Взаимосвязанная конфигурация реактора и нагревателя для способа дегидрирования парафинов
Изобретение относится к устройствам для нагревания технологической текучей среды. Устройство предназначено для улучшения занимаемой площади огневого нагревателя и уменьшения объема огневого нагревателя. Устройство включает в себя технологический змеевик W-образной формы, обеспечивающий меньшие размеры однокамерного огневого нагревателя при более низком профиле. Изобретение направлено на обеспечение гибкости размещения по отношению к расположенным ниже по потоку реакторам. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.
Данная заявка испрашивает приоритет на основании предварительной патентной заявки США № 62/186781 от 30 июня 2015 года, полное содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к огневым нагревателям для использования в способе, включающем химические реакции.
Уровень техники
Огневые нагреватели являются обычными технологическими установками на химических предприятиях. Огневые нагреватели нагревают технологические потоки до температур реакции и обеспечивают тепло для технологических потоков при эндотермических реакциях. Огневой нагреватель имеет общую конструкцию в виде трубы для передачи технологической текучей среды внутрь камеры, в которой используются горелки для сжигания топлива для нагрева труб.
При более сложных процессах и при переходе к процессам на химических установках становятся необходимы новые конструкции, позволяющие уменьшить площадь, занимаемую огневыми обогревателями, и способные обеспечить новые преимущества при нагревании технологических текучих сред.
Разные способы имеют разную потребность в огневых нагревателях, и эти разные потребности могут влиять на конструкцию для получения усовершенствованных огневых нагревателей, имеющих значительный экономический эффект.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение предлагает усовершенствованную конструкцию огневого нагревателя и его интеграцию с расположенными ниже по потоку реакторами.
Первый вариант осуществления изобретения представляет собой устройство для уменьшения объема передачи в горячем состоянии, содержащее радиационный огневой нагреватель, имеющий одну камеру, по меньшей мере один технологический змеевик, горелки, и выход для дымового газа; и по меньшей мере один выпускной манифольд, имеющий вход, находящийся в сообщении по текучей среде с выходами технологического змеевика, и по меньшей мере один выход манифольда; при этом каждый технологический змеевик имеет конструкцию из трех труб в параллельной ориентации, с двумя полукруглыми трубчатыми участками, соединяющими концы труб, так что трубы и трубчатые участки образуют змеевик общей W-образной формы, с центральной трубой, имеющей один конец, соединенный с выпускным отверстием, и двумя расположенными по краям трубами, имеющими один конец, соединенный с впускным отверстием. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к первому варианту осуществления в данном параграфе, также включающий в себя конвекционный приемник, имеющий вход, находящийся в сообщении по текучей среде с выходом для дымового газа, и нагревательные трубы, при этом нагревательные трубы имеют вход и выход. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к первому варианту осуществления в данном параграфе, в котором конвекционный приемник находится ниже огневого нагревателя. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к первому варианту осуществления в данном параграфе, в котором конвекционный приемник расположен сбоку от огневого нагревателя. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к первому варианту осуществления в данном параграфе, в котором нагревательные трубы предназначены для производства пара. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к первому варианту осуществления в данном параграфе, также включающий в себя реактор с подвижным слоем, имеющий вход для технологического потока, расположенный над подвижным слоем реактора, выход для технологической текучей среды, вход для катализатора, сборник катализатора в донной части реактора, и выход для катализатора на дне сборника катализатора. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к первому варианту осуществления в данном параграфе, в котором радиационный огневой нагреватель поднят, чтобы обеспечить расположение входа технологического потока в реактор с подвижным слоем в пределах 0,3 м по высоте от выхода выпускного манифольда. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к первому варианту осуществления в данном параграфе, также включающий в себя реактор с подвижным слоем, имеющий вход для технологического потока, расположенный ниже подвижного слоя реактора, выход для технологической текучей среды, вход для катализатора, и выход для катализатора на дне реактора; и сборник катализатора, имеющий вход, находящийся в сообщении по текучей среде с выходом для катализатора, и выход сборника катализатора. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к первому варианту осуществления в данном параграфе, в котором реактор с подвижным слоем поднят, чтобы обеспечить расположение входа технологического потока в пределах 1 м по высоте от выхода манифольда. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к первому варианту осуществления в данном параграфе, в котором реактор с подвижным слоем поднят, чтобы обеспечить расположение входа технологического потока в пределах 2 м по высоте от выхода манифольда. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к первому варианту осуществления в данном параграфе, также включающий в себя конвекционный приемник, имеющий вход, находящийся в сообщении по текучей среде с выходом для дымового газа, и нагревательные трубы, при этом нагревательные трубы имеют вход и выход. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к первому варианту осуществления в данном параграфе, в котором конвекционный приемник находится ниже огневого нагревателя. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к первому варианту осуществления в данном параграфе, в котором конвекционный приемник расположен сбоку от огневого нагревателя.
Второй вариант осуществления изобретения представляет собой устройство, интегрированное с реактором, содержащее реактор с подвижным слоем, имеющий вход для технологического потока, расположенный на заданной высоте, выход для технологической текучей среды, вход для катализатора, сборник катализатора в донной части реактора, и выход для катализатора на дне сборника катализатора, при этом вход для технологического потока расположен над подвижным слоем, и огневой нагреватель имеет по меньшей мере один технологический змеевик и выход для дымового газа, при этом технологический змеевик имеет по меньшей мере один вход и один выход, и при этом выход технологического змеевика расположен в пределах 1 м по высоте от заданной высоты входа технологического потока реактора с подвижным слоем. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие ко второму варианту осуществления в данном параграфе, дополнительно включающий в себя конвекционный приемник, имеющий вход, находящийся в сообщении по текучей среде с выходом для дымового газа огневого нагревателя, при этом конвекционный приемник содержит нагревательные трубы, имеющие вход и выход. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие ко второму варианту осуществления в данном параграфе, дополнительно включающий в себя выпускной манифольд, имеющий множество входов, при этом каждый вход находится в сообщении с выходом технологического змеевика, и выход находится в сообщении по текучей среде с входом технологического потока в реактор с подвижным слоем, и при этом выход манифольда расположен в пределах 0,3 м по высоте от входа технологического потока в реактор с подвижным слоем. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие ко второму варианту осуществления в данном параграфе, в котором конвекционный приемник расположен ниже огневого нагревателя или сбоку от огневого нагревателя.
Третий вариант осуществления изобретения представляет собой устройство, интегрированное с реактором, содержащее реактор с подвижным слоем, имеющий вход для технологического потока, расположенный на заданной высоте, выход для технологической текучей среды, вход для катализатора, и выход для катализатора на дне реактора, при этом вход для технологического потока расположен ниже подвижного слоя, сборник катализатора имеет вход, находящийся в сообщении по текучей среде с выходом реактора, и выход; и огневой нагреватель имеет по меньшей мере один технологический змеевик и выход для дымового газа, при этом технологический змеевик имеет по меньшей мере один вход и один выход, и при этом выход технологического змеевика расположен в пределах 1 м по высоте от заданной проектом высоты входа технологического потока реактора с подвижным слоем. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к третьему варианту осуществления в данном параграфе, дополнительно включающий выпускной манифольд, имеющий множество входов, при этом каждый вход находится в сообщении с выходом технологического змеевика, и выход находится в сообщении по текучей среде с входом технологического потока в реактор с подвижным слоем, и при этом выход манифольда расположен в пределах 0,3 м по высоте от входа технологического потока в реактор с подвижным слоем. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, какой-либо или все предыдущие варианты осуществления в данном параграфе, восходящие к третьему варианту осуществления в данном параграфе, дополнительно включающий конвекционный приемник, имеющий вход, находящийся в сообщении по текучей среде с выходом для дымового газа огневого нагревателя, при этом конвекционный приемник содержит нагревательные трубы, имеющие вход и выход.
Другие цели, преимущества и применения настоящего изобретения будут очевидны специалистам в данной области техники из приведенного ниже подробного описания и чертежей.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1a представлено поперечное сечение огневого нагревателя с двойным U-образным технологическим змеевиком;
на фиг. 1b представлено поперечное сечение огневого нагревателя по настоящему изобретению с технологическим змеевиком W-образной формы;
на фиг. 2 представлена схема размещения огневого нагревателя, реактора и конвекционного приемника; и
на фиг. 3 представлена альтернативная схема размещения огневого нагревателя, реактора и конвекционного приемника.
Подробное описание
В химических способах часто требуется нагревание. Технологические нагреватели предназначены для нагревания потоков сырья или промежуточных технологических потоков до температур, необходимых для того, чтобы химические реакции в способах протекали с приемлемой скоростью. Технологические нагреватели могут быть однокамерными или двухкамерными и оснащены змеевиками разных форм, наподобие U-образной формы, что позволяет нагревать технологическую текучую среду. Змеевики установлены в огневых нагревателях, которые включают в себя горелки. Огневой нагреватель обычно представляет собой печь в форме короба с змеевиками внутри короба и горелками, установленными по бокам или на дне печи. Для промышленного способа огневой нагреватель может представлять собой очень большой элемент. Огневые нагреватели могут составлять до 25% стоимости оборудования, и усовершенствование их конструкции для снижения затрат является важным.
Огневые технологические нагреватели часто вызывают неселективные реакции, такие как термическая конверсия или крекинг углеводородов. Эти неселективные реакции снижают выход и увеличивают потери. Модернизированные нагреватели могут снижать эти потери и характеризуются более приемлемыми капитальными затратами, эксплуатационными затратами и уменьшенной площадью или меньшим размером площадки, необходимой для нагревателя.
Однокамерные или двухкамерные нагреватели, оснащенные U-образными технологическими змеевиками и установленными у торцевой стенки горизонтальными круглопламенными горелками, широко используются в таких процессах, как дегидрирование и риформинг. В процессах дегидрирования происходит множество нежелательных реакций. По оценкам, от 30% до 40% неселективности вызвано термическим крекингом в огневых нагревателях. Модернизация нагревателей может понизить количество этих неселективных реакций, в дополнение к снижению капитальных затрат и установочной площади или области, занимаемой огневыми нагревателями.
Настоящее изобретение включает однокамерный огневой нагреватель 100 с новой конструкцией змеевика. Типичная конструкция показана на фиг. 1а, на которой представлены в поперечном сечении камера 10, технологический змеевик 20, содержащий две U-образные трубы 22, горелки 12 и выход 14 для дымового газа. Типичная конструкция имеет два входа 24 технологической трубы и два выхода 26 технологической трубы. Два выхода 26 технологической трубы направляют технологическую текучую среду в отдельные выпускные манифольды 34, и Y-образный соединитель 30 соединен с выпускными манифольдами 34, который объединяет технологические текучие среды из выпускных манифольдов 34. Вариант осуществления настоящего изобретения показан на фиг. 1b, на которой представлены в поперечном сечении камера 10, технологический змеевик 40, горелки 12 и выход 14 для дымового газа. Технологический змеевик 40 имеет конструкцию из трех труб 42, ориентированных по существу параллельно с двумя изогнутыми участками 44, соединяющими концы труб 42. Изогнутые участки могут быть полукруглыми участками труб. Участки соединены с образованием змеевика общей W-образной формы. Центральная труба, имеющая один конец, соединяется с выпускным отверстием 52, и расположенные по краям трубы, имеющие один конец, соединены с впускным отверстием 54. В одном варианте осуществления, чтобы обеспечить постоянную скорость потока, центральная труба имеет больший диаметр по сравнению с расположенными по краям трубами. Выход 14 для дымового газа может быть расположен на верхней поверхности или на нижней поверхности камеры 10.
Огневой нагреватель находится в сообщении по текучей среде по меньшей мере с одним впускным манифольдом 46 и по меньшей мере с одним выпускным манифольдом 34. Впускной манифольд 46 подает подлежащую нагреванию технологическую текучую среду в огневой нагреватель и имеет множество выходов, при этом каждый выход находится в сообщении по текучей среде с входом 54 технологического змеевика. Передаточный трубопровод, соединенный с выпускным манифольдом 34, передает нагретую технологическую текучую среду к расположенному ниже по потоку реактору, и выпускной манифольд 34 имеет множество входов, при этом каждый вход находится в сообщении с выходом 52 технологического змеевика.
Применение W-образной трубы позволяет использовать намного более узкий огневой нагреватель, позволяющий исключить Y-образный соединитель 30, что уменьшает объем передаточного трубопровода для транспортировки технологической текучей среды от нагревателя в расположенное ниже по потоку устройство, обычно реактор. Уменьшение объема передаточного трубопровода способствует снижению термического крекинга в трубопроводах, ведущих к реактору. Это обеспечивает более компактное размещение технологических нагревателей и лучшее расположение технологических нагревателей по отношению к находящимся ниже по потоку реакторам. В одном варианте осуществления меньший размер огневого нагревателя позволяет поднимать или размещать огневой нагреватель для использования горячих дымовых газов. Горячие дымовые газы, которые выходят из выхода 14 огневого нагревателя, имеют температуру в диапазоне от 700°C до 1100°C и направляются в конвекционный приемник. Конвекционный приемник включает в себя нагревательные трубы для образования пара или для других способов утилизации тепла.
Настоящее изобретение предусматривает интеграцию огневого нагревателя с существующими реакторами для улучшения передачи технологических текучих сред из огневого нагревателя в расположенный ниже по потоку реактор и для утилизации тепла дымового газа огневого нагревателя. За счет исключения Y-образного соединителя 30 огневой нагреватель может быть размещен ближе к реактору, минимизируя передаточные трубопроводы между огневым нагревателем и расположенными ниже по потоку реакторами.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг. 2, огневой нагреватель 100 расположен над конвекционным приемником 110. В данной конструкции огневой нагреватель 100 может быть поднят, что позволяет поднять выпускной манифольд 34. Нагреватель может быть поднят, чтобы находиться вблизи от входа 122 реактора 120. В данном варианте осуществления величина подъема нагревателя зависит от высоты, на которой расположен вход реактора. Данная конструкция позволяет модифицировать существующие реакторы, имеющие входы в верхней части реактора 120, без необходимости добавления значительных передаточных трубопроводов или без необходимости замены реакторной установки. Существующий реактор с подвижным слоем может иметь вход для технологического потока, расположенный над подвижным слоем 124 реактора, вход 126 для катализатора в верхней части реактора, сборник катализатора в донной части реактора, и выход для технологической текучей среды. Сборник катализатора имеет выход 128 для катализатора на дне сборника катализатора. В реакторе с подвижным слоем подвижный слой катализатора находится в кольцевой области, и катализатор перемещается вниз через кольцевую область. Технологическая текучая среда поступает в реактор с одной стороны кольцевой области, протекает через кольцевой слой реактора и выходит из другой стороны кольцевой области.
При данной конструкции огневой нагреватель может быть поднят для поддержания высоты выхода технологической текучей среды в пределах 2 м от высоты входа в реактор. Предпочтительно, разница в высоте манифольда и входа в реактор может быть меньше и может быть снижена до 1 м или даже до 0,3 м.
В другом варианте осуществления конвекционный приемник 100 может быть расположен сбоку от огневого нагревателя 100, если недостаточно места ниже огневого нагревателя для размещения конвекционного приемника под огневым нагревателем.
В другом варианте осуществления, как показано на фиг. 3, существующий реактор 120 имеет вход, расположенный ниже подвижного слоя 124 реактора. Реактор 120 с подвижным слоем включает в себя вход 122 для технологического потока, вход 126 для катализатора и выход 128 для катализатора на дне реактора 120. Этот вариант осуществления включает в себя сборник 130 катализатора, имеющий вход 132, находящийся в сообщении по текучей среде с выходом 128 для катализатора, и выход 134 сборника катализатора. В данном варианте осуществления огневой нагреватель 100 находится на уровне или близко к уровню основания площадки, и выпускной манифольд имеет меньший подъем, реактор 120 может быть приподнят, чтобы обеспечить расположение выхода 52 технологического змеевика в пределах 1 м по высоте от входа 122 технологической текучей среды в реактор. В данном варианте осуществления высота подъема реактора зависит от высоты, на которой расположен выпускной манифольд нагревателя.
Технологический змеевик с W-образной трубой уменьшает термический крекинг и снижает капитальные затраты на огневые нагреватели. Огневой нагреватель меньшего размера дает возможность лучшего размещения огневого нагревателя относительно реактора и позволяет минимизировать длину передаточного трубопровода между огневым нагревателем и реактором. Это снижает время пребывания в горячем состоянии в передаточных трубопроводах и уменьшает термический крекинг в передаточных трубопроводах.
Хотя изобретение описано с использованием того, что в данном случае рассматривается как предпочтительные варианты осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничено описанными вариантами осуществления, но предполагает охват различных модификаций и эквивалентных конфигураций, включенных в объем прилагаемой формулы изобретения.
1. Устройство для уменьшения объема трубопровода текучей горячей среды до расположенного ниже по потоку реактора, включающее в себя:
радиационный огневой нагреватель, имеющий одну камеру, по меньшей мере один технологический змеевик, имеющий одно выпускное отверстие и два впускных отверстия, горелки и выход для дымового газа; и
по меньшей мере один выпускной манифольд, имеющий вход, находящийся в сообщении по текучей среде с выпускным отверстием по меньшей мере одного технологического змеевика, и по меньшей мере один выход;
при этом каждый технологический змеевик имеет конструкцию из трех труб, ориентированных параллельно, с двумя полукруглыми трубчатыми участками, соединяющими концы труб, так что трубы и трубчатые участки образуют змеевик общей W-образной формы с центральной трубой, имеющей один конец, соединенный с выпускным отверстием, и двумя расположенными по краям трубами, каждая из которых имеет один конец, соединенный с одним из двух впускных отверстий, причем
центральная труба имеет больший диаметр, чем диаметры труб, расположенных по краям.
2. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее конвекционный приемник, имеющий вход, находящийся в сообщении по текучей среде с выходом для дымового газа, и нагревательные трубы, при этом нагревательные трубы имеют вход и выход.
3. Устройство по п. 2, в котором конвекционный приемник находится выше или ниже огневого нагревателя.
4. Устройство по п. 2, в котором конвекционный приемник расположен сбоку от огневого нагревателя.
5. Устройство по п. 2, в котором нагревательные трубы предназначены для производства пара.
6. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее:
реактор с подвижным слоем, имеющий вход для технологического потока, расположенный над подвижным слоем реактора, выход для технологической текучей среды, вход для катализатора, сборник катализатора в донной части реактора и выход для катализатора на дне сборника катализатора.
7. Устройство по п. 6, в котором радиационный огневой нагреватель поднят, чтобы обеспечить расположение входа технологического потока в реактор с подвижным слоем в пределах 0,3 м по высоте от выхода выпускного манифольда.
8. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее:
реактор с подвижным слоем, имеющий вход для технологического потока, расположенный ниже подвижного слоя реактора, выход для технологической текучей среды, вход для катализатора и выход для катализатора на дне реактора; и
сборник катализатора, имеющий вход, находящийся в сообщении по текучей среде с выходом для катализатора, и выход сборника катализатора.
9. Устройство по п. 8, в котором реактор с подвижным слоем поднят, чтобы обеспечить расположение входа технологического потока в пределах 1 м по высоте от выхода манифольда.
10. Устройство по п. 8, в котором реактор с подвижным слоем поднят, чтобы обеспечить расположение входа технологического потока в пределах 2 м по высоте от выхода манифольда.
