КРЕКИНГ-ПЕЧЬ
CRACKING FURNACE

Настоящее изобретение относится к крекинг-печи, содержащей пиролитическую трубу для переноса потока текучей среды, например, газа или жидкости.
В крекинг-печи для получения этилена горелки выполнены в топке, через которую проходит по меньшей мере одна пиролитическая труба, в то же время переносящая поток углеводородного сырья в качестве технологического газа. Желательно, чтобы в крекинг-печи углеводородное сырье как можно быстрее превращалось в необходимые продукты, такие как этилен, пропилен и бутадиен. Малое время пребывания в пиролитической трубе при максимально возможной температуре и минимально возможном парциальном давлении углеводородов являются основными параметрами, определяющими избирательность в отношении подходящих продуктов.
Внутренняя поверхность пиролитических труб в крекинг-печах подвержена образованию кокса и должна регулярно подвергаться декоксованию по достижении состояния окончания рабочего цикла пиролитической трубы. Состояние окончания рабочего цикла зависит от степени накопления кокса на внутренней поверхности пиролитической трубы и может быть ограничено максимально допустимым перепадом давления по длине пиролитической трубы или максимально допустимой температурой металла пиролитической трубы. Как перепад давления, так и температура металла пиролитической трубы увеличиваются в результате указанного осаждения кокса на внутренней поверхности пиролитической трубы. Чрезмерные температуры металла пиролитической трубы нежелательны, поскольку работа пиролитических труб вблизи их металлургического предела приводит к ползучести и науглероживанию.
Скорость образования кокса зависит от степени преобразования сырья и температуры на внутренней поверхности пиролитической трубы, на которой образуется кокс. Чем выше степень преобразования исходного сырья и чем ниже температура на внутренней поверхности, тем меньше образование кокса.
Из документа WO 2005/068926 известно об увеличении общей теплопередачи от пиролитической трубы к текучей среде, проходящей по трубе, благодаря выполнению цилиндрического корпуса внутри трубы. Этот корпус получает излучение от окружающей трубы и передает его в текучую среду, окружающую корпус. Поток в указанной пиролитической трубе является преимущественно осевым по всей длине трубы.
Из документов WO 2006/032877 или WO 2010/032024 известно о создании пиролитической трубы со спиральной геометрией, поддерживающей закрученный поток, что уменьшает толщину ламинарного слоя на внутренней поверхности трубы и способствует переносу массы от внутренней стенки в центральную область трубы, тем самым увеличивая конвективную теплопередачу от стенки, по сравнению с теплопередачей в прямой трубе. Указанная конструкция имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что она увеличивает теплопередачу с минимальным ухудшением в отношении дополнительного перепада давления.
Из документа WO 2005/075607 известно о создании крекинг-печи с пиролитической трубой, которая обеспечивает двойной проход потока через крекинг-печь. Имеются две расположенные выше по потоку части с последующим реверсом в направлении потока, когда две расположенные выше по потоку части вводятся в общую расположенную ниже по потоку часть.
Согласно настоящему изобретению предложена крекинг-печь, содержащая пиролитическую трубу для переноса потока текучей среды, причем пиролитическая труба содержит внутренний по радиусу корпус и наружную по радиусу стенку, которые совместно образуют кольцевой проточный канал, при этом внутренний по радиусу корпус и/или наружная по радиусу стенка имеет центральную линию, которая проходит по спирали в продольном направлении пиролитической трубы, что поддерживает вращение текучей среды при ее прохождении по пиролитической трубе.
Поддержка вращения потока текучей среды в кольцевом проточном канале улучшает теплообмен в текучей среде. Вращательный поток может приводить к тому, что текучая среда имеет как тангенциальную, так и радиальную составляющую скорости, в дополнение к осевой составляющей скорости, так называемый вихревой поток. Таким образом, кольцевой канал может рассматриваться по меньшей мере в описании вариантов реализации, как кольцевой канал с вихревым потоком. Вихревой поток в кольцевом канале улучшает конвективную теплопередачу, а наличие внутреннего корпуса создает кольцевой проточный канал и одновременно увеличивает отношение поверхности к объему. Становится возможным достижение малого времени пребывания и улучшение выхода, то есть получение желаемых продуктов крекинга.
Примеры кольцевых каналов с вихревым потоком включают первый тип пиролитической трубы, в котором как внутренний по радиусу корпус, так и наружная по радиусу стенка имеют соответствующие центральные линии, проходящие по спирали в продольном направлении пиролитической трубы, второй тип, в котором внутренний по радиусу корпус имеет прямую центральную линию (или центральную линию, изогнутую только в одной плоскости), а наружная по радиусу стенка имеет центральную линию, проходящую по спирали, и третий тип, в котором внутренний по радиусу корпус имеет центральную линию, проходящую по спирали, а наружная по радиусу стенка имеет прямую центральную линию (или изогнута только в одной плоскости).
Варианты реализации третьего типа имеют то преимущество, что только внутренний по радиусу корпус должен быть выполнен с центральной линией, которая проходит спирально, а наружная по радиусу стенка может быть снабжена традиционной трубой. Это делает ее относительно недорогой при изготовлении.
Текучая среда может представлять собой газ, как в случае крекинг-печи для производства этилена и/или других газообразных продуктов, или она может быть жидкостью, как в случае крекинг-печи для легкого крекинга.
Пиролитическая труба может иметь кольцевой проточный канал по существу по всей ее длине в крекинг-печи, например, по всей длине через камеру печи или топку крекинг-печи.
В некоторых вариантах реализации пиролитическая труба содержит не кольцевой проточный канал, образованный наружной по радиусу стенкой ниже по потоку от кольцевого проточного канала. Благодаря обеспечению кольцевого проточного канала улучшается полученный тепловой поток к текучей среде, и пиролиз начинается раньше. Однако по меньшей мере в случае крекинг-печей для производства этилена или других газообразных продуктов, из-за ограниченной ширины кольцевой области это происходит за счет меньшей способности приспосабливаться к отложениям кокса и, таким образом, приводит к увеличению относительного перепада давления по сравнению с не кольцевым проточным каналом в областях с высокой степенью образования кокса. Следовательно, за счет обеспечения не кольцевого проточного канала ниже по потоку от кольцевого проточного канала уменьшается повышение перепада давления в результате увеличения образования кокса, и для обработки увеличенных отложений кокса становится доступной большая площадь поперечного сечения. Кроме того, в этом расположенном ниже по потоку канале концентрация желаемых продуктов реакции увеличивается, как и тенденция к образованию побочных продуктов наряду с отложениями кокса, за счет вторичных реакций. В этой области выгодно иметь низкое парциальное давление углеводородов, чтобы концентрация продуктов и соответствующая скорость реакции вторичных реакций были как можно ниже. Все это достигается благодаря не кольцевому проточному каналу. Таким образом, обеспечение не кольцевого проточного канала ниже по потоку от кольцевого проточного канала делает доступной большую площадь поперечного сечения для накопления толщины слоя кокса и для минимизации влияния перепада давления на выход необходимых продуктов реакции.
В вариантах реализации изобретения в не кольцевом проточном канале вся площадь поперечного сечения в пределах наружной по радиусу стенки доступна для потока. Иначе говоря, внутренний по радиусу корпус отсутствует.
Пиролитическая труба может иметь кольцевой канал, проходящий менее чем на (или равный) 75% длины пиролитической трубы в крекинг-печи. В вариантах реализации изобретения кольцевой проточный канал может проходить на величину, меньшую или равную 70%, или 65%, или 60%, или 55%, или 50% длины пиролитической трубы в крекинг-печи. Оставшаяся часть пиролитической трубы в крекинг-печи может иметь не кольцевой канал.
Не кольцевой проточный канал может быть образован наружной по радиусу стенкой, которая имеет центральную линию, проходящую по спирали в продольном направлении пиролитической трубы. В качестве альтернативы не кольцевой проточный канал может быть образован наружной по радиусу стенкой, которая имеет прямую центральную линию (или изогнута только в одной плоскости), в продольном направлении пиролитической трубы.
Наружная по радиусу стенка кольцевого проточного канала может иметь внутренний диаметр, который больше, чем внутренний диаметр наружной по радиусу стенки не кольцевого проточного канала. Это может понизить какую-либо тенденцию к уменьшению средней скорости потока в осевом направлении при поступлении потока в не кольцевой проточный канал. Между наружной по радиусу стенкой кольцевого проточного канала и наружной по радиусу стенкой не кольцевого проточного канала может быть предусмотрена переходная часть.
Пиролитическая труба может содержать множество ответвлений, каждое из которых имеет соответствующий внутренний по радиусу корпус и соответствующую наружную по радиусу стенку, которые совместно образуют соответствующий кольцевой проточный канал, причем по меньшей мере один из элементов, внутренний по радиусу корпус и наружная по радиусу стенка каждого ответвления, выполнен с возможностью поддержки вращения потока текучей среды, при этом ответвления соединены друг с другом в месте соединения, а не кольцевой проточный канал расположен ниже по потоку от места соединения.
Такое расположение может при необходимости увеличивать отношение поверхности к объему и поддерживать вращение потока текучей среды, в частности, создавая вихревой поток, тем самым улучшая теплообмен в самой верхней по потоку части пиролитической трубы, в которой имеется множество ответвлений. Еще ниже по потоку перепад давления может быть сведен к минимуму, благодаря обеспечению не кольцевого проточного канала.
Может иметься два ответвления, и тогда соединение может представлять собой Y-образное соединение.
В вариантах реализации изобретения, в которых пиролитическая труба содержит ответвления, длина кольцевого канала по меньшей мере в одном из ответвлений может быть меньше или равна 75%, или 70%, или 65%, или 60%, или 55%, или 50% длины этого ответвления плюс длина пиролитической трубы, проходящей вниз по потоку от места соединения.
Пиролитическая труба может проходить вниз от входа в нее. Таким образом, поток текучей среды по пиролитической трубе может быть направлен вниз. Если входное отверстие находится в верхней части пиролитической трубы, какой-либо отслаивающийся кокс не блокирует входное отверстие и может оказаться в месте, в котором он может быстро сгореть во время декоксования. Это не зависит от количества проходов в трубе (подробно описано ниже).
Пиролитическая труба может иметь один проход через камеру крекинг-печи. Например, она может иметь входное отверстие на одном конце камеры и выходное отверстие на другом конце. Такое расположение значительно сокращает время пребывания. В некоторых вариантах реализации одного прохода пиролитическая труба проходит вниз по потоку от входного отверстия, посредством чего прохождение потока текучей среды по пиролитической трубе происходит в направлении вниз. Это имеет преимущества, рассмотренные выше в отношении отслаивающегося кокса.
Пиролитическая труба может дважды проходить через камеру крекинг-печи, т.е. представляет собой двухпроходную пиролитическую трубу. В этих вариантах реализации изобретения соответствующие проходы могут быть соединены U-образным изгибом. Такое расположение может быть более перспективным для крекинга газообразного сырья, такого как этан и пропан, который требует более длительного времени пребывания, чем крекинг жидкого сырья, такого как керосин и газойль. Например, пиролитическая труба может иметь вход и выход в верхней области камеры, причем поток текучей среды сначала идет вниз при первом проходе, а затем вверх при втором проходе.
В однопроходном устройстве может иметься не кольцевой проточный канал ниже по потоку от кольцевого проточного канала, например, при расположении потока сверху вниз. В двухпроходном устройстве первый проход может содержать кольцевой проточный канал, а второй проход содержать не кольцевой проточный канал.
В вариантах реализации изобретения, в которых пиролитическая труба обеспечивает двойной проход потока через крекинг-печь, пиролитическая труба может содержать расположенную выше по потоку часть в первом проходе и расположенную ниже по потоку часть во втором проходе, и расположенная ниже по потоку часть может по меньшей мере до некоторой степени следовать за расположенной выше по потоку частью по отношению к горелке крекинг-печи. Таким образом, расположенная выше по потоку часть может быть больше подвержена воздействию лучистой энергии, чем расположенная ниже по потоку часть, с тем преимуществом, что энергия, полученная снаружи расположенной ниже по потоку части, является более равномерной. Это может снизить пиковые температуры в стенке пиролитической трубы в указанной расположенной ниже по потоку части и, следовательно, уменьшить тенденцию к приближению пиковой температуры стенки пиролитической трубы к металлургическому пределу. Это может продлить период времени, в течение которого печь может работать между процедурами декоксования.
В вариантах реализации изобретения, в которых ответвления кольцевого проточного канала соединены, они могут выполняться с направлением потока, обычно остающимся неизменным, например, направлением потока вниз. Таким образом, в однопроходном устройстве два ответвления, каждое из которых образует кольцевой проточный канал, могут соединяться у Y-образного соединения, а затем поток может продолжаться в не кольцевом проточном канале в том же направлении, например, вниз.
В альтернативных вариантах реализации изобретения поток текучей среды во множестве ответвлений может быть в целом параллельным и в одном направлении, например, вниз, а направление потока текучей среды в не кольцевом проточном канале ниже по течению от соединения, в котором соединены ответвления, может быть в противоположном направлении, например, вверх. Таким образом, U-образный изгиб может быть выполнен после соединения, или может быть выполнено множество U-образных изгибов, по одному для каждого ответвления, причем соединение выполнено ниже по потоку от U-образных изгибов. В любом случае не кольцевой проточный канал может по меньшей мере до некоторой степени следовать по меньшей мере за одним из вышерасположенных ответвлений относительно горелки крекинг-печи. Таким образом, ответвления с кольцевыми проточными каналами в большей степени подвержены воздействию лучистой энергии, чем выходной не кольцевой проточный канал, с тем преимуществом, что энергия, полученная снаружи нижней части, является более равномерной. Как описано выше, это может снизить пиковые температуры в стенке пиролитической трубы в указанной расположенной ниже по потоку части и, следовательно, уменьшить тенденцию к приближению пиковой температуры стенки пиролитической трубы к металлургическому пределу, продлевая тем самым период времени, в течение которого печь может эксплуатироваться между процедурами декоксования.
Существует несколько вариантов способа подачи тепла в крекинг-печь. По меньшей мере одна горелка может быть выполнена в верхней области камеры печи или в нижней области камеры печи, или в промежуточной области между верхней и нижней частями камеры печи (то есть боковое сжигание), или может иметься любая комбинация вышеуказанного. В случае исключительно верхнего сжигания дымовые или отработанные газы могут течь вниз. В случае комбинации верхнего и бокового сжигания дымовые газы могут течь вниз. В случае исключительно бокового сжигания дымовые газы могут течь вниз или вверх. В случае исключительно нижнего сжигания дымовые газы могут течь вверх. В случае комбинации нижнего и бокового сжигания дымовые газы могут течь вверх.
В некоторых вариантах реализации крекинг-печь содержит по меньшей мере одну горелку в области сжигания крекинг-печи, в которой проходит пиролитическая труба, при этом пиролитическая труба проходит в печи ниже по потоку от области сжигания. В случае печи с верхним сжиганием пиролитическая труба может проходить в печи вниз по потоку и вниз от области сжигания.
Благодаря максимизации теплового потока к расположенной выше по потоку части пиролитической трубы какой-либо кокс более равномерно распределяется по внутренней поверхности трубы, материал трубы используется полностью, а внутренний корпус используется более эффективно. Когда текучая среда поступает в пиролитическую трубу при более низкой температуре, чем на выходе, благодаря наличию области сжигания во расположенной выше по потоку части пиролитической трубы, обеспечивается больший интервал вплоть до максимальной температуры оболочки трубы, что обеспечивает более высокий тепловой поток. Кроме того, если кольцевой проточный канал выполнен во расположенной выше по потоку части пиролитической трубы, когда температура наружной трубы повышается по меньшей мере одной горелкой, тогда лучистая теплопередача от наружной по радиусу стенки к внутреннему корпусу увеличивается. Это улучшает продвижение температуры текучей среды до точки, в которой начинается пиролиз, повышает преобразование реакции пиролиза и увеличивает уровень температуры реакции, улучшая выход продукта, то есть концентрацию в выходящей текучей среде необходимых продуктов реакции.
Пиролитическая труба может проходить вниз от входа в нее. Например, вход в пиролитическую трубу может находиться в верхней части камеры печи, а выход может находиться в нижней части камеры печи. Любой отслаивающийся кокс может падать в трубу в стороне от входного отверстия, поэтому он не блокирует входное отверстие, и может оказаться в месте, где может быстро сгореть во время декоксования.
В случае нисходящего потока текучей среды в пиролитической трубе предпочтительно верхнее и/или боковое сжигание.
Поддержка вращения потока текучей среды может быть дополнительно улучшена за счет внутреннего по радиусу корпуса и/или наружной по радиусу стенки, имеющей по меньшей мере один спиральный выступ, такой как спиральное ребро, выступающее внутрь кольцевого проточного канала. Например, внутренний по радиусу корпус может иметь основную часть, снабженную по меньшей мере одним спиральным выступом, чтобы поддерживать вращение потока текучей среды.
Кольцевой канал может проходить вокруг внутреннего корпуса по существу постоянно и непрерывно. Таким образом, могут отсутствовать какие-либо перегородки или ребра, прерывающие кольцевой канал по мере его прохождения по окружности внутреннего корпуса.
В вариантах реализации изобретения, в которых как внутренний по радиусу корпус, так и наружная по радиусу стенка имеют соответствующие центральные линии, которые проходят по спирали в продольном направлении пиролитической трубы, оси спирального вращения и спиральные центральные линии могут совпадать. Таким образом, спиральные центральные линии могут иметь одинаковый шаг и амплитуду, и могут быть синфазными.
При таком устройстве ширина кольцевого проточного канала, измеренная перпендикулярно продольному направлению пиролитической трубы, будет одинаковой в разных точках окружности вокруг трубы. Эта ширина предпочтительно меньше или равна 50% диаметра наружной по радиусу стенки, более предпочтительно меньше или равна 40%, или 35%, или 30%, или 25% диаметра наружной по радиусу стенки. Предпочтительно, если зазор между внутренним корпусом и наружной по радиусу стенкой выполнен относительно небольшим. Это может снизить температуру наружной по радиусу стенки, поскольку средняя скорость текучей среды для данной скорости потока увеличивается при меньшей радиальной ширине, и соответственно увеличивается теплопередача. Однако перепад давления увеличивается. Следовательно, труба может быть сконструирована таким образом, чтобы она ограничивалась перепадом давления, а не температурой металла трубы. За счет снижения температуры металлической трубы снижается степень ползучести и науглероживания.
Ширина кольцевого проточного канала, измеренная перпендикулярно продольному направлению пиролитической трубы, может изменяться в направлении по окружности трубы. Ширина может увеличиваться в направлении по окружности, от минимума на первой стороне внутреннего корпуса до максимума на второй стороне, диаметрально противоположной первой стороне. Ширина может увеличиваться в направлении по окружности от первой стороны ко второй стороне. Продолжая в том же направлении по окружности, ширина может постепенно уменьшаться от второй стороны к первой стороне.
Изменяющаяся ширина кольцевого проточного канала, измеренная перпендикулярно продольному направлению пиролитической трубы, будет иметь место, например, для пиролитической трубы второго типа, в которой внутренний корпус имеет прямую центральную линию (или центральную линию, изогнутую в одной плоскости), а наружная по радиусу стенка имеет спиральную центральную линию. Это также будет происходить в пиролитической трубе третьего типа, в которой внутренний корпус имеет спиральную центральную линию, а наружная по радиусу стенка имеет центральную линию, которая является прямой (или изогнутой в одной плоскости).
В некоторых вариантах реализации максимальная ширина кольцевого проточного канала, измеренная перпендикулярно продольному направлению пиролитической трубы, меньше, чем диаметр наружной по радиусу трубы, или равна ему, и может быть меньше или равна половине этого диаметра.
Предпочтительно, если внутренний корпус обладает относительно высоким коэффициентом излучения. Фактически это означает, что он имеет матовую поверхность, а не блестящую поверхность. Такая матовая поверхность получается там, где на поверхности образуется слой кокса.
Для удерживания внутреннего корпуса в пиролитической трубе может быть выполнена по меньшей мере одна опора. Могут быть предусмотрены расположенные на расстоянии друг от друга в продольном направлении опоры. Первая указанная опора может быть прикреплена к наружной по радиусу стенке и внутреннему корпусу, а вторая такая опора может содержать по меньшей мере один опорный элемент, прикрепленный к наружной по радиусу стенке и расположенный наружу по радиусу от внутреннего корпуса, но не прикрепленный к нему. Первая опора может нести вес внутреннего корпуса. Вторая опора может помочь в определении местоположения внутреннего корпуса, в то же время, обеспечивая относительное перемещение между наружной по радиусу стенкой и внутренним корпусом. Это предпочтительно в случае отличающихся тепловых перемещений и отличающейся ползучести. Опорный элемент второй опоры может представлять собой кольцо, расположенное наружу по радиусу от внутреннего корпуса, но не прикрепленное к нему. Опорный элемент может быть прикреплен к наружной по радиусу стенке с помощью радиальных ребер, выступающих внутрь по радиусу от наружной стенки к опорному элементу.
Внутренний корпус может быть предохранен от соприкосновения с наружной по радиусу стенкой. Он может удерживаться, как правило, в месте по центру, чтобы обеспечить однородную форму кольцевого проточного канала и относительно равномерное распределение тепла.
Внутренний корпус может быть сплошным или полым.
В некоторых вариантах реализации внутренний корпус представляет собой полый корпус. Он легче по весу, чем сплошной корпус. Кроме того, газ внутри полого корпуса может способствовать передаче тепла от одной части внутреннего корпуса к другой, например, при вертикальной передаче тепла от нижней, более горячей, расположенной ниже по потоку части к верхней, более холодной, расположенной выше по потоку части.
В других вариантах реализации изобретения, например, для внутренних корпусов меньшего диаметра, внутренний корпус может представлять собой сплошной корпус.
Некоторые предпочтительные варианты реализации изобретения будут теперь описаны в качестве примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 представляет схематический вид в продольном разрезе части пиролитической трубы первого типа;
Фиг. 2 представляет поперечный разрез пиролитической трубы, показанной на фиг. 1, по линиям II-II на фиг. 1;
Фиг. 3 представляет схематический вид в продольном разрезе части пиролитической трубы второго типа;
Фиг. 4 представляет поперечный разрез пиролитической трубы, показанной на фиг. 3, по линиям IV-IV на фиг. 3;
Фиг. 5 представляет схематический вид в продольном разрезе части пиролитической трубы третьего типа;
Фиг. 6 представляет поперечный разрез пиролитической трубы, показанной на фиг. 5, по линиям VI-VI на фиг. 5;
Фиг. 7 представляет схематический продольный разрез пиролитической трубы первого типа, показывающий ее полную длину;
Фиг. 8 представляет схематический продольный разрез пиролитической трубы второго типа, показывающий ее полную длину;
Фиг. 9 представляет вид в поперечном разрезе по линиям IX-IX на фиг. 8;
Фиг. 10 представляет вид в поперечном разрезе по линиям Х-Х на фиг. 8;
Фиг. 11 представляет схематический продольный разрез пиролитической трубы третьего типа, показывающий ее полную длину;
Фиг. 12 представляет схематический продольный разрез пиролитической трубы первого типа, показывающий ее полную длину; и модифицированной с включением ребра;
Фиг. 13 представляет схематический продольный разрез пиролитической трубы второго типа, показывающий ее полную длину; и модифицированной с включением ребра;
Фиг. 14 представляет схематический продольный разрез пиролитической трубы третьего типа, показывающий ее полную длину; и модифицированной с включением ребра;
Фиг. 15 представляет схематический вид в продольном разрезе пиролитической трубы второго типа для использования в двухпроходном устройстве, причем пиролитическая труба проходит дважды по длине крекинг-печи;
Фиг. 16 представляет схематический вид в продольном разрезе варианта пиролитической трубы второго типа для использования в двухпроходном устройстве, причем пиролитическая труба проходит дважды по длине крекинг-печи;
Фиг. 17-23 представляют схематические виды в разрезе в вертикальной плоскости крекинг-печей, имеющих пиролитические трубы; и
Фиг. 24-29 представляют схематические продольные разрезы других вариантов пиролитической трубы.
Как показано на фиг. 1 и 2, пиролитическая труба 1 содержит наружную по радиусу трубчатую стенку 2, которая охватывает, проходя по окружности, внутренний корпус 3. Внутренний корпус 3 представляет собой полый корпус и обеспечивает пиролитическую трубу внутренней по радиусу стенкой 4, посредством чего внутренняя по радиусу стенка и наружная по радиусу трубчатая стенка совместно образуют кольцевой проточный канал 5 для потока F текучей среды, которая в этом и других иллюстрируемых и описанных вариантах реализации представляет собой газ. Варианты реализации применимы к крекинг-печам для производства этилена, т.е. печам для этиленового крекинга.
Пиролитическая труба 1 имеет центральную продольную ось 6, которая в этом варианте реализации является прямой, а также может упоминаться как ось вращения по спирали. Центральная продольная ось 6 находится на центральной оси воображаемой цилиндрической оболочки 9, которая содержит «след» пиролитической трубы, если смотреть в продольном направлении. Наружная по радиусу трубчатая стенка 2 имеет центральную линию 7, которая проходит по спиральной траектории вокруг центральной продольной оси 6. Внутренний корпус 3 имеет центральную линию 8, которая проходит по спиральной траектории вокруг центральной продольной оси 6. В этом варианте реализации спиральная центральная линия 7 наружной по радиусу трубчатой стенки 2 и спиральная центральная линия 8 внутреннего корпуса 3 совпадают, т.е. центральные линии имеют одинаковый шаг и амплитуду и находятся в одной фазе друг с другом. Проточный канал 5 представляет собой спирально закрученный кольцевой проточный канал.
Внутренний корпус 3 заключен в воображаемой цилиндрической оболочке 10, которая содержит «след» внутреннего корпуса, если смотреть в продольном направлении. Центральная продольная ось 6 проходит вдоль центральной оси воображаемой цилиндрической оболочки 10.
O
1
O
O
O
Спиральная центральная линия 7, 8 имеет амплитуду А и шаг Р. Внутренний диаметр наружной по радиусу трубчатой стенки 2 показан как D, а наружный диаметр внутреннего корпуса 3 показан как D. В настоящем описании относительная амплитуда спиральной линии рассматривается как амплитуда А спиральной линии, деленная на внутренний диаметр Do наружной по радиусу трубчатой стенки, то есть A/D. Относительный шаг рассматривается как шаг Р, деленный на внутренний диаметр D наружной по радиусу трубчатой стенки, то есть P/D.
Кольцевой проточный канал 5 имеет ширину W в радиальном направлении относительно центральной продольной оси 6. В указанном первом типе пиролитической трубы ширина W является постоянной по всему кольцевому пространству проточного канала 5.
На фиг. 3 и 4 показан второй тип пиролитической трубы 1. Номера позиций, соответствующие тем, которые использованы на фиг. 1 и 2, используются по необходимости. Второй тип отличается от первого типа тем, что внутренний корпус 3 является цилиндрическим, а не имеющим спиральную конфигурацию. Внутренний корпус 3 представляет собой полый корпус и обеспечивает пиролитическую трубу внутренней по радиусу стенкой 4, причем внутренняя по радиусу стенка и наружная по радиусу трубчатая стенка совместно образуют кольцевой проточный канал 5 для потока F газа.
Центральная линия 8 цилиндрического внутреннего корпуса 3 находится на центральной продольной оси 6 пиролитической трубы, которая лежит вдоль центральной оси воображаемой цилиндрической оболочки 9, содержащей наружную по радиусу трубчатую стенку 2, если смотреть в продольном направлении. Таким образом, для указанного второго типа пиролитической трубы внутренний корпус 3 имеет прямую центральную линию 8. В этом случае воображаемая цилиндрическая оболочка 10, которая содержит «след» внутреннего корпуса 3, если смотреть в продольном направлении, соответствует цилиндрической форме  внутреннего корпуса.
Наружная по радиусу трубчатая стенка 2 имеет центральную линию 7, которая является спиральной, и указанная центральная линия имеет амплитуду А и шаг Р.
min
max
min
max
В результате кольцевой проточный канал 5 имеет спиральную конфигурацию. Как очевидно из фиг. 4, на которой показан проточный канал в плоскости, поперечной продольному направлению, проточный канал 5 имеет минимальную ширину W в поперечной плоскости и максимальную ширину W в поперечной плоскости. Положения как минимальной ширины W, так и максимальной ширины W, если смотреть в поперечной плоскости, вращаются вдоль длины пиролитической трубы, т.е. относительно продольного направления. Таким образом, проточный канал 5 представляет собой спирально закрученный кольцевой проточный канал.
O
1
Внутренний диаметр наружной по радиусу трубчатой стенки 2 показан как D, а наружный диаметр внутреннего корпуса 3 показан как D.
На фиг. 5 и 6 показан третий тип пиролитической трубы 1. Номера позиций, соответствующие тем, которые использованы на фиг. 1 и 2, используются на фиг. 5 и 6, по необходимости. Третий тип отличается от первого типа тем, что наружная по радиусу трубчатая стенка 2 является цилиндрической, а не имеющей спиральную конфигурацию. Внутренний корпус 3 представляет собой полый корпус и обеспечивает пиролитическую трубу внутренней по радиусу стенкой 4, причем внутренняя по радиусу стенка и наружная по радиусу трубчатая стенка совместно образуют кольцевой проточный канал 5 для потока F газа.
Центральная продольная ось 6 пиролитической трубы для указанного третьего типа также является центральной линией 7 наружной по радиусу трубчатой стенки 2, если смотреть в продольном направлении. В этом случае воображаемая цилиндрическая оболочка 9, которая содержит «след» пиролитической трубы, если смотреть в продольном направлении, соответствует цилиндрической наружной по радиусу трубчатой стенке 2.
Внутренний корпус 3 является спиральным, и его центральная линия 8 проходит по спиральной траектории вокруг центральной продольной оси 6 пиролитической трубы.
Внутренний корпус 3 заключен в воображаемой цилиндрической оболочке 10, которая содержит «след» внутреннего корпуса, если смотреть в продольном направлении. Центральная продольная ось 6 проходит вдоль центральной оси воображаемой цилиндрической оболочки 10.
Спиральная центральная линия 8 внутреннего корпуса 3 имеет шаг Р и амплитуду А.
min
max
min
max
Таким образом, для указанного третьего типа пиролитической трубы наружная по радиусу трубчатая стенка 2 имеет центральную линию 7, являющуюся прямой, тогда как внутренний корпус 3 имеет центральную линию 8, являющуюся спиральной. В результате кольцевой проточный канал 5 имеет спиральную конфигурацию. Как очевидно из фиг. 6, на которой показан проточный канал в плоскости, поперечной продольному направлению, проточный канал 5 имеет минимальную ширину W в поперечной плоскости и максимальную ширину W в поперечной плоскости. Положения как минимальной ширины W, так и максимальной ширины W, если смотреть в поперечной плоскости, вращаются вдоль длины пиролитической трубы, т.е. относительно продольного направления. Таким образом, проточный канал 5 представляет собой спирально закрученный кольцевой проточный канал.
O
1
Внутренний диаметр наружной по радиусу трубчатой стенки 2 показан как D, а наружный диаметр внутреннего корпуса 3 показан как D.
На фиг 1-6 показаны первый, второй и третий типы пиролитических труб. Наружная по радиусу стенка 2 и/или внутренний корпус 3 могут быть сформированы с помощью экструзии таким образом, что имеют спиральную центральную линию. В этом случае наружная по радиусу стенка 2 и/или внутренний корпус 3 могут быть кольцевыми в плоскости, перпендикулярной оси вращения по спирали, т.е. центральной продольной оси 6. В качестве альтернативы, наружная по радиусу стенка 2 и/или внутренний корпус 3, могут быть сформированы из цилиндрической трубы или стержня, таким образом, что имеют спиральную центральную линию. В этом случае наружная по радиусу стенка 2 и/или внутренний корпус 3 могут быть кольцевыми в плоскости, перпендикулярной спиральной центральной линии 7 и/или 8.
На фиг. 7 показана пиролитическая труба 1 первого типа в том виде, в котором она должна быть установлена в крекинг-печи для обеспечения одиночного прохода через указанную печь. Пиролитическая труба 1 имеет основную часть в форме кольцевой секции 31 с вихревым потоком, которая имеет наружную по радиусу трубчатую стенку 2 и внутренний корпус 3. Поскольку пиролитическая труба относится к первому типу, как наружная по радиусу трубчатая стенка 2, так и внутренний корпус 3 имеют спиральную центральную линию. На верхнем конце пиролитическая труба 1 имеет впускную часть 40, а на нижнем конце она имеет выпускную часть 42. Как впускная часть 40, так и выпускная часть 42 являются цилиндрическими и имеют соответствующие прямые центральные линии. Первая верхняя переходная часть 47 расположена между верхней впускной частью 40 и кольцевой проточной секцией 31, а первая нижняя переходная часть 50 расположена между кольцевой проточной секцией 31 и выпускной частью 42.
На своем нижнем конце первая верхняя переходная часть 47 соединена с наружной по радиусу трубчатой стенкой 2 кольцевой секции 31 с вихревым потоком пиролитической трубы 1. Она обеспечивает переход от верхней впускной части 40 с прямой центральной продольной осью к наружной по радиусу трубчатой стенке 2 со спиральной центральной линией 7 (см. фиг. 1).
Верхний конец первой нижней переходной части 50 соединен с нижним концом наружной по радиусу трубчатой стенки 2 кольцевой секции 31 с вихревым потоком. Таким образом, первая нижняя переходная часть 50 обеспечивает переход от наружной по радиусу трубчатой стенки 2 со спиральной центральной линией 7 к выпускной части 42 с прямой центральной линией.
Внутренний корпус 3 имеет на своем верхнем конце стрельчатую поверхность 60, которая выполнена с возможностью направления потока F, поступающего из первой верхней переходной части 47 в кольцевой проточный канал 5, вокруг наружной части внутреннего корпуса 3 и внутренней части наружной по радиусу трубчатой стенки 2. Как наружная по радиусу трубчатая стенка 2, так и внутренний корпус 3 имеют спиральные центральные линии, которые совпадают.
Внутренний корпус 3 имеет на своем нижнем конце вторую стрельчатую поверхность 60, которая выполнена с возможностью направления потока F, когда он покидает кольцевой проточный канал.
Первое опорное устройство 51 предназначено для удержания внутреннего корпуса 3 у его нижнего конца в наружной по радиусу трубчатой стенке 2. Аналогичное опорное устройство 51 предусмотрено для пиролитической трубы второго типа, показанной на фиг. 8, с деталями в увеличенном виде на фиг. 9 и 10. Опора 61 выполнена в нижней области внутреннего корпуса 3 и состоит из трех расположенных под одинаковыми углами радиальных опорных элементов 75, которые проходят по радиусу между наружной по радиусу трубчатой стенкой 2 и внутренним корпусом 3. Радиальные опорные элементы 75 имеют низкий профиль в продольном направлении, чтобы минимизировать нарушение потока F через пиролитическую трубу 1. Радиальные опорные элементы 75 опоры 61 удерживают внутренний корпус 3 в центральном положении относительно наружной по радиусу трубчатой стенки 2. Опора 61 несет вес внутреннего корпуса 3.
Как показано на фиг. 7, у верхнего конца внутреннего корпуса 3 выполнено второе опорное устройство 52 для удержания внутреннего корпуса 3 по центру наружной по радиусу трубчатой стенки 2. Второе опорное устройство содержит направляющий штырь 68, который выступает вверх, в пространство, образованное по радиусу внутри распорного кольца (не показано). Распорное кольцо поддерживается тремя расположенными под одинаковыми углами радиальными опорными элементами 67, которые выступают радиально внутрь от наружной по радиусу трубчатой стенки 2 к распорному кольцу, и тем самым удерживают его в этом положении. Направляющий штырь 68 свободно удерживается распорным кольцом, так что он остается, как правило, в центральном положении внутри наружной по радиусу трубчатой стенки 2. Относительное тепловое расширение наружной по радиусу трубчатой стенки 2 и внутреннего корпуса 3 обеспечивается за счет свободного удержания, обеспечиваемого распорным кольцом для направляющего штыря 68, в верхней части внутреннего корпуса 3.
На фиг. 8 показана пиролитическая труба 1 на основе второго типа (как показано на фиг. 3 и 4) для использования в качестве однопроходной пиролитической трубы в крекинг-печи. Показанная пиролитическая труба 1 имеет основную часть в форме кольцевой секции 31 с вихревым потоком, которая имеет наружную по радиусу трубчатую стенку 2 со спиральной центральной линией и внутренний корпус 3 с прямой центральной линией.
Первая верхняя переходная часть 47 расположена между верхней впускной частью 40 и кольцевой проточной секцией 31, а первая нижняя переходная часть 50 расположена между кольцевой проточной секцией 31 и выпускной частью 42.
На своем нижнем конце первая верхняя переходная часть 47 соединена с наружной по радиусу трубчатой стенкой 2 кольцевой секции 31 с вихревым потоком пиролитической трубы 1. Она обеспечивает переход от верхней впускной части 40 с прямой центральной продольной осью к наружной по радиусу трубчатой стенке 2 со спиральной центральной линией 7 (см. фиг. 3).
Верхний конец первой нижней переходной части 50 соединен с нижним концом наружной по радиусу трубчатой стенки 2 кольцевой секции 31 с вихревым потоком. Таким образом, первая нижняя переходная часть 50 обеспечивает переход от наружной по радиусу трубчатой стенки 2 со спиральной центральной линией 7 к выпускной части 42 с прямой центральной линией.
Внутренний корпус 3 имеет на своем верхнем конце стрельчатую поверхность 60, которая выполнена с возможностью направления потока F, поступающего из первой верхней переходной части 47 в кольцевой проточный канал 5, вокруг наружной части внутреннего корпуса 3 и внутренней части наружной по радиусу трубчатой стенки 2.
Внутренний корпус 3 имеет на своем нижнем конце вторую стрельчатую поверхность 60, которая выполнена с возможностью направления потока F, когда он покидает кольцевой проточный канал.
Внутренний корпус 3, хотя в этом случае он имеет прямую, а не спиральную центральную линию, поддерживается у нижнего конца аналогично тому, как описано со ссылкой на фиг. 7. Дополнительные детали показаны на фиг. 9. Таким образом, опорное устройство 51 имеет опору 61, выполненную в нижней области внутреннего корпуса 3.
Опора 61 состоит из трех расположенных под одинаковыми углами радиальных опорных элементов 75, которые проходят по радиусу между наружной по радиусу трубчатой стенкой 2 и внутренним корпусом 3. Как показано на фиг. 9, радиальные опорные элементы 75 имеют низкий профиль в продольном направлении, чтобы минимизировать нарушение потока F через пиролитическую трубу 1. Радиальные опорные элементы 75 опоры 61 удерживают внутренний корпус 3 в центральном положении относительно наружной по радиусу трубчатой стенки 2. Опора 61 несет вес внутреннего корпуса 3. Угол 120° между соседними по окружности радиальными опорными элементами 75 показан на фиг. 9.
У верхнего конца внутреннего корпуса 3 выполнено второе опорное устройство 52 для удержания внутреннего корпуса 3 по центру наружной по радиусу трубчатой стенки 2. Второе опорное устройство 52 содержит распорное кольцо 71, которое образует пространство по радиусу внутри него, в которое проходит внутренний корпус 3. Распорное кольцо 71 поддерживается 3-я расположенными под одинаковыми углами радиальными опорными элементами 67, которые выступают радиально внутрь от наружной по радиусу трубчатой стенки 2 к распорному кольцу 71, и тем самым удерживают его в этом положении. Угол 120° между соседними по окружности радиальными опорными элементами 67 показан на фиг. 10.
Внутренний корпус 3 свободно удерживается распорным кольцом 71 и верхней частью внутреннего корпуса, так что оно остается, как правило, в центральном положении внутри наружной по радиусу трубчатой стенки 2. Относительное тепловое расширение наружной по радиусу трубчатой стенки 2 и внутреннего корпуса 3 обеспечивается благодаря свободному удерживанию, обеспечиваемому распорным кольцом 71 для внутреннего корпуса 3 у его верхней части.
На фиг. 11 показана пиролитическая труба 1 на основе третьего типа (как показано на фиг. 5 и 6) для использования в качестве однопроходной пиролитической трубы в крекинг-печи. Показанная пиролитическая труба 1 имеет основную часть в форме кольцевой секции 31 с вихревым потоком, которая имеет наружную по радиусу трубчатую стенку 2 с прямой центральной линией и внутренний корпус 3 со спиральной центральной линией.
Вторая верхняя переходная часть 48 расположена между верхней впускной частью 40 и кольцевой проточной секцией 31, а вторая нижняя переходная часть 53 расположена между кольцевой проточной секцией 31 и выпускной частью 42.
На своем нижнем конце вторая верхняя переходная часть 48 соединена с наружной по радиусу трубчатой стенкой 2 кольцевой секции 31 с вихревым потоком пиролитической трубы 1. Она имеет коническую форму и обеспечивает переход от верхней впускной части 40, которая имеет прямую центральную продольную ось и меньший диаметр, чем у наружной по радиусу трубчатой стенки 2 с прямой центральной линией 7 (см. фиг. 5).
Верхний конец второй нижней переходной части 53 соединен с нижним концом наружной по радиусу трубчатой стенки 2 кольцевой секции 31 с вихревым потоком. Вторая нижняя переходная часть 53 имеет коническую форму и обеспечивает переход от наружной по радиусу трубчатой стенки 2, которая имеет прямую центральную линию 7 и больший диаметр, чем диаметр выпускной части 42 с прямой центральной продольной осью.
Внутренний корпус 3 имеет на своем верхнем конце стрельчатую поверхность 60, которая выполнена с возможностью направления потока F, поступающего из второй верхней переходной части 48 в кольцевой проточный канал 5, вокруг наружной части внутреннего корпуса 3 и внутренней части наружной по радиусу трубчатой стенки 2.
Внутренний корпус 3 имеет на своем нижнем конце вторую стрельчатую поверхность 60, которая выполнена с возможностью направления потока F, когда он покидает кольцевой проточный канал.
Внутренний корпус 3 поддерживается у нижнего конца первым опорным устройством 51, которое является таким же, как описано со ссылкой на фиг. 7. Верхний конец внутреннего корпуса 3 поддерживается вторым опорным устройством 52, которое является таким же, как описано со ссылкой на фиг. 7.
На фиг. 12 показана пиролитическая труба 1 на основе первого типа (как показано на фиг. 1 и 2) для использования в качестве однопроходной пиролитической трубы в крекинг-печи. В этом случае внутренний корпус снабжен спирально изогнутым продольным ребром 66. Спиральное ребро 66 имеет спиральную конфигурацию с тем же направлением вращения, что и спиральная конфигурация внутреннего корпуса 3. Фазы спирального ребра 66, внутреннего корпуса 3 и наружной по радиусу трубчатой стенки 2 совпадают.
На фиг. 13 показана пиролитическая труба 1 на основе второго типа (как показано на фиг. 3 и 4) для использования в качестве однопроходной пиролитической трубы в крекинг-печи. В этом случае цилиндрический внутренний корпус 3 снабжен спирально изогнутым продольным ребром 66. Спиральное ребро 66 имеет спиральную конфигурацию с тем же направлением вращения, что и спиральная конфигурация наружной по радиусу трубчатой стенки 2. Фазы спирального ребра 66 и наружной по радиусу трубчатой стенки 2 совпадают.
На фиг. 14 показана пиролитическая труба 1 на основе третьего типа (как показано на фиг. 5 и 6) для использования в качестве однопроходной пиролитической трубы в крекинг-печи. В этом случае внутренний корпус снабжен спирально изогнутым продольным ребром 66. Спиральное ребро 66 имеет спиральную конфигурацию с тем же направлением вращения, что и спиральная конфигурация внутреннего корпуса 3. Спиральное ребро 66 имеет спиральную конфигурацию, синфазную со спиральной конфигурацией внутреннего корпуса 3.
На фиг. 15 показана пиролитическая труба 1 на основе второго типа (как показано на фиг. 3 и 4) для использования в двухпроходном устройстве, при котором пиролитическая труба проходит дважды по длине крекинг-печи. Пиролитическая труба, как правило, имеет U-образную форму и имеет кольцевую секцию 31 с вихревым потоком в своей расположенной выше по потоку части, т.е. верхнюю по потоку ветвь «U», и секцию 35 с вихревым потоком в своей расположенной ниже по потоку части DP, то есть нижнюю по потоку ветвь «U».
Как и во всех других секциях 35 с вихревым потоком, раскрытых в настоящем документе, секция 31 с вихревым потоком не имеет внутреннего корпуса, и поэтому образованный в ней канал является не кольцевым. Канал имеет в целом круглую форму поперечного сечения.
Поток F газа поступает через прямую впускную часть 40 и выходит через прямую выпускную часть 42. Первая верхняя переходная часть 47 расположена ниже впускной части 40, между впускной частью 40 и кольцевой секцией 31 с вихревым потоком. Третья верхняя переходная часть 49 расположена ниже выпускной части 42, между секцией 35 с вихревым потоком и выпускной частью 42. Третья верхняя переходная часть 49 обеспечивает переход между секцией 35 с вихревым потоком со спиральной центральной линией и выпускной частью 42 с прямой центральной продольной осью.
Первая нижняя переходная часть 50 расположена ниже кольцевой секции 31 с вихревым потоком, между указанной кольцевой секцией с вихревым потоком и первой прямой промежуточной секцией 37. Третья нижняя переходная часть 54 расположена над второй прямой промежуточной секцией 37, между указанной секцией 37 и секцией 35 с вихревым потоком. Третья нижняя переходная часть 54 обеспечивает переход между второй прямой промежуточной секцией 37 с прямой продольной центральной осью и секцией 35 с вихревым потоком со спиральной центральной линией. U-образно изогнутая секция 36 выполнена с возможностью соединения первой и второй прямых промежуточных секций 37.
Кольцевая секция 31 с вихревым потоком содержит внутренний корпус 3, поддерживаемый первым опорным устройством 51 на нижнем конце и вторым опорным устройством 52 на верхнем конце. Конфигурация внутреннего корпуса 3, наружной по радиусу трубы 2, в которой он удерживается, и опорных устройств 51 и 52 такая же, как описанная со ссылкой на фиг. 8, 9 и 10.
На фиг. 16 показана пиролитическая труба 1, аналогичная трубе по фиг. 15, за исключением того, что вместо секции 35 с вихревым потоком, расположенной ниже по потоку от U-образно изогнутой секции 36, имеется традиционная проточная секция 33. Она соединена непосредственно с U-образно изогнутой секцией 36 у нижнего конца и непосредственно с выпускной частью 42 у верхнего конца.
На фиг. 17 показана крекинг-печь 11 с топкой 12 верхнего сжигания, через которую проходит пиролитическая труба 1. В верхней части топки 12 выполнена пара горелок 20 с факелом, направленным вниз. Горелки выполнены с возможностью приема топливовоздушной смеси 21, благодаря чему факел 22 горелки направлен вниз в топку 12. Топка 12 имеет L-образную форму и содержит выпускную часть 24 для дымового газа, через которую, при использовании, дымовой газ 23 выходит из топки.
Пиролитическая труба 1 выполнена с возможностью обеспечения однократного прохода через топку 12. Пиролитическая труба имеет расположенную выше по потоку часть UP (upstream portion) с кольцевой секцией 31 с вихревым потоком и расположенную ниже по потоку часть DP (downstream portion) с секцией 35 с вихревым потоком.
Прямая впускная часть 40 выполнена с возможностью приема потока F газа. Впускная часть 40 соединена с первой верхней переходной частью 47, которая соединена с кольцевой секцией 31 с вихревым потоком в зоне 25 сгорания топки. Промежуточная переходная часть 34 выполнена ниже кольцевой секции 31 с вихревым потоком, между указанной кольцевой секцией с вихревым потоком и секцией 35 с вихревым потоком. Третья нижняя переходная часть 54 выполнена ниже секции 35 с вихревым потоком, между указанной секцией с вихревым потоком и выпускной частью 42.
Кольцевая секция 31 с вихревым потоком имеет конфигурацию, соответствующую пиролитической трубе второго типа, описанной со ссылкой на фиг. 3 и 4. Она имеет цилиндрический внутренний корпус 3, спиральную наружную по радиусу трубчатую стенку 2 и кольцевой проточный канал 5, который представляет собой спирально закрученный кольцевой проточный канал. Дополнительные конструктивные детали кольцевой секции 31 с вихревым потоком, в том числе первое опорное устройство 51 на нижнем конце внутреннего корпуса 3 и второе опорное устройство 52 на верхнем конце внутреннего корпуса, соответствуют тем, которые описаны на фиг. 8, 9 и 10.
Устройство, показанное на фиг. 17, обеспечивает спирально закрученный кольцевой проточный канал выше по потоку от спирального проточного канала.
На фиг. 18 показан другой вариант реализации крекинг-печи, аналогичный печи, показанной на фиг. 17, и поэтому для указания одинаковых элементов используются те же номера позиций. Вариант реализации изобретения, показанный на фиг. 18, содержит крекинг-печь 11 с камерой печи или топкой 12 верхнего сжигания и пиролитической трубой 1, проходящей в однопроходном устройстве для потока F газа. Расположенная выше по потоку часть UP пиролитической трубы 1 выполнена в соответствии со вторым типом пиролитической трубы, имеющей кольцевую секцию 31 с вихревым потоком с цилиндрическим внутренним корпусом 3 и спиральной наружной по радиусу трубчатой стенкой 2, так же, как в варианте реализации изобретения, показанном на фиг. 17. Однако ниже по потоку от расположенной выше по потоку части UP расположенная ниже по потоку часть DP содержит традиционную проточную секцию 33, т.е. ту, которая имеет цилиндрическую наружную по радиусу трубчатую стенку с прямой центральной линией, а не секцию 35 с вихревым потоком, показанную на фиг. 17. Кольцевая секция 31 с вихревым потоком соединена через вторую промежуточную переходную часть 39 с традиционной проточной секцией 33, обеспечивающей переход от спирали к прямой.
Таким образом, в варианте реализации изобретения, показанном на фиг. 18, пиролитическая труба 1 имеет расположенную выше по потоку часть UP с проточным каналом 5, который представляет собой спирально закрученный кольцевой проточный канал, и расположенную ниже по потоку часть DP, которая представляет собой традиционную цилиндрическую проточную секцию, имеющую цилиндрическую наружную по радиусу трубчатую стенку, и выполненную без внутреннего корпуса.
На фиг. 19 показан другой вариант реализации крекинг-печи 11, имеющей топку 12 и однопроходную пиролитическую трубу 1 для потока F газа сверху вниз. Пиролитическая труба 1 имеет ту же конфигурацию, что и показанная на фиг. 17, и поэтому описание этой фигуры применимо к варианту реализации по фиг. 19. Топка, показанная на фиг. 19, имеет горелки 20 с направленным вниз факелом, которые также аналогичны горелкам, показанным на фиг. 17, поэтому их описание также применимо в данном контексте. Различие между вариантом реализации по фиг. 19 и вариантом реализации по фиг. 17 заключается в том, что топка 12 снабжена парой горелок 26 в боковых стенках, каждая из которых предназначена для приема входной топливовоздушной смеси 21 для создания факелов 27.
На фиг. 20 показан другой вариант реализации крекинг-печи 11, в данном случае имеющей топку 12 нижнего сжигания. В нижней части топки 12 выполнена пара горелок 20 с направленным вверх факелом для приема соответствующих потоков топливовоздушной смеси 21. Топка 12 имеет форму перевернутой буквы «L» и имеет выпуск 24 дымового газа для отвода дымового газа 23.
Крекинг-печь, показанная на фиг. 20, снабжена пиролитической трубой 1, имеющей такую же конфигурацию, что и на фиг. 17. Поток F газа проходит через пиролитическую трубу 1 за один проход сверху вниз. Описание пиролитической трубы 1 в отношении фиг. 17 также применимо к пиролитической трубе 1, показанной на фиг. 20.
В случае варианта реализации изобретения, показанного на фиг. 20, зона 25 сгорания находится в нижней части топки 12. Следовательно, при использовании поток F газа проходит из проточного канала 5, который представляет собой спирально закрученный кольцевой канал, расположенный в зоне сгорания топки, в секцию 35 с вихревым потоком (которая не является кольцевой) в зону 25 сгорания топки.
На фиг. 21 показан другой вариант реализации крекинг-печи 11, имеющей топку 12 и пиролитическую трубу 1. Элементы данного варианта реализации изобретения такие же, как и в варианте реализации по фиг. 20, и поэтому описание варианта реализации по фиг. 20 применимо к варианту реализации по фиг. 21. Вариант реализации, показанный на фиг. 21, отличается от варианта реализации по фиг. 20 дополнительным наличием горелок 26 в боковых стенках, в которые подается топливовоздушная смесь 21 для образования факелов 27.
На фиг. 22 показан другой вариант реализации крекинг-печи 11, имеющей топку 12 и пиролитическую трубу 1, проходящую через нее за один проход. Конструкция пиролитической трубы 1 такая же, как показанной на фиг. 17, и поэтому описание на фиг. 17 также применимо к варианту реализации на фиг. 22. Вариант реализации по фиг. 22 отличается от варианта реализации по фиг. 17 тем, что крекинг-печь имеет топку бокового сжигания. В боковых стенках топки 12 предусмотрено множество горелок 26 в боковых стенках, каждая из которых получает входную топливовоздушную смесь 21 для создания факела 27 горения. Горелки в боковых стенках расположены на трех уровнях, при этом верхний уровень расположен вблизи верхней части топки 12, а затем два соответствующих уровня ниже верхнего уровня. Зона сгорания топки 12, таким образом, обычно находится в верхней половине топки, а кольцевая секция 31 с вихревым потоком пиролитической трубы 1 проходит через указанную зону сгорания. Секция 35 с вихревым потоком, которая не имеет кольцевого проточного канала, выполнена ниже по потоку от зоны 25 сгорания.
На фиг. 23 показан другой вариант реализации крекинг-печи 11 с топкой 12 и пиролитической трубой 1. Конструкция пиролитической трубы 1 такая же, как трубы, показанной на фиг. 20, и поэтому описание по этой фигуре также применимо к варианту реализации на фиг. 23. Вариант реализации, показанный на фиг. 23, для выпуска 24 топочного газа для отвода дымового газа 23 такой же, как на фиг. 20, но расположение горелки отличается. На фиг. 23 топка 12 имеет множество горелок 26, установленных сбоку, которые принимают потоки 21 топливовоздушной смеси для образования факелов 27 внутри топки. Горелки 26 в боковых стенках расположены на трех уровнях, при этом нижний уровень расположен вблизи нижней части топки, а затем два уровня выше него. При использовании поток F газа проходит вниз через расположенную выше по потоку часть UP пиролитической трубы 1, где нет зоны сгорания, частично в зону 25 сгорания, причем нижняя часть кольцевой секции 31 с вихревым потоком расположена рядом с верхним уровнем горелок 26 в боковых стенках. Затем поток F продолжается вниз в секцию 35 с вихревым потоком, которая полностью находится в зоне 25 сгорания.
Будет видно, что в вариантах реализации изобретения, показанных на фиг. 15-23, каждый из которых имеет расположенную выше по потоку часть UP, имеющую кольцевую секцию 31 с вихревым потоком, и расположенную ниже по потоку часть DP, имеющую не кольцевую проточную секцию (либо традиционную секцию 33 потока, либо секцию 35 с вихревым потоком), внутренний диаметр наружной по радиусу трубчатой стенки 2 кольцевой проточной секции больше внутреннего диаметра наружной по радиусу стенки 2 не кольцевой проточной секции.
На фиг. 24-29 показаны варианты конструкций пиролитической трубы 1. Во всех этих вариантах пиролитическая труба 1 имеет две расположенные выше по потоку части UP1 и UP2, которые введены в одну расположенную ниже по потоку часть DP. Во всяком случае каждая расположенная выше по потоку часть содержит кольцевую секцию 31 с вихревым потоком. Каждая расположенная ниже по потоку часть содержит либо секцию 35 с вихревым потоком, либо традиционную проточную секцию 33, т.е. такую, которая имеет цилиндрическую наружную по радиусу трубчатую стенку с прямой центральной линией.
Варианты реализации изобретения, показанные на фиг. 24 и 25, предусматривают один проход потока газа F через крекинг-печь. В каждом случае две расположенные выше по потоку части UP1 и UP2 соединены у Y-образной соединительной части 38, в которой отдельные потоки газа в каждой из двух расположенных выше по потоку частей объединяются в единый поток в расположенной ниже по потоку части DP. Каждая расположенная выше по потоку часть выполнена в соответствии с конструкцией пиролитической трубы второго типа и имеет те же характеристики, что и другая. Каждая расположенная выше по потоку часть UP1, UP2 имеет впускную часть 40 вверху, ниже которой первая верхняя переходная часть 47, и ниже которой кольцевая секция 31 с вихревым потоком обеспечивают проточный канал 5, представляющий собой спирально закрученный кольцевой проточный канал. На нижнем конце кольцевая секция 31 с вихревым потоком соединена через вторую промежуточную переходную часть 39 с Y-образной соединительной частью 38, обеспечивающей переход от спирали к прямой.
Конструкция деталей двух расположенных выше по потоку частей UP1 и UP2, которые обеспечивают кольцевой проточный канал 5, соответствует конструкции, описанной со ссылками на фиг. 8, 9 и 10. Цилиндрический внутренний корпус 3 поддерживается внутри спиральной наружной по радиусу трубчатой стенки 2 посредством первого опорного устройства 51 на нижнем конце внутреннего корпуса 3 и второго опорного устройства 52 на верхнем конце внутреннего корпуса. Более подробные сведения, касающиеся опорных устройств, приведены выше в описании фиг. 8, 9 и 10. Элементы расположенной выше по потоку и расположенной ниже по потоку часть частей UP1, UP2 одинаковы в вариантах реализации изобретения, показанных на фиг. 24 и 25. Расположенная ниже по потоку часть DP между указанными двумя вариантами реализации изобретения отличается.
В варианте реализации изобретения, показанном на фиг. 24, расположенная ниже по потоку часть DP имеет спиральную наружную трубу 2, так что обеспечивает секцию 35 с вихревым потоком. Секция 35 с вихревым потоком не имеет внутреннего корпуса, и поэтому образованный в ней канал не является кольцевым. Канал имеет в целом круглую форму поперечного сечения. Третья нижняя переходная часть 54 расположена ниже секции 35 с вихревым потоком, между секцией с вихревым потоком и прямой выпускной частью 42, обеспечивающей переход от спирали к прямой.
В варианте реализации изобретения, показанном на фиг. 25, ниже по потоку от Y-образной соединительной части 38 выполнена традиционная проточная секция 33, а не секция 35 с вихревым потоком, как показано на фиг. 24. Традиционная проточная секция 33 соединена непосредственно с выпускной частью 42.
Варианты реализации изобретения, показанные на фиг. 26, 27, 28 и 29, относятся к пиролитическим трубам, которые обеспечивают двойной проход потока F через крекинг-печь. В каждом случае направление потока изменяется с помощью одного или более U-образных изгибов с направления нисходящего потока в двух расположенных выше по потоку частях UP1 и UP2 на направление восходящего потока в единственной расположенной ниже по потоку части DP. В каждом случае две расположенные выше по потоку части UP1, UP2 имеют кольцевые секции 31 с вихревым потоком с конструкцией пиролитической трубы второго типа. Таким образом, каждая из них имеет цилиндрический внутренний корпус 3, наружную по радиусу трубчатую стенку 2 со спиральной конфигурацией и проточный канал 5, который представляет собой спирально закрученный кольцевой проточный канал.
Что касается варианта реализации, показанного на фиг. 26, две расположенные выше по потоку части UP1, UP2 имеют одинаковую конструкцию, и поэтому будет описана только одна из них. Каждая расположенная выше по потоку часть UP1, UP2 снабжена соответствующей впускной частью 40. Первая верхняя переходная часть 47 расположена ниже впускной части 40 и присоединена к кольцевой секции 31 с вихревым потоком, т.е. к той части пиролитической трубы 1, которая имеет спирально закрученный кольцевой проточный канал 5. На нижнем конце кольцевой секции 31 с вихревым потоком первая нижняя переходная часть 50 соединена с прямой промежуточной секцией 37, которая, в свою очередь, соединена с одной из ветвей U-образно изогнутой секции 36. U-образно изогнутая секция 36 имеет другую ветвь, которая соединена с другой прямой промежуточной секцией 37, и она соединена с Y-образной соединительной частью 38. Над Y-образной соединительной частью 38 выполнена третья промежуточная переходная часть 41, которая соединена с секцией 35 с вихревым потоком расположенной ниже по потоку части DP. Это обеспечивает переход от прямой части Y-образной соединительной части к спиральной секции 35 с вихревым потоком с помощью наружной по радиусу трубчатой стенки 2 со спиральной центральной линией. Третья верхняя переходная часть 49 выполнена между выходным концом секции 35 с вихревым потоком и входным концом выпускной части 42 для обеспечения перехода от спирали к прямой.
В варианте реализации, показанном на фиг. 27, конструкция двух расположенных выше по потоку частей UP1 и UP2, нижних переходных частей 50, прямых промежуточных секций 37, U-образно изогнутых секций 36 и Y-образной соединительной части 38 такая же, как и у эквивалентных элементов варианта реализации, показанного на фиг. 26, и, следовательно, их описание относительно фиг. 26 применимо к фиг. 27. Вариант реализации по фиг. 27 отличается от варианта реализации по фиг. 26 тем, что расположенная ниже по потоку часть DP имеет традиционную проточную секцию 33, а не секцию 35 с вихревым потоком. На входном конце традиционная проточная секция 33 соединена непосредственно с Y-образной соединительной частью 38, а на выходном конце она непосредственно соединена с прямой выпускной частью 42.
Показано, что в вариантах реализации по фиг. 26 и 27 каждая из расположенных выше по потоку частей UP1 и UP2 соединена посредством соответствующей U-образно изогнутой секции 36 с Y-образной соединительной частью 38, в которой объединяются потоки из соответствующих расположенных выше по потоку частей UP1 и UP2. Имеются две U-образно изогнутых секции 36 и ниже по потоку от них одна Y-образная соединительная часть 38.
В пиролитических трубах, показанных на фиг. 26 и 27, расположенная ниже по потоку часть DP расположена между расположенными выше по потоку частями UP1 и UP2. Когда такая пиролитическая труба расположена между горелками в крекинг-печи, например, как показано в любом из устройств, показанных на фиг. 17-23, расположенная ниже по потоку часть DP термически больше защищена от горелок, чем расположенные выше по потоку части UP1 и UP2. Эффект состоит в том, что подводимая теплота из печи является относительно равномерной по окружности части пиролитической трубы, образующей расположенную ниже по потоку часть DP, а не становится большей, когда труба подвергается непосредственному воздействию излучения от горелок, и меньшей в случае отсутствия такого воздействия. Эта конструкция обладает тем преимуществом, что профиль теплового потока, проходящего по радиусу через стенку трубы на расположенной ниже по потоку части, близок к идеальному, и стремится, в целом, к аналогичному профилю по всей окружности трубы. Это уменьшает разницу между пиковым тепловым потоком и средним тепловым потоком, так что разница между пиковой температурой металла трубы и средней температурой металла трубы минимальна, таким образом, увеличивается период эксплуатации пиролитической трубы между операциями декоксования.
Варианты реализации изобретения, показанные на фиг. 28 и 29, аналогичны вариантам, показанным на фиг. 26 и 27, в том, что имеются две расположенные выше по потоку части UP1 и UP2, выходные потоки которых объединяются в одной расположенной ниже по потоку части DP. Однако в случаях этих вариантов реализации изобретения имеется одна U-образно изогнутая секция 36, которая питается от Y-образной соединительной части 38, которая, в свою очередь, питается посредством соответствующих первых нижних переходных частей 50 от двух расположенных выше по потоку частей UP1 и UP2. Кроме того, конструкции двух расположенных выше по потоку частей UP1 и UP2 в вариантах реализации, показанных на фиг. 28 и 29, являются такими же, как конструкции расположенных выше по потоку частей UP1 и UP2 варианта реализации, показанного на фиг. 26, и их описание применимо к вариантам реализации по фиг. 28 и фиг. 29.
В варианте реализации изобретения, показанном на фиг. 28, имеется расположенная ниже по потоку часть DP, содержащая секцию 35 с вихревым потоком, т.е. она имеет наружную по радиусу трубчатую стенку 2 со спиральной центральной линией. U-образно изогнутая секция 36 соединена с прямой промежуточной секцией 37, которая, в свою очередь, соединена с третьей нижней переходной частью 54. Это обеспечивает переход к секции 35 с вихревым потоком.
Вариант реализации изобретения, показанный на фиг. 29, отличается от варианта реализации, показанного на фиг. 28, тем, что расположенная ниже по потоку часть DP представляет собой обычную проточную секцию 33, то есть она имеет цилиндрическую наружную по радиусу трубчатую стенку с прямой центральной линией. Традиционная проточная секция 33 соединена на своем входном конце непосредственно с U-образно изогнутой секцией 36, а на своем выходном конце - непосредственно с прямой выпускной частью 42.
Варианты реализации изобретения, показанные на фиг. 15-29, изображают пиролитические трубы второго типа, но эти пиролитические трубы могут в качестве альтернативы представлять собой первый тип или третий тип. Независимо от того, представляют ли они первый, второй или третий тип, они могут содержать по меньшей мере один спиральный выступ, выступающий внутрь кольцевого проточного канала.
Во всех вариантах реализации, описанных выше, имеется спирально закрученный кольцевой проточный канал, в котором поддерживается вращение газа по мере его прохождения по пиролитической трубе. Поддержка вращения потока газа в кольцевом проточном канале улучшает теплообмен в газе. Вращательный поток может приводить к тому, что газ имеет радиальную составляющую скорости, в дополнение к осевой составляющей скорости, так называемый вихревой поток. Вихревой поток в кольцевом канале улучшает конвективную теплопередачу, а внутренний корпус служит для создания кольцевого проточного канала, поддерживающего вращательный поток. Поскольку конвективная теплопередача улучшена, может быть использован более короткий отрезок пиролитической трубы по сравнению с обычной трубой для достижения той же величины теплопередачи в газе. Это, в свою очередь, обеспечивает достижение малого времени пребывания и улучшение выхода, то есть получение желаемых продуктов крекинга.
Сравнительные примеры
Ссылка дана на статью:
van Goethem, M.W.M. Jelsma, Е., 2014. Numerical and experimental study of enhanced heat transfer and pressure drop for high temperature applications; Chemical Engineering Research and Design 92, 663-671.
Данная статья содержит результаты исследований вычислительной гидродинамики (computational fluid dynamics, CFD), сравнивающие традиционный поток и вихревой поток.
Для настоящего описания, исследование CFD кольцевого вихревого потока было сделано на той же основе. Было проведено сравнение характеристик трех типов пиролитической трубы в крекинг-печи. Результаты показаны в приведенной ниже таблице.
Столбец с заголовком «Традиционный» относится к традиционной пиролитической трубе с прямой центральной линией.
o
o
o
Столбец с заголовком «Вихревой поток», относится к пиролитической трубе типа, известного из документа WO 2010/032024, имеющей спиральную центральную линию и свободный проточный просвет, т.е. не содержит внутреннего корпуса. В этом случае амплитуда А спирали составляла 16,8 мм, а шаг Р составлял 434 мм. Из таблицы видно, что внутренний диаметр D трубы составлял 56 мм. Таким образом, относительная амплитуда спиральной центральной линии составила A/D и была равна 30%. Относительный шаг P/D составлял 7,75.
o
o
Столбец с заголовком «Кольцевой вихревой поток» относится к варианту реализации настоящего изобретения на основе пиролитической трубы третьего типа, в которой внутренний корпус 3 имеет спиральную центральную линию, а наружная по радиусу труба 2 имеет прямую центральную линию. Амплитуда А спиральной центральной линии составляла 23,4 мм, а шаг Р составлял 605 мм. Таким образом, относительная амплитуда A/D составляла 0,3, а относительный шаг P/D составлял 7,75.
Следует заметить, что в ходе исследования определенные параметры были установлены одинаковыми для всех примеров. Таким образом, все пиролитические трубы имели одинаковый массовый расход 500 кг/час. Все трубы имеют такой размер, что имеют одинаковую «нагрузку» 100%. Это означает, что температура наружной поверхности трубы на ее выходе из камеры печи выше, чем средняя температура газа внутри трубы на выходе, на одинаковую величину в каждом примере. Эта разность температур составляла 190°С. Средняя температура газа на входе в пиролитическую трубу и средняя температура газа на выходе также были установлены равными во всех случаях. Таким образом, трубы имеют такие размеры (длину и диаметр (диаметры)), что «нагрузка», то есть разность температур на выходе, как описано выше, является одинаковой в каждом случае.
Все трубы имеют разные фрикционные характеристики. В этом исследовании размеры (длина и диаметр (диаметры)) были скорректированы таким образом, чтобы перепад давления был одинаковым для всех случаев. Тогда можно сказать, что влияние перепада давления на выход одинаково для всех случаев.
В результате получена таблица, в которой показано влияние геометрии пиролитической трубы на длину трубы и время пребывания. Из таблицы видно, что пиролитическая труба со спиральной центральной линией (вихревой поток) приводит к уменьшению длины пиролитической трубы на 72% от длины традиционной пиролитической трубы, и что время пребывания уменьшается на 84% по сравнению со временем пребывания для обычной пиролитической трубы.
Однако пример, использующий вариант реализации настоящего изобретения («кольцевой вихревой поток»), приводит к большему уменьшению этих параметров. Длина сокращена на 46%, со 100% до 54%. Важно заметить, что время пребывания сокращено на 23% со 100% до 77%. Время пребывания является наиболее важным параметром, поскольку он определяет избирательность процесса. Сокращение времени пребывания в тех же условиях температуры и давления приводит к улучшению избирательности по отношению к основным продуктам крекинга, т.е. этилену, пропилену, бутадиену.