專利名稱：裂解爐的制作方法
不飽和烯烴(乙烯、丙烯、丁二烯和丁烯)及伴生的芳烴(苯、甲苯、乙苯、二甲苯和苯乙烯)通常是在注入蒸汽的情況下對原料烴熱裂解而得到的。為了生產(chǎn)烯烴而采用蒸汽熱解烴類的方法是眾所周知的。
用于生產(chǎn)烯烴的烴原料族的范圍從大體上是純的乙烷到真空瓦斯油以及它們的任意一種混合物。氫和甲烷是原料中的雜質(zhì)。這種生產(chǎn)過程包括熱解步驟和回收步驟。在裝置的熱解工段中包括原料預(yù)熱系統(tǒng)、蒸汽熱解盤管和用于冷卻盤管內(nèi)流動(dòng)液的熱交換器。在裂解爐或反應(yīng)器內(nèi)安裝了原料預(yù)熱系統(tǒng)的主要部分和熱解盤管。該過程中的化學(xué)反應(yīng)是在沒有催化劑的情況下在熱解盤管內(nèi)發(fā)生的。
用于熱解工段的消費(fèi)大約占整個(gè)裝置投資的30%到40%。而且，工藝的經(jīng)濟(jì)性，即原料消耗和生產(chǎn)一定量的乙烯所產(chǎn)生的副產(chǎn)品是受熱解工段的設(shè)備所限制的。因此，傳統(tǒng)上對裝置中熱解工段的改進(jìn)已經(jīng)顯著地提高了熱解工藝的經(jīng)濟(jì)性。
裂解爐由對流段和輻射段或者它們的任意組合而構(gòu)成。烴類原料先在爐子的對流段內(nèi)預(yù)熱，然后加入稀釋蒸汽，烴類和蒸汽的混合物在對流段的混合預(yù)熱盤管內(nèi)進(jìn)一步預(yù)熱。在某些裝置中，稀釋蒸汽在其被加進(jìn)烴原料流之前也要被預(yù)熱，直到把混合物預(yù)熱到在輻射段內(nèi)熱解所需要的轉(zhuǎn)變溫度為止，該溫度跟對流段與輻射段之間的相交處的溫度相同，它隨原料種類和特殊的盤管結(jié)構(gòu)而變。
用液態(tài)碳?xì)浠衔镒髟?，原料將在混合預(yù)熱盤管中和/或在稀釋蒸汽注入處蒸發(fā)。在某些裝置中，為避免結(jié)焦，原料在進(jìn)到對流段盤管之前蒸發(fā)。此外，也可在對流段內(nèi)對鍋爐供水、飽和蒸汽和稀釋蒸汽加熱。應(yīng)該注意到這種描述僅是一般的描述。上述所需的加熱設(shè)備，以及它們在裂解爐的對流段上所處的位置和尺寸，是根據(jù)每個(gè)裝置的具體需要而定的。
熱解盤管被安裝在裂解爐或反應(yīng)器的輻射段內(nèi)，烴類原料在伴有稀釋蒸汽的情況下在其內(nèi)熱解。每個(gè)輻射段的熱解盤管數(shù)隨每臺裂解爐所需要的乙烯量、希望的熱解率、盤管結(jié)構(gòu)、尺寸、原料種類和終端工作狀態(tài)，如盤管出口壓力而變。傳輸管熱交換器，再加上用油直接急冷，被用來冷卻從盤管內(nèi)流出的流體。對于額定的乙烯量、熱解率、原料種類和終端工作狀態(tài)相同的裂解爐，用小直徑管制成的盤管比用大直徑管制成的盤管生產(chǎn)能力小。因此，為了獲得一定的乙烯量，用小直徑管制成的熱解盤管數(shù)要比用大直徑管繞制的盤管數(shù)多。
目前，在裂解爐上所使用的盤管有三種基本類型。一種是用小到中等管徑(1～4英寸)的管子，每條通路用一根管，每個(gè)盤管有一條或幾條通路(1到8)。第二種類型是采用大直徑管(4到7英寸)，每條通路同樣為一根管，每個(gè)盤管有幾條通路(2到12)。第三種類型是將小直徑管和大直徑管混合使用(1-7英寸)，熱解盤管前端每條通路為多管道，在其后端每條通路為單管道，每個(gè)盤管有幾條通路(2到12)。
值得注意的是，第一、二種類型，整個(gè)盤管的管徑可以是恒定的，或從第一通路到最后通路管徑逐漸增加。
熱解盤管安排在裂解爐輻射段的縱向平面內(nèi)，熱解盤管可以交錯(cuò)布置，或者布置成單排或多排。借助于輻射段側(cè)墻上的燃燒器，或輻射段底部(爐床)的燃燒器，或側(cè)墻和底部燃燒器的組合提供輻射熱能。
可以明顯地看出，用同一直徑管制成的盤管每條通路金屬表面積與盤管體積之比從熱解盤管的起始端到末端都保持恒定。在這種結(jié)構(gòu)中，熱解盤管內(nèi)反應(yīng)氣體軸向的溫度分布曲線接近具有正斜率的直線。
用小直徑管制成的熱解盤管，盡管具有較好的傳熱性能，但是和另外兩種類型的盤管相比，其每個(gè)盤管的生產(chǎn)能力較小，因?yàn)樵谘h(huán)期間測出的焦化速度較快，而且在運(yùn)行過程中，由于在盤管內(nèi)壁上結(jié)焦而造成盤管內(nèi)壓力降增加。而壓力降的增加對上述第一種結(jié)構(gòu)的熱解率不利(在原料量和運(yùn)行時(shí)間相同的情況下，減少了烯烴產(chǎn)量并增加了燃油副產(chǎn)品)。
通過使熱解盤管的管徑從入口端向出口端逐漸擴(kuò)大，其金屬表面積和體積之比沿?zé)峤獗P管內(nèi)流體的流動(dòng)方向逐漸減小。在熱解盤管的后半部分管徑較大，因而焦化速度減小，減小了結(jié)焦對盤管壓力降的影響，隨之對熱解率的不利影響也減小。當(dāng)然，較粗的管子最終還使盤管的生產(chǎn)能力增大?？墒欠磻?yīng)氣體的軸向溫度分布曲線仍然接近于具有正斜率的直線。較大管徑的缺陷是傳熱系數(shù)較低，因而金屬表面溫度較高。
由于從入口到出口管徑逐漸變大的盤管其表面積和體積之比小于恒定管徑盤管的表面積和體積之比，為了使每根盤管有較高的平均乙烯產(chǎn)量，盤管必須加長。通過延長滯留時(shí)間以防止烴分壓減少的方法可以把兩種盤管設(shè)計(jì)成得到大體相同的產(chǎn)量。對于從入口到出口直徑增大的熱解盤管來說，一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是傳熱系數(shù)較小，因?yàn)?，流量一定，傳熱系?shù)與D1.8成反比，此處，D為直徑。
為了有效地增加每個(gè)熱解盤管的乙烯產(chǎn)量，從而減少每臺裂解爐內(nèi)所需的盤管數(shù)，主要的目標(biāo)應(yīng)該是改進(jìn)軸向氣體溫度分布，以盡最大可能利用熱解盤管上可利用的金屬表面。一般說來，希望具有下凹的溫度分布曲線，并盡可能接近等溫曲線，而不是正斜率的準(zhǔn)直線，或者如上所述的前兩種盤管結(jié)構(gòu)所得到的“凸形”溫度分布曲線。等溫的軸向氣體溫度分布曲線表示最好地利用了熱解盤管金屬的熱量，也就是對于給定的產(chǎn)量和運(yùn)程，熱解盤管金屬單位重量的容積最大，因而熱解盤管最便宜。
一種設(shè)計(jì)構(gòu)思是使用分隔成幾個(gè)空間的燃燒區(qū)，燃燒系統(tǒng)必須受到適當(dāng)?shù)目刂苼磉_(dá)到燃燒區(qū)效果。按這種設(shè)計(jì)方法，通過在整個(gè)熱解盤管上均勻地供熱，或者朝著熱解盤管出口處逐漸增加供熱強(qiáng)度，使開始以直線或“凸形”溫度分布曲線操作運(yùn)行。逐漸地，在運(yùn)行過程中或當(dāng)盤管內(nèi)發(fā)生焦化時(shí)，使供熱強(qiáng)度從盤管出口處較高轉(zhuǎn)移到在盤管入口處較高。最好，到循環(huán)的最后，盤管按等溫或下凹軸向溫度分布曲線運(yùn)行。
這類燃燒區(qū)，在恒定的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)可以利用每個(gè)盤管較大的生產(chǎn)能力?？墒怯捎诹呀鉅t燃燒室的結(jié)構(gòu)及燃燒控制系統(tǒng)都復(fù)雜，這種方法并沒有廣泛地用于乙烯的工業(yè)生產(chǎn)中。此外，應(yīng)注意到，只有當(dāng)溫度分布曲線接近等溫曲線時(shí)，熱解盤管的金屬才能充分利用，在這類結(jié)構(gòu)中，僅在部分運(yùn)行時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)等溫狀態(tài)。
下面將討論前面曾提到的第三種盤管，即在盤管的入口部分通路采用多根平行細(xì)直徑管，而在盤管出口通路處采用大直徑單管。這種結(jié)構(gòu)通常稱之為“型鍛式(Swage)”盤管，這里使用了“型鍛式”這個(gè)術(shù)語。
從七十年代起在世界范圍內(nèi)大多數(shù)乙烯裝置中采用了“型鍛式”盤管，而不采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的燃燒室以及非常復(fù)雜而又昂貴的燃燒控制系統(tǒng)。這種“型鍛式”盤管依靠盤管的結(jié)構(gòu)可在整個(gè)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)得到下凹的軸向溫度分布曲線。由于有效地利用了熱解盤管的金屬，這種盤管的特點(diǎn)是在相同的平均熱解率和恒定的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)具有較大的生產(chǎn)能力?！靶湾懯健北P管具有較大的生產(chǎn)能力和較低的焦化速率，因而每一循環(huán)的運(yùn)行時(shí)間較長。
出口段用大直徑熱解管在技術(shù)上的優(yōu)越性勝過其傳熱特性較差的缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)者曾試圖通過在出口管內(nèi)安裝插入件和/或在出口管外壁安裝柱狀體或縱向肋片來提高熱解盤管出口段的導(dǎo)熱率，以補(bǔ)償傳熱系數(shù)小的缺陷。可是熱解狀況在盤管的后半部分更為劇烈。在原料熱解過程中，盤管后半部分形成的焦炭明顯增多，并沉積在熱解管的內(nèi)壁上。這種結(jié)焦現(xiàn)象導(dǎo)致投產(chǎn)幾天金屬溫度就上升。由于熱解盤管前半部分熱解程度較輕，在入口區(qū)焦碳生成量比盤管后半部分要少得多，因此，在盤管的入口區(qū)，因在壁上結(jié)焦而引起金屬溫度的升高是適中的。
由于上述熱解盤管的特性，希望位于出口管內(nèi)的插入體在熱解過程中為形成焦碳增加的中心核。這樣，在該區(qū)內(nèi)采用插入體其運(yùn)程比預(yù)期運(yùn)程要短，壓力降比預(yù)期的更大，再生產(chǎn)條件變差，烯烴產(chǎn)量明顯減少。
原則上，因?yàn)槌隹诠艿耐鈧?cè)等效傳熱系數(shù)低于內(nèi)側(cè)的傳熱系數(shù)，從而使人們注意到利用擴(kuò)大表面，即在盤管出口部分設(shè)置柱狀體或肋片。由于在該部分的內(nèi)壁上結(jié)焦，導(dǎo)致柱狀體或肋片的尖端溫度限制了運(yùn)程，因此在盤管出口處利用柱狀體擴(kuò)大表面并沒有效果。
本發(fā)明涉及的是在熱解盤管的入口部分設(shè)置擴(kuò)大表面，以便使軸向氣體溫度分布曲線比目前在烯烴工業(yè)生產(chǎn)中所采用的、在熱解盤管內(nèi)均勻供熱所達(dá)到的溫度分布曲線更接近等溫線。這樣就使得熱解盤管單位重量的生產(chǎn)能力更高，而且能維持希望的熱解率，并延長兩次除焦之間的投產(chǎn)時(shí)間。反過來說，本發(fā)明每個(gè)盤管在相同的乙烯產(chǎn)量的情況下，能延長投產(chǎn)時(shí)間和/或略微提高乙烯產(chǎn)率。本發(fā)明還具體地提出在盤管的前半部，最好是盤管的前四分之一區(qū)域設(shè)置擴(kuò)大表面，而且最好使用柱狀體或縱向直鰭板或肋條，并將它們安裝在管內(nèi)側(cè)或管外側(cè)或管的內(nèi)、外側(cè)。


圖1是本發(fā)明的裂解爐的簡化示意圖;
圖2是本發(fā)明裂解爐的一組盤管的管子布置示意圖;
圖3表示帶有本發(fā)明的柱狀體的一小段管子;
圖4圖示了在管子內(nèi)周上帶有縱向鰭板或肋條的管子的橫截面;
圖5是現(xiàn)有盤管的溫度分布曲線和本發(fā)明的溫度分布曲線的比較。參考圖1，本發(fā)明提供了一臺垂直管型裂解爐，它被支承在鋼結(jié)構(gòu)框架10上。裂解爐由外壁11和12、內(nèi)壁13和14、端壁15及爐底16和17組成。外壁11和12基本上平行于內(nèi)壁13和14，外壁11和12的高度超過內(nèi)壁13和14的高度。一些垂直排列的高強(qiáng)度輻射管燃燒器18安裝在外壁11和12及內(nèi)壁13和14上。爐底16和17分別處在外壁11、12和內(nèi)壁13、14之間。爐底16和17裝有底部燃燒器19，燃燒器19最好是火焰型的。
外壁11、內(nèi)壁13、爐底16和端壁15構(gòu)成輻射加熱區(qū)20。外壁12、內(nèi)壁14、爐底17和端壁15構(gòu)成第二個(gè)輻射加熱區(qū)21。端壁15是倒U形，因而形成一個(gè)開口區(qū)22，能把燃燒器18軸向地安裝在內(nèi)壁13和14上。
內(nèi)爐頂25水平地布置在內(nèi)壁13和14上。上爐頂26水平地從外壁11向內(nèi)延伸，并布置在外壁11和端壁15上。同樣，上爐頂27水平地從外壁12向內(nèi)延伸，并安排在外壁12和端壁15上。住于上爐頂26和27上的是上壁28和29，上壁28、29和端壁15向上伸展部分形成對流區(qū)30。所有的壁、底和頂部都是用合適的耐火材料建成。
在輻射加熱區(qū)20和21內(nèi)裝設(shè)有許多垂直盤管，它們形成處理盤管31和32，盤管31和32通過吊鉤33適當(dāng)?shù)匕惭b在支承結(jié)構(gòu)10上。處理盤管31和32分別布置在外壁和內(nèi)壁11和13及12和14中間。這些處理盤管的結(jié)構(gòu)形式將在后面作較詳細(xì)的描述。安裝在對流區(qū)30內(nèi)的是水平設(shè)置的管道，圖上示意地作出了表示，標(biāo)號為35。管道35通過過渡管36和處理盤管相連，流體在其內(nèi)流過。同時(shí)，在對流區(qū)30內(nèi)還安裝了第二部分水平管道38。入口集管和出口集管38A、38B和管道38相通。
許多集合管39通過管路40向燃燒器18提供燃料。在閥42的控制下，通過集管41將燃料引進(jìn)集合管39中。根據(jù)所述的處理盤管31和32的供熱強(qiáng)度，流入燃燒器18的燃料在各豎行中可以不同。各燃燒器還可由位于管道40上的閥44作進(jìn)一步調(diào)節(jié)，進(jìn)入爐子的燃料總流量由閥45調(diào)節(jié)。眾所周知，安裝在外壁11和12，內(nèi)壁13和14上的燃燒器都有類似的、但沒畫出的管線設(shè)備。類似地，管道46將燃燒送到爐底燃燒器。
圖2示意地表示了處理盤管31的排列形式，顯然，處理盤管32的排列也相同。一般形式的裂解爐已在US-PS3274978中作了描述。然而，本發(fā)明還適用于能安裝在其他類型的裂解爐中的熱解盤管，而這些裂解爐目前在工業(yè)中已被采用。
圖2示意地表示了本發(fā)明的處理盤管31的布局，很明顯，處理盤管32也作同樣的布置。處理盤管31通常為上面所描述的“型鍛式”，它由第一通路46，第二通路47，第三通路48，第四通路49，第五通路50和第六通路51組成。如圖所示，第一通路46由四根管子組成，第二通路47和第三通路48都由二根管子組成，通路49、50和51都由一根管組成。然而，這種盤管僅是一種典型形式，但本發(fā)明并不限于這種類型。本發(fā)明還適用于任何其它結(jié)構(gòu)和管徑的熱解盤管。
下面的表詳細(xì)地表示了盤管的結(jié)構(gòu)通路序號管數(shù)內(nèi)徑(英寸)143.5225325417.5517.5617.5如圖2所示，擴(kuò)大的加熱表面52位于第一通路46的四根管子上。這種擴(kuò)大的加熱表面可以是柱狀體或縱向直鰭板式肋片。柱狀體可做成任意需要的形狀，但最好是圓柱形。熱解盤管單位長度上柱狀體或肋片的尺寸和數(shù)量應(yīng)根據(jù)任一專門結(jié)構(gòu)的工藝參數(shù)而定。例如，若柱狀體的直徑是0.5英寸，則長度范圍為0.5-0.75英寸，在任意平面內(nèi)，在管圓周上可以設(shè)置8-12個(gè)柱狀體。圖3表示了帶有柱狀體的一小段管道。柱狀體適合于設(shè)置在管的外側(cè)。縱向直鰭或肋最好設(shè)在管內(nèi)側(cè)。例如，肋可以為0.2英寸高，在管的圓周上可安裝6-10片肋片。圖4表示了在管子的內(nèi)側(cè)圓周上布置了縱向直鰭或肋片的管截面。同時(shí)，擴(kuò)大的加強(qiáng)面應(yīng)安排在處理盤管的前半部上，最好是在第一個(gè)四分之一范圍。正如所指出的那樣，圖2中的實(shí)施例僅在第一通路上有柱狀體。
從圖5中可看到在第一通路上擴(kuò)大加熱面的效果。圖5比較了傳統(tǒng)的熱解盤管和具有擴(kuò)大加熱面的相同盤管的溫度分布曲線。在圖5中可以看到在盤管的第一部分上的溫度很明顯地超過傳統(tǒng)的盤管的第一部分上的溫度，而出口部分的溫度僅稍受影響。由于入口處的溫度較高，在不提高最大出口溫度或不會(huì)顯著提高發(fā)生焦化的出口處的溫度的情況下，可加大裂解深度和盤管的生產(chǎn)能力。
下面比較了傳統(tǒng)的“型鍛式”盤管和本發(fā)明的二種不同結(jié)構(gòu)的盤管的工作特性的估算值。在所有這些情況中，盤管的結(jié)構(gòu)在第一通路中是四根管，第二和第三通路中為二根管，第四、第五和第六通路中為一根管。
傳統(tǒng)的本發(fā)明的盤管B“型鍛式”盤管A盤管通路長度，313331(英尺)每根盤管的5.7567.2126.577生產(chǎn)能力，(T.HC/h)能量增加%基礎(chǔ)量24.413.5熱負(fù)荷，16.0720.118.41MMBTU/hr運(yùn)程，天數(shù)606060乙烯產(chǎn)量Wt%一次通過28.928.728.7極限32.932.932.9工作盤管302426.3附加柱狀體，增加的有效表面%通路序號，1無50100其他通路無無無為了最有效地利用盤管前半部的金屬，將對氣體等溫分布曲線作一描述。
同時(shí)采用燃燒區(qū)及現(xiàn)有的“型鍛式”盤管結(jié)構(gòu)，可使溫度分布曲線接近于等溫線。本發(fā)明在盤管的前半部分或第一個(gè)四分之一區(qū)域利用內(nèi)側(cè)和/或外側(cè)擴(kuò)大加熱表面可使溫度分布曲線更接近于等溫線。在盤管后部擴(kuò)大加熱表面將使溫度分布曲線進(jìn)一步偏離等溫線，而且還產(chǎn)生焦化現(xiàn)象。在盤管的第一部分?jǐn)U大加熱表面可以保持或延長運(yùn)程或循環(huán)時(shí)間，保持或提高對于烯烴的裂解選擇性，增加金屬管單位重量的乙烯產(chǎn)量及它們的任意混合物的產(chǎn)量。
盡管圖5中的兩條溫度分布曲線彼此靠得很近，其溫度差對有擴(kuò)大表面的盤管有利，使這種盤管的生產(chǎn)能力增加約10%。由于動(dòng)態(tài)反應(yīng)速度隨溫度改變呈指數(shù)規(guī)律變化，小的氣體溫差對裂解反應(yīng)可產(chǎn)產(chǎn)顯著的影響。
權(quán)利要求
1.一種用于熱解烴類的裂解爐，它包括a)輻射加熱室；b)至少一根分成前半部和后半部的管狀處理盤管，以便在上述加熱室中處理流體；c)一些輻射燃燒器，以便加熱至少一根管狀處理盤管；d)上述的至少一根管狀處理盤管，至少在其前半部的一部分設(shè)有擴(kuò)大加熱面，以便增加吸收輻射熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于烴類熱解的裂解爐，其特征是上述擴(kuò)大加熱面為與管狀處理盤管相連、并從管狀處理盤管的外表面向外延伸的加熱表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于烴類熱解的裂解爐，其特征是所述擴(kuò)大加熱面為柱狀體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于烴類熱解的裂解爐，其特征是上述擴(kuò)大加熱面為與管狀處理盤管的內(nèi)表面相連、并從該內(nèi)表面向內(nèi)延伸的縱向延伸加熱面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于烴類熱解的裂解爐，其特征是上述擴(kuò)大加熱面為縱向直鰭板或肋片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于烴類熱解的裂解爐，其特征是上述擴(kuò)大加熱面僅位于上述處理管的第一個(gè)四分之一的范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于烴類熱解的裂解爐，其特征是上述擴(kuò)大加熱面僅位于管狀處理盤管的第一通路上。
全文摘要
在用于處理烴類的熱解盤管的前半部分，最好僅在盤管的第一個(gè)四分之一的范圍內(nèi)安裝了擴(kuò)大加熱面，以便增加吸收輻射熱，該擴(kuò)大加熱面可以安排在管的內(nèi)側(cè)或管的外側(cè)，其形狀可以是柱狀體或鰭板或肋條。
文檔編號C10G9/00GK1033284SQ8810683
公開日1989年6月7日 申請日期1988年9月1日 優(yōu)先權(quán)日1987年9月1日
發(fā)明者豪爾赫·莫伊塞斯·費(fèi)爾南德斯-包興, 康達(dá)沙米·米恩那克西·申達(dá)南, 約翰·文森特·阿爾巴諾, 查爾斯·薩姆納, 安德烈·羅伊 申請人:魯姆斯·克雷斯特公司