Радиантный змеевик печи для этиленового крекинга
Владельцы патента RU 2615753:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВПО "КГЭУ") (RU)
Изобретение относится к радиантному змеевику печи для этиленового крекинга. Змеевик содержит первую впускную трубу, вторую трубу, третью трубу и четвертую выпускную трубу, которые соединены последовательно по движению входного потока газовой смеси с помощью отводов, причем первая впускная труба выполнена U-образной формы из двух круглых труб меньшего диаметра по сравнению с поперечными сечениями второй, третьей и четвертой труб. При этом вторая, третья и четвертая трубы в поперечном сечении выполнены профилированными с контуром внутренней поверхности в форме геликоида с соотношением малой и большой осей геликоида, равным 0,4-0,79, и с внутренним плавным выступом по геометрической поверхности второго порядка с узкого конца геликоида, при этом внутренний плавный выступ в зависимости от состава исходного пиролизного сырья и требуемого уровня селективности процесса спирально закручен вокруг вертикальных осей с шагом, равным 1,5-2,6 от длины большой оси геликоида, причем закрутка внутреннего плавного выступа выполнена в противоположную сторону по отношению к направлению вращения вихря в самих геликоидных каналах, образованных внутри труб с геликоидной поверхностью, при этом четвертая выпускная труба выполнена с поперечным сечением, большим поперечного сечения третьей трубы, поперечное сечение которой больше поперечного сечения второй трубы, в свою очередь поперечное сечение второй трубы больше диаметра первой впускной трубы. Конструкция предлагаемого змеевика позволяет снизить процессы коксования внутренней поверхности труб змеевика и повысить селективность процесса получения высококондиционного пиролизного газа. 2 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области термического некаталитического крекинга, а именно к конструкции радиантного змеевика пиролизных печей нефтехимии, в которых получают пиролизный газ, являющийся первичным продуктом в непрерывной технологической линии при производстве этилена.
Известны способы этиленового крекинга, осуществляемые с помощью нефтехимического оборудования для работы с этиленом, которые в основном включают технологические схемы, разработанные LUMMUS Co. (USA), Stone & Webster Co. (USA), Kellog & Braun Root Co.(USA), Linde Co. (Germany), Technip KTI Co. (Netherlands).
Известна крекинг-печь CBL, сконструированная China Petrochemical Corporation.
Прототипом является многоходовый радиантный змеевик печи для этиленового крекинга, содержащий первую трубу, вторую трубу, третью трубу, четвертую трубу круглого поперечного сечения, причем первая труба выполнена U-образной формы из двух труб меньшего диаметра по сравнению с остальными трубами, прямолинейные участки труб соединены последовательно по движению входного потока газовой смеси с помощью трех отводов (патент RU 2552417, МПК C10G 9/20, 10.06.2015).
Недостатки известного устройства:
1. Быстрое закоксовывание внутренней поверхности труб радиантного змеевика из-за недостаточно высокой скорости движения нагреваемой газовой смеси, так как вблизи внутренней стенки радиантного змеевика вследствие более высокой температуры стенки и более низкой скорости потока вдоль нее значения температуры обычно больше, чем в основном объеме, что способствует протеканию в пристенном слое вторичных процессов и образованию коксовых отложений, снижающих выход целевых продуктов.
2. Известное устройство имеет недостаточную селективность процесса и выхода конечного продукта - высококондиционного пиролизного газа, так как для повышения селективности процесса и выходов продуктов при пиролизе время пребывания сырья в реакционной зоне необходимо сокращать, а температуру повышать. Из-за предельно достигнутой величины температуры нагрева для хромоникелевых сплавов, из которых изготовлены трубы радиантного змеевика, в известном устройстве температуру нагрева сырьевого потока повысить нельзя, а время пребывания в реакционной зоне также ограничено скоростью движения сырьевого потока по круглым трубам.
Задачей изобретения является разработка конструкции радиантного змеевика, в которой устранены недостатки прототипа.
Техническим результатом является снижение процессов коксования внутренней поверхности труб радиантного змеевика и повышение селективности процесса выхода конечного продукта высококондиционного пиролизного газа, то есть получение конечного состава пиролизного газа с регулируемым при пиролизе расширением его номенклатуры по газовым компонентам.
Технический результат достигается тем, что в радиантном змеевике печи для этиленового крекинга, содержащем первую впускную трубу, вторую трубу, третью трубу и четвертую выпускную трубу, которые соединены последовательно по движению входного потока газовой смеси с помощью отводов, причем первая впускная труба выполнена U-образной формы из двух круглых труб меньшего диаметра по сравнению с поперечными сечениями второй, третьей и четвертой труб, согласно настоящему изобретению вторая, третья и четвертая трубы в поперечном сечении выполнены профилированными с контуром внутренней поверхности в форме геликоида с соотношением малой и большой осей геликоида, равным 0,4-0,79, и с внутренним плавным выступом по геометрической поверхности второго порядка с узкого конца геликоида, при этом внутренний плавный выступ в зависимости от состава исходного пиролизного сырья и требуемого уровня селективности процесса спирально закручен вокруг вертикальных осей с шагом, равным 1,5-2,6 от длины большой оси геликоида, причем закрутка внутреннего плавного выступа выполнена в противоположную сторону по отношению к направлению вращения вихря в самих геликоидных каналах, образованных внутри труб с геликоидной поверхностью, при этом четвертая выпускная труба выполнена с поперечным сечением, большим поперечного сечения третьей трубы, поперечное сечение которой больше поперечного сечения второй трубы, в свою очередь поперечное сечение второй трубы больше диаметра первой впускной трубы.
Таким образом, технический результат достигается применением в заявляемом устройстве для конечной стадии нагрева исходного пиролизного сырья профилированных литых труб радиантного змеевика, поперечное сечение которых, начиная со второй трубы, обеспечивает спиралевидное продольное движение нагреваемого пиролизного сырья с высокой периферийной скоростью движения продукта в пристенном слое, снижая за счет этого время контакта продукта с нагретыми стенками и уменьшая время пребывания продукта на конечной стадии нагрева в радиантном змеевике.
Конструкция заявляемого устройства приведена на фиг. 1 и 2, на которых показаны: на фиг. 1 - фронтальный вид радиантного змеевика, нагревающего поток исходного пиролизного сырья, на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1 (поперечное сечение третьей трубы змеевика).
Цифрами на чертежах обозначены следующие элементы устройства:
1 - первая впускная труба,
2 - вторая труба,
3 - третья труба,
4 - четвертая выпускная труба,
5 - отвод,
6 - входной поток газовой смеси для нагрева,
7 - выходной поток пиролизного газа,
8 - геликоид (геликоидная поверхность),
9 - малая ось геликоида (геликоидной поверхности),
10 - большая ось геликоида (геликоидной поверхности),
11 - внутренний плавный выступ по геометрической поверхности второго порядка с узкого конца геликоида (на геликоидной поверхности),
12 - спиральная закрутка внутреннего плавного выступа на третьей трубе,
13 - спиральная закрутка внутреннего плавного выступа на четвертой трубе,
14 - периферийный вихрь внутри трубы (направление вращения),
15 - спиральная закрутка выступа внутри трубы (направление вращения),
16 - вертикальные оси труб,
17 - поток теплового излучения от нагретых внутренних стенок обмуровки пиролизной печи,
18 - спиральная закрутка внутреннего геликоидного выступа на второй трубе.
Назначение и взаимодействие элементов устройства следующее.
Первая впускная труба 1 U-образной формы состоит из двух труб меньшего диаметра и служит для нагрева входного потока 6 пиролизного сырья на начальной стадии, при которой вторичных процессов в нагреваемом сырье очень мало.
Теплота к трубам 1, 2, 3 и 4, так же как и ко всем поверхностям радиантного змеевика для нагрева входного потока 6 газовой смеси пиролизного сырья, подводится за счет теплового излучения 17 от нагретых внутренних стенок обмуровки пиролизной печи, обогреваемых плоско-факельными газовыми горелками (на фиг. 1 и 2 стенки и горелки не показаны).
Материал труб 1, 2, 3 и 4, так же как и всех элементов на фиг. 1 и 2, - высококачественная жаропрочная хромоникелевая сталь. Прямолинейные участки труб соединены между собой отводами 5.
Труба 3 и выпускная труба 4 соединены последовательно и служат для получения выходного потока 7 высоконагретого пиролизного газа, который затем поступает в закалочно-испарительный аппарат для резкого охлаждения (на фиг. 1 и 2 не показан) и далее идет для получения этилена.
В заявляемом изобретении трубы 2, 3 и 4 в поперечном сечении выполнены профилированными с контуром внутренней поверхности в форме геликоида 8 (фиг. 2) с соотношением малой 9 и большой 10 осей геликоида, равным 0,47-0,79, и с внутренним плавным выступом 11 по геометрической поверхности второго порядка с узкого конца геликоида, причем внутренний плавный выступ 11 закручен вокруг вертикальной оси 16 труб 2, 3 и 4 (фиг. 1) с шагом, равным 1,5-2,6 от длины большой оси 10 геликоида в зависимости от состава исходного пиролизного сырья и требуемого уровня селективности процесса, причем закрутка внутреннего плавного выступа 11 выполнена в противоположную сторону закрутке вихря 14 в самих геликоидных каналах, образованных внутри труб 2, 3 и 4 выступом 11, а вертикальные оси 16 для труб 2, 3 и 4 в плоскости их поперечного сечения, относительно которых вращается периферийный вихрь 14, совпадают с точкой пересечения малой 9 и большой 10 осей геликоида 8. Выпускная труба 4 выполнена с поперечным сечением, большим поперечного сечения трубы 3, поперечное сечение которой больше поперечного сечения трубы 2. В свою очередь поперечное сечение трубы 2 больше диаметра первой впускной трубы, т.е. диаметры двух труб впускной трубы 1 U-образной формы не превышают в сумме поперечное сечение второй трубы.
На фиг. 1 и 2 для труб 2, 3, 4 показана правая спиральная закрутка 15 выступа 11 на внутренней геликоидной поверхности 8 и левое направление вращения периферийного вихря 14 внутри трубы.
По заявляемому изобретению может применяться и левая спиральная закрутка 15 выступа на внутренней геликоидной поверхности 8, и правое направление вращения периферийного вихря 14 внутри трубы. Тогда место расположения положение выступа 11 будет симметричное по отношению к оси 10 (фиг. 2).
Заявляемое устройство в оригинальной части работает следующим образом. При входе на первый виток выступа 11 трубы 2 происходит образование пристеночного периферийного вихря 14, который, вращаясь с очень большой скоростью, перемещается вместе с центральной струей (на фиг. 1 и фиг. 2 центральная струя не обозначена) пиролизного газа по спирали вдоль оси трубы. Если бы не было закрутки выступа 11 по внутренней геликоидной поверхности 8, то поток пиролизного газового сырья двигался внутри трубы прямолинейно по всей ее длине с меньшей скоростью по сравнению с закрученным потоком. За счет закручивания потока повышается скорость движения газа, повышается теплоприток для нагревания сырья при одновременном снижении времени пребывания нагреваемого сырья в радиантном змеевике, то есть достигается положительный эффект по снижению коксообразования и повышению селективности процесса пиролиза.
Так как имеется закрутка выступа 11 и положение его вдоль трубы изменяется, то меняется и положение вихря 14, то есть вихрь двигается не прямолинейно, а по спирали, причем резко возрастает скорость его движения за счет вторичного вихря.
Поэтому в заявляемом изобретении возрастает коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к сырьевому потоку, уменьшается время пребывания сырьевого потока в зоне высоких температур, что уменьшает возможность протекания вторичных реакций и уменьшает эффекты коксования. Создаются более благоприятные условия для проведения процесса пиролиза в сравнении с трубами, в которых движение сырьевого потока прямолинейное.
Прямолинейные участки труб 1, 2, 3 и 4 выполнены с увеличивающимся внутренним диаметром до 10% на 10 м длины при увеличении толщины стенки (на фиг 1 и фиг. 2 увеличение внутреннего и наружного диаметров условно не показано). Эффект от применимости увеличения диаметра труб уменьшает коксообразование, так как при увеличении диаметра трубы объем трубы возрастает в «n» раз, а поверхность трубы, контактирующая с нагреваемым пиролизным газом, возрастает по зависимости в n2/3 раз.
Пример конкретного исполнения.
Для частного случая исполнения в радиантном поточном змеевике по схеме, изображенной на фиг. 1, основные конструктивные параметры приведены в таблице.
Для конкретного исполнения расчетное давление в трубах радиантного змеевика 4,0 кГ/см2, расчетная предельная температура 1040°С, материал труб сплав НК-40 (25% Cr, 20% Ni).
Как указано выше, для конкретных конструкций в зависимости от состава исходного пиролизного сырья и требуемого уровня селективности процесса трубы 1, 2, 3 и 4 (фиг. 1) выполняются с увеличивающимся диаметром. Для труб 2, 3, 4 по ходу движения нагреваемого газа увеличение диаметра происходит как по малой оси 9, так и по большой оси 10 геликоидной поверхности 8.
Радиантный змеевик печи для этиленового крекинга, содержащий первую впускную трубу, вторую трубу, третью трубу и четвертую выпускную трубу, которые соединены последовательно по движению входного потока газовой смеси с помощью отводов, причем первая впускная труба выполнена U-образной формы из двух круглых труб меньшего диаметра по сравнению с поперечными сечениями второй, третьей и четвертой труб, отличающийся тем, что вторая, третья и четвертая трубы в поперечном сечении выполнены профилированными с контуром внутренней поверхности в форме геликоида с соотношением малой и большой осей геликоида, равным 0,4-0,79, и с внутренним плавным выступом по геометрической поверхности второго порядка с узкого конца геликоида, при этом внутренний плавный выступ в зависимости от состава исходного пиролизного сырья и требуемого уровня селективности процесса спирально закручен вокруг вертикальных осей с шагом, равным 1,5-2,6 от длины большой оси геликоида, причем закрутка внутреннего плавного выступа выполнена в противоположную сторону по отношению к направлению вращения вихря в самих геликоидных каналах, образованных внутри труб с геликоидной поверхностью, при этом четвертая выпускная труба выполнена с поперечным сечением, большим поперечного сечения третьей трубы, поперечное сечение которой больше поперечного сечения второй трубы, в свою очередь поперечное сечение второй трубы больше диаметра первой впускной трубы.
