устройство для термической переработки углеводородного сырья в жидком промежуточном расплавленном теплоносителе

Формула изобретения

Устройство для термической переработки углеводородного сырья в жидком промежуточном расплавленном теплоносителе, содержащее заполненный промежуточным расплавленным теплоносителем корпус, разделенный вертикальной перегородкой с нижними затопленными окнами на камеру нагрева топливосжигающими горелками промежуточного теплоносителя и камеру термической переработки сырья с узлом контактирования сырья с теплоносителем, отличающееся тем, что в корпусе выполнена дополнительная вертикальная перегородка с нижними затопленными окнами, образующая со стенками корпуса вторую камеру нагрева промежуточного теплоносителя, параллельную камере термической переработки сырья, в противоположных торцах камер нагрева установлены перпендикулярно основным перегородкам вертикальные перегородки с наклонными под углом 30-60° газопромывными соплами, а узел контактирования сырья с промежуточным расплавленным теплоносителем выполнен в виде одной или нескольких вертикальных погружных фурм с центральным сквозным каналом и наклонным под углом 30-60° газопромывным соплом, установленным в камере термической переработки сырья с возможностью вертикального перемещения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для термической переработки углеводородного сырья и может быть использовано в нефтеперерабатывающей и химической промышленности в первую очередь в крупнотоннажных производствах первичной переработки нефти (первичная перегонка ее на фракции), при термической переработке тяжелых остатков первичной перегонки нефти (мазут выше 350^oC и гудрон выше 500^oC, тяжелые газойли коксования и каталитического крекинга), а также при пиролизном производстве этилена и пропилена, атомарного углерода.

Известен аппарат для пиролиза углеводородов в жидком теплоносителе, состоящий из корпуса, вертикальной кольцевой перегородки с перетоками в нижней части, выполненной в виде расширяющегося кверху усеченного конуса и разделяющей корпус на реакционную и нагревательную зоны и теплоносителя в виде вертикальной трубы, расположенной соосно с кольцевой перегородкой и имеющей в нижней части конический раструб /1/.

Недостаток известного аппарата заключается в низкой производительности, сложности конструкции и ее недостаточной надежности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является аппарат для пиролиза углеводородного сырья, состоящий из заполненного промежуточным расплавленным теплоносителем корпуса, разделенного вертикальной перегородкой с нижними затопленными окнами на камеру нагрева топливосжигающими горелками промежуточного теплоносителя и реакционную камеру с узлом подачи углеводородного сырья в виде системы тангенциально расположенных над теплоносителем форсунок /2/.

Недостаток этого аппарата состоит в его низкой производительности из-за плохого качества контактирования углеводородного сырья с расплавленным промежуточным теплоносителем.

Изобретение решает задачу повышения удельной производительности устройства и упрощения его конструкции.

Технический результат, получаемый при использовании изобретения, состоит в получении высокоскоростных многофазных потоков газа, теплоносителя и углеводородного сырья, энергия которых расходуется на создание турбулентного режима тепломассообменных физико-химических процессов, характеризуемых высокой скоростью реакций, обеспечивающей высокую производительность установки.

Указанный технический результат получают за счет того, что в известном аппарате для пиролиза углеводородного сырья, содержащем заполненный промежуточным расплавленным теплоносителем корпус, разделенный вертикальной перегородкой с нижними затопленными окнами на камеру нагрева топливосжигающими горелками промежуточного теплоносителя и камеру термической переработки сырья с узлом контактирования сырья с теплоносителем, в корпусе выполнена дополнительная вертикальная перегородка с нижними затопленными окнами, образующая со стенками корпуса вторую камеру нагрева промежуточного теплоносителя, параллельную камере термической переработки сырья, в противоположных торцах камер нагрева установлены перпендикулярно основным перегородкам вертикальные перегородки с наклонными под углом 30-60^o газопромывными соплами, а узел контактирования сырья с промежуточным расплавленным теплоносителем выполнен в виде одной или нескольких вертикальных погружных фурм с центральным сквозным каналом и наклонным под углом 30-60^o газопромывным соплом, установленным в камере термической переработки сырья с возможностью вертикального перемещения.

Наличие в устройстве двух параллельных камер нагрева промежуточного теплоносителя, расположенных с обеих сторон камеры термической переработки сырья и установка в противоположных торцах камер наклонных газопромывных сопел обеспечивают быстрый нагрев промежуточного теплоносителя до требуемой температуры, его автоматическую циркуляцию по камерам и стабилизацию температурного режима камеры термической переработки сырья, что способствует повышению удельной производительности заявляемого устройства. Выполнение узла контактирования сырья с промежуточным расплавленным теплоносителем в виде одной или нескольких вертикальных погружных фурм заявляемой конструкции обеспечивает дробление промежуточного расплавленного теплоносителя на большое количество капель (порядка 10⁶) размером от 0,5 микрон до 5 мм и интенсивное турбулентное перемешивание частиц углеводородного сырья с каплями теплоносителя. Турбулентная диффузия резко уменьшает и в некоторых случаях полностью снимает диффузионные ограничения со скорости химических реакций пиролиза (за счет обдирания поверхности реагирующих веществ вихрями многофазного высокоскоростного турбулентного потока), что и обеспечивает высокую производительность заявляемому устройству.

Упрощение устройства достигают исключением промежуточных терморезисторных стенок, разделяющих теплообменные среды (трубчатых поверхностей, змеевиков, характерных для современных установок пиролиза нефти при ее термической переработке на нефтеперерабатывающих предприятиях) и применением простых, надежных и высокопроизводительных фурм с наклонными газопромывными соплами.

Принципиальная схема заявляемого устройства представлена на чертежах, где на фиг. 1 изображен общий вид устройства в плане; на фиг. 2 - продольный разрез по сечению А-А фиг. 1; на фиг. 3 - продольный разрез по сечению Б-Б фиг. 1; на фиг. 4 - продольный разрез по сечению В-В фиг. 1; на фиг. 5 - разрез по сечению Г-Г фиг. 1.

Устройство для термической переработки углеводородного сырья в жидком промежуточном расплавленном теплоносителе состоит из корпуса 1, разделенного вертикальными перегородками 2 и 3 с нижними затопленными окнами 4 на камеру 5 термической переработки сырья и две камеры 6 нагрева промежуточного теплоносителя. Камера 5 термической переработки сырья снабжена узлом контактирования сырья с теплоносителем, выполненным в виде одной или нескольких (на представленном варианте устройства две) вертикальных погружных фурм 7 с центральным сквозным каналом 8 и наклонным под углом 30-60^o газопромывным соплом 9. Конструктивно погружная фурма 7 может быть выполнена с двумя наклонными соплами 9. Камеры 6 нагрева промежуточного теплоносителя снабжены топливосжигающими горелками 10, а в их противоположных торцах установлены перпендикулярно перегородкам 2 и 3 вертикальные перегородки 11 и 12 с наклонными под углом 30-60^o газопромывными соплами 13. В нижней части перегородок 11 и 12 также выполнены затопленные окна 14. Камеры 6 нагрева промежуточного теплоносителя имеют выходные дымовые патрубки 15 и каплеуловители 16. Камера 5 термической переработки сырья имеет выходной газовый патрубок 17 для выхода газообразных продуктов термической переработки углеводородного сырья и паров смолы.

Выбор диапазона углов наклона газопромывных сопел 9 погружных фурм 7 и газопромывных сопел 13, выполненных в вертикальных перегородках 11 и 12, обусловлен аэрогидродинамикой высокоскоростных газожидкостных потоков и подтвержден авторами большим объемом экспериментальных исследований. При углах наклона сопел менее 30^o наступает режим "захлебывания потока" (затопления), при котором нарушается дробление расплава на капли и пену из-за избытка расплава в сечении сопла. При углах более 60^o количество расплава в сечении сопла уменьшается из-за отрыва струи газа от поверхности расплава, дробление его при этом ухудшается из-за недостатка расплава в газовом потоке. Выполнение центрального канала 8 погружных фурм 7 сквозным обусловлено необходимостью подвода расплавленного промежуточного теплоносителя в газопромывные сопла 9. Все камеры устройства в рабочем режиме заполнены расплавленным промежуточным теплоносителем 18 до уровня, определяемого проектной мощностью установки.

В качестве промежуточного теплоносителя используют расплавы солей щелочных металлов KNO₃, NaNO₃, NaCl, KCl, Na₂CO₃, K₂CO₃, NaOH, KOH и др. с температурами плавления смесей от 150 до 600^oC, расплавы металлов Zn, Al, Pb, Cu и др. и их смеси с температурами плавления от 150 до 600^oC, или легкоплавкие жидкоподвижные оксидные шлаковые системы FeO-SiO₂-Na₂O-K₂O с температурами плавления 800-1200^oC, или сульфидные системы FeS-Cu₂S-Na₂S-K₂S-ZnS с температурами плавления 500-800^oC.

При этом для низкотемпературной термической переработки углеводородного сырья при 300-500^oC используют соли системы KNO₃-NaNO₃, например, для первичной перегонки нефти.

При высокотемпературной переработке углеводородного сырья - пиролизе - при температурах процесса 800-1500^oC используют расплавы солей системы NaCl, KCl или расплавы металлов системы Pb-Zn-Al-Cu.

Устройство для термической переработки углеводородного сырья в жидком промежуточном расплавленном теплоносителе работает следующим образом.

В камеры 6 нагрева промежуточного теплоносителя засыпают твердый промежуточный теплоноситель, например смесь солей KNO₃ (50%) и NaNO₃ (50%). С помощью топливосжигающих горелок 10 эти соли расплавляют и нагревают до рабочей температуры. Установленные в торцах камер 6 нагрева промежуточного теплоносителя вертикальные перегородки 11 и 12 с газопромывными соплами 13 интенсифицируют процесс нагрева промежуточного теплоносителя и создают направленную автоматическую его циркуляцию между тремя камерами устройства. В наклонных газопромывных соплах 13 промежуточный теплоноситель контактирует с нагретыми до 1000-1800^oC дымовыми газами в тепломассообменном режиме турбулентной диффузии при скоростях газожидкостного потока от 10 до 200 м/с. Это позволяет обеспечить высокоскоростной нагрев теплоносителя дымовыми газами и направленное его перемещение (циркуляцию) из камер 6 нагрева промежуточного теплоносителя в камеру 5 термической переработки сырья для компенсации потерь тепла при эндотермических процессах переработки (деструкции, пиролиза) углеводородного сырья - примерно до 2000 ккал/кг.

При достижении определенного уровня жидкого расплавленного теплоносителя в камерах устройства, определяемого по величине гидравлического сопротивления газопромывных сопел 13, равного 500-1000 мм водяного столба, в погружные фурмы 7 начинают постепенно под давлением 0,01 - 0,03 МПа (0,1-0,3 атм) подавать циркуляционный газ, например метан CH₄, и углеводородное сырье, например нефть. В наклонных газопромывных соплах 9 погружных фурм 7 углеводородное сырье диспергируется высокоскоростным (до 300 м/с) потоком циркуляционного газа на капли размером 0,001-5 мм и мгновенно перемешивается с расплавленным диспергированным промежуточным теплоносителем. При этом внутри сопел 9 обеспечиваются все необходимые физико-химические условия для мгновенного управляемого процесса термического разложения углеводородов на легкие (бензин, керосин, дизельное топливо) и тяжелые фракции (мазут, смолы, кокс). Газообразные продукты переработки нефти - пары бензина, керосина, дизельного топлива, смол, газы (CH₄; H₂; C₂H₄ и др.) - под давлением 0,01-0,1 МПа (0,1-1 атм) через патрубок 17 направляют на разделение друг от друга в охлаждаемый теплообменник (не показан). При охлаждении газообразных продуктов переработки нефти до 140^oC конденсируется бензин; при 140-240^oC - керосин; при 240-350^oC - дизельное топливо; при 350-500^oC - вакуумный дистиллят; при 500^oC и выше - гудрон.

Твердые продукты термического разложения перерабатываемого углеводородного сырья - кокс, углерод, гудрон и неорганические примеси - SiO₂, Fe₂O₃, FeO, V₂O₅ и др. поглощаются жидким промежуточным теплоносителем в виде нерастворимых механических взвесей. Солевые расплавы до концентрации твердых примесей по весу до 25% не изменяют свою вязкость (проверено экспериментально). При перемешивании промежуточного теплоносителя с избыточным кислородом дымовых газов в камерах 6 нагрева теплоносителя происходит выгорание из него кокса, углерода и гудрона, поэтому расход топлива в топливосжигающие горелки 10 постепенно уменьшают. Неорганические примеси в виде шлама накапливаются в промежуточном теплоносителе и периодически извлекаются из него путем расплавления и перевоза в тяжелую нижнюю фазу ( _шл 3,5 г/см³, у солей _с 1,5 - 2 г/см³).

Дымовые газы в камерах 6 нагрева промежуточного теплоносителя с помощью каплеуловителей 16 освобождают от капель теплоносителя и направляют в теплообменник для утилизации их физического тепла.

При пиролизе углеводородного сырья при температурах расплавленного промежуточного теплоносителя 600-1200^oC все конструктивные элементы устройства должны обеспечить необходимую тепловую и химическую защиту.

Режим работы погружных фурм 7 регулируют в широких пределах как уровнем жидкого промежуточного теплоносителя в камере 5 термической переработки сырья (возможность вертикального перемещения фурм), его температуры, химического состава, так и расходами циркуляционного газа и углеводородного сырья, подаваемых в фурмы.

Вместо циркуляционного газа может быть использовано газообразное углеводородное сырье. Так, при производстве этилена в качестве циркуляционного газа возможно использование перегретого водяного пара, водорода, пропан-бутана, попутного нефтяного газа. Газообразное сырье - этан, пропан, п-бутан и их смеси - являются наилучшим сырьем при пиролизе с целью получения максимального выхода этилена и пропилена.

Таким образом, за счет снятия диффузионных ограничений с тепломассообменных процессов путем прямого турбулентного жидкофазного контакта углеводородного сырья с нагретым жидким диспергированным расплавленным промежуточным теплоносителем в высокоскоростных многофазных потоках обеспечивается высокая производительность заявляемого устройства.

По расчетам авторов 1 пог.м наклонных газопромывных сопел погружных фурм в предложенном устройстве выполняет тепло- и массообменные нагрузки 250 пог. м теплообменных жаропрочных труб в пиролизных печах установок по производству этилена, т.е. предложенное устройство многократно проще, надежнее и производительнее своих аналогов.

Источники информации

1. Авт. свид. СССР N 423832, C 10 G 9/34, заявл. 09.03.72, опубл. 15.04.74.

2. Авт. свид. СССР N 487926, C 10 G 9/34, B 01 J 1/00, заявл. 08.08.73, опубл. 15.10.75 (прототип).