Устройство для получения низших олефинов

 

Использование: для переработки нефтяного сырья, а именно для получения низших олефинов, изобретение позволяет повысить выход целевых продуктов. Устройство включает корпус со средствами ввода углеводородного сырья и вывода продуктов пиролиза, имеющий расположенные последовательно по ходу обрабатываемого сырья, зоны нагрева и пиролиза и концентрично расположенную в корпусе горелку, содержащую цилиндрический корпус с соплом, расположенным соосно ему на его торце. В цилиндрическом корпусе установлен центральный трубопровод для подачи окислителя, образующий с внутренней стенкой корпуса горелки кольцеобразный канал для подачи топлива к соплу. Горелку устанавливают в зоне пиролиза на ее участке, определяемом интервалом температур 600-650°С. Она содержит по меньшей мере один ряд равномерно расположенных по периферии ее корпуса дополнительных сопл. Центральный трубопровод снабжен ответвлениями по числу сопл, сообщенными своими выходными отверстиями с каналом для подачи топлива и расположенными соосно каждое соответствующему соплу. Устройство дополнительно содержит смонтированное на наружной стенке корпуса горелочное приспособление, содержащее выполненные в стенке корпуса вблизи горелки и равномерно расположенные по его периметру по меньшей мере в один ряд сопла, выходные концы которых выступают за внутреннюю стенку корпуса, закрепленный на корпусе кольцеобразный коллектор для стенки подвода топлива, сообщенный с входными отверстиями сопл и смонтированный на наружной стороне, кольцеобразный коллектор для подвода окислителя, сообщенный с входными отверстиями сопл посредством патрубков, проходящих через первый коллектор. Расстояние между горелкой и соплами горелочного приспособления выбрано из условия исключения возможности взаимодействия факелов пламени. Дополнительные сопла горелки и сопла горелочного приспособления установлены под углом к продольной оси корпуса, не превышающим 90°. Сопла предыдущих и последующих рядов в горелке и горелочном приспособлении смещены по окружности относительно друг друга и расположены в шахматном порядке. 4 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области переработки нефтяного сырья, а именно к устройствам для получения низших олефинов, и может быть использовано в нефтехимической и химической промышленности.

В настоящее время для получения целевых продуктов из углеводородного сырья используются различные устройства, в которых используется тепло, необходимое для превращения углеводородного сырья, получаемое в результате сжигания водорода в атмосфере кислорода, и подачи продуктов горения непосредственно в реактор пиролиза.

Так, например, известно устройство [1] для получения низших олефинов, которое содержит аппарат высокого давления, в котором установлен с возможностью поступательного движения реактор для пиролиза сырья. Такое расположение реактора позволяет поддерживать давление внутри и снаружи него на одном и том же уровне, что обеспечивает его использование при высоких температурах и давлении. Реактор содержит средства для подвода углеводородного сырья и вывода продуктов пиролиза, трубопроводы для ввода кислорода и предварительно нагретого водорода, две реакционные зоны, сообщающиеся между собой, и размещенные относительно друг друга на расстоянии 5-12 диаметров первой реакционной зоны. На конечном участке второй зоны по направлению пиролизуемого сырья установлено изоэнтропийное сопло Лаваля для быстрого охлаждения продуктов пиролиза. На этом же участке имеется средство для введения охлаждающей жидкости, например воды. Комбинированное аэродинамическое и струйное охлаждение снижает температуру до нужного значения в течение 1-2 мс.

Устройство реализуется следующим образом.

Поток кислорода вводят в центральную часть первой реакционной зоны, а по его периферии в том же направлении параллельный поток предварительно нагретого водорода. В первой реакционной зоне водород спонтанно взаимодействует с кислородом, образуя при этом газовый поток теплоносителя с температурой 1000-2000^оС. Этот поток поступает во вторую реакционную зону, где сталкивается с одним или более потоками нагретого углеводородного сырья, подаваемыми также во вторую зону. При этом скорости потоков и их расходы таковы, что происходит высококачественное смешивание и требуемый сверхбыстрый нагрев углеводородного сырья, что обеспечивает его пиролиз при температуре 1200-1800^оС в течение 1-10 мс. Затем следует быстрое охлаждение полученных продуктов пиролиза.

Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает максимального выхода целевых продуктов из углеводородного сырья, так как зона получения теплоносителя (первая реакционная зона) и зона пиролиза углеводородного сырья (вторая реакционная зона) разнесены в реакторе на определенном расстоянии друг от друга, в результате чего теряется часть тепла и свободных радикалов, переносимых от факела пламени к этому сырью.

Наиболее близким по технической сущности является устройство [2] для получения низших олефинов, которое содержит корпус со средствами ввода углеводородного сырья и вывода продуктов пиролиза, имеющий расположенные последовательно по ходу обрабатываемого сырья зону нагрева и зону пиролиза, концентрично расположенную в корпусе горелку, содержащую цилиндрический корпус с соплом, расположенным соосно ему, на его торце, и, установленный в цилиндрическом корпусе, центральный трубопровод для подачи окислителя, образующий с внутренней стенкой корпуса горелки кольцеобразный канал для подачи топлива к соплу. Горелка установлена в зоне нагрева.

Устройство реализуется следующим образом. Поток углеводородного сырья подают в зону нагрева, где оно нагревается до температуры 200-300^оС, и на этом же участке вводят инициирующие добавки, которыми являются промежуточные продукты горения топлива углеводородов и окислителя кислорода, образующиеся в факеле пламени, формируемом в сопле горелки. Проинициированное сырье поступает в зону пиролиза, где поддерживается температура 750-920^оС. Образующиеся продукты пиролиза охлаждают с последующим выделением из них целевых продуктов.

Недостатком указанного устройства является то, что горелка расположена в зоне нагрева пиролизуемого сырья. Такое расположение ее в зоне с минимальной температурой (200-300^оС) приводит к снижению скорости реакции взаимодействия радикалов с углеводородным сырьем. При данных температурах мало время жизни радикалов, а зародившиеся цепи пиролиза гибнут, не достигнув зоны пиролиза, из-за отсутствия температурных условий для продолжения цепей. Использование инициирующих добавок от одного факела пламени малоэффективно из-за небольшой поверхности контакта активных частиц с пиролизуемым углеводородным сырьем, что отрицательно влияет на выход целевых продуктов. Таким образом, данное устройство характеризуется невысоким выходом низших олефинов, в частности этилена, составляющим 29-39 мас. что связано с низкой температурой сырья при его инициировании и значительным удалением факела пламени горелки от основной зоны пиролиза.

Цель изобретения повышение выхода целевых продуктов, в частности этилена.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для получения низших олефинов, включающем корпус со средствами ввода углеводородного сырья и вывода продуктов пиролиза, имеющим расположенные последовательно по ходу обрабатываемого сырья зону нагрева и зону пиролиза, концентрично расположенную в корпусе горелку, содержащую цилиндрический корпус с соплом, расположенным соосно ему, на его торце, и установленный в цилиндрическом корпусе центральный трубопровод для подачи окислителя, образующий с внутренней стенкой корпуса горелки кольцеобразный канал для подачи топлива к соплу, горелку устанавливают в зоне пиролиза на ее участке, определяемом интервалом температур 600-650^оС, и она содержит по меньшей мере один ряд равномерно расположенных по периферии ее корпуса дополнительных сопел. Центральный трубопровод снабжен ответвлениями по числу сопел, сообщенными своими выходными отверстиями с каналом для подачи топлива и расположенными соосно каждое соответствующему соплу. Дополнительно содержится смонтированное на наружной стенке корпуса, горелочное приспособление, содержащее выполненные в стенке корпуса вблизи горелки и равномерно расположенные по его периметру по меньшей мере в один ряд сопла, выходные концы которых выступают за внутреннюю стенку корпуса, закрепленный на корпусе кольцеобразный коллектор для подвода топлива, сообщенный с входными отверстиями сопел, и смонтированный на его наружной стороне второй кольцеобразный коллектор для подвода окислителя, сообщенный с входными отверстиями сопел посредством патрубков, проходящих через первый коллектор. Расстояние между горелкой и соплами горелочного приспособления выбрано из условия исключения возможности взаимодействия организованных соплами горелки и горелочного приспособления факелов пламени. Дополнительные сопла горелки и сопла горелочного приспособления установлены под углом к продольной оси корпуса, не превышающим 90^о. Сопла предыдущих и последующих рядов в горелке и горелочном приспособлении смещены по окружности относительно друг друга и расположены в шахматном порядке.

Предлагаемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия", так как использование в устройстве для получения олефинов инициирующей горелки, имеющей по меньшей мере один ряд равномерно расположенных по периметру ее корпуса сопел, и смонтированной на наружной стенке корпуса пиролизной печи, вблизи горелки, горелочного приспособления в технике не известно.

Такое исполнение устройства, когда используется лишь одна горелка, установленная по оси корпуса пиролизной печи, и такая конструкция горелки и ее расположение позволяет более эффективно перераспределить тепло и инициирующие частицы в объеме углеводородного сырья за счет увеличения площади взаимодействия сырья с факелами пламени, организованными дополнительными соплами горелки. В локальной зоне пламени исключается перегрев паросырьевой смеси, приводящий к образованию продуктов (СО, СО₂, ацетилен, сажа), уменьшающих выход олефинов. Факелы пламени, организованные дополнительными соплами, за счет соответствующего размещения последних образуют сплошной факел пламени, характеризующийся стабильностью и устойчивостью при больших линейных скоростях движения углеводородного сырья в корпусе устройства, что увеличивает эффективность процесса инициирования.

Целесообразно использовать вариант устройства с одновременным расположением горелки и горелочного приспособления, размещая их таким образом, чтобы организованные соплами горелки и горелочного приспособления факелы пламени не пересекались. Такой вариант исполнения устройства является оптимальным при большем поперечном сечении корпуса и дает возможность организовать взаимодействие углеводородного сырья с факелами пламени по всей площади поперечного сечения корпуса и тем самым увеличить максимально выход целевых продуктов. Целесообразно, чтобы дополнительные сопла горелки и сопла горелочного приспособления были установлены под углом к продольной оси корпуса, не превышающим 90^о. Это обеспечит стабильность и устойчивость процесса горения при больших линейных скоростях движения углеводородного сырья, а также равномерность воздействия тепла и инициирующих добавок.

Предпочтительно, чтобы сопла предыдущих и последующих рядов горелки и горелочного приспособления были смещены относительно друг друга по окружности и расположены в шахматном порядке. При таком расположении сопел не происходит образования локальных зон перегрева за счет пересечения факелов пламени и обеспечивается оптимальное время контакта углеводородного сырья с инициирующими добавками.

На фиг. 1 изображено устройство для получения низших олефинов; на фиг.2 узел I на фиг.1; на фиг.3 то же, с дополнительно установленным на корпусе горелочным приспособлением; на фиг.4 разрез А-А на фиг.3; на фиг.4 разрез А-А на фиг.3; на фиг.5 вариант горелки с двумя рядами дополнительных сопел.

Устройство включает корпус 1, представляющий собой цилиндрическую трубу, изогнутую в виде змеевика, снабженный средствами 2,3 ввода углеводородного сырья и вывода продуктов пиролиза. Корпус 1 имеет расположенные последовательно по ходу обрабатываемого сырья зону 4 нагрева и зону 5 пиролиза. В начале зоны 5 пиролиза в корпусе 1 имеются трубопроводы 6, 7 для подвода топлива и окислителя. Устройство снабжено регулируемыми нагревателями для поддержания требуемого температурного режима в зоне 4 нагрева и зоне 5 пиролиза.

В корпусе 1 имеется концентрично расположенная горелка 8, содержащая цилиндрический корпус 9, который выполнен с соплом 10, расположенным соосно ему на его торце 11, и с дополнительными соплами 12, равномерно расположенными по периферии корпуса 9 в один ряд. Сопла 12 горелки 8 установлены под углом к продольной оси корпуса 1. Угол не превышает 90^о. В корпусе 9 установлен центральный трубопровод 13 для подачи окислителя, снабженный ответвлениями 14 по числу сопел 12. Трубопровод 13 образует с внутренней стенкой корпуса 9 горелки 8 кольцеобразный канал 15 для подачи топлива к соплу 10. Ответвления 14 сообщены своими выходными отверстиями 16 с каналом 15 и расположены соосно каждое соответствующему соплу 12. Горелка 8 другим своим торцом закреплена в стенке корпуса 1, трубопровод 13 подсоединен к трубопроводу 7 и канал 15 подсоединен к трубопроводу 6, на фиг.2 условно не показано. Горелка 8 установлена в зоне 5 пиролиза на участке I (фиг.1), определяемом интервалом температур 600-650^оС.

Согласно другому варианту выполнения устройство дополнительно содержит смонтированное на наружной стенке корпуса 1 горелочное приспособление 17, которое имеет выполненные в стенке корпуса 1, вблизи горелки 8, и равномерно расположенные по его периметру по меньшей мере в один ряд сопла 18. Сопла 18 расположены в зоне 5 начала пиролиза, определяемой температурой 600-650^оС, и установлены под углом к продольной оси корпуса 1. Угол не превышает 90^о, предпочтительно 45^о. Выходные концы 19 сопел 18 выступают за внутреннюю стенку корпуса 1. На корпусе 1 закреплен кольцеобразный коллектор 20 для подачи топлива. Коллектор 20, имеющий П-образную форму проходного сечения, жестко соединен с корпусом 1 своими полками и сообщен с выходными отверстиями 21 сопел 18. На наружной стороне коллектора 20 для подвода окислителя закреплен кольцеобразный коллектор 22 с проходным сечением в форме полукруга. Коллектор 22 сообщается входными отверстиями 21 сопел 18 посредством патрубков 23, проходящих через коллектор 20. Коллекторы 20, 22 сообщены соответственно с трубопроводами 6, 7. Расстояние между горелкой 8 и соплами 18 горелочного приспособления 17 выбрано из условия исключения возможности взаимодействия организованных соплами 10, 12 и соплами 18 факелов пламени. Расстояние может меняться в зависимости от расположения горелочного приспособления 17 в зоне 5 начала пиролиза, выбираемого в зависимости от диаметра корпуса 1, и размеров факелов пламени.

На фиг. 4 изображено устройство, снабженное горелочным приспособлением 17, имеющее восемь сопел 18 и восемь патрубков 23, и горелкой 8, имеющей одно сопло 10 и четыре дополнительных сопла 12.

Горелка 8 (фиг.5) снабжена вторым рядом сопел 24, смещенных относительно сопел 12 по окружности, и расположенных в шахматном порядке. Трубопровод 13 имеет второй ряд ответвлений 25, каждое из которых расположено соосно соответствующему соплу 24, и сообщен своими выходными отверстиями с каналом 15.

Углеводородное сырье, которое может быть использовано, включает как легкое, так и тяжелое углеводородное сырье. Легкие углеводороды включают нафту, легкий газойль, пропан, пентан, этан и природный газ. Тяжелые углеводороды включают углеводороды, имеющие нормальную температуру потери текучести от -5^оС до 150^оС и тяжелые углеводороды, получаемые при процессах очистки.

Устройство для получения олефинов работает следующим образом.

В зону 4 корпуса 1 через средство 2 подают поток углеводородного сырья, состоящего из 55,7 мас. пропана, 43,3 мас. бутана и разбавителя пара со скоростью 1200 м³/ч и 1000 м³/ч соответственно. Смесь нагревают в зоне 4 до температуры 600^оС.

Одновременно в горелку 8 по трубопроводу 13, подсоединенному к трубопроводу 7, подается поток кислорода со скоростью 60 м³/ч, а по каналу 15, подсоединенному к трубопроводу 6, поступает поток водорода, предварительно нагретого до температуры 650-1000^оС, со скоростью 160 м³/ч. В горелочное приспособление 17 при тех же условиях также подается кислород через трубопровод 7, коллектор 22, восемь патрубков 23, и водород через трубопровод 6 и коллектор 20. В сопле 10, четырех соплах 12 горелки 8 и восьми соплах 18 горелочного приспособления 17 за счет взаимодействия кислорода и водорода организуются факела пламени. Сопла 12 18, расположены под углом , равным 45^о, к продольной оси корпуса 1. Кислород и водород вводят в горелку 8 и горелочное приспособление 17 в объемном соотношении 1-4 соответственно. Такое соотношение обеспечивает полное взаимодействие кислорода с водородом в организованном факеле пламени, что исключает попадание кислорода в углеводородное сырье и образование там СО.

Использование такого количества сопел 12, 18 и их расположение в зоне 5 начала пиролиза обеспечивают сплошной фронт пламени по оси и периферии потока углеводородного сырья, что приводит к увеличению поверхности его взаимодействия с инициирующими добавками, образуемыми в факелах пламени, и повышению выхода низших олефинов. Время взаимодействия инициирующих добавок с углеводородным сырьем составляет 7 мс.

Влияние факела пламени на начальный процесс пиролиза представляется в виде суммарного воздействия активных частиц, образовавшихся в пламени и одновременно термического перегрева исходного сырья в зоне пламени, поэтому температура водород-кислородного пламени также оказывает влияние на инициирование.

Проинициированное углеводородное сырье поступает в зону 5 пиролиза, где подвергается пиролизу при температуре 800^оС и времени контакта 0,3 с. Газообразные продукты пиролиза (пирогаз) выводят из зоны 5 через средство 3, далее их охлаждают и разделяют, используя известные методы и устройства. Продукты пиролиза содержат, мас. СН₄ 26,7; С₂Н₆ 2,6; С₂Н₄ 52,5; С₃Н₈ 1,2; С₃Н₆ 12,1; С₄Н₈ 3,8. Суммарное содержание олефинов составляет 64,6 мас.

Устройства на фиг.2 и 5 работают аналогично вышеописанному устройству, за исключением того, что топливная смесь поступает в горелку 8, имеющую один, как на фиг.2, или два ряда, как на фиг.5, сопел 12 и 24 соответственно периметру ее корпуса и одно сопло 10 по ее оси.

Использование предлагаемого устройства для получения низших олефинов позволит получить выход олефинов, в частности этилена, 30-52,5 мас. или более, который, как рассчитано для максимального выхода, по сравнению с термическим пиролизом, повышается на 5-10 мас. Кроме того, предлагаемое устройство можно использовать на существующем оборудовании с минимальными затратами на его установку.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗШИХ ОЛЕФИНОВ, включающее корпус со средствами ввода углеводородного сырья и вывода продуктов пиролиза, имеющий расположенные последовательно по ходу обрабатываемого сырья зону нагрева и зону пиролиза, и концентрично расположенную в корпусе горелку, содержащую цилиндрический корпус с соплом, расположенным соосно с ним на его торце, и установленный в цилиндрическом корпусе центральный трубопровод для подачи окислителя, образующий с внутренней стенкой корпуса горелки кольцеобразный канал для подачи топлива к соплу, отличающееся тем, что, с целью повышения выхода целевых продуктов, горелка установлена в зоне пиролиза и содержит по меньшей мере один ряд равномерно расположенных по периферии ее корпуса дополнительных сопл, а центральный трубопровод снабжен ответвлениями по числу сопл, сообщенными своими выходными отверстиями с каналом для подачи топлива и расположенными соосно с каждым соответствующим соплом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит смонтированное на наружной стенке корпуса горелочное приспособление, содержащее выполненные в стенке корпуса вблизи горелки и расположенные по его периметру по меньшей мере в один ряд сопла, выходные концы которых выполнены выступающими за внутреннюю стенку корпуса, закрепленный на корпусе кольцеобразный коллектор для подвода топлива, сообщенный с входными отверстиями сопл, и смонтированный на наружной стенке второй кольцеобразный коллектор для подвода окислителя, сообщенный с входными отверстиями сопл посредством патрубков, проходящих через первый коллектор.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние между горелкой и соплами горелочного приспособления выбрано из условия исключения возможности взаимодействия организованных соплами горелки и горелочного приспособления факелов пламени.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что дополнительные сопла горелки и сопла горелочного приспособления установлены под углом к продольной оси корпуса, не превышающим 90^o.

5. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что горелка снабжена двумя рядами дополнительных сопл, а горелочное приспособление двумя рядами сопл, при этом сопла предыдущего и последующего рядов смещены относительно друг друга по окружности и расположены в шахматном порядке.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5