ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОНСТРУКЦИЙ РЕАКТОРА И НАГРЕВАТЕЛЯ В ПРОЦЕССЕ ДЕГИДРИРОВАНИЯ ПАРАФИНОВ
INTERACTION OF REACTOR AND HEATER STRUCTURES DURING PARAFFIN DEHYDROGENATION

Область техники
Изобретение относится к огневым нагревателям для использования в процессе, включающем в себя химические реакции, и в частности, к процессу риформинга.
Предшествующий уровень техники
Огневые нагреватели являются обычными технологическими единицами на химических заводах. Огневые нагреватели нагревают технологические потоки до температур реакций и обеспечивают теплом технологические потоки, в которых протекают эндотермические реакции. Огневой нагреватель имеет общую конфигурацию трубы для перемещения технологической текучей среды внутри кожуха, в котором используются горелки для сжигания топлива с целью нагревания труб.
С усложнением процессов и их модернизацией на химических заводах требуются новые конфигурации для уменьшения площади, занимаемой огневыми нагревателями, и обеспечения новых уровней эффективности при нагревании технологических текучих сред.
Различные процессы имеют разные потребности в отношении огневых нагревателей, и указанные различные потребности могут влиять на конструкции для производства улучшенных огневых нагревателей, которые оказывают значительное экономическое воздействие.
Раскрытие изобретения
Изобретение представляет улучшенную конструкцию огневого нагревателя и объединение с реакторами, размещёнными ниже по ходу потока.
Первый вариант осуществления изобретения представляет собой интегрированную установку для системы риформинга, включающую в себя множество радиационных огневых нагревателей, имеющих по меньшей мере один технологический змеевик, расположенный внутри нагревателя, горелки и выход для дымового газа, при этом технологические змеевики имеют по одному выпускному отверстию и по меньшей мере одному впускному отверстию; и по одному выпускному коллектору на каждый нагреватель, имеющему вход, сообщающийся по текучей среде с выпускными отверстиями технологических змеевиков, и, по меньшей мере один выход коллектора. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, любой или все предшествующие варианты осуществления, изложенные в этом абзаце, начиная с первого варианта осуществления, описанного в этом абзаце, в которых каждый технологический змеевик имеет конструкцию, состоящую из трёх труб в параллельной ориентации с двумя полукруглыми трубчатыми секциями, соединяющими концы труб так, что трубы и трубчатые секции формируют W-образный змеевик с центральной трубой большего диаметра и двумя трубами меньшего диаметра, имеющими по одному концу, соединённому с впускным отверстием, при этом центральная труба большего диаметра имеет один конец, соединённый с выпускным отверстием. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, любой или все предшествующие варианты осуществления, изложенные в этом абзаце, начиная с первого варианта осуществления, описанного в этом абзаце, дополнительно включающие в себя конвективный трубный пучок, имеющий вход, сообщающийся по текучей среде с отверстием для выпуска дымового газа, и нагревающие трубы, при этом нагревающие трубы имеют вход и выход. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, любой или все предшествующие варианты осуществления, изложенные в этом абзаце, начиная с первого варианта осуществления, описанного в этом абзаце, в которых нагревающие трубы предназначены для генерирования пара. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, любой или все предшествующие варианты осуществления, изложенные в этом абзаце, начиная с первого варианта осуществления, описанного в этом абзаце, дополнительно включающие в себя множество реакторов с подвижным слоем катализатора, при этом для каждого реактора имеется один радиационный огневой нагреватель. Вариант осуществления этого изобретения представляет собой один, любой или все предшествующие варианты осуществления, изложенные в этом абзаце, начиная с первого варианта осуществления, описанного в этом абзаце, в которых реакторы установлены друг на друга вертикально, а радиационные огневые нагреватели размещены в ряд вблизи расположенных друг над другом реакторов. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, любой или все предшествующие варианты осуществления, изложенные в этом абзаце, начиная с первого варианта осуществления, описанного в этом абзаце, в которых впускные отверстия технологического змеевика и выпускное отверстие расположены на верхней поверхности огневого нагревателя. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, любой или все предшествующие варианты осуществления, изложенные в этом абзаце, начиная с первого варианта осуществления, описанного в этом абзаце, в которых выход для дымового газа расположен на нижней поверхности огневого нагревателя. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, любой или все предшествующие варианты осуществления, изложенные в этом абзаце, начиная с первого варианта осуществления, описанного в этом абзаце, в которых радиационные огневые нагреватели расположены в один ряд.
Второй вариант осуществления изобретения представляет собой интегрированную установку для системы риформинга, включающую в себя: множество реакторов с подвижным слоем катализатора, при этом каждый реактор имеет отверстие для впуска технологической текучей среды и отверстие для выпуска технологической текучей среды; множество радиационных огневых нагревателей, имеющих по меньшей мере один технологический змеевик, расположенный внутри нагревателя, горелки и выход для дымового газа, при этом технологические змеевики имеют конструкцию, состоящую из трёх труб в параллельной ориентации с двумя полукруглыми трубчатыми секциями, соединяющими концы труб так, что трубы и трубчатые секции формируют W-образный змеевик с центральной трубой большего диаметра и двумя трубами меньшего диаметра, имеющими по одному концу, соединённому с впускным отверстием, при этом центральная труба большего диаметра имеет один конец, соединённый с выпускным отверстием; по меньшей мере два впускных коллектора, при этом каждый коллектор имеет вход и множество выходов, причём каждый выход впускного коллектора сообщается по текучей среде с одним впускным отверстием одного технологического змеевика; и по одному выпускному коллектору на каждый нагреватель, имеющему вход, сообщающийся по текучей среде с выпускными отверстиями технологических змеевиков, и по меньшей мере один выход коллектора, сообщающийся по текучей среде с отверстием реактора для впуска технологической текучей среды. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, любой или все предшествующие варианты осуществления, изложенные в этом абзаце, начиная со второго варианта осуществления, описанного в этом абзаце, в которых реакторы установлены друг на друга вертикально, а радиационные огневые нагреватели размещены в ряд вблизи расположенных друг над другом реакторов. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, любой или все предшествующие варианты осуществления, изложенные в этом абзаце, начиная со второго варианта осуществления, описанного в этом абзаце, в которых множество реакторов включает в себя четыре реактора, установленных друг на друга вертикально. Вариант осуществления данного изобретения представляет собой один, любой или все предшествующие варианты осуществления, изложенные в этом абзаце, начиная со второго варианта осуществления, описанного в этом абзаце, в которых впускные отверстия технологического змеевика и выпускное отверстие расположены на верхней поверхности огневого нагревателя. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, любой или все предшествующие варианты осуществления, изложенные в этом абзаце, начиная со второго варианта осуществления, описанного в этом абзаце, в которых впускные отверстия технологического змеевика и выпускное отверстие расположены на верхней поверхности огневого нагревателя. В альтернативном варианте осуществления выход для дымового газа может быть размещён либо на верхней поверхности огневого нагревателя, либо на его нижней поверхности.
Третий вариант осуществления изобретения представляет собой интегрированную установку для системы риформинга, включающую в себя: множество реакторов, при этом каждый реактор имеет отверстие для впуска технологической текучей среды и отверстие для выпуска технологической текучей среды; множество радиационных огневых нагревателей, имеющих по меньшей мере один технологический змеевик, размещённый внутри нагревателя, горелки и выход для дымового газа, при этом технологические змеевики имеют компактную конструкцию, включающую в себя по меньшей мере две трубчатые секции, причём каждая трубчатая секция имеет вход, и трубчатые секции соединены с образованием третьей трубчатой секции с одним выходом; и по одному выпускному коллектору на каждый нагреватель, имеющему вход, сообщающийся по текучей среде с выпускными отверстиями технологических змеевиков, и по меньшей мере один выход коллектора, сообщающийся по текучей среде с отверстием реактора для впуска технологической текучей среды. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, любой или все предшествующие варианты осуществления, изложенные в этом абзаце, начиная с третьего варианта осуществления, описанного в этом абзаце, в которых каждый технологический змеевик имеет конструкцию, состоящую из трёх труб в параллельной ориентации, при этом две полукруглые трубчатые секции соединяют концы труб так, что трубы и трубчатые секции формируют W-образный змеевик с центральной трубой большего диаметра и двумя трубами меньшего диаметра, имеющими по одному концу, соединённому с впускным отверстием, причем центральная труба большего диаметра имеет один конец, соединённый с выпускным отверстием. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, любой или все предшествующие варианты осуществления, изложенные в этом абзаце, начиная с третьего варианта осуществления, описанного в этом абзаце, в которых реакторы представляют собой реакторы с подвижным слоем катализатора. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, любой или все предшествующие варианты осуществления, изложенные в этом абзаце, начиная с третьего варианта осуществления, описанного в этом абзаце, в которых реакторы представляют собой реакторы с неподвижным слоем катализатора. Вариант осуществления изобретения представляет собой один, любой или все предшествующие варианты осуществления, изложенные в этом абзаце, начиная с третьего варианта осуществления, описанного в этом абзаце, в которых реакторы установлены друг на друга вертикально, а радиационные огневые нагреватели расположены в ряд вблизи расположенных друг над другом реакторов.
Другие задачи, преимущества и варианты применения изобретения станут очевидны специалистам в данной области техники на основе последующего подробного описания и чертежей.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан огневой нагреватель с одним технологическим змеевиком, вид в разрезе; и
на фиг. 2 – одна из схем расположения многочисленных реакторов и огневых нагревателей.
Варианты осуществления изобретения
Химическим процессам часто требуется нагревание. Технологические нагреватели выполнены с возможностью нагревания потоков сырья или промежуточных технологических потоков до температур, необходимых для протекания химических реакций в условиях процесса с нормальной скоростью. Технологические нагреватели могут быть однокамерными или двухкамерными и снабжены различными формами линии змеевиков «U-образной» формы, которые предназначены для нагревания технологической текучей среды. Змеевики монтируют в огневых нагревателях, которые включают в себя горелки. Огневой нагреватель, как правило, представляет собой печь в форме короба со змеевиками внутри него и горелками, установленными на боковых или нижних стенках печи. В случае промышленного процесса огневой нагреватель может быть очень большим. На огневые нагреватели может приходиться до 25% стоимости оборудования, и важны усовершенствования конструкций с целью снижения расходов.
Огневые технологические нагреватели часто обусловливают протекание неселективных реакций, таких как термическая конверсия или крекинг углеводородов. Указанные неселективные реакции снижают выходы и увеличивают потери. Нагреватели изменённой конструкции могут уменьшать указанные потери и обеспечивают более приемлемые капитальные затраты, эксплуатационные расходы и уменьшенную площадь или меньший участок, требуемые для установки нагревателя.
Однокамерные или двухкамерные огневые нагреватели, оснащённые U-образными технологическими змеевиками и установленными на торцевой стене горизонтальными круглопламенными горелками, широко используют в таких процессах, как дегидрирование и риформинг. В процессах дегидрирования реакции включают в себя многие нежелательные реакции. По оценкам от 30% до 40% неселективности обусловлено термическим крекингом в огневых нагревателях. Изменение конструкции данных нагревателей может сократить количество указанных неселективных реакций, в дополнение к уменьшению капитальных затрат и установочной зоны, или площади, занимаемой огневыми нагревателями.
Изобретение представляет собой интегрированную систему для множества реакторов и радиационных огневых нагревателей. Указанная установка обеспечивает подвод тепла в эндотермический процесс, причем реакция в реакторе вызывает падение температуры, и технологический поток подогревают между реакторами для доведения реакционной смеси до желаемой температуры реакции. Радиационные огневые нагреватели, как показано на фиг. 1, включают в себя по меньшей мере один технологический змеевик 20, расположенный внутри огневого нагревателя 10. Огневой нагреватель 10 включает в себя горелки 12 и выход 14 для дымового газа. Установка 100 включает в себя по меньшей мере один выпускной коллектор 30, имеющий вход 32, сообщающийся по текучей среде с выпускным отверстием 22 каждого технологического змеевика. Выпускной коллектор 30 включает в себя выход для пропускания технологического потока к расположенному ниже по ходу потока реактору.
Каждый технологический змеевик 20 имеет конструкцию, состоящую из трёх труб 24, по существу, в параллельной ориентации, и двух изогнутых трубчатых секций 26, которые образуют технологический змеевик, имеющий по существу W-образную форму, с двумя впускными отверстиями 28 и одним выпускным отверстием 22. Использование улучшенного технологического змеевика 20 создаёт возможность для применения более узкого огневого нагревателя. В дополнение к этому, использование W-образного змеевика позволяет перемещать выпускной коллектор ближе к выпускным отверстиям технологического змеевика огневого нагревателя.
В одном из вариантов осуществления интегрированная установка, как показано на фиг. 2, включает в себя множество реакторов 50a, b, c, d с подвижным слоем катализатора вместе с множеством радиационных огневых нагревателей 10a, b, c и d. Реакторы 50a,b,c,d с подвижным слоем катализатора установлены друг над другом вертикально, и катализатор проходит потоком вниз через ряд слоёв реакторов. Технологическую текучую среду нагревают перед поступлением в каждый реактор 50a,b,c,d и отводят из каждого реактора 50a,b,c,d для пропускания в последующий огневой нагреватель 10a,b,c,d перед новым введением в следующий реактор 50a,b,c,d ряда. В конкретном варианте осуществления интегрированная установка включает в себя 4 реактора и 4 огневых нагревателя, и при этом огневые нагреватели расположены в один ряд.
В результате изменения конструкции огневых нагревателей 10 объём нагревания снижается и уменьшается ширина нагревателей, уменьшается также и установочная зона или площадь огневого нагревателя 10. В конкретном варианте осуществления огневые нагреватели включают в себя технологические змеевики с впускными и выпускными отверстиями, размещёнными на верхней поверхности огневых нагревателей. Огневые нагреватели включают в себя выходы для дымового газа, а согласно предпочтительному варианту осуществления – выходы, расположенные на нижней поверхности огневого нагревателя.
В одном из вариантов осуществления интегрированная установка включает в себя конвективный трубный пучок. Конвективный трубный пучок представляет собой блок, имеющий вход, сообщающийся по текучей среде с выходом дымового газа из огневого нагревателя. Конвективный трубный пучок включает внутри себя нагревающие трубы для пропускания текучей среды, подлежащей нагреванию. Конвективный трубный пучок предназначен для извлечения тепла из дымовых газов, которые выходят из огневых нагревателей при температурах от 700°C до 1100°C. Один из способов рекуперации тепла заключается в пропускании воды через нагревающие трубы для выработки пара.
В другом варианте осуществления интегрированная установка предназначена для системы риформинга. Система риформинга включает в себя множество реакторов, при этом каждый реактор имеет отверстие для впуска технологической текучей среды и отверстие для выпуска технологической текучей среды. Установка дополнительно включает в себя множество радиационных нагревателей, при этом каждый нагреватель имеет по меньшей мере один технологический змеевик, размещённый внутри нагревателя. Каждый нагреватель включает в себя горелки и выход для дымового газа. Каждый из технологических змеевиков имеет конструкцию, состоящую из трёх труб в параллельной ориентации с двумя полукруглыми трубчатыми секциями, соединяющими концы труб так, что трубы и трубчатые секции формируют W-образный змеевик с центральной трубой большего диаметра и двумя трубами меньшего диаметра, имеющими по одному концу, соединённому с впускным отверстием, причем центральная труба большего диаметра имеет один конец, соединённый с выпускным отверстием. Установка дополнительно включает в себя по меньшей мере два впускных коллектора, при этом каждый впускной коллектор имеет вход и множество выходов, причём каждый выход впускного коллектора сообщается по текучей среде с одним впускным отверстием технологического змеевика. Установка также включает в себя по одному выпускному коллектору на каждый нагреватель, при этом каждый выпускной коллектор имеет многочисленные входы, причём каждый вход сообщается по текучей среде с выпускным отверстием технологического змеевика, а выход коллектора сообщается по текучей среде с отверстием реактора для впуска технологической текучей среды. В одном из вариантов осуществления огневые нагреватели имеют впускные отверстия технологического змеевика и выпускные отверстия, расположенные на верхней поверхности огневого нагревателя, а также выход для дымового газа, расположенный на нижней поверхности огневого нагревателя.
Реакторы могут представлять собой реакторы с подвижным слоем катализатора или реакторы с неподвижным слоем катализатора, при этом в предпочтительном варианте осуществления используются реакторы с подвижным слоем катализатора. Огневые нагреватели могут быть выполнены с возможностью располагаться на возвышении или размещаться на земле для уменьшения протяжённости линий передачи от выходов выпускного коллектора до отверстий реактора для впуска технологической текучей среды.
В случае реакторов с подвижным слоем и внешними сборниками катализатора отверстие реактора для впуска технологической текучей среды обычно находится в нижней части реактора. В указанном варианте осуществления огневой нагреватель будет размещаться на одном уровне с конвективным трубным пучком, расположенным сбоку или даже выше огневого нагревателя. Выход выпускного коллектора расположен так, чтобы сводить к минимуму перепады высот между выходом выпускного коллектора и отверстием реактора для впуска технологической текучей среды.
В случае реакторов с подвижным слоем катализатора и внутренними сборниками катализатора отверстие реактора для впуска технологической текучей среды обычно находится в верхней части реактора. В указанном варианте осуществления радиационный огневой нагреватель поднят так, что выход выпускного коллектора может находиться на той же высоте, что и отверстие реактора для впуска технологической текучей среды.
Хотя изобретение описано при помощи того, что в настоящее время считается предпочтительными вариантами осуществления, следует понимать, что данное изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления, а предназначено для охвата разнообразных модификаций и эквивалентных схем размещения, включённых в объём формулы изобретения.