УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НЕПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ЭТИЛЕНА
APPARATUS FOR PRODUCING UNSATURATED HYDROCARBONS, PRIMARILY ETHYLENE

Изобретение относится к области переработки углеводородного сырья, а именно к высокотемпературным устройствам для получения непредельных углеводородов.
Известно устройство термического некаталитического пиролиза углеводородного сырья по патенту РФ 2188846, опубликован 13.08.2001.
Согласно патенту устройство содержит блоки подачи окислителя и горючего, газогенератор горячего тела, пиролизную камеру, разделенную на 2 реакционные зоны: зону непосредственно пиролиза и зону закалки реакционного потока, узлы впрыска углеводородного сырья, дополнительных компонентов, закалочного компонента, чаще всего воды, иногда предлагаются другие технические жидкости, например жидкие углеводороды.
Известен реактор для переработки углеводородного сырья (патент РФ 2290991, опубликован 10.01.2007). Реактор имеет в своем составе генератор горячих газов, узел поджига газовой смеси, камеру образования рабочего тела, камеру пиролиза с узлом подачи перерабатываемого сырья и камеру закалки. Камера закалки снабжена патрубками подачи воды на закалку. Узел подачи перерабатываемого сырья расположен между камерой образования рабочего тела и камерой пиролиза.
Недостатками всех вышеперечисленных устройств, в том числе и прототипа, являются:
1) несовершенство узлов смешивания сырья с теплоносителем и реакционной смеси с водой на начальном этапе прерывания реакции - закалки, что приводит к снижению выхода целевого продукта.
2) неблагоприятное влияние холодной стенки пиролизной камеры. Температура в пристеночном слое реакционного потока значительно ниже температуры ядра потока, пиролизные реакции проходят значительно медленнее, чем в ядре. Это ведет к увеличению разброса концентраций продуктов пиролиза и уменьшению выхода целевого продукта на единицу сырья.
3) большой расход закалочного компонента для значительного снижения температуры и прекращения пиролизных реакций. Это увеличивает массовый расход полученной пиролизной смеси и ведет к увеличению габаритов и производительности блоков по выделению из смеси целевого продукта, удельных затрат на выделение килограмма целевого продукта.
4) излишний, повышенный расход горячего газа на единицу перерабатываемого сырья.
Прототипом настоящего изобретения, наиболее близким по совокупности существенных признаков, принят реактор для получения непредельных углеводородов, преимущественно этилена (патент РФ 2369431, опубликован 10.04.2009 года).
Реактор в своем составе имеет генератор горячих газов с узлами подвода компонентов горения и поджига, камеру пиролиза, закалочную камеру. Генератор горячих газов установлен на входе в камеру пиролиза и его выходная часть выполнена в виде сопла, в критическом сечении которого расположены патрубки подачи углеводородного сырья, ориентированные радиально.
Однако конструкция такого реактора не устранила недостатки предыдущих в уровне техники технических решений. Кроме того, реализация в данном устройстве процесса получения этилена требует повышенного расхода горячего газа как теплоносителя для осуществления процесса пиролиза, затрачиваемого на начальной стадии для разогрева сырья. Подача жидкого сырья в камеру пиролиза требует производить испарение и нагрев его до температуры пиролиза за счет тепла горячего газа, т.е. часть расхода горячего газа, часть расхода горючего и окислителя используется нерационально только на испарение и предварительный нагрев сырья. Отсутствие в камере эффективного перемешивания всего объема реагирующих компонентов сказывается на температурном градиенте среды из-за неблагоприятного влияния холодной стенки пиролизной камеры. Температура в пристеночном слое реакционного потока значительно ниже температуры ядра потока, поэтому скорость протекания реакции неравномерна, пристеночные пиролизные реакции проходят значительно медленнее, чем в ядре, что приводит к неоднородности целевого продукта.
Это повышает удельные затраты на получение целевого продукта и снижает его удельный выход на единицу продукта.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка такой конструкции реактора, при которой устраняются вышеперечисленные недостатки, что обеспечит повышение выхода и качества целевых продуктов - непредельных углеводородов и снижение их стоимости.
Поставленная задача достигается изменением по сравнению с прототипом конструкции узла подачи сырья в камеру пиролиза, конструкции самой камеры пиролиза, конструкции узла подачи закалочного тела в камеру закалки и введением дополнительного узла нагрева и испарения сырья.
Сущность вносимых изменений состоит в следующем:
дополнительно введен испаритель-нагреватель сырья, в котором жидкое сырье до подачи его на смешение с горячим газом испаряется и нагревается до температуры на 30…50 градусов меньше температуры начала пиролизных реакций. Для испарения и нагрева сырья используется тепло ранее полученное в процессе. Испаритель-нагреватель является теплообменным аппаратом, нагревающим телом которого является пиролизная смесь, полученная на выходе из закалочной камеры. Испаренное и нагретое сырье требует меньшего тепла для догрева его до начала пиролизных реакций, что позволяет уменьшить необходимый для этого расход горячего газа, т.е. сократить стоимость получения целевого продукта. Пиролизный газ, отдавая тепло сырью, охлаждается, получает более глубокую закалку. Это позволяет уменьшить степень закалки в закалочной камере, уменьшить расход закалочного компонента.
Подача сырья на смешение в виде пара в газовой фазе увеличивает интенсивность смешения значительно по сравнению с подачей жидкого сырья, сокращает время достижения температуры пиролиза, уменьшает разброс температуры и, следовательно, концентрации по длине пиролизной камеры.
Дополнительное введение микропоточного смесителя паров сырья с горячим газом еще больше увеличивает интенсивность смешения, уменьшает время и длину пути, на котором происходит повышение температуры сырья до заданной температуры пиролиза.
В микропоточном смесителе полные потоки паров сырья и горячего газа вначале разделяются на микропотоки - это те потоки значительно меньших расходов, чем полные потоки, а затем смешиваются в заданных соотношениях в смесительных элементах - двухкомпонентных газ - газовых форсунках. Такое устройство смесителя позволяет уменьшить время смешения, т.е. время нагрева паров до температуры интенсивного пиролиза, снизить разброс температур сырья после смешения, уменьшить разброс концентраций продуктов пиролиза в поперечном сечении камеры пиролиза.
Одновременность окончания пиролизных реакций обеспечивается введением микропоточного закалочного смесителя, оборудованного двухкомпонентными газожидкостными форсунками: в закалочном смесителе весь поток пиролизного газа разделяется на микропотоки, в каждый из которых впрыскивается закалочная жидкость в таком соотношении, при котором температура смеси пиролизного газа и паров закалочной жидкости уменьшается до температуры значительного снижения скорости пиролизных реакций. Время снижения температуры пиролизного потока в микропоточной смеси значительно меньше, чем в полнопоточном смесителе, разброс температур и концентраций продуктов пиролиза на выходе из закалочного микропоточного смесителя также значительно меньше. Это обеспечивает высокий выход целевых продуктов.
Для обеспечения эффективного перемешивания в объемах пиролизной и закалочной камер внутри них установлены перемешивающие элементы в виде колец-активаторов. Установка колец-активаторов позволяет значительно уменьшить разброс температур в поперечных сечениях реагентных потоков. Разность температур горячего ядра потока и холодного пристеночного потока может достигать несколько сотен градусов, вследствие чего реакции пиролиза в ядре потока идут с большей скоростью, чем в пристеночном слое. Кольца-активаторы, установленные около стенки, направляют холодные пристеночные слои в ядро потока, при этом горячие слои ядра вытесняются к холодной стенке. Таким образом, температура в поперечном сечении потока выравнивается, реакции пиролиза идут с одинаковыми скоростями, что приводит к увеличению выхода целевой продукции.
Устройство получения непредельных углеводородов поясняется рисунком, представленным на фиг.1.
Устройство имеет следующие основные узлы: генератор горячего газа 1, содержащий узел зажигания газовой смеси, смеситель сырья с горячим газом 2, камеру пиролиза 3, закалочный смеситель 4 с закалочной камерой 5, нагреватель-испаритель сырья 6. Генератор горячего газа снабжен патрубками подачи кислорода 7 и водорода 8. Для обеспечения эффективного перемешивания и выравнивания поля температур в пиролизной камере установлены кольца-активаторы 9. Выход из камеры пиролиза соединен со входом в закалочный смеситель. Закалочный смеситель снабжен патрубком подачи закалочной жидкости 10, выход закалочного смесителя соединен с камерой закалки. Нагреватель-испаритель сырья снабжен патрубками подачи сырья 11, патрубком выхода охлажденной пиролизной смеси 12 и патрубком выхода испаренного и нагретого сырья 13, который газоводом соединен со смесителем сырья с горячим газом 2.
Микропоточный смеситель сырья с горячим газом 2 имеет не менее 10 двухкомпонентных газо-газовых форсунок, в которых горячий газ подается в газифицированное сырье в заданных соотношениях, обеспечивающих заданную температуру пиролиза.
Реактор работает следующим образом: в генератор горячих газов 1 подается окислитель (кислород) и горючее (водород), полученная смесь поджигается с помощью узла зажигания. Горение осуществляется при коэффициенте избытка окислителя α=0,4…0,8. После первоначального прогрева горячим газом камеры пиролиза 3 и камеры закалки 5 в закалочный смеситель 4 подается закалочная вода, пары которой прогревают испаритель-нагреватель 6, где сырье испаряется и нагревается. Нагретые пары сырья через патрубок 13 подаются в газо-газовые форсунки смесителя сырья 2, где сырье смешивается в заданном соотношении с горячими газами, нагревается до температуры пиролиза и поступает в пиролизную камеру 3. В пиролизной камере реагентная смесь находится расчетное время, за которое будет получена максимальная концентрация целевых продуктов. Далее пиролизная смесь поступает в газожидкостные форсунки закалочного смесителя 4, в которых перемешивается в заданном соотношении с закалочной распыленной водой. Полученная смесь из закалочного смесителя поступает в закалочную камеру 5, где происходит ее охлаждение за счет испарения воды и смешения с холодными водяными парами. Кольца-активаторы 9 в камере пиролиза и камере закалки обеспечивают активное перемешивание потока и выравнивание температуры и концентрации реагирующих веществ по сечениям. Паро-пиролизная смесь из закалочной камеры 5 поступает в испаритель-нагреватель сырья 6, передает часть своего тепла сырью и через патрубок 12 отводится на выделение целевого продукта.
Сырье в теплообменник 6 подается через патрубок 11, испаряется, нагревается до температуры, близкой к температуре начала пиролиза, и через патрубок 13 подается в смеситель 2.
Заявляемое устройство предназначено для получения непредельных углеводородов, преимущественно этилена, что подтверждается хроматографическим анализом целевого продукта, полученного при экспериментальной проверке работоспособности устройства. Состав продукта на выходе приведен в нижеследующей таблице.
Компонент смеси
Выходные продукты, % масс от сырья
Этилен
47,5
Пропилен
16,6
Бутилены
5,3
Топливные газы
14,0
Побочные продукты
3,0
Пироконденсат, потери
7,5
Водород
6,1
Итого
100
Таким образом, заявленное устройство позволяет по сравнению с прототипом значительно повысить выход целевых продуктов - непредельных углеводородов, преимущественно этилена, снизить расход окислителя и горючего на единицу перерабатываемого сырья, понизить стоимость производимых продуктов.