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Abstract

Изобретение относится к кожухотрубному противоточному теплообменнику для нагрева паров сырья в процессах дегидрирования парафиновых углеводородов С3-С5 теплом контактного газа, выходящего из реактора дегидрирования, содержащий вертикальный цилиндрический кожух (1), пучок теплообменных труб (2) с верхней (4) и нижней (3) трубными решетками, патрубок (5) и раздающую камеру (6) для ввода контактного газа в верхнюю часть трубного пространства (2) теплообменника (11), собирающую камеру (7) и патрубок (8) для вывода охлажденного контактного газа из нижней части трубного пространства, а также патрубки (9) для ввода паров сырья в межтрубное пространство теплообменника (11), разделенное на секции поперечными горизонтальными перегородками сегментного типа (13), и вывода (10) из него нагретых паров сырья. Теплообменник характеризуется также тем, что теплообменник (11) содержит штуцера (12) для подачи в теплообменник (11) части подаваемого сырья в жидком виде в межтрубное пространство пучка теплообменных труб (2) и/или в межтрубное пространство пучка теплообменных труб (2), разделенных на сектора (17), которые ограничены верхними (4) и нижними (3) трубными решетками и вертикальными каналами (18) между секторами (17). Предложен также вариант кожухотрубного теплообменника для охлаждения контактного газа. Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение производительности установок дегидрирования углеводородов С3-С5 и уменьшение затрат в производстве.

Description

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ В ПРОЦЕССАХ ДЕГИДРИРОВАНИЯ
УГЛЕВОДОРОДОВ С3-С5 (ВАРИАНТЫ).
Область техники
Изобретение относится к области нефтехимии, в частности к оборудованию для дегидрирования углеводородов С3-С5 в соответствующие олефиновые и диеновые углеводороды, используемые для получения основных мономеров синтетического каучука, а также при производстве полипропилена, метилтретичнобутилового эфира и Др.
Предшествующий уровень техники
Известна установка для получения бутиленов дегидриров tанием н-бутана в кипящем слое мелкодисперсного алюмохромового катализатора, в которой для нагрева паров исходного сырья используют закалочный змеевик, расположенный в сепарационной зоне реактора, обогреваемый теплом контактного газа дегидрирования (И.Л. Кирпичников, В.В. Береснев, Л.М. Попов «Альбом технологических схем основных производств промышленности синтетического каучука», Химия, Ленинград, 1986, стр. 8-12). Однако низкий коэффициент теплопередачи используемого закалочного змеевика определяет большую металлоемкость и сложность конструкции последнего, ограничивает его производительность. Кроме того, нагрев паров сырья в закалочном змеевике в известном способе требует дополнительного перегрева паров сырья перед подачей его в реактор в печи большой мощности при огневом обогреве сырьевых змеевиков печи путем сжигания большого количества газообразного и/или жидкого топлива. При этом большое количество дымовых газов, направляемых из печи в атмосферу, создает значительные экологические проблемы.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является кожухотрубный противоточный теплообменник для нагрева паров сырья теплом контактного газа, выходящего из реактора дегидрирования пропана (патент RU 2523537, МПК B01J8/18; С07С5/333, опубл. 20.07.2014), содержащий вертикальный цилиндрический кожух, пучок теплообменных труб с верхней и нижней трубными решетками, патрубок и раздающую камеру для ввода контактного газа в верхнюю часть трубного пространства теплообменника, собирающую камеру и патрубок для вывода охлажденного контактного газа из нижней части трубного пространства, а также патрубки для ввода паров сырья в межтрубное пространство теплообменника и вывода из него нагретых паров сырья. Известный кожухотрубный теплообменник может иметь в межтрубном пространстве поперечные горизонтальные перегородки сегментного типа разделяющие межтрубное пространство по высоте на секции для организации многократно-поперечного движения паров сырья относительно теплообменных труб (А.Н. Плановский, В.М. Рамм, С.З. Каган, «Процессы и аппараты химической технологии», Москва, Химия, 1968, стр. 434-428). Однако внешняя поверхность труб в верхней высокотемпературной части межтрубного пространства известного теплообменника в ходе его эксплуатации при температуре контактного газа дегидрирования 540-700°С подвергается отложениям термополимера с последующим образованием пиролитического кокса. Особенно это касается теплообменников большого размера на установках большой мощности, в связи с наличием застойных зон в межтрубном пространстве таких теплообменников, особенно на выходе нагретых паров сырья из межтрубного пространства. Все это приводит к постепенному снижению эффективности теплопередачи в теплообменнике за счет блокирования части его теплопередающей поверхности в верхней высокотемпературной зоне. Одновременно растет гидравлическое сопротивление газовому потоку и, соответственно, возрастает давление в межтрубном пространстве вплоть до предельно-допустимого для кожуха (корпуса) теплообменника с точки зрения его механической прочности за счет перекрытия проточной части межтрубного пространства теплообменника образующимся коксом. С ростом температуры, давления и времени пребывания паров сырья скорость образования термополимера возрастает. Указанная ситуация приводит к ухудшению условий работы основных узлов установки дегидрирования, связанным с недогревом паров сырья подаваемого в реактор, в частности к нарушениям теплового режима печи для перегрева паров сырья, реактора, а также к нарушениям теплового режима скруббера охлаждения и водной отмывки контактного газа, связанным с увеличением температуры контактного газа на выходе из теплообменника и, соответственно, на входе в скруббер и далее к увеличению температуры и давления на входе в продуктовый турбокомпрессор и, соответственно, к увеличению давления в реакторе дегидрирования. Указанные недостатки приводят к ухудшению технико- экономических показателей процессов дегидрирования (к уменьшению нагрузки реактора по сырью, уменьшению выходов целевых продуктов и, соответственно, к уменьшению выработки целевых продуктов), а также к преждевременным остановам производства для чистки теплообменника с сопутствующими издержками.
Весьма близким по технической сущности к предлагаемому является также кожухотрубный противоточный теплообменник для охлаждения контактного газа дегидрирования углеводородов С4 между ступенями турбокомпрессора узла конденсации контактного газа под высоким давлением при противотоке с охлаждающей промышленной водой (патент SU 1230154, МПК С07С11/12, опубл. 20.10.1999), содержащий вертикальный цилиндрический кожух (корпус), пучок теплообменных труб с верхней и нижней трубными решетками, патрубок и раздающую камеру для ввода охлаждающей воды в нижнюю часть трубного пространства теплообменника, собирающую камеру и патрубок для вывода нагретой воды из верхней части трубного пространства, а также патрубки для ввода контактного газа в межтрубное пространство теплообменника, разделенное на секции поперечными перегородками сегментного типа, и вывода из него охлажденного контактного газа, при этом трубопровод перед патрубком ввода контактного газа в теплообменник содержит штуцер для подачи в межтрубное пространство парового конденсата и/или водяного пара. Паровой конденсат при этом' получают путем конденсации водяного пара. Однако использование этого технического решения не предотвращает в достаточной мере забивку турбокомпрессоров и межступенчатых теплообменников полимерами при высоком давлении. Через 1500 часов после начала эксплуатации турбокомпрессор перестает принимать нагрузку, при этом возрастает давление на всасе в компрессор и, соответственно, в реакторе дегидрирования, что приводит к снижению средних за пробег выходов бутадиена (на 1-2%) и к останову компрессора. При вскрытии наблюдают значительную забивку полимером рабочих колес и направляющих аппаратов проточной части компрессора, а также межтрубного пространства межступенчатых теплообменников. Кроме того, привлечение в процесс дополнительных дорогостоящих материальных потоков в виде парового конденсата и/или водяного пара приводит также к увеличению количества сточных вод процесса и соответственно к увеличению стоимости их переработки.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является увеличение производительности теплообменников и, соответственно, установок дегидрирования углеводородов Сз-С5 и снижение затрат в производстве.
Для решения этой задачи предлагается кожухотрубный теплообменник для нагрева паров сырья в процессах дегидрирования парафиновых углеводородов С3-С5 теплом контактного газа при противотоке с контактным газом, выходящим из реактора дегидрирования, содержащий вертикальный цилиндрический кожух 1, пучок теплообменных труб 2 с верхней 4 и нижней 3 трубными решетками, патрубок 5 и раздающую камеру 6 для ввода контактного газа в верхнюю часть трубного пространства 2 теплообменника 11, собирающую камеру 7 и патрубок 8 для вывода охлажденного контактного газа из нижней части трубного пространства, а также патрубки 9 для ввода паров сырья в межтрубное пространство теплообменника 11, разделенное на секции поперечными горизонтальными перегородками сегментного типа 13, и вывода 10 из него нагретых паров сырья, при этом теплообменник 11 содержит штуцера 12 для подачи в теплообменник 11 части подаваемого сырья в жидком виде в межтрубное пространство пучка теплообменных труб 2 и/или в межтрубное пространство пучка теплообменных труб 2, разделенных на сектора 17, которые ограничены верхними 4 и нижними 3 трубными решетками и вертикальными каналами 18 между секторами 17.
При этом ширина каналов 18 между секторами 17 может составлять 0,25-2,0 диаметра теплообменных труб.
При этом штуцера 12 для подачи в межтрубное пространство части сырья в жидком виде могут быть расположены в верхней части кожуха 1 на расстоянии от верхней трубной решетки 4 теплообменника 11, составляющем 15-50% от высоты кожуха 1.
При этом пучок теплообменных труб 2 в каждой секции может иметь 1-3 дополнительные поперечные горизонтальные перегородки 14, дистанцирующие расположение теплообменных труб, при этом 1-4 дистанцирующие поперечные перегородки 14, расположенные в верхней части пучка теплообменных труб 2 под верхней трубной решеткой 4, могут иметь закрылки 15, примыкающие к кромке дополнительных дистанцирующих поперечных перегородок 14 на выходе паров сырья из пучка теплообменных труб 2 и отогнутые вниз под углом 20-40° по ходу паров сырья.
Штуцера 12 для подачи в межтрубное пространство части сырья в жидком виде могут быть расположены напротив каналов 18 между секторами 17 по ходу паров сырья.
При этом каналы 18 между секторами 17 могут иметь свободный вход паров сырья и закрытый стенкой кожуха 1 выход.
При этом пучок теплообменных труб 2 может иметь в горизонтальном сечении форму круга, прямоугольника, трапеции.
При этом сектора 17 в пучке теплообменных труб 2 могут иметь в горизонтальном сечении форму треугольника, квадрата, прямоугольника, трапеции.
При этом пучок теплообменных труб 2 может иметь коридорное (разметка по квадрату) расположение труб.
Кожухотрубный теплообменник может иметь съемные трубные решетки.
При этом штуцера 12 для подачи жидкого сырья могут быть оборудованы форсунками для впрыска и мелкодисперсного распыления сырья.
Для решения указанной выше задачи предлагается также кожухотрубный теплообменник для охлаждения контактного газа дегидрирования углеводородов С4 между ступенями турбокомпрессоров узла конденсации контактного газа под давлением при противотоке с охлаждающей промышленной водой, содержащий вертикальный цилиндрический кожух, пучок теплообменных труб с верхней 23 и нижней 24 трубными решетками, патрубок 27 и раздающую камеру для ввода охлаждающей воды в нижнюю часть трубного пространства теплообменника, собирающую камеру и патрубок 28 для вывода нагретой воды из верхней части трубного пространства, а также патрубки 21 для ввода контактного газа в межтрубное пространство теплообменника, разделенное на секции поперечными горизонтальными перегородками сегментного типа, и вывода 26 из него охлажденного контактного газа, при этом теплообменник содержит штуцера 19 для подачи водяного конденсата процесса дегидрирования, расположенные на трубопроводе 20, подводящем контактный газ к теплообменнику и/или в верхней части кожуха теплообменника, в межтрубное пространство пучка теплообменных труб и/или в межтрубное пространство пучка теплообменных труб, разделенных на сектора 22, которые ограничены верхними 23 и нижними 24 трубными решетками и вертикальными каналами 25 между секторами 22.
При этом теплообменник может содержать штуцера 19 на уровне расположения патрубка 21 ввода контактного газа в теплообменник.
При этом ширина каналов 25 между секторами 22 может составлять 0,25-2,0 диаметра теплообменных труб.
При этом штуцера 19 могут быть расположены напротив каналов 25 между секторами 22 по ходу контактного газа.
При этом каналы 25 между секторами 22 могут иметь свободный вход контактного газа и закрытый стенкой кожуха выход.
При этом пучок теплообменных труб может иметь в горизонтальном сечении форму круга, квадрата, прямоугольника, трапеции.
При этом сектора 22 в пучке теплообменных труб могут иметь в горизонтальном сечении форму треугольника, квадрата, прямоугольника, трапеции.
При этом пучок теплообменных труб может иметь коридорное (разметка по квадрату) расположение труб.
При этом кожухотрубный теплообменник может иметь съемные трубные решетки.
При этом штуцера 19 оборудованы форсунками для впрыска и мелкодисперсного распыления водяного конденсата процесса дегидрирования.
При этом пучок теплообменных труб в горизонтальном сечении может иметь круглую форму, а количество секторов 22 в пучке теплообменных труб может быть выбра щей зависимости:
Figure imgf000008_0001
Где Н - количество секторов в пучке;
К - коэффициент округления, изменяющийся от 1,0 до 1,5;
h - шаг пучка;
П - периметр внешнего ряда трубок в пучке. В предлагаемом теплообменнике 11 для нагрева паров сырья при противотоке с контактным газом, выходящим из реактора дегидрирования парафиновых углеводородов С3-С5, установка штуцеров 12 для подачи в межтрубное пространство части подаваемого в теплообменник сырья в жидком виде, в том числе расположение штуцеров 12 в верхней части кожуха 1 на расстоянии от верхней трубной решетки 4, составляющем 15-50% от высоты кожуха 1, позволяет снизить температуру в верхней высокотемпературной части теплообменника 11, за счет испарения в ней подаваемого жидкого сырья, уменьшить таким образом количество образующегося термополимера и исключить его отложение на теплопередающих поверхностях за счет смывания отложений потоком распыленного жидкого сырья испаряющегося в высокотемпературной части теплообменника 11, подверженной образованию термополимера.
Разделение пучка теплообменных труб 2 на сектора 17, которые ограничены верхними 4 и нижними 3 трубными решетками и каналами 18 между секторами 17, ширина которых составляет 0,25-2,0 диаметра теплообменных труб, позволяет (особенно в теплообменниках большой производительности с числом теплопередающих труб, достигающих нескольких тысяч) увеличить проникновение потока перегреваемых паров сырья внутрь пучка теплообменных труб 2. Каналы 18 работают как коллектора, раздающие поток паров сырья в прилегающие к каналам 18 секторы 17 пучка теплообменных труб 2, обеспечивая исключение застойных явлений и работу всех теплообменных труб 2 теплообменника 11. При этом исключается забивка проточной части теплообменника 11 термополимером, значительно увеличивается наблюдаемый коэффициент теплопередачи, а также предотвращается увеличение давления в межтрубном пространстве теплообменника при снижении гидравлического сопротивления межтрубного пространства.
Расположение в каждой секции пучка теплообменных труб 2 от одной до трех дополнительных поперечных перегородок 14, дистанцирующих расположение теплообменных труб, а также оборудование при этом от одной до четырех дистанцирующих перегородок 14, расположенных в верхней части пучка теплообменных труб 2 под верхней трубной решеткой 4 закрылками 15, примыкающими к кромке дистанцирующих перегородок 14 на выходе паров сырья из пучка теплообменных труб 2 и отогнутых вниз под углом 20-40° по ходу паров сырья, обеспечивает, особенно для теплообменников большой производительности, предотвращение застойных явлений в межтрубном пространстве теплообменника при организации многократно-перекрестного движения паров сырья относительно теплопередающих труб. Расположение штуцеров 12 для подачи в межтрубное пространство части сырья в жидком виде напротив каналов 18 между секторами 17 по ходу паров сырья, а также свободный вход в каналы 18 части сырья в жидком виде и закрытый стенкой кожуха 1 выход, при ширине каналов 0,25-2,0 диаметра труб, обеспечивает условия, необходимые для достижения подаваемого сырья в жидком виде к трубам в центральной части пучка теплообменных труб 2. Закрытый стенкой кожуха 1 выход паров сырья из канала 18, обеспечивает гидравлический подпор потоку паров сырья в канале и способствует раздаче паров сырья в прилегающие к каналам 18 сектора 17 теплообменных труб 2. Это также способствует предотвращению застойных явлений в межтрубном пространстве теплообменника 11 для нагрева паров сырья и увеличению коэффициента теплопередачи в теплообменнике.
В предлагаемом кожухотрубном теплообменнике для охлаждения контактного газа дегидрирования углеводородов С4 между ступенями турбокомпрессоров узла конденсации контактного газа под высоким давлением при противотоке с охлаждающей водой установка штуцеров 19 для подачи в межтрубное пространство водяного конденсата процесса, расположенных на трубопроводе 20, подводящем контактный газ к теплообменнику и/или в верхней части кожуха на уровне расположения патрубка 21 ввода контактного газа в теплообменник и/или пучка теплообменных труб 2, разделенного на сектора 22, которые ограничены верхними 23 и нижними 24 трубными решетками и каналами 25 между секторами 22, ширина которых составляет 0,25-2,0 диаметра теплообменных труб, а также выбор для пучков теплообменных труб с круглым сечением количества секторов 22 в пучке теплообменных труб по указанной выше математической зависимости приводит к существенному уменьшению забивки турбокомпрессора и межступенчатых кожухотрубчатых теплообменников отложениями термополимера за счет снижения температуры потока контактного газа, ингибирования термополимеризации и смывания отложений термополимера в проточном тракте потоком распыленного водяного конденсата процесса дегидрирования. Штуцера 19 для подачи в межтрубное пространство предлагаемых теплообменников жидкого сырья и водяного конденсата процесса дегидрирования могут быть оборудованы форсунками для впрыска и мелкодисперсного распыления указанных потоков.
Пучки теплообменных труб 2 в предлагаемых теплообменниках 11 могут иметь в горизонтальном сечении форму круга, прямоугольника, трапеции и др.
Сектора 22 могут иметь в горизонтальном сечении форму треугольника, квадрата, трапеции, многоугольника и др.
Для облегчения чистки наружной поверхности труб теплообменников от отложений термополимера при ремонтно-восстановительных работах пучок теплообменных труб 2 может иметь коридорное (разметка по квадрату) расположение, а также съемные трубные решетки.
Кожух 1 теплообменника 11 может быть снабжен вспомогательными штуцерами для контроля процесса путем измерений температуры и давления по высоте и сечению кожуха 1.
Краткое описание фигур чертежей
На фиг.1 изображена схема предлагаемого теплообменника 11 для перегрева паров сырья при противотоке с контактным газом, выходящим из реактора дегидрирования парафиновых углеводородов С3-С5. Теплообменник 11 имеет кожух (корпус) 1, пучок теплообменных труб (трубное пространство) 2, нижнюю 3 и верхнюю 4 трубные решетки, патрубок 5 и раздающую камеру 6 для ввода контактного газа в теплообменные трубы 2 теплообменника 11, собирающую камеру 7 и патрубок 8 для вывода охлажденного контактного газа из теплообменника 11, патрубок 9 для ввода и патрубок 10 для вывода перегретых паров сырья из межтрубного пространства теплообменника 11, штуцера 12 для ввода в межтрубное пространство теплообменника 11 части сырья в жидком виде, сегментные поперечные перегородки 13, дополнительные дистанцирующие перегородки 14, закрылки 15, отогнутые вниз на 30°. Теплообменник 11 может иметь размещенную в нижней части корпуса 1 плавающую головку (собирающую камеру 7) с линзовым компенсатором температурных расширений 16. На фиг. 2, 3, 4 и 6 представлены поперечные сечения некоторых вариантов пучков теплообменных труб 2. На фиг2 представлен вариант со штуцерами 12 для подачи сырья в жидком виде без использования разделения пучка теплообменных труб 2 на сектора 17.
На фиг.З представлен вариант пучка теплообменных труб 2, разделенного на сектора 17 каналами 18 со штуцерами 12 (не показаны) для подачи части сырья в жидком виде.
На фиг.4 представлен вариант пучка теплообменных труб 2, разделенного каналами 18 на сектора 17 со штуцерами 12, расположенными напротив открытого входа паров сырья в каналы 18 и закрытый стенкой кожуха 1 выход паров сырья из канала 18.
Схема предлагаемого кожухотрубного теплообменника для охлаждения контактного газа дегидрирования углеводородов С4 между ступенями турбокомпрессоров узла конденсации контактного газа под высоким давлением при противотоке с охлаждающей промышленной водой представлена на фиг.5 и 6. Штуцера 19 для подачи в межтрубное пространство теплообменника водяного конденсата процесса, расположены на трубопроводе 20, подводящем контактный газ к теплообменнику и в верхней части кожуха на уровне расположения патрубка 21 ввода контактного газа в теплообменник и/или пучка теплообменных труб, разделенного на сектора 22, которые ограничены верхними 23 и нижними 24 трубными решетками и каналами 25 между секторами 22. Теплообменник снабжен также патрубками 26 вывода охлажденного контактного газа, ввода 27 и вывода 28 охлаждающей воды.
Лучший вариант осуществления изобретения
Работа предлагаемого теплообменника для нагрева паров сырья рассмотрена в примерах его использования на установке получения изобутилена дегидрированием изобутана в кипящем слое алюмохромового катализатора с последующим использованием полученного изобутилена в синтезе метилтретичнобутилового эфира (МТБЭ). Конструкция используемого теплообменника представлена на фиг.1-4.
Дегидрирование осуществляют в реакторе с кипящим слоем при объемной скорости подачи изобутана 165 час"1 на мелкодисперсном катализаторе содержащем Сг203 - 20%, К20 - 2%, Si02 - 2%, А1203 - 76%. Состав исходного сырья приведен в таблице 1. Поток сырья в количестве 28,123 т/час в жидком виде при давлении 885 кПа поступает на испарительную станцию, где последовательно испаряется и далее подогревается подаваемым водяным паром и при температуре 70°С направляется в парообразном виде на дальнейший нагрев в предлагаемый кожухотрубный теплообменник, установленный на трубопроводе контактного газа, выходящего из реактора. Диаметр кожуха теплообменника составляет 1,4 м при количестве труб - 1306 шт и при диаметре труб 25,4 мм. Длина труб теплообменника составляет 10,6 м. Пары сырья поступают в межтрубное пространство теплообменника 11 через патрубок 9. Часть сырья в жидком виде при температуре 19,3°С впрыскивается через форсунки в среднюю часть межтрубного пространства. Ниже представлены результаты пробегов установки при различных режимах и конструкции теплообменника. Время работы установки на каждом режиме составляло 4000 часов.
В примере 1 использовался теплообменник 11 с пучком теплообменных труб 2 представленным на фиг.2 (прототип). При отсутствии подачи части сырья в жидком виде (условия работы прототипа) к концу пробега установки наблюдалось увеличение давления в кожухе 1 теплообменника 11 (на входе паров сырья в теплообменник) с 423 кПа в начале пробега до 567 кПа в конце пробега (близко к предельно допустимому разрешенному по условиям соблюдения прочности теплообменника), что потребовало снизить нагрузку реактора по сырью до 25,7 т/час. Одновременно, в связи с увеличением температуры контактного газа на входе в компрессор, увеличилось давление на входе в компрессор и соответственно в верхней части реактора с 137 до 165 кПа. Все это привело к снижению показателей дегидрирования (снижение производительности установки и выхода изобутилена на разложенный изобутан с 88,2 до 85,1 мас.%). При вскрытии теплообменника после останова обнаружены значительные отложения полимера в верхней высокотемпературной части межтрубного пространства теплообменника.
В примере 2 использовался теплообменник 11 с пучком теплообменных труб 2 представленным на фиг.2 с расположением штуцеров 12 для впрыска жидкого сырья на расстоянии от верхней трубной решетки 4 составляющем 50% от высоты кожуха 1. При подаче в межтрубное пространство теплообменника части жидкого сырья в количестве 45% от общей подачи исходного сырья на дегидрирование установившийся режим установки в течении всего времени пробега сохранялся стабильным (см. таблицу 2). В ходе пробега установки увеличения давления в кожухе теплообменника не наблюдали. Нагрузка реактора по сырью сохранялась неизменной. Выходы олефиновых углеводородов в ходе пробега не снижались и составили: выход изобутилена на пропущенный изобутан - 41,2 мас.%, а на разложенный 88,0 мас.%. Снижается расход водяного пара, направляемого в испаритель сырья и подогреватель получаемых паров сырья. Производительность установки дегидрирования сохранялась стабильной. При вскрытии теплообменников отложений термополимера в межтрубном пространстве не наблюдали. В верхней высокотемпературной зоне теплообменника температура паров сырья на выходе из теплообменника составляла соответственно 410°С. При увеличении в подаваемом сырье доли сырья в жидком виде до 45% и при соответствующем уменьшении доли сырья в парообразном виде экономия водяного пара на испарение и подогрев сырья в примере 2 по сравнению со средним за пробег показателем прототипа (6,29 т/час) составила 2,56 т/час.
В примере 3 использовался теплообменник 11 с пучком теплообменных труб 2 представленным на фиг.2. При подаче в межтрубное пространство теплообменника части жидкого сырья в количестве 15% от общей подачи исходного сырья на дегидрирование к концу пробега установки наблюдалось увеличение давления в кожухе теплообменника (на входе паров сырья в теплообменник) до 510 кПа в конце пробега. Одновременно, в связи с увеличением температуры контактного газа на входе в компрессор, увеличилось давление на входе в компрессор и соответственно в верхней части реактора до 152 кПа. Это привело к снижению выхода изобутилена на разложенный изобутан до 86,3 мас.%. При вскрытии теплообменника после останова обнаружены значительные отложения полимера в верхней высокотемпературной части межтрубного пространства теплообменника.
В примере 4 использовался теплообменник 11 с пучком теплообменных труб 2 изображенном на фиг.З с шириной каналов 18 равной 2,0 диаметра теплообменных труб. Кожух 1 теплообменника 11 содержит штуцера 12 для ввода жидкого сырья в межтрубное пространство. Штуцера 12 для подачи в межтрубное пространство части сырья в жидком виде расположены напротив каналов 18 между секторами 17 по ходу паров сырья. При подаче в межтрубное пространство теплообменника части жидкого сырья в количестве 15% от общей подачи исходного сырья на дегидрирование забивки межтрубного пространства термополимером не наблюдалось. Показатели работы установки в течении пробега сохранялись стабильными: выход изобутилена на пропущенный изобутан - 40,9 мас,%, а на разложенный - 88,5 мас.%. Экономия водяного пара по сравнению с прототипом составила 0,68 т/час.
В примере 5 использовался теплообменник 11 с пучком теплообменных труб 2 изображенном на фиг.4 с шириной каналов 18 равной 0,25 диаметра теплообменных труб. Подача жидкого сырья в теплообменник 11 не производилась. Забивки межтрубного пространства термополимером не наблюдалось. Показатели работы установки в течении пробега сохранялись стабильными: выход изобутилена на пропущенный изобутан - 41,1 мас.%, а на разложенный - 88,3 мас.%.
При подаче части жидкого сырья в штуцера 12 в количестве 30% от общей подачи исходного сырья длительность пробега без забивки увеличилась до 8000 часов.
Работа предлагаемого теплообменника для охлаждения контактного газа дегидрирования углеводородов С4 между ступенями турбокомпрессоров узла конденсации контактного газа под давлением рассмотрена в примерах его использования на установке получения бутадиена путем окислительного дегидрирования н-бутенов. Конструкция используемого теплообменника представлена на фиг.5 и 6.
Процесс окислительного дегидрирования н-бутенов в бутадиен осуществляют в адиабатическом реакторе с неподвижным слоем железофосформагнийцинксодержащего катализатора в присутствии водяного пара и кислорода в виде смеси кислорода и воздуха. Условия дегидрирования: мольное разбавление С Щ : Ог : Н20 = 1 : 0,58 : 17; объемная скорость подачи н-бутенов 300 час"1. Температура на входе в слой катализатора 250°С, а на выходе из слоя 580°С. Давление под слоем катализатора в начале испытания 175 кПа. В реактор подают, т/час: н-бутенов 15,0, кислорода 4,97, азота 19,83, водяного пара 81,6. Контактный газ процесса в количестве 112,4 т/час при температуре 580°С направляют в котел- утилизатор, где его температуру снижают до 220°С и получают вторичный водяной пар, а затем направляют в закалочный двухкаскадный скруббер, где охлаждают прямым контактом с циркулирующей водой до 110°С. После закалки контактный газ направляют в узел компримирования контактного газа. Состав исходного сырья и составы после реактора дегидрирования и узла охлаждения и конденсации водяного пара. А также состав водяного конденсата процесса приведены в таблице 2. Компримирование контактного газа осуществляют в трехступенчатом пятиколесном турбокомпрессоре «Виола-ТП» фирмы ЧКД (Прага, Чехословакия). Турбокомпрессор имеет два межступенчатых поверхностных холодильника. Основные характеристики оборудования узла компримирования контактного газа:
Производительность турбокомпрессора, м3/час— 15400
Давление нагнетания, кПа - 1300
Число оборотов ротора, об/мин - 9900
Число колес в роторе, шт - 5
Промежуточный холодильник первой ступени - вертикальный кожухотрубный теплообменник, предназначен для охлаждения контактного газа, поступающего на всас второй ступени сжатия:
Поверхность теплообмена, м2 - 200
Диаметр кожуха (корпуса), мм - 1500
Число труб ( 25x2x2000), мм - 1400
Промежуточный холодильник второй ступени - вертикальный кожухотрубный теплообменник, предназначен для охлаждения контактного газа, поступающего на всас третьей ступени сжатия:
Поверхность теплообмена, м2 - 140
Диаметр кожуха (корпуса), мм - 1300
Число труб ( 25x2x2000), мм - 1200
Отделитель жидкости после первой ступени сжатия, предназначен для отделения и вывода водяного конденсата процесса:
Объем, м3 - 1 ,675
Диаметр кожуха (корпуса), мм - 1085
Длина цилиндрической части корпуса, мм - 1500
Отделитель жидкости после второй ступени сжатия, предназначен для отделения и вывода водяного конденсата процесса:
Объем, м3 - 0,76
Диаметр кожуха (корпуса), мм - 800
Длина цилиндрической части корпуса, мм - 1100.
Контактный газ направляют из всасывающего коллектора по трубопроводу диаметром 450 мм с температурой 24°С и при давлении 120 кПа на всас турбокомпрессора на первую ступень сжатия (первое рабочее колесо ротора) и с температурой 68°С и при давлении 150 кПа подают по трубопроводу диаметром 400 мм на охлаждение в межтрубное пространство межступенчатого холодильника первой ступени, где охлаждают до 36°С циркулирующей по трубному пространству противоточно контактному газу промышленной водой. Далее контактный газ направляют в сепаратор-отделитель для вывода сконденсированного водяного конденсата процесса и подают по трубопроводу диаметром 400 мм на всас второй ступени сжатия турбокомпрессора. Пройдя вторую ступень сжатия (второе и третье рабочие колеса ротора), контактный газ с температурой 82°С и при давлении 480 кПа по трубопроводу 200 мм направляют в межступенчатый холодильник второй ступени, где охлаждают до 32°С. Затем он проходит сепаратор-отделитель для вывода сконденсированного водяного конденсата процесса, после чего его подают по трубопроводу диаметром 200 мм на всас третьей ступени сжатия. Пройдя третью ступень с температурой 7 С и давлением 1120 кПа, газ поступает в коллектор нагнетания, откуда направляется на выделение бутадиена.
Пример 6 (прототип). В поток контактного газа непосредственно после каждой ступени сжатия и, соответственно, перед каждым межступенчатым холодильником (см. фиг.5) на расстоянии 500 мм от указанных холодильников вводят паровой конденсат, полученный путем конденсации водяного пара. Конденсат подают при температуре 40°С и давлении 600 кПа в количестве 0,1 кг на 1 кг контактного газа. К концу испытания через 1200 часов от начала пробега турбокомпрессор перестает принимать нагрузку - ток электродвигателя уменьшается 190 А в начале испытания до 130 А к концу испытания. При этом резко возрастает давление на ступенях сжатия турбокомпрессора и соответственно под слоем катализатора в реакторе дегидрирования. При вскрытии компрессора наблюдают забивку полимером рабочих колес и направляющих аппаратов турбокомпрессора, а также межтрубного пространства межступенчатых теплообменников. Выход бутадиена на пропущенные н-бутены составил 49,9 мас.%. Выход бутадиена на разложенные н-бутены - 81,5 мае. %.
Пример 7. Условия осуществления процесса такие же как в примере 6.
Отличием от примера 6 является использование теплообменника с штуцерами для подачи в межтрубное пространство водяного конденсата процесса, расположенными на трубопроводе, подводящем контактный газ к теплообменнику, и в верхней части кожуха на уровне расположения патрубка ввода контактного газа в теплообменник (см. фиг.5). При этом в контактный газ впрыскивают водяной конденсат процесса в количестве 0,1 кг на 1 кг контактного газа при температуре 40°С и давлении 6 атм. К концу испытания через 2000 часов отклонений режимов работы турбокомпрессора не наблюдают. При вскрытии компрессора и межступенчатых теплообменников отложений полимера не зафиксировано. Достигаемые показатели дегидрирования: выход бутадиена на пропущенные н-бутены - 51,3 мас.% и на разложенные - 83,5 мае. %.
Пример 8. Условия осуществления процесса такие же как в примере 6.
Отличием от примера 6 является использование теплообменника с пучком теплообменных труб, разделенном на сектора 22, которые ограничены верхними 23 и нижними 24 трубными решетками и каналами 25 между секторами 22, ширина которых составляет 1,0 диаметра теплообменных труб. Принципиальная схема пучка теплообменных труб представлена на фиг.6. Подача водяного конденсата процесса в теплообменник не производилась. К концу испытания через 1500 часов от начала пробега наблюдают незначительное увеличение давления перед компрессором и под слоем катализатора в реакторе дегидрирования. При этом потребляемый электродвигателем компрессора ток несколько снижается, что свидетельствует о некотором уменьшении нагрузки на компрессор (т.е. компрессор стал принимать несколько меньшее количество газа). При вскрытии компрессора и межступенчатых теплообменников в конце пробега наблюдают незначительные отложения полимера на лопастях рабочих колес I и II ступеней и проточной части компрессора. Поверхности межступенчатых теплообменников чистые. Достигаемые показатели дегидрирования: выход бутадиена на пропущенные н-бутены - 51,1 мас.% и на разложенные - 82,3 мас.%.
Таким образом, техническим результатом заявленного изобретения является увеличение производительности установок дегидрирования углеводородов С3-С5 и уменьшение затрат в производстве. Промышленная применимость
Кожухотрубный теплообменник для нагрева паров сырья в процессах дегидрирования парафиновых углеводородов С3-С5 может быть использован для получения основных мономеров синтетического каучука, а также при производстве полипропилена, метилтретичнобугилового эфира и др.
Таблица 1.
Figure imgf000020_0001
Таблица 2.
Figure imgf000021_0001
Продолжение таблицы 2.
Figure imgf000022_0001

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Кожухотрубный противоточный теплообменник для нагрева паров сырья в процессах дегидрирования парафиновых углеводородов С3-С5 теплом контактного газа, выходящего из реактора дегидрирования, содержащий вертикальный цилиндрический кожух (1), пучок теплообменных труб (2) с верхней (4) и нижней (3) трубными решетками, патрубок (5) и раздающую камеру (6) для ввода контактного газа в верхнюю часть трубного пространства (2) теплообменника (11), собирающую камеру (7) и патрубок (8) для вывода охлажденного контактного газа из нижней части трубного пространства, а также патрубки (9) для ввода паров сырья в межтрубное пространство теплообменника (11), разделенное на секции поперечными горизонтальными перегородками сегментного типа (13), и вывода (10) из него нагретых паров сырья, отличающийся тем, что теплообменник (11) содержит штуцера (12) для подачи в теплообменник (11) части подаваемого сырья в жидком виде в межтрубное пространство пучка теплообменных труб (2) и/или в межтрубное пространство пучка теплообменных труб (2), разделенных на сектора (17), которые ограничены верхними (4) и нижними (3) трубными решетками и вертикальными каналами (18) между секторами (17).
2. Кожухотрубный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что ширина каналов (18) между секторами (17) составляет 0,25-2,0 диаметра теплообменных труб.
3. Кожухотрубный теплообменник по любому пп.1-2, отличающийся тем, что штуцера (12) для подачи в межтрубное пространство части сырья в жидком виде расположены в верхней части кожуха (1) на расстоянии от верхней трубной решетки (4) теплообменника (11), составляющем 15-50% от высоты кожуха (1).
4. Кожухотрубный теплообменник по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что пучок теплообменных труб (2) в каждой секции имеет 1-3 дополнительные поперечные горизонтальные перегородки (14), дистанцирующие расположение теплообменных труб, при этом 1-4 дистанцирующие поперечные перегородки (14), расположенные в верхней части пучка теплообменных труб (2) под верхней трубной решеткой (4), имеют закрылки (15), примыкающие к кромке дополнительных дистанцирующих поперечных перегородок (14) на выходе паров сырья из пучка теплообменных труб (2) и отогнутые вниз под углом 20-40° по ходу паров сырья.
5. ожухотрубный теплообменник по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что штуцера (12) для подачи в межтрубное пространство части сырья в жидком виде расположены напротив каналов (18) между секторами (17) по ходу паров сырья.
6. Кожухотрубный теплообменник по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что каналы (18) между секторами (17) имеют свободный вход паров сырья и закрытый стенкой кожуха (1) выход.
7. Кожухотрубный теплообменник по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что пучок теплообменных труб (2) имеет в горизонтальном сечении форму круга, прямоугольника, трапеции.
8. Кожухотрубный теплообменник по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что сектора (17) в пучке теплообменных труб (2) имеют в горизонтальном сечении форму треугольника, квадрата, прямоугольника, трапеции.
9. Кожухотрубный теплообменник по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что пучок теплообменных труб (2) имеет коридорное (разметка по квадрату) расположение труб.
10. Кожухотрубный теплообменник по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что имеет съемные трубные решетки.
11. Кожухотрубный теплообменник по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что штуцера (12) для подачи жидкого сырья оборудованы форсунками для впрыска и мелкодисперсного распыления сырья.
12. Кожухотрубный теплообменник для охлаждения контактного газа дегидрирования углеводородов С4 между ступенями турбокомпрессоров узла конденсации контактного газа под давлением при противотоке с охлаждающей промышленной водой, содержащий вертикальный цилиндрический кожух, пучок теплообменных труб с верхней (23) и нижней (24) трубными решетками, патрубок (27) и раздающую камеру для ввода охлаждающей воды в нижнюю часть трубного пространства теплообменника, собирающую камеру и патрубок (28) для вывода нагретой воды из верхней части трубного пространства, а также патрубки (21) для ввода контактного газа в межтрубное пространство теплообменника, разделенное на секции поперечными горизонтальными перегородками сегментного типа, и вывода (26) из него охлажденного контактного газа, отличающийся тем, что теплообменник содержит штуцера (19) для подачи водяного конденсата процесса дегидрирования, расположенные на трубопроводе (20), подводящем контактный газ к теплообменнику и/или в верхней части кожуха теплообменника, в межтрубное пространство пучка теплообменных труб и/или в межтрубное пространство пучка теплообменных труб, разделенных на сектора (22), которые ограничены верхними (23) и нижними (24) трубными решетками и вертикальными каналами (25) между секторами (22).
13. Кожухотрубный теплообменник по п.12, отличающийся тем, что теплообменник содержит штуцера (19) на уровне расположения патрубка (21) ввода контактного газа в теплообменник.
14. Кожухотрубный теплообменник по любому из пп.12-13, отличающийся тем, что ширина каналов (25) между секторами (22) составляет 0,25-2,0 диаметра теплообменных труб.
15. Кожухотрубный теплообменник по любому из пп.12-14, отличающийся тем, что штуцера (19) расположены напротив каналов (25) между секторами (22) по ходу контактного газа.
16. Кожухотрубный теплообменник по любому из пп.12-15, отличающийся тем, что каналы (25) между секторами (22) имеют свободный вход контактного газа и закрытый стенкой кожуха выход.
17. Кожухотрубный теплообменник по любому из пп.12- 16, отличающийся тем, что пучок теплообменных труб имеет в горизонтальном сечении форму круга, квадрата, прямоугольника, трапеции.
18. Кожухотрубный теплообменник по любому из пп.12-17, отличающийся тем, что сектора (22) в пучке теплообменных труб имеют в горизонтальном сечении форму треугольника, квадрата, прямоугольника, трапеции.
19. Кожухотрубный теплообменник по любому из пп.12-18, отличающийся тем, что пучок теплообменных труб имеет коридорное (разметка по квадрату) расположение труб.
20. Кожухотрубный теплообменник по любому из пп.12-19, отличающийся тем, что имеет съемные трубные решетки.
21. Кожухотрубный теплообменник по любому из пп.12-20, отличающийся тем, что штуцера (19) оборудованы форсунками для впрыска и мелкодисперсного распыления водяного конденсата процесса дегидрирования.
22. Кожухотрубный теплообменник по любому из пп.12-21, отличающийся тем, что пучок теплообменных труб в горизонтальном сечении имеет круглую форму, а количество секторов (22) в пучке теплообменных труб выбрано по следующей зависимости:
т = -П 9Ь
1 Л"сект
где Νοβκτ- количество секторов в пучке;
К - коэффициент округления, изменяющийся от 1,0 до 1,5;
h - шаг пучка;
П - периметр внешнего ряда трубок в пучке.
PCT/RU2018/000562 2017-08-30 2018-08-27 Кожухотрубные теплообменники в процессах дегидрирования углеводородов с3-с5 (варианты) WO2019045599A1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201880038577.8A CN110770520A (zh) 2017-08-30 2018-08-27 用于c3-c5烃脱氢的工艺中的管壳式热交换器（变形）

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017130788A RU2642440C1 (ru) 2017-08-30 2017-08-30 Кожухотрубные теплообменники в процессах дегидрирования углеводородов C3-C5 (варианты)
RU2017130788 2017-08-30

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019045599A1 true WO2019045599A1 (ru) 2019-03-07

Family

ID=61023768

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2018/000562 WO2019045599A1 (ru) 2017-08-30 2018-08-27 Кожухотрубные теплообменники в процессах дегидрирования углеводородов с3-с5 (варианты)

Country Status (3)

Country Link
CN (1) CN110770520A (ru)
RU (1) RU2642440C1 (ru)
WO (1) WO2019045599A1 (ru)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114459263B (zh) * 2020-10-21 2023-08-29 中国石油化工股份有限公司 一种换热器、丁烯氧化脱氢装置和丁烯氧化脱氢制备丁二烯的方法
RU2767682C1 (ru) * 2020-11-30 2022-03-18 Общество с ограниченной ответственностью Торговый дом "Кемеровский экспериментальный завод средств безопасности" Газовый теплоэнергетический комплекс, теплообменник газового теплоэнергетического комплекса и способ подачи горячего воздуха для приточной вентиляции помещений, реализуемый с их помощью

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1132139A1 (ru) * 1982-09-20 1984-12-30 Предприятие П/Я А-1345 Кожухотрубчатый теплообменник
US20010006104A1 (en) * 1999-12-28 2001-07-05 Nippon Shokubai Co., Ltd. Heat-exchanging method for easily polymerizable compound
RU147654U1 (ru) * 2014-07-18 2014-11-10 Общество с ограниченной ответственностью "ТюменНИИгипрогаз" Кожухотрубчатый теплообменник

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6438591A (en) * 1987-08-04 1989-02-08 Toshiba Corp Heat exchanger
CN1117575A (zh) * 1995-04-17 1996-02-28 哈尔滨工程大学 玻璃管低温换热器
JP3961254B2 (ja) * 2001-09-28 2007-08-22 株式会社日本触媒 多管式熱交換器および該熱交換器を用いる（メタ）アクリル酸の製造方法
DE10258153A1 (de) * 2002-12-12 2004-06-24 Basf Ag Verfahren zur Herstellung von Chlor durch Gasphasenoxidation von Chlorwasserstoff
KR20120007066A (ko) * 2009-04-29 2012-01-19 바스프 에스이 중합체 용액으로부터 휘발성 물질을 제거하기 위한 쉘 및 튜브 열 교환기 및 방법
CN203310286U (zh) * 2013-05-10 2013-11-27 湖南精艺节能环保科技有限公司 适用于小型加热设备的余热回收装置
RU135099U1 (ru) * 2013-05-20 2013-11-27 Общество с ограниченной ответственностью "ТюменНИИгипрогаз" Кожухотрубчатый теплообменник

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1132139A1 (ru) * 1982-09-20 1984-12-30 Предприятие П/Я А-1345 Кожухотрубчатый теплообменник
US20010006104A1 (en) * 1999-12-28 2001-07-05 Nippon Shokubai Co., Ltd. Heat-exchanging method for easily polymerizable compound
RU147654U1 (ru) * 2014-07-18 2014-11-10 Общество с ограниченной ответственностью "ТюменНИИгипрогаз" Кожухотрубчатый теплообменник

Also Published As

Publication number Publication date
RU2642440C1 (ru) 2018-01-25
CN110770520A (zh) 2020-02-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105400527A (zh) 热解反应器
JP4777423B2 (ja) 炭化水素パイロリシス排出物の処理法
EA017912B1 (ru) Вертикальный комбинированный теплообменник типа "сырье/продукт" с переменным углом перегородок
RU2405622C2 (ru) Лопаточный реактор для пиролиза углеводородов
US10744480B2 (en) Rotary device for conducting chemical reactions
WO2019045599A1 (ru) Кожухотрубные теплообменники в процессах дегидрирования углеводородов с3-с5 (варианты)
UA45503C2 (uk) Спосіб отримання нижчих олефінів, реактор для піролізу вуглеводнів і апарат для загартування газів піролізу
RU2643366C1 (ru) Технологическая схема установки дегидрирования парафиновых углеводородов С3-С5 (варианты)
US20150361010A1 (en) Apparatus and process for the conversion of methane into acetylene
RU2186826C2 (ru) Способ селективной экстракционной очистки остаточного масла (варианты)
WO2024066519A1 (zh) 一种用于加氢装置的换热组件及换热工艺
TW200936237A (en) Improved reactor and process for endothermic gas phase reactions
CN102428161A (zh) 用烟道气冷却器预热进料的方法和设备
CN205258368U (zh) 热解反应器
RU2493898C1 (ru) Способ промысловой подготовки продукции газоконденсатных залежей с использованием в качестве хладагента нестабильного газового конденсата и установка для его осуществления
CN102992265B (zh) 具有集成式蒸汽产生管束的产氢换热器反应器
RU65045U1 (ru) Установка получения синтетического бензина из алифатического спирта, в частности метанола
WO2019182475A1 (ru) Способ получения олефиновых углеводородов
US20220340822A1 (en) Hydrocarbon Pyrolysis with Less Exhaust Emission
RU2714486C1 (ru) Способ реконструкции установки нтс с целью исключения образования факельных газов (варианты)
CN102626555B (zh) 醋酸蒸发与气体混合一体化装置
EA036465B1 (ru) Устройство парового риформинга для производства синтез-газа
WO2019168437A1 (ru) Способ получения олефиновых углеводородов
CN109416222B (zh) 旋风凝结和冷却系统
CN111943800A (zh) 一种对轻烃进行热裂解生产丙烯及乙烯的方法

Legal Events

Date Code Title Description
DPE2 Request for preliminary examination filed before expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18849756

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18849756

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1